撞击式气流床气化炉内颗粒动力学原位研究：反应-流场耦合作用下的动态行为与反应强度关联

针对气流床气化炉内颗粒动态行为与反应过程耦合机制不清的问题，研究人员通过搭建OMB CWS（对置多喷嘴水煤浆）气流床气化中试平台，结合高速成像与改进图像处理技术，首次实现了气化炉深部（高径比1.5）颗粒旋转、挥发分火焰振荡等动态参数的原位捕捉。研究发现颗粒纵横比与速度呈正相关，旋转运动可增强火焰面积与反应强度，为工业气化炉多相热动力学优化提供了关键实验依据。

　　

煤炭气化技术是实现清洁高效利用的重要途径，其中对置多喷嘴（OMB）水煤浆（CWS）气流床气化技术因其大处理量和连续运行优势备受关注。然而，气化炉内颗粒动态行为与化学反应、流场的复杂耦合机制长期缺乏原位研究，尤其是深部区域（高径比>1）的颗粒运动规律尚不明确。现有数值模拟和小型热态实验难以还原实际工况，颗粒旋转、挥发分火焰振荡等微观行为与宏观反应的关联更是研究空白。

针对这些挑战，华东理工大学的研究团队基于OMB CWS气流床气化中试平台，首次通过优化可视化系统实现了气化炉深部（高径比1.5）颗粒动态行为的原位观测。研究采用高速相机（PCO DimaxS4）结合改进的图像处理算法，同步捕捉颗粒形态、运动轨迹与挥发分火焰振荡，并创新性地将颗粒旋转速度与反应强度定量关联。

关键技术包括：1）高时空分辨率成像系统（拍摄频率10 kHz）；2）改进的颗粒追踪算法实现运动-反应参数实时整合；3）基于火焰位置和颗粒轨迹的流场重构技术。研究对象为工业级水煤浆气化过程，成像区域聚焦于撞击流区与活塞流区的过渡带。

颗粒形态与运动特征
研究发现颗粒脱离燃烧器平面后尺寸显著减小，因流场撞击导致耐火墙附着颗粒数量增加。颗粒纵横比集中分布于1.5，且与速度呈正相关。挥发性燃烧阶段，脱挥发分作用使颗粒速度提升，证实反应过程对动力学行为的直接影响。

旋转运动与反应强度关联
通过量化颗粒旋转角速度与火焰振荡幅度，首次揭示旋转速度与火焰面积、反应强度的正相关性。当颗粒运动速度接近气流速率时，旋转对火焰振荡的调制效应尤为显著，这与近场辐射传热增强机制相符。

流场重构与区域特性
基于颗粒轨迹和火焰位置数据，成功再现了撞击流区至活塞流区过渡带的流场结构。该区域颗粒动力学受形态和反应双重调控，为数值模拟提供了关键边界条件验证依据。

研究首次建立了气化炉深部颗粒旋转-火焰振荡-反应强度的定量关系模型，揭示了颗粒非对称结构（如纵横比）通过动力学行为影响反应效率的机制。这不仅为工业气化炉操作参数优化提供了理论支撑，其创新的原位诊断方法更为高温多相流研究树立了新范式。论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，相关技术已获中国国家自然科学基金（U21A20318）等多项资助。