基于CFD模拟的下降流生物质气化器中焦油减排优化：先进注入策略研究

本研究针对生物质气化过程中焦油化合物生成限制合成气直接应用的问题，通过计算流体动力学（CFD）模型，探究了在还原区采用侧喷嘴注入蒸汽、氧气和CO2等多种介质对焦油降解及合成气组分的影响。研究发现，蒸汽注入可实现总焦油含量降低15–35 wt%，提升氢气产量，降低CO2排放，并维持较高热值，为生物质气化技术的高效、清洁应用提供了有力策略。

　　

随着化石燃料储量日益减少、气候变化问题加剧以及油价持续走高，可再生能源转换技术的应用正在加速推进。生物质作为一种重要的可再生能源，来源于植物和动物废弃物等有机材料，不仅具有可再生性，还被广泛认为是碳中性的，其燃烧过程中释放的二氧化碳（CO₂）可被植物生长过程中所吸收，从而有助于减少温室气体排放。生物质可通过热解、气化和燃烧等多种技术途径转化为能源，其中生物质气化作为一种有前景的技术，可用于生产合成气（syngas）和发电。

然而，生物质气化技术的实际应用仍面临一个关键挑战：气化过程中产生的焦油（tar）化合物会限制合成气的直接利用。焦油是一种复杂的可凝烃类混合物，包括苯（benzene）、甲苯（toluene）、萘（naphthalene）、酚（phenol）等芳香族化合物和多环芳烃（PAHs）。其在气化过程中呈气态，但在管道和储气设备冷却后会发生凝结，导致堵塞和操作故障，因此焦油含量必须低于1 g/Nm3才具有商业应用价值。典型的生物质空气气化产生的焦油可达1000 mg/Nm3，而蒸汽和氧气气化则分别为200–2000 mg/Nm3和100–800 mg/Nm3。为降低焦油含量，通常需采用高温（超过1000°C）、短停留时间、催化床材料以及后处理办法如旋风分离、溶剂吸收和热裂解等策略。

尽管实验研究已广泛探讨焦油形成与破坏机制，但这类实验通常成本高、耗时长且劳动强度大。此外，焦油包含数百种不同的化学物种，其复杂性进一步增加了研究难度。为此，多种模型被开发用于模拟气化器操作和焦油形成，包括平衡模型、动力学模型和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型。CFD模型能够综合考虑质量与热量传递、多相相互作用、气化器几何结构、原料特性及设计约束，从而更真实地反映气化过程，显著减少系统设计与优化所需时间。

在此背景下，Ahmed M. Salem、Ahmed Abdo、H.A. Nasef和Ayman Refat Abd Elbar在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项研究，通过CFD模拟方法，系统研究了在下行式生物质气化器中采用先进注入策略对焦油破坏的优化效果。

该研究主要依托已开发并验证的二维CFD模型，使用ANSYS Fluent软件模拟橡胶木（rubberwood）气化过程，涵盖了干燥、热解/脱挥发分、燃烧/氧化和还原/气化四个主要区域。模型中引入了20个不同的阿伦尼乌斯速率反应，描述气化过程中各区域/反应，同时结合离散相模型（Discrete Phase Model, DPM）跟踪生物质颗粒的运动与反应。关键模型方程包括能量守恒、质量守恒、动量守恒以及物种输运方程，湍流模型采用k-ε方程，辐射模型采用离散坐标法，反应速率涵盖挥发分分解、燃烧和气化反应。此外，研究特别关注苯、甲苯、萘和酚这四种代表性焦油物种的形成与演化，并引入9个附加反应机制以详细描述焦油动力学行为。

研究结果表明，在气化器还原区采用侧喷嘴注入不同介质（O₂、CO₂和蒸汽）可显著影响焦油降解和合成气组成。当单独注入O₂和CO₂时，虽可有效降低焦油，但会导致合成气热值大幅下降，限制其实际应用。而蒸汽注入则表现出最优效果，在蒸汽与生物质比例（SB）为0.1-1.0的范围内，总焦油含量降低15–35 wt%，氢气产量提高，CO₂排放减少，且无需额外焦油分离即可维持较高热值。

通过对温度场、速度场和物种浓度场的详细分析，研究发现蒸汽注入促进了水煤气反应（C + H₂O → CO + H₂）和水煤气变换反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂），加强了气-固间传质与传热，提高了气化效率。同时，蒸汽的引入还显著促进了焦油裂解与重整反应，如蒸汽重整反应，从而有效降低了苯、甲苯、萘等主要焦油物种的浓度。研究还通过质量平衡计算验证了模型的准确性，误差低于1%。

此外，研究对比了不同注入策略的经济性与可行性，指出氧气注入虽在焦油减排方面有一定效果，但其高昂的操作成本及对合成气质量的负面影响限制了其应用。CO₂注入则因反应速率较慢，对焦油降解效果不显著，且会稀释合成气，降低其热值。而蒸汽注入因其成本较低、效果显著，被认为是一种更具应用前景的焦油减排策略。

该研究通过CFD模拟深入揭示了生物质气化过程中焦油的形成与破坏机制，验证了蒸汽注入在还原区对焦油减排的积极作用，为生物质气化技术的优化与放大提供了重要理论依据和实践指导。这一策略不仅有助于提高气化效率及合成气质量，还可推动生物质气化技术在可再生能源领域的更广泛应用，对实现可持续能源发展和减少温室气体排放具有重要意义。