涡旋式下行热解反应器内高密度螺旋颗粒带的CFD-DEM模拟研究与传热强化机制

为解决低阶煤热解过程中传统下行床（downer）固体持有率低（<0.03）、传热效率不足的问题，山西大学团队通过CFD-DEM模拟研究了涡旋式下行反应器内螺旋颗粒带的形成机制。研究发现，水平切向进料可构建局部高密度（0.3–0.4）螺旋颗粒带，显著提升二元颗粒传热效率，为新一代热解装置研发提供理论依据。

　　

煤炭作为中国最主要的能源资源，其中约50%为挥发分含量超过40%的低阶煤。传统燃烧方式不仅造成资源浪费，还带来严重的环境污染。热解技术因其能耗低、可直接获取高值化学品的特点，成为低阶煤高效利用的关键路径。然而，作为核心设备的流化床反应器面临重大挑战——传统圆柱型下行床（downer）因气固同向顺重力流动特性，固体持有率（solids holdup）通常低于0.03，严重制约了颗粒间传热效率。尽管通过降低气体流速、提高固体通量（400–600 kg/m²·s）或采用锥形结构可使固体持有率提升至0.1左右，但仍无法满足快速热解的需求。

山西大学的研究团队创新性地提出了一种涡旋式下行反应器设计，通过将垂直进料改为水平切向进料，引入离心力场，使颗粒沿反应器壁面螺旋下行。这种结构有望构建介观尺度的高密度螺旋颗粒带，实现局部固体持有率0.3–0.4的突破。相关研究成果发表在《Separation and Purification Technology》上，为新一代热解装置开发奠定理论基础。

研究采用计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）耦合模拟方法，通过求解Navier-Stokes方程描述气相运动，结合Hertz-Mindlin接触模型追踪颗粒运动轨迹。模拟设置了直径3 mm、密度2500 kg/m³的典型颗粒参数，对比分析了气体流速（0.5–2 m/s）、固体通量（100–400 kg/m²·s）、颗粒尺寸（1–5 mm）和密度（1500–3000 kg/m³）对螺旋带形成的影响。

模型和方法
研究选用CFD-DEM方法，通过欧拉-拉格朗日框架分别处理连续相和离散相。气相采用k-ε湍流模型，颗粒相通过Hertz-Mindlin接触力学计算碰撞力。该方法能精确捕捉颗粒尺度动力学特征，适用于高固含率（>0.1）体系模拟。

反应器结构和模型参数
涡旋式反应器高2 m，直径0.1 m，采用切向进气设计。模拟验证了该结构可使所需反应器高度降至传统圆柱型的1/4–1/3，这得益于螺旋颗粒带形成的局部高密度区域显著强化了传热。

结果和讨论
模拟成功捕捉到沿壁面形成的螺旋颗粒带，固体持有率达0.3–0.4，是传统下行床的10倍以上。分析表明：

1. 固体通量增加促进螺旋带形成，但对其内部密度影响有限；
2. 气体流速低于1 m/s时更利于维持螺旋结构；
3. 大粒径（>3 mm）和高密度（>2000 kg/m³）颗粒因惯性效应更易形成稳定螺旋带。

结论和展望
该研究证实涡旋式下行床通过构建螺旋颗粒带可实现局部高密度操作，为突破传统下行床传热瓶颈提供新思路。未来研究将聚焦于实际煤颗粒的多组分模拟及工业放大设计。

这项工作的创新性在于将离心力场引入下行床设计，通过介观结构调控实现传热强化。研究不仅为低阶煤热解工艺优化提供新方案，其CFD-DEM耦合方法对其它高密度气固体系研究也具有借鉴意义。