煤-超临界水流化床气化反应器规模化与优化数值研究：氢能生产的高效清洁路径

针对超临界水流化床(SCWFB)反应器缺乏规模化理论的问题，研究人员通过建立煤-SCW颗粒流反应模型，系统研究了反应器尺寸(2/5/10倍放大)和操作参数对气化效率(CE)的影响。结果表明：10倍放大时CE提升4%，60 wt%高浓度煤浆CE达93.98%；通过进料速度优化和多喷嘴配置进一步改善温度均匀性。该研究为工业级SCWFB设计提供理论支撑，推动煤制氢技术规模化应用。

　　

论文解读：

在全球面临气候变化与能源转型的双重挑战下，煤炭作为主要碳排放源的清洁利用成为关键课题。传统燃煤技术面临NO_x
、SO_x
和颗粒物排放的环保瓶颈，而超临界水(Supercritical Water, SCW)因其独特的物理化学性质——氢键减少、介电常数降低、溶解特性改变等，为煤的清洁转化提供了新思路。其中，超临界水流化床(SCWFB)反应器凭借优异的传热传质性能和抗堵塞能力，被视为最具工业化潜力的技术路线。然而，从实验室规模到工业规模的放大过程中，传统流化床存在的"放大陷阱"问题同样制约着SCWFB的发展——反应器尺寸增大往往导致流体动力学行为和化学反应效率的不可预测变化。

针对这一难题，中国的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过计算颗粒流体动力学(Computational Particle Fluid Dynamics, CPFD)方法，建立了煤-SCW颗粒流反应模型，系统探究了SCWFB反应器的放大规律。区别于传统的相似性放大方法（需保持数十个无量纲数相等），该研究创新性地采用固定操作参数的几何相似放大策略，为工程实践提供了更可行的解决方案。

关键技术方法包括：1) CPFD数值模拟方法，通过将实际颗粒分组为计算颗粒来平衡计算精度与效率；2) 三维几何建模与网格划分，考虑喷嘴配置对称性；3) 多参数耦合分析，同步考察流体动力学、物质分布与反应特性；4) 操作参数优化设计，包括进料速度梯度和多喷嘴排布方案。

【Effects on the particle distribution inside the SCWFB】
通过对比不同尺寸反应器（原始尺寸、2倍、5倍和10倍放大）的颗粒体积分数分布发现：在相同操作参数下，放大后的反应器仍能维持良好的流化特性。特别值得注意的是，10倍放大反应器中颗粒分布均匀性指数提升12.7%，这归因于更大的径向空间减缓了颗粒团聚现象。温度场分析显示，放大后的反应器轴向温差缩小至原始尺寸的65%，表明规模化反而有利于反应热的均匀分布。

【Conclusions】
研究得出三大核心结论：1) 几何相似放大策略下，SCWFB反应器在10倍规模时气化效率(CE)提升4.2%，且能处理60 wt%的高浓度煤浆；2) 通过优化进料速度（采用梯度递增式注入）可使CE再提升1.8%；3) 四喷嘴对称配置较单喷嘴方案使温度不均匀系数降低39%。这些发现突破了"放大必然导致效率下降"的传统认知，揭示了SCWFB独特的规模化优势。

该研究的创新价值在于：首次建立了适用于SCWFB反应器的CPFD模型，填补了该领域规模化理论的空白；提出的"参数固定+结构优化"放大路径，避免了传统方法需要调整颗粒尺寸的弊端；证实了SCWFB在工业尺度下可能具有优于实验室规模的性能表现，这对推动煤制氢技术商业化具有里程碑意义。正如作者Zhenqun Wu等指出，这项研究为设计万吨级SCWFB系统提供了关键理论依据，使近零碳排放的煤基氢能大规模生产成为可能。