高压对固定床生物质气化反应性及过程的非线性影响：数值模拟与实验验证

本研究通过数值模拟与实验验证相结合，创新性地揭示了高压（0.5–6 MPa）对固定床生物质气化反应的非线性调控机制。研究采用压力依赖型阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学和欧拉-欧拉多相流模型，系统分析了高压环境下合成气（H2/CO/CH4）组分演变、焦油/H2S抑制效应及碳转化效率（CCE）、冷煤气效率（CGE）等关键指标，为工业级高压气化工艺优化提供了理论工具。

　　

Highlight
本研究通过整合计算流体力学（CFD）与压力依赖型反应动力学，首次系统揭示了高压环境（0.5–6 MPa）对固定床生物质气化过程的非线性调控规律。模型创新性地采用修正的碰撞理论和非理想气体状态方程，成功预测了反应速率随压力呈指数级增长（除稻秆外），并捕捉到CH₄和CO₂选择性提升而H₂/CO下降的独特现象。

材料与方法
研究选取污泥水热炭、木材、稻秆等五种典型生物质，通过自定义C++程序（UDFs）耦合ANSYS Fluent构建高压气化模型。独创的"压力-孔隙度修正因子"算法精准模拟了高压下反应物在生物质孔隙中的渗透行为，同时采用k-ω湍流模型刻画了高压反应器内的复杂流场。

网格独立性分析
通过网格敏感性测试发现，当单元尺寸缩小至3 mm时，温度场预测误差小于1.2%，而合成气组分偏差稳定在±0.8%以内。最终选用包含280万混合网格的优化方案，在保证精度的同时将计算耗时控制在72小时内。

结论
高压（>3 MPa）使碳转化效率（CCE）从71.3%跃升至98.2%，同时焦油产率下降63%。焓分析显示，6 MPa时系统?效率达89.4%，较常压提升20个百分点，揭示了高压环境通过抑制副反应（如Boudouard反应）提升能量品位的热力学本质。