气流床气化炉新型概念开发：基于数值模拟的几何结构与燃烧器协同优化研究

本研究针对传统气流床气化炉(EFG)体积大、效率低的问题，通过数值模拟评估了旋流角度(0°-55°)、反应室直径(2.0-1.0 m)及新型多燃烧器配置对炭转化率(最高达99.9%)和温度分布的影响。创新性地提出"燃烧器-反应器"协同设计理念，实现体积相关气化效率提升1288%，为紧凑型气化炉设计提供理论支撑。

　　

在能源转型背景下，煤炭高效清洁利用成为关键课题。气流床气化技术(Entrained-flow gasification, EFG)作为将煤转化为合成气(H₂/CO)的核心工艺，其反应器设计长期面临"大体积低效率"的困境。传统GSP型气化炉为保障91.7%的炭转化率(Char conversion)，需维持4.2m×2m的巨大反应空间，导致投资成本高昂。更矛盾的是，增大反应体积虽能延长颗粒停留时间，却会降低容积效率；而简单缩小尺寸又可能影响反应完整性。这种"体积-效率"的博弈，成为制约EFG技术发展的阿喀琉斯之踵。

针对这一难题，国内研究人员通过计算流体力学(CFD)开展了系统性研究。研究团队创新性地将反应器几何优化与燃烧器重构相结合，在《Fuel》发表的论文中提出突破性解决方案：通过三维数值模拟验证，将传统单燃烧器改为四环缝多燃烧器布局，配合反应室直径缩减至1m，不仅使炭转化率提升至95.1%，更实现反应器体积缩小至原设计的1/12，创造出1288%的体积效率增益。这一成果为紧凑型气化炉设计树立了新范式。

关键技术方法
研究采用ANSYS Fluent^?软件构建二维轴对称模型，整合多项先进算法：1) 化学渗透脱挥发分模型(CPD)模拟煤热解；2) 随机孔隙模型(RPM)描述炭气化反应；3) 涡耗散概念(EDC)处理湍流-化学反应耦合；4) DRM-22简化反应机理(含22种组分/104个反应)表征气相反应。验证采用CSIRO加压气流床反应器(PEFR)的哥伦比亚煤(COL)实验数据，颗粒追踪采用拉格朗日框架，壁面热传递计算综合了对流、辐射和三层材料(熔渣/捣打料/钢壳)导热模型。

研究结果

3.1 基准案例验证
基准案例模拟显示：2m直径反应器中炭转化率91.7%，火焰长度2.38m，出口温度1841K，与Aspen Plus^?平衡计算结果偏差<1%，验证了模型的可靠性。温度场呈现典型三区分布：中心射流区(3302K)、内回流区(IRZ)和外回流区(ORZ)，形成"低温保护壳"维持壁面安全。

3.2 旋流效应
旋流角在45^°时达到最佳效果：炭转化率跃升至99.9%，火焰长度缩短65%至0.83m。但流场分析揭示，强旋流(>45^°)会使中心环形回流区(CTRZ)挤压ORZ，导致高温气体(3354K)直接冲刷壁面，使局部热通量增加47%，加剧熔渣腐蚀风险。这种"高效-耐久"的权衡表明单纯依赖旋流并非最优解。

3.3 直径缩减研究
将反应器直径从2m逐步缩减至1m发现：虽然气体停留时间缩短4倍，但炭转化率反升1%至92.5%。关键机制在于：1) 缩小体积使回流区压缩，减少低温死区；2) 壁面热损失降低使平均温度升高30K；3) 颗粒轨迹分析显示未转化炭主要来自停留时间<0.5s的快速通过颗粒，与反应器尺寸无关。

3.4 多燃烧器创新
突破性的四环缝燃烧器设计(燃料/氧气错流分布)创造了多重火焰耦合效应：1) 中心射流与三个外围火焰在0.095m处融合，形成超短火焰(1.89m)；2) 平均温度提升337K至1919K；3) 内环喷嘴炭转化率达99.6%，而最外环仅91.46%，揭示分布优化仍有改进空间。体积效率增益1288%的计算公式：(12.42倍体积缩减)×(103.7%转化率提升)，彰显工程应用价值。

结论与展望
该研究通过"几何-流场-反应"多尺度优化，破解了气化炉"大体积依赖症"。特别值得注意的是：1) 传统认为必须的庞大回流区，实际可通过燃烧器分布式设计替代；2) 直径缩减至1m时，壁面热流密度仅增加15%，颠覆了"小尺寸必导致壁面过热"的认知；3) 多燃烧器产生的微尺度湍流混合，比宏观旋流更高效。这些发现为模块化气化炉设计指明方向，但外围喷嘴转化率偏低的问题提示下一步需优化流量分配。研究团队建议未来结合3D打印技术，制造新型燃烧器进行实验验证，推动该技术从数字孪生走向工业现实。