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齊博陽，陳冬，王文舉
（南京理工大學能源與動力工程學院，南京210094）
摘要：氣化技術作為固體燃料(如煤和生物質等)清潔利用的重要方式，越來越廣泛地被應用于生產合成氣的工程實踐中。針對煤與生物質在單獨氣化時存在轉換效率低、氣體產物熱值低以及焦油含量高等問題，提出了共氣化技術以改善氣化工藝。文中主要介紹了基于計算流體力學（CFD）的煤與生物質共氣化仿真模擬的研究，論述了兩種固體燃料在單獨氣化和共氣化時的反應機理，并詳細介紹了冷態和熱態流化床共氣化CFD模擬所用到的模型。
目前全球絕大多數能源均由傳統化石燃料所提供。隨著能源需求量的不斷增加，燃料資源總量也在日益減少，同時在煤等燃料的燃燒利用過程中會產生大量的NOx、SO2以及顆粒物等污染物，會對環境造成嚴重的影響[1]。所以，對資源進行更加清潔高效的利用是目前亟待研究和解決的問題。
在現有的能源利用技術中，氣化則被視為傳統能源清潔高效利用的重要方式之一[2]，其中對煤與生物質的氣化研究較為廣泛，此外由于擁有較為適中的溫度、物料粒徑等條件，使得流化床氣化成為活性較高的煤種與生物質等燃料氣化的主要方式。固體燃料流化床氣化示意圖及氣化特點如圖1所示。
在已發展較成熟的燃料單獨氣化技術的基礎上，研究人員提出了煤與生物質的共氣化技術[3]。煤與生物質在共氣化過程中產生了協同作用，彌補了兩種燃料單獨進行氣化過程中的不足，打破了氣化原料選擇的限制，同時還可以提高氣化時碳的反應速率，抑制焦油的生成并減少污染物的排放[4]。所以共氣化技術在將固體燃料轉化為合成氣的同時，提高了能源的利用率，并且減少了一部分化石能源的消耗。由于生物質和煤的氣化需要在900～1000℃的高溫條件下進行，對實驗設備有較高的要求。此外，在對氣化過程進行實驗探究時，耗時較長，危險性也較高。而通過計算流體力學（CFD）等數值模擬的方法則可以使得研究工作的成本較低，能節省更多的時間、人力和物力。
CFD在流化床中的應用主要有三個方面[5]，分別是流化床結構設計與操作條件的優化；模擬流化床冷態氣固兩相流，研究其中顆粒流動的規律；模擬流化床中熱態的化學耦合，建立熱態化學反應模型。李乾軍[6]等人利用ANSYS Fluent軟件分析了壓力對噴動流化床流動特性的影響，發現當噴動風占總風的一半時有助于煤氣化的進行，并且模擬與實驗結果的吻合度較好。鄧中乙[7]等人建立了非穩態三維噴動床煤氣化動力學模型，包含了氣固兩相流、揮發分析出、焦炭氣化反應以及氣相均相反應等子模型，通過與實驗結果對比發現入口中心的床溫最高，而且生成氣體的質量在加壓后有了明顯的提高。GerberS[8]等人建立了二維鼓泡流化床模型，通過模擬木屑的氣化過程發現CO和CO2對熱邊界條件很敏感，同時焦油的產生受氣化時操作條件的影響較大。
1煤與生物質的氣化過程原理及研究
固體燃料氣化過程如圖2所示。煤和生物質等固體燃料氣化過程通常包括預熱、熱解和氣化三個部分，預熱階段主要脫除了水分，而最終產生的合成氣則是由熱解產物通過氣相反應和氣固反應得到的。
1.1煤氣化
煤可以根據揮發分的含量不同分為無煙煤、煙煤和褐煤這幾大類，對于不同種類的煤氣化過程均可分為三個階段[9]，首先是室溫～300℃的干燥階段，此時煤的外形基本不發生變化；然后是300～610℃的熱解階段，此階段會生成大量煤氣和焦油等揮發分；最后是610～970℃的焦炭氣化階段，主要為脫揮發分后的焦炭與CO2的反應階段，即Boudouard反應，反應可用式（1）來表示：
C+CO2→2CO-172kJ/mol（1）
影響煤熱解氣化的主要因素包括煤化程度、粒徑和孔結構分布等原料煤性質，以及升溫速率、壓力和停留時間等外界條件[10]。
劉臻[11]等人利用湍流氣相反應模型，計算了煤氣化過程爐中的溫度場、濃度場以及碳轉化率分布，發現湍流氣相反應模型對于火焰區溫度場和濃度場中的計算影響較大，但是對氣化爐后部的影響較小。秦麗娜[12]等人基于DAEM分布活化能模型建立了熱解反應動力學模型，發現將終溫控制在550℃，升溫速率設為10℃/min有利于揮發分的完全析出。
1.2生物質氣化
生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素以及少量灰分組成，其氣化過程同樣包括三個階段[13]，首先是預熱解階段，在120～200℃時H2O、CO2和CO釋放導致原料重量輕微減少；然后是固體熱解階段，主要發生在300～600℃；最后是焦炭氣化階段，此階段與煤焦氣化類似，屬于典型的氣固反應過程。生物質的氣化過程主要受脫揮發分后生成焦的氣化反應性影響，故氣化過程主要影響因素包括氣化溫度、升溫速率以及氣化劑的種類等。
在生物質氣化的數值模擬方面，李乾軍[14]等人利用基于歐拉多相流的動力學模型并自編了化學反應子模型，從而建立流化床氣化動力學模型對生物質氣化過程進行了模擬，結果與實驗基本吻合，同時發現隨著生物質粒徑的減小，所生成的CO、H2的體積分數以及蒸汽分解率都相應增大。張鵬威[15]等人通過Fluent軟件模擬了生物質-水蒸氣氣化反應，發現隨著溫度的升高碳轉化率和氣體總產率均增大，CO和H2的生成受床層高度影響較大，同時模擬結果可以說明水蒸氣作為氣化介質可以增加H2的產量。
1.3煤與生物質共氣化
由于傳統化石燃料的大量消耗以及利用時產生環境污染，生物質等可再生能源的利用越來越受到重視，但是生物質資源的供給受季節的制約，同時其較低的能量密度以及氣化時生成較多的焦油，這些因素都使得生物質的利用效率較低[16]。因此，基于已有的單獨氣化技術，研究人員提出了煤與生物質共氣化，利用兩種不同燃料間的協同作用來提高能源的利用效率并彌補燃料單獨氣化時的缺陷。
研究人員在共氣化研究中發現，從生物質轉移到煤中的H自由基和OH活性基團，以及生物質中如鉀（K）等堿金屬的催化作用促進了煤的氣化過程，并且提高了合成氣的產量，即生物質與煤之間產生了協同作用[17]。堿金屬的催化機理如式（2）～（4）所示[18]：
M2CO3(s,l)+2C(s)←→2M(g)+3CO(g)（2）
2M(g)+CO2(g)←→M2O(s,l)+CO(g)（3）
M2O(s,l)+CO2(g)←→M2CO3(s,l)（4）
當堿金屬為鉀時，氣化反應中碳表面K+的氧化還原催化反應機理如圖3所示[19]。
PanYG等人[20]發現在生物質與煤進行共氣化時，隨著生物質摻混比例的增加，煤中的碳轉化率以及所生成合成氣的熱值均在增加。Lu等人在研究中發現，煤在與生物質共熱解時揮發分釋放的初始和終了溫度取決于生物質的摻混比例以及煤階。Wang等人[21]發現，當摻混比低于50%時生物質會促進煤的熱解，而當摻混比高于50%時煤與生物質之間的協同作用將會消失。由以上研究可以看出，由于煤和生物質間性質差異較大，故共氣化過程中的影響因素較單獨氣化時更多，如氣化溫度、原料摻混比例、氣化劑種類、生物質種類以及摻混方式都會影響共氣化反應。
在CFD模擬仿真方面，張銳[5]搭建了流化床中的氣化反應動力學模型，通過數值模擬發現，當共氣化中褐煤摻混比增大時，爐膛溫度升高且溫度最大值向著爐膛上方移動，同時合成氣中CO、H2和CH4的濃度下降，而CO2的濃度上升。Armstrong等人將鼓泡流化床中煤和生物質共氣化反應視為非均相反應，并采用脫揮發分模型對煤和生物質的共氣化以及兩種燃料對應的焦之間的共氣化過程進行了模擬，最后將模擬結果與文獻中報道的實驗值進行了比較。何志超[30]利用CFD對木屑與褐煤的共氣化進行了數值模擬，發現當空氣當量比（ER）由0.22上升到0.38時，合成氣中CO、H2和CH4的體積分數減小，但氣體產率和碳轉化率增大，氣化效率則在空氣當量比為0.26時達到最大值。Chen[22]等人同樣通過對煤和生物質的共氣化進行CFD模擬，發現碳的氧化反應在提高反應溫度的同時，也會使燃料顆粒的脈動速度增加，此外生物質顆粒的波動能大于煤顆粒的波動能。
2流化床冷態數值模擬
流化床內物料的流化狀態依賴于氣固兩相流的流動，對兩相流動特性進行研究，可以得到流化床內的壓力分布、顆粒濃度及速度的分布情況，從而確定床內物料的流化狀況。此外，兩相流動對氣化時的氣固反應影響大，它會影響流化床內熱量、動量和質量的傳遞，以及氣化時反應速率的快慢[23]，所以，對流化床內氣固兩相流的模擬研究是流化床氣化模擬的重要部分[24]。在應用CFD對氣固兩相流進行模擬時，模型的精確程度直接影響到數值實驗的成功與否，其中模擬方法主要分為兩大類，分別是雙流體模型（Two Fluid Model,TFM）和離散顆粒模型（Discrete Particle Model,DPM），此外還有在上述兩種模型的基礎上發展出來的小室模型和能量最小多尺度模型等。下面主要介紹雙流體模型和離散顆粒模型。
2.1雙流體模型
雙流體模型是由Gidaspow[25]等人于1986年提出的，在雙流體模型中，顆粒相被處理為類似流體的連續相，即顆粒相被視為與真實流體互相滲透的擬流體，兩相流場則視為兩種不同流體間相互作用和各自運動的整體作用效果[50]。雙流體模型中主要包括了連續流體模型、傳統雙流體模型和基于顆粒動力學理論的歐拉雙流體模型。
Benyahia[26]等人利用雙流體模型對循環流化床上升段中的氣固兩相流進行了模擬，模擬中爐膛在徑向的顆粒濃度和流量與實驗結果相符，同時還發現當流化床底部的密相區中固體空隙率減少時，爐膛內固體顆粒溫度與粘度呈指數上升。Luben[27]等人在雙流體模型的基礎上分別考慮了固相粘性和不同氣固耦合修正模型，通過模擬得出了不同結果，因此他們認為有必要建立一個更加完善的修正模型。Goldschmidt[28]等人采用了雙組分顆粒氣固兩相流模型，模擬了鼓泡流化床中雙組分顆粒的流動特性，發現在考慮了顆粒團間碰撞的能量消耗后模型能夠更加貼近流化床中真實的流動情況。在雙流體模型中，因為將顆粒視為連續介質，所以無法從顆粒尺度上對問題進行解析，所以更適合對宏觀流動進行模擬，同時由于雙流體模型考慮因素較全面且計算量較小，所以更多地被用于實際工程的模擬中。
2.2離散顆粒模型
離散顆粒模型又稱為顆粒軌道模型，不同于根據歐拉坐標系建立的雙流體模型，離散顆粒模型是基于拉格朗日坐標系建立的[29]。此模型中的固體顆粒被視為離散相，通過在拉格朗日坐標系中建立單顆粒的運動方程，進而對大量的顆粒軌跡進行統計分析，最后獲得顆粒群的運動情況即顆粒相流場[30]。
Tanaka[31]等人利用離散顆粒硬球模型模擬了垂直管道中的氣固兩相流動，發現不管爐膛中的顆粒濃度大或小，顆粒間的碰撞都會嚴重影響著顆粒的擴散運動。Hoomans[32]等人同樣采用離散顆粒硬球模型對二維流化床中的氣固兩相流動進行了模擬，研究發現顆粒間的碰撞會嚴重影響爐膛內生成氣泡的形狀。Tsuji[33]等人在1993年提出了適用于二維氣固流化床的離散顆粒軟球模型，成功模擬了流化床內顆粒循環運動和混合的過程，顯著提高了離散顆粒模型模擬的計算能力。由離散顆粒模型的模擬機理可知，該模型可以對顆粒間的相互碰撞進行模擬分析，所以與雙流體模型相比，其更適合從顆粒尺度對氣固兩相流的機理進行探究，但由于需要對大量顆粒軌道進行統計分析，離散顆粒模型的計算量非常大，故其對顆粒的研究規模受到計算機CPU、內存等運算硬件設備的限制，不適宜應用于工程實際中。
3流化床氣化熱態模擬
在冷態模擬的基礎上，氣化熱態模擬中加入了能量等控制方程和化學反應，并選取P1輻射模型，最終將流動、傳熱和化學反應模型進行耦合，從而對共氣化過程進行數值模擬。
3.1模型控制方程
3.2化學反應模型
共氣化過程中包含了眾多復雜的物理和化學過程，為簡化模型便于進行數值模擬，計算中主要考慮揮發分析出、氣相均相反應以及氣固異相反應這三個反應模型。
3.3湍流-氣相反應耦合模型
在燃料氣化的數值模擬過程中，湍流-氣相反應耦合模型反映了湍流和氣相反應間的相互作用及影響，同時決定了模擬的收斂性和最終結果的準確性，是氣化模擬中極為重要的一部分。目前氣化爐中常用的湍流-化學反應耦合模型主要有概率密度函數模型（probability density function，PDF）、渦破裂模型（eddybreakup，EBU）和渦耗散模型（eddydissipation model，EDM），這三類耦合模型在氣化方面的研究概況見表1。
3.3.1概率密度函數模型
概率密度函數（PDF）是一種基于平衡反應和快反應兩種反應假定的模型，可以假定反應速度足夠快，從而使得任一時刻中的氣相均位于化學平衡狀態[11]。Wu[35]等人通過實驗和模擬同樣驗證了當床內溫度和壓力較高時，由于氣相反應速度快使得產生的合成氣在出口時已接近平衡狀態，所以模擬結果和實驗結果吻合度較高。Chen[36]等人利用PDF模型對煤氣化過程進行了模擬，模型對氣化爐中燃燒、液化和氣化區域的氣相組分及溫度預測較為準確，同時也表明了煙氣和湍流對模擬結果的準確性有很大的影響。Sun[37]等人發現隨著氣流速度和床層高度的增加，流化床內氣體運動越來越劇烈，不同氣體流速下產氣體積分數的分布如圖4所示，此外旋渦的小波系數和間歇運動的概率也隨之增加。Bi[38]等人也利用PDF模型模擬了氣化爐中的湍流-氣相反應，通過比較模擬與實驗結果驗證了模型的可靠性，并且發現碳轉化率隨著旋流數的增加而增大。PDF模型與一般的湍流模型相比，可以更加完整、準確地模擬湍流流場，尤其是對于符合其反應假定的射流以及高溫高壓下湍流-反應的模擬，模擬結果均與實驗值有較高的吻合度。
3.3.2渦破裂模型
渦破裂模型（EBU）由Magnussen[39]等人提出，該模型將燃燒速率與旋渦耗散率相結合，用反應物的平均濃度、湍流動能和耗散率來表示反應速率，并且不要求對反應物的波動進行預測。Watanabe[40]等人利用EBU模型對煤氣化進行了模擬，驗證了模型的有效性，并且在改變空氣比的條件下，精確預測了氣體溫度的變化趨勢以及合成氣的組分，日本黑煤氣化過程模擬值與實驗值對比結果如圖5所示，在對日本黑煤的氣化過程進行模擬時，發現模型對CO和CO2體積分數的模擬與實驗結果吻合度較高，而H2體積分數高于實驗值，H2O的體積分數則低于實驗值。Choi[41]等人使用EBU模型模擬了氣化中的非均相反應，得到了氣化爐內的流場、溫度以及物料濃度分布等詳細結果，同樣驗證了EBU模型的可靠性。在EBU模型中，反應平均速度只與低溫反應物和高溫燃燒產物間的湍流混合作用有關，模型可以對反應器中的溫度場、流場以及產物的組分等進行較為準確的模擬。
3.3.3渦耗散模型
在渦耗散模型（EDM）中，湍流氣相反應被視作湍流脈動與化學反應之間相互作用的結果[11]，反應速率受湍流控制，故任一反應均擁有相同的湍流速率，因此EDM模型只適用于總包反應。在對其進行修正后，有限速率/渦耗散模型（fi-nite-rate/EDM）得到了較另兩類模型更為廣泛的應用，它利用湍流脈動和Arrhenius公式來控制反應速率，使得模型可用于計算多步反應[42]。Shi[43]等人采用finite-rate/EDM模型模擬了生物質在流化床中的氣化過程，如圖6所示為水蒸氣與生物質的質量比為1.53時各類氣體體積分數的分布，模擬中H2的體積分數先增加后保持不變，而CO則先減少后維持穩定，且質量比從1.23變化到2.47時H2體積分數為增加趨勢，相反地CO在減少。李巖[42]同樣利用finite-rate/EDM模型對流化床中的煤與生物質共氣化過程進行了模擬，發現提高燃燒室的空氣入口溫度和氣化室的蒸汽入口溫度都有利于氣化反應的進行。流化床共氣化模擬中生物質與煤的摻混比例對溫度場的影響如圖7所示，隨著生物質摻混比例增大，燃燒區的溫度也隨之降低。finite-rate/EDM模型結合了湍流以及動力學因素，提高了其模擬的準確性和可靠性，但該模型只適用于單步反應或雙步反應，適用性仍有一定的限制，但可以與EDM模型形成互補，從而使渦耗散模型可以在更多條件下進行應用。
3.3.4其它模型
除了上述三種主要的耦合模型外，有研究人員還采用渦耗散概念模型（eddy dissipation concept，EDC），雖然其計算精度最高且反應機理也很詳細，但由于計算量很大，故使用并不廣泛。此外還有Flamelet模型以及PDF組分輸運模型（compositon PDF transport）均可用于湍流氣相反應的模擬。Flamelet模型適用于模擬快速反應，并且其不需要大量的網格以及較大的時間步長，故其模擬結果是相對粗糙的。而PDF組分輸運模型對反應流的控制較EDC模型更加嚴格，由于考慮條件更加充分故計算量也更大，所以應用較少。
4結語
煤和生物質共氣化是一種基于燃料單獨氣化技術發展起來的氣化技術，由于在煤與生物之間存在著協同作用，故共氣化可以彌補燃料單獨氣化的缺陷，如轉換率低、產氣熱值低和焦油含量高等，同時還可提高能量的利用效率，減少化石能源的消耗。鑒于共氣化實驗的高溫危險性、耗費時間長以及實驗成本大等特點，基于CFD的數值模擬越來越受到研究人員的重視和青睞，并且為氣化設備和流程的設計以及機理的探究都提供了很大的便利條件。目前，對于氣化模擬中最為重要的湍流-氣相反應耦合模型，主要有概率密度函數模型（PDF）、渦破裂模型（EBU）和渦耗散模型（EDM）這三大類，以及一些應用較少的其它模型。三類主要模型在各自應用范圍內均有較好的表現，而綜合考慮計算量、準確性和適用性，自EDM模型修正而來的有限速率/渦耗散模型（finite-rate/EDM）模型在共氣化方面得到了廣泛的應用。隨著越來越多的氣化模擬模型的開發，煤與生物質共氣化的數值模擬也將會更加貼近真實的反應過程，為共氣化研究提供更加經濟高效的途徑。
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