流化床中生物浆料快速热解过程中流化程度与温度对床层团聚影响的实验与数值模拟研究

为解决生物浆料在流化床快速热解过程中易发生床层团聚的问题，南京工业大学的研究团队通过实验与数值模拟相结合的方法，系统探究了流化气体流量（1.0–3.0 L/min）和热解温度（300–800 °C）对团聚产率的影响。研究发现，最佳流化气体流量为2.0 L/min，过高或过低均会导致局部团聚或流化失效；升高温度可显著降低团聚产率（800 °C时仅9.84%），且焦炭（coke）是主导团聚的关键因素（贡献60–80%）。该研究为生物浆料高效能源化利用提供了重要理论依据。

　　

生物质能源的高效利用是解决化石能源短缺和环境污染问题的关键途径之一。生物浆料（bioslurry）作为生物油（bio-oil）与生物炭（biochar）的混合物，因其高能量密度和稳定性成为固定式设备的理想燃料。然而，在流化床反应器中进行快速热解（fast pyrolysis）时，床层团聚（bed agglomeration）现象会严重阻碍连续化生产。目前，关于流化程度（fluidization degree）和温度如何影响生物浆料热解过程中的团聚机制尚不明确，亟需系统性研究以优化工艺参数。

针对这一科学问题，南京工业大学的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表论文，通过实验与三维计算流体动力学（3D CFD）模拟相结合的方法，揭示了流化气体流量和热解温度对团聚行为的调控规律。研究采用商业松木热解油和木质活性炭制备生物浆料（5%生物炭负载），在定制化流化床反应器中开展实验，结合ANSYS软件构建欧拉-欧拉颗粒模型（Euler-Euler granular model），模拟不同流化状态下的颗粒分布。

关键技术方法
实验采用氩气作为流化气体，通过调节流量（1.0–3.0 L/min）控制流化程度，利用振动筛分和溶剂洗涤（三氯甲烷/甲醇=4:1）量化团聚产率及焦炭/焦油（tar）贡献。数值模拟通过Gidaspow曳力模型分析颗粒相体积分数分布，验证实验观测结果。温度研究范围覆盖300–800 °C，保持气体停留时间约1秒。

流化程度对团聚的影响
当流化气体流量从1.0 L/min增至3.0 L/min时，团聚产率从31.16%升至48.08%。模拟显示，低流量（≤1.5 L/min）导致底部颗粒未流化，而高流量（≥2.5 L/min）引发局部涡流。最优流量为2.0 L/min，此时颗粒分布均匀且焦油产率最低（19.17%）。值得注意的是，>3 mm大团聚体在1.0 L/min时数量少但尺寸大，表明流化不足反而加剧局部粘结。

温度对团聚的调控
温度升高显著抑制团聚，800 °C时产率仅9.84%。焦油产率随温度升高从70.42%（300 °C）降至4.58%（600 °C后稳定），而焦炭产率在400 °C达峰值23.75%。线性回归表明，焦炭对团聚的贡献斜率（R²=0.855）远高于焦油（R²=0.902），证实焦炭是主导因素。

结论与意义
该研究首次阐明生物浆料热解团聚的双重调控机制：流化程度决定颗粒接触效率，而温度通过裂解焦油/焦炭前体减少粘结剂生成。2.0 L/min的流化气体流量和600 °C以上的热解温度可协同优化反应效率。这一发现为流化床设计提供了关键参数，推动生物浆料在清洁能源领域的规模化应用。