生物质流化床气化炉内介尺度结构和气化性能的研究

The investigation of mesoscale structure (particle cluster) in fluidized beds has been a hot and difficult topic for the past many years in the process industry. Using both the experimental measurements and the Eulerian-Lagrangian CFD model for multiphase reactive systems already developed by the applicants, this project will focus on the renewable energy resource (biomass) and explore the formation mechanism and evolution behavior of mesoscale structure in a biomass fluidized bed gasifier. Compared to the previous works, the project has the following features and innovations: (i) studying the mesoscale structure in a high-temperature and reactive reactor which is more similar to the real system in the energy industry, whereas the earlier studies mostly chose the cold, isothermal and non-reactive system, (ii) a systematic analysis of effect of the particle size distributions (polydispersity), whereas the monodisperse particles have been exclusively adopted before, (iii) an exploration of the influences of the continuous feeding process and the feed locations, in which the number of particles in the system is dynamically changed and is not confined to the isolated particle system used before. Meanwhile, this project will also reveal the impact of particle cluster on the fuel motion, transfer process and reactive characteristics, as well as its coupling with the biomass gasification performance. The results obtained will help optimize the process parameters and can be beneficial to the industrial companies.

流化床内介尺度结构（颗粒聚团）的研究多年来一直是过程工业界的热点和难点。本项目以可再生的生物质新能源为研究对象，以实验测量和项目组开发的用于多相反应系统的欧拉-拉格朗日CFD代码为研究手段，探索生物质流化床气化过程中介尺度结构的形成机理及其随时间的演化规律。与以往的研究相比，本项目有如下的特色和创新之处：1、将研究高温反应器内的介尺度结构，其高温、有反应的特性与实际的能源过程工业更贴近，而以往的研究大多集中于冷态、恒温和无反应情况下的颗粒系统；2、考虑颗粒的粒径尺寸分布（多分散性），而不再局限于以往的均一粒径颗粒系统；3、考虑燃料颗粒的连续进料过程和进料位置的影响，系统内的颗粒数目是动态变化的，不再局限于数目不变的孤立颗粒系统。同时，还将揭示颗粒聚团对生物质燃料的运动、传递和反应特性的影响规律，并分析颗粒聚团和生物质流化床气化性能的耦合关系，以期给出优化的操作参数范围，服务于生产实际。

本项目以可再生的生物质新能源为研究对象，以实验测量和欧拉-拉格朗日CFD代码为研究手段，研究了不同属性生物质燃料（如原始和烘焙生物质、不同水分和挥发分含量生物质）、颗粒尺寸和形状、生物质连续进料和进料位置等对生物质流化床热解/气化过程中颗粒运动、聚团和气化性能的影响，发现颗粒易于在进料位置处聚集，烘焙生物质的气化特性比原始燃料更依赖于生物质进料位置；探索了不同操作条件（如气化温度、气化剂种类、过量空气比、蒸汽添加等）的影响；开发了介于颗粒尺度和颗粒内部微孔尺度的亚颗粒模型，详细揭示了生物质颗粒热化学转化时颗粒内外的传质传热和结构演化，发现增加比表面积、来流速度、颗粒长宽比将降低颗粒内部温度梯度；归纳了生物质等重颗粒在涡流场中的5种颗粒聚团模式，标定了不同聚团形态间过渡的临界参数值；实验测量了木质和海藻类生物质的反应动力学参数，并在流化床反应器中，实验研究了生物质颗粒大小、颗粒群质量和颗粒形状（用球形度定义）对其流化特性和床压降的影响规律。系列成果发表于CES、I&ECR、CNF、E&F、IJMF等化工、能源和多相流领域的一流期刊，加深了对生物质流化床气化过程中颗粒分布和气化特性的理解和认识，并为优化过程控制提供了指导意见。