孔大力 王 帥 羅 坤 樊建人

(浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

全球變暖和氣候變化促使人們減少溫室氣體排放，其潛在途徑是減少化石燃料的消耗，發(fā)展替代性的可再生能源。生物質(zhì)由于揮發(fā)分含量高、儲(chǔ)存量廣、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，適合進(jìn)行氣化處理[1]。生物質(zhì)氣化主要在鼓泡流化床(bubbling fluidized bed, BFB)反應(yīng)器中進(jìn)行，其性能高度依賴(lài)反應(yīng)器內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)。因此，深入了解爐內(nèi)現(xiàn)象（如多相流、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)）對(duì)于鼓泡流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。然而，復(fù)雜的熱化學(xué)過(guò)程（如顆粒混合和碰撞、氣泡形成和破碎、相間耦合以及化學(xué)反應(yīng)）使得通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)的生物質(zhì)氣化過(guò)程變得極為困難。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)提供了一種極富前景的替代方案以描述復(fù)雜的稠密氣固反應(yīng)流。現(xiàn)有的CFD方法一般分為兩類(lèi)：歐拉—?dú)W拉方法和歐拉—拉格朗日方法。前者將氣體和顆粒均視為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉框架下進(jìn)行求解。該方法能以較低的計(jì)算成本準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大型設(shè)備中的氣固特性，并在過(guò)去幾十年中被廣泛用于模擬稠密氣固反應(yīng)系統(tǒng)[2-3]。然而，歐拉—?dú)W拉方法無(wú)法解析顆粒的離散特性（如旋轉(zhuǎn)、碰撞、耗散、縮核等），這使得人們無(wú)法獲得稠密氣固流中的微觀尺度信息[4]。歐拉—拉格朗日方法可以很好地解決這一難題。作為此框架下最典型的一種方法，計(jì)算流體力學(xué)—離散單元法(CFD—DEM)將氣相和顆粒相分別視為連續(xù)相和離散相，追蹤每個(gè)顆粒的軌跡和其離散屬性（如粒徑、溫度、組分、密度等）[5]。因此，該方法可以提供顆粒尺度的詳細(xì)信息，例如顆粒間/相間的相互作用、傳熱特性和反應(yīng)特性。

近年來(lái)，CFD—DEM方法逐漸被采用探索流化床反應(yīng)器中的生物質(zhì)氣化特性。Yang等[6]發(fā)現(xiàn)單側(cè)燃料入口會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的非對(duì)稱(chēng)分布，提高溫度、蒸氣/生物質(zhì)比和當(dāng)量比會(huì)增強(qiáng)顆粒受力和顆粒耗散性能。Wang等[7]觀察到生物質(zhì)顆粒在氣化過(guò)程中傾向于遷移并聚集在床層表面，異相反應(yīng)主要發(fā)生在密相區(qū)，而均相反應(yīng)通常發(fā)生在稀相區(qū)。Ku等[8]比較了生物質(zhì)和烘焙生物質(zhì)之間的氣化性能，并表示烘焙生物質(zhì)需要更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。Wang等[5]測(cè)試了接觸和阻力模型對(duì)生物質(zhì)氣化過(guò)程熱化學(xué)結(jié)果的敏感性，證明了使用線性彈簧阻尼接觸模型的計(jì)算效率是使用非線性赫茲接觸模型的6.8倍。綜合來(lái)看，上述研究只關(guān)注了流化床反應(yīng)器內(nèi)的宏觀尺度信息（如流動(dòng)模式、合成氣產(chǎn)量、壓降、碳轉(zhuǎn)化率和氣體組分），而鮮有報(bào)道微觀尺度的顆粒行為（如顆?；旌?、傳熱、傳質(zhì)），這極大地限制了對(duì)生物質(zhì)氣化過(guò)程中氣固流動(dòng)特性和熱化學(xué)特性的理解。

因此，本文發(fā)展了一種考慮顆粒粒徑多分散性和熱化學(xué)效應(yīng)的CFD—DEM模型，在顆粒尺度上研究BFB反應(yīng)器中生物質(zhì)氣化過(guò)程中的氣固流體動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)行為。本文的結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)詳細(xì)介紹了數(shù)學(xué)模型；第2節(jié)給出了模型設(shè)置；第3.1節(jié)從傳熱和熱化學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行了模型驗(yàn)證；第3.2節(jié)展示了氣固流動(dòng)特性；第3.3節(jié)分析了生物質(zhì)顆粒中不同傳熱模式的貢獻(xiàn)以及不同操作參數(shù)下對(duì)四種傳熱模式的影響；第3.4節(jié)給出了氣體產(chǎn)物濃度和反應(yīng)速率的分布，以及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

氣相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分守恒方程分別為

式中，εg，ρg，pg，ug，Tg分別為氣相的空隙率、密度、壓力、速度、溫度；δm˙p表示由異相反應(yīng)引起的氣體種類(lèi)的體積消耗或生成速率；τg為氣相應(yīng)力張量；Cpg和κg分別為氣體比熱容和熱導(dǎo)率；Qgp為氣體和顆粒間的對(duì)流傳熱速率； ΔHrg為反應(yīng)熱；γRg代表氣相的輻射傳熱系數(shù)；TRg為氣相輻射溫度；t為時(shí)間；下標(biāo)g代表氣相，m代表固相；Xn和Dn分別表示第n種氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和擴(kuò)散系數(shù)；Rgn是由均相反應(yīng)引起的質(zhì)量源項(xiàng)。Igm為相間動(dòng)量交換源項(xiàng)，表達(dá)式為

式中，Np為網(wǎng)格c中顆粒總數(shù)，fd,i是氣相對(duì)單個(gè)粒子施加的力，Vc和Vi分別為網(wǎng)格c和顆粒i的體積，xi為顆粒位置。氣相作用力包含了壓力梯度力和曳力，?Pg為壓力梯度力，up為顆粒速度。β為曳力系數(shù)，采用文獻(xiàn)[9]計(jì)算。

固相的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方程為

式中，mp,i，vp,i，ωi和Ii分別為顆粒i的質(zhì)量、平動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。L為接觸點(diǎn)到顆粒質(zhì)心的距離，n為法向單位向量。顆粒受到重力mp,ig，流體作用力fd,i和碰撞接觸力fc,i的作用。k為顆粒i周?chē)鷻z索范圍內(nèi)的顆粒總數(shù)，fct,ij表示顆粒i和顆粒j的切向碰撞力。其中，碰撞接觸力采用基于軟球碰撞框架下的LSD（linear spring-dashpot）模型進(jìn)行計(jì)算，其能在保持計(jì)算精度的前提下大幅提升計(jì)算速度[5]。

1.2 曳力模型

曳力在稠密氣固流動(dòng)的模擬中起著重要作用。在生物質(zhì)氣化過(guò)程中，生物質(zhì)顆粒的性質(zhì)（如顆粒質(zhì)量、粒徑等）會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化。化學(xué)反應(yīng)引起的顆粒質(zhì)量變化導(dǎo)致粒徑分布存在較大差異。在多分散系統(tǒng)中，基于均勻流動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)曳力模型[10-11]往往低估了大顆粒的曳力，高估了小顆粒的曳力[12]。因此，本工作采用了考慮多分散性效應(yīng)的曳力模型[10,12]

式中，c為系統(tǒng)中顆粒的總數(shù)，dp,i為顆粒i的直徑，μg為氣相黏度，Rep為顆粒雷諾數(shù)，Ni表示與顆粒i具有相同大小的粒子數(shù)。

1.3 傳熱模型

顆粒i的能量守恒方程為

其中，Cp,i是顆粒的比熱系數(shù)，Tp,i為顆粒溫度。顆粒通過(guò)以下幾種機(jī)制進(jìn)行傳熱：顆?！?dú)怏w對(duì)流傳熱qgp,i，顆?！w粒傳導(dǎo)傳熱qpp,i，顆?！黧w—顆粒傳導(dǎo)傳熱qpfp,i，輻射傳熱qrad,i和化學(xué)反應(yīng)熱ΔHrs。各種傳熱機(jī)制的計(jì)算公式如下。

其中，Pr為普朗特?cái)?shù)，κp為顆粒的熱導(dǎo)率，Rc,ij為顆粒i和顆粒j接觸區(qū)域的半徑，Rp為顆粒半徑。Rin和Rout為對(duì)流傳熱區(qū)的上下邊界，Tenv為環(huán)境溫度，Tg,Ω為在Ω區(qū)域內(nèi)的氣相溫度，Np,Ω為在Ω區(qū)域內(nèi)的顆粒個(gè)數(shù)。詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

1.4 反應(yīng)模型

顆粒由于熱解和焦炭轉(zhuǎn)化等化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生質(zhì)量損失。顆粒i的質(zhì)量變化表示為

其中，Rsn,i為生物質(zhì)顆粒中各個(gè)組分的質(zhì)量變化，Ns為生物質(zhì)顆粒中的組分個(gè)數(shù)。

采用粒徑轉(zhuǎn)化模型描述顆粒質(zhì)量損失過(guò)程中的粒徑變化，在反應(yīng)過(guò)程中，顆粒密度不變，而粒徑隨著顆粒質(zhì)量的變化而減小，表示為[14-15]

其中，ρp,i為生物質(zhì)顆粒密度。

生物質(zhì)進(jìn)入流化床后熱解生成固定碳、可燃性氣體和焦油，隨后焦油迅速熱解。由于水蒸氣的催化重整及高溫狀態(tài)作用加強(qiáng)了焦油熱解反應(yīng)程度，使得在生物質(zhì)熱解釋放的大部分焦油充分裂解，生成可燃性氣體。生物質(zhì)的熱解過(guò)程表示為

式中，系數(shù)αi根據(jù)生物質(zhì)的元素分析和工業(yè)分析進(jìn)行確定。由于生物質(zhì)中的N元素和S元素含量非常低，此處不予考慮。采用基于單步的阿雷尼烏斯定律計(jì)算熱解反應(yīng)速率，表示為[16]

其中，mvolatiles為生物質(zhì)中揮發(fā)分的質(zhì)量，R為理想氣體常數(shù)，Tp表示顆粒溫度。

熱解后，生物質(zhì)顆粒中殘留的焦炭與H2O和CO2反應(yīng)生成CO和H2。除了與煤焦氣化有關(guān)的異相反應(yīng)外，反應(yīng)器中還有均相反應(yīng)，包括水煤氣變換反應(yīng)和甲烷氣化反應(yīng)[17-20]。焦炭和H2O及CO2發(fā)生異相反應(yīng)（R1和R2）

其中，R1和R2的反應(yīng)速率可以表示為

其中，對(duì)于R1和R2，指前因子（An）分別為45.6 s/(m·K)和 8.3 s/(m·K)，活化能（En）均為4.37×107J/kmol。rkin,n和rdiff,n分別為動(dòng)力學(xué)速率和擴(kuò)散速率。Cn為常數(shù)5.0×10—12s/K0.75。Ap為顆粒的表面積，Pgn為氣體分壓，Tg為氣體溫度。

氣體間會(huì)發(fā)生均相反應(yīng)

其中，R3和R4的反應(yīng)速率可以表示為

式中，[gas]表示氣體濃度，R4為可逆反應(yīng)。

1.5 數(shù)值格式

在每個(gè)流體時(shí)間步，根據(jù)顆粒初始信息（如位置、速度、加速度、溫度以及組分）計(jì)算氣固相互作用源項(xiàng)，從而求解流體守恒方程。得到每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的流場(chǎng)信息，然后根據(jù)顆粒時(shí)間步長(zhǎng)通過(guò)一階顯式積分獲取更新后的顆粒信息。再將這些顆粒信息反饋給網(wǎng)格進(jìn)行下一輪的迭代求解。流體速度和壓力耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行處理。流體相時(shí)間步長(zhǎng)為1×10—5s，顆粒相時(shí)間步長(zhǎng)為最小碰撞時(shí)長(zhǎng)的1/50[21]。

2 模擬工況

模擬對(duì)象為一個(gè)BFB，如圖1所示，其寬度（X）、厚度（Z）、高度（Y）分別為1 500 mm，230 mm，4.5 mm。在X，Y，Z三個(gè)方向劃分網(wǎng)格為46，200，1，平均網(wǎng)格尺寸為4.5 ～ 7.5 mm。對(duì)于速度，入口設(shè)置為均勻流量入口邊界條件，出口設(shè)置為零速度梯度邊界條件，壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件；對(duì)于壓強(qiáng)，入口和壁面設(shè)置為零壓力梯度邊界條件，出口設(shè)置為恒定壓力邊界條件（101 325 Pa）；對(duì)于溫度，入口和出口設(shè)置為零溫度梯度邊界條件，壁面設(shè)置為等溫邊界條件。床料和生物質(zhì)粒徑均假設(shè)為1.5 mm，則網(wǎng)格和粒徑比值符合CFD—DEM計(jì)算的要求[22]。初始時(shí)刻，床料顆粒堆積在BFB下部，堆積高度為350 mm，床料顆粒數(shù)為27 045個(gè)。生物質(zhì)顆粒以恒定質(zhì)量流速?gòu)牡撞窟M(jìn)入反應(yīng)器。模擬工況及氣固參數(shù)列于表1。生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析列于表2中。

圖1 BFB幾何尺寸（單位：mm）Fig.1 Geometric dimensions of BFB (unit: mm)

表1 模擬參數(shù)Table 1 Operating parameters

表2 生物質(zhì)的元素分析及工業(yè)分析Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of biomass

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

在流化床內(nèi)稠密氣固流動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，CFD—DEM方法已經(jīng)獲得了廣泛的驗(yàn)證[23]。本文針對(duì)流化床內(nèi)顆粒冷卻過(guò)程和流化床內(nèi)生物質(zhì)氣化過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，檢驗(yàn)了傳熱和化學(xué)反應(yīng)模塊的可靠性。

傳熱驗(yàn)證參考由Patil等[24]開(kāi)展的顆粒冷卻實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，圖中，dp表示顆粒粒徑，m表示顆?？傎|(zhì)量，Ubg表示進(jìn)氣速度，exp為實(shí)驗(yàn)值，sim為模擬值。 總質(zhì)量為125 g，粒徑為1.0 mm的顆粒堆積于寬、厚、高為80 mm，15 mm，250 mm的床體下部。床體和顆粒的初始溫度為90℃。將20℃的氣體以1.2 m/s和1.54 m/s的速度從底部引入床體冷卻顆粒。具體的氣固物性參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。模擬所得的平均顆粒溫度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明模型可以用來(lái)準(zhǔn)確描述流化床內(nèi)顆粒傳熱過(guò)程。

圖2 平均顆粒溫度對(duì)比Fig.2 Comparison of average particle temperature

在對(duì)流體力學(xué)和傳熱進(jìn)行驗(yàn)證后，對(duì)化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3顯示了BFB出口處氣體組分瞬時(shí)質(zhì)量流率的時(shí)間演化曲線。圖中Tbed表示操作溫度，S/B表示蒸氣—生物質(zhì)比。當(dāng)流態(tài)化氣體從底部分配器進(jìn)入BFB時(shí)，N2首先從出口逸出，然后是H2O。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其他四種氣體（即H2，CH4，CO，CO2）在約0.6 s時(shí)逸出出口。在約5 s時(shí)，所有氣體組分的質(zhì)量流量隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，表明系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因此，采用5 s后的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)樣本，計(jì)算時(shí)間平均結(jié)果，以避免啟動(dòng)過(guò)程的影響。

如圖3所示，H2和CO的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[26]吻合良好，而CO2和CH4的預(yù)測(cè)結(jié)果略有差異。在生物質(zhì)氣化過(guò)程中，存在數(shù)百個(gè)均相和異相反應(yīng)（例如干燥、熱解和氣化），在模型中實(shí)現(xiàn)此類(lèi)復(fù)雜反應(yīng)是不切實(shí)際的。因此，化學(xué)反應(yīng)被簡(jiǎn)化為幾個(gè)整體反應(yīng)。此外，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，根據(jù)不同的文獻(xiàn)[27-29]，化學(xué)反應(yīng)速率具有不同的值。數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異是不可避免的，但差異在可接受的范圍內(nèi)。因此，本模型能夠可靠地預(yù)測(cè)BFB反應(yīng)器中生物質(zhì)氣化過(guò)程的熱化學(xué)性質(zhì)。

圖3 出口氣體組分流量隨時(shí)間變化及模型驗(yàn)證Fig.3 Time-evolution of outlet gas flow rate and model validation

3.2 氣固流態(tài)

圖4顯示了反應(yīng)器內(nèi)氣固流態(tài)達(dá)穩(wěn)定后隨時(shí)間的演變。如圖所示，小氣泡在反應(yīng)器底部不斷生成，在氣泡上升過(guò)程中，氣泡不斷合并，顆粒被氣泡裹挾，在反應(yīng)器內(nèi)做混沌運(yùn)動(dòng)。在床層表面，氣泡破裂，大量顆粒被拋灑至稀相區(qū)，隨后沿著壁面下落。氣泡動(dòng)力學(xué)（如形成、上升、合并、噴發(fā)）引起粒子的混沌運(yùn)動(dòng)，加劇了氣體—顆粒/顆?！w粒的混合，顯著增強(qiáng)了傳熱過(guò)程，決定了床中的流動(dòng)狀態(tài)和流化質(zhì)量。

圖4 不同時(shí)刻顆粒運(yùn)動(dòng)及氣泡演變 （EP_G：空隙率， Usy：顆粒垂直方向速度）Fig.4 Time-evolution of motions of particles and bubbles (EP_G: porosity, Usy: particle vertical velocity)

3.3 傳熱占比

良好的混合和傳熱性能是BFB反應(yīng)器的顯著優(yōu)勢(shì)。具體而言，傳熱影響化學(xué)反應(yīng)速率，并影響最終氣體產(chǎn)物的質(zhì)量。因此，研究BFB反應(yīng)器內(nèi)的傳熱機(jī)理具有重要意義。有四種傳熱模式，包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和反應(yīng)熱。目前，對(duì)生物質(zhì)氣化過(guò)程中BFB中傳熱機(jī)理的探索鮮有報(bào)道。

圖5給出了生物質(zhì)顆粒四種傳熱模式占比的時(shí)間演化曲線（conductive, convective, radia-tive, reactive 分別表示傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射，反應(yīng)傳熱模式）。在5～10 s內(nèi)，對(duì)反應(yīng)器中所有生物質(zhì)顆粒的傳熱速率進(jìn)行平均。在初始階段，傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射產(chǎn)生的熱量出現(xiàn)峰值，隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸降低，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而反應(yīng)熱的啟動(dòng)滯后于其他三種傳熱模式。這表明低溫生物質(zhì)顆粒進(jìn)入反應(yīng)器后經(jīng)歷快速加熱過(guò)程，達(dá)到所需活化能后開(kāi)始化學(xué)反應(yīng)。在達(dá)到平衡狀態(tài)后，傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和反應(yīng)傳熱模式下的顆粒平均傳熱速率分別為0.013 W，0.106 W，0.05 W和0.041 W，這四種傳熱模式分別占總傳熱速率的6.2%，50.48%，23.81%和19.52%。因此，在生物質(zhì)顆粒的傳熱過(guò)程中，對(duì)流傳熱占主導(dǎo)地位，其次是輻射傳熱和反應(yīng)傳熱。傳導(dǎo)傳熱所占比例最小。在BFB反應(yīng)器中，導(dǎo)熱發(fā)生在顆粒碰撞過(guò)程中。顆粒間的碰撞是隨機(jī)的、不連續(xù)的，這導(dǎo)致系統(tǒng)中的所有顆粒不能同時(shí)發(fā)生傳導(dǎo)傳熱模式，從而傳導(dǎo)傳熱模式產(chǎn)生的總熱量是所有傳熱模式中最小的。

圖5 不同傳熱模式下生物質(zhì)顆粒傳熱速率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Time-evolution of heat transfer rate of biomass with different heat transfer modes

圖6顯示了不同操作溫度和生物質(zhì)/水蒸氣比對(duì)不同傳熱模式貢獻(xiàn)占比的影響。操作溫度的升高導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒和氣體/沙子顆粒之間的溫差增大，從而使得傳熱過(guò)程更為劇烈。較高的溫度促進(jìn)吸熱反應(yīng)并增加反應(yīng)消耗的熱量。增加S/B會(huì)增加四種傳熱模式產(chǎn)生的熱量。較大的S/B會(huì)增加H2O的濃度并促進(jìn)氣化反應(yīng)（即R1，R3和R4），因此在反應(yīng)過(guò)程中消耗更多的熱量。隨著S/B的增加，生物質(zhì)溫度降低，生物質(zhì)顆粒與操作溫度之間的溫差增大，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳熱模式產(chǎn)生的熱量增加。

圖6 不同工況下生物質(zhì)顆粒不同傳熱機(jī)制占比Fig.6 Heat transfer contribution of different heat transfer modes under different operating parameters

3.4 反應(yīng)特性

圖7和圖8給出了反應(yīng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后反應(yīng)器內(nèi)時(shí)間平均反應(yīng)速率和氣體產(chǎn)物的分布。圖中*_rates和x_*分別表示各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率以及各個(gè)氣體組分的濃度。生物質(zhì)顆粒進(jìn)入反應(yīng)器后，在高溫的密相區(qū)迅速發(fā)生熱解反應(yīng)，對(duì)應(yīng)于高熱解速率（見(jiàn)圖7(a)）。此外，密相區(qū)中部的熱解速率遠(yuǎn)高于近壁區(qū)。在稀相區(qū)，熱解速率幾乎為零，表明生物質(zhì)熱解過(guò)程主要在密相區(qū)域完成。異相反應(yīng)速率的分布與均相反應(yīng)速率的分布有很大不同。異相反應(yīng)（如R1，R2）主要發(fā)生在反應(yīng)器的密相區(qū)。近壁區(qū)較高的反應(yīng)速率表明此處的焦炭濃度較高。均相反應(yīng)速率的分布與氣體產(chǎn)物組分（如CO，CH4）的分布一致。床面附近存在較高的均相反應(yīng)速率，表明均相反應(yīng)主要發(fā)生在該區(qū)域，這與前人的研究結(jié)果一致[13]。高氣體濃度對(duì)應(yīng)于高均相反應(yīng)速率。CH4，CO和H2主要由熱解過(guò)程產(chǎn)生，這三種氣體的分布大致相同。CO2主要分布在反應(yīng)器上部，其分布趨勢(shì)與H2O的分布趨勢(shì)相反，說(shuō)明CO2主要來(lái)源于水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)。

圖7 反應(yīng)速率的時(shí)間平均空間分布Fig.7 Time-averaged spatial distribution of reaction rate

圖8 氣體產(chǎn)物組分的時(shí)間平均空間分布Fig.8 Time-averaged spatial distribution of gas product components

圖9給出了不同操作參數(shù)下BFB反應(yīng)器出口處的氣體產(chǎn)物占比。隨著工作溫度的升高，H2和CO濃度升高，CO2和CH4濃度降低。由于生物質(zhì)氣化過(guò)程中的吸熱反應(yīng)，提高操作溫度可提高反應(yīng)速率。具體而言，對(duì)于可逆反應(yīng)（即R4），增加操作溫度可促進(jìn)正反應(yīng)。在較高溫度下，R1，R3和R4反應(yīng)增加H2濃度而減少CH4濃度。高溫促進(jìn)焦炭轉(zhuǎn)化會(huì)導(dǎo)致CO2消耗量和CO產(chǎn)量的增加。隨著S/B的增加，BFB中H2O的濃度增加，促進(jìn)了氣化反應(yīng)（R1和R3）以及R4向正向進(jìn)行，導(dǎo)致CO和CH4的消耗增加以及CO2和H2的產(chǎn)量增加。

圖9 不同工況下氣體產(chǎn)物濃度對(duì)比Fig.9 Concentration of gas products components with different operating parameters

4 結(jié)論

本文發(fā)展了一種考慮顆粒粒徑多分散性和熱化學(xué)效應(yīng)的CFD—DEM模型，在顆粒尺度上研究了BFB反應(yīng)器中生物質(zhì)氣化過(guò)程。對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)、不同傳熱模式及反應(yīng)特性進(jìn)行了綜合探討，揭示了操作參數(shù)對(duì)顆粒熱物理行為的影響，結(jié)論如下。

（1）氣泡動(dòng)力學(xué)對(duì)流態(tài)演變起著至關(guān)重要的作用。在反應(yīng)器底部，顆粒被氣泡帶著向上移動(dòng)，在床層表面氣泡破裂，大量顆粒被拋灑至稀相區(qū)。

（2）反應(yīng)傳熱的啟動(dòng)滯后于其他三種傳熱模式。在生物質(zhì)顆粒的傳熱過(guò)程中，對(duì)流傳熱占主導(dǎo)地位，其次是輻射傳熱和反應(yīng)傳熱，而傳導(dǎo)傳熱所占比例最小。提高工作溫度和生物質(zhì)/水蒸氣比可促進(jìn)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和反應(yīng)傳熱。

（3）生物質(zhì)顆粒集中在密相區(qū)發(fā)生熱解。異相反應(yīng)主要發(fā)生在床層的密相區(qū)，近壁區(qū)反應(yīng)速率較高，表明此處的焦炭濃度較高。均相反應(yīng)主要發(fā)生在稀相區(qū)，速率分布與主要?dú)怏w產(chǎn)物組分濃度分布一致。