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随着全球能源转型和大规模可再生能源并网，火电机组正从基荷运行转向调峰运行，但深度调峰可能导致燃烧不稳定和排放增加。高温固体颗粒储热为提升机组灵活性提供了一种低成本、宽温区的解决方案。本研究提出一种烟气驱动的固体颗粒储热系统，从炉膛抽取高温烟气，通
摘要专业翻译
随着全球能源转型和大规模可再生能源并网，火电机组正从基荷运行转向调峰运行，但深度调峰可能导致燃烧不稳定和排放增加。高温固体颗粒储热为提升机组灵活性提供了一种低成本、宽温区的解决方案。本研究提出一种烟气驱动的固体颗粒储热系统，从炉膛抽取高温烟气，通过多级悬浮预热过程直接加热固体颗粒。研究人员采用计算颗粒流体动力学（Computational Particle Fluid Dynamics，CPFD）方法对工业规模悬浮预热器进行建模，研究不同粒径石英砂和水泥生料的气固流动与传热特性。系统分析了颗粒粒径和热物性对颗粒运动、温度演变、气固换热系数及流场特征的影响。结果表明，在所研究工况下，出口烟气温度约为705–725 K。对于石英砂，当粒径从0.45–0.55 mm增大至1.45–1.55 mm时，颗粒出口温度从约715 K降至约660 K。石英砂的气固换热系数保持相对稳定，主要在约450–900 W/(m2·K)范围内，而细生料的换热系数约为1750–2600 W/(m2·K)。较大粒径的石英砂颗粒因其更高的惯性而表现出更明显的贴壁现象。上述结果证明了基于悬浮预热器的烟气直接加热方式在高温固体颗粒热能储存中的应用潜力，并为该类系统的设计和运行提供了定量参考。
论文解读文章
一、研究背景与意义
在“双碳”目标驱动下，高比例可再生能源并网对电力系统大规模、低成本储能提出了迫切需求。中国“十五五”规划明确提出大力发展新型储能，预计到2027年装机规模将超过1.8亿千瓦，带动约2500亿元直接投资。火电机组作为承担基荷和调峰任务的主体，亟需通过与储能耦合实现深度灵活调节。利用火电厂自身产生的高温烟气直接加热储热颗粒，可形成深度“发电—储电”耦合，为火电与储能的协同运行提供极具前景的技术路径。
目前较为成熟的熔盐储热技术仍面临腐蚀、凝固及高温稳定性受限等问题。相比之下，固体颗粒储热采用石英砂、氧化铝颗粒等廉价、无腐蚀性且耐高温的材料，储热介质成本显著低于熔盐，同时具有较高的储热容量和优异的热化学稳定性。然而，储热颗粒的加热策略是决定系统效率和运行寿命的关键。现有电加热方式在放大时存在温度分布不均和局部热流密度过高的问题，可能导致颗粒烧结和团聚；固定床结构因颗粒运动受限而易出现温度分布不均匀；流化床则面临高温气体分布和颗粒流化的工程挑战。因此，开发高效均匀的颗粒与高温烟气换热方法成为固体颗粒储热工业应用的关键。
水泥行业成熟的多级悬浮预热技术为此提供了可行路径。通过将颗粒悬浮于气流中形成稀相或密相流动，该技术促进气固直接接触和快速对流换热，实现高效且相对均匀的颗粒加热。然而，现有文献中关于悬浮预热器的数值研究主要集中于单个旋风分离器内的气固流动和换热特性，固相多为微米级水泥生料；针对毫米级颗粒在悬浮预热器中用于高温储热的气固流动与传热的系统研究仍然有限，尤其是提升管中颗粒—烟气换热的定量数据十分匮乏。
二、研究内容概述
为填补上述研究空白，研究人员采用基于计算颗粒流体动力学（CPFD）方法的Barracuda Virtual Reactor 24.0.0软件，对高温烟气多级悬浮加热固体颗粒的过程进行数值研究。研究选取实际水泥预热系统中常用的生料颗粒和三种不同粒径的石英砂作为加热介质，在相同烟气入口流量和相同给料速率下，比较四种工况的换热和流动特性。研究系统分析了颗粒粒径和热物性对颗粒运动、温度演变、气固换热系数及流场特征的影响，揭示了不同工况下颗粒进出口温度、气固换热系数和流场演变规律，为高温固体颗粒储热系统中烟气加热器的工程设计提供理论支撑。
三、关键技术与方法
研究人员采用CPFD方法建立三维数值模型，该方法采用欧拉—拉格朗日框架描述气固两相流，气相在欧拉网格上求解，颗粒相通过拉格朗日计算颗粒追踪。气相湍流采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）方法配合Smagorinsky亚格子模型。对于较粗的石英砂颗粒（0.45–1.5 mm），采用Wen–Yu–Ergun组合曳力模型；对于细生料颗粒（0.037–0.045 mm），采用EMMS–Yang曳力模型以考虑细颗粒团聚和介观结构的影响。换热模型考虑气固对流换热和P-1辐射模型。几何模型基于赞比亚某2000 t/d水泥生产线的一级悬浮预热器建立，包括提升管（高11.192 m，直径3.324 m）和旋风分离器（筒体直径7.482 m，总高12.288 m）。模型经过网格无关性验证，最终选用456,361个网格。通过与文献中悬浮预热器实验数据对比验证，流体出口温度和颗粒出口温度的相对误差分别为4.02%和4.59%，均小于10%，证明模型可靠。
四、研究结果
4.1 气固流动特性
研究人员分析了生料和三种不同粒径石英砂在悬浮预热系统中的时变运动状态。颗粒运动呈现阶段性演化特征：0–0.5 s内颗粒在输送空气作用下快速上升进入提升管；0.5–1.0 s内因重力和残余初速度短暂下沉；1.0 s后气体曳力重新占主导，颗粒随气流稳定上行；2.0 s时颗粒开始进入旋风分离器，3.0 s时在离心力作用下沿壁面螺旋运动，4.0 s时完成从输送到分离的过渡。整个过程经历加速、减速、再加速、稳定输送和离心分离四个阶段，总时间约5 s。随着流动持续，生料逐渐出现局部团聚现象，而石英砂随粒径增大表现出更明显的贴壁行为。生料因粒径小、表面粗糙度较高，黏附作用占主导形成局部高浓度团聚体；石英砂流动性较好，但粒径增大导致惯性增大、Stokes数升高，跟随气流能力下降，在提升管中呈现明显贴壁现象。
4.2 悬浮预热器中的吸热分布
颗粒加热主要发生在垂直提升管中，下游旋风分离器中的颗粒温升极为有限。在提升管中，颗粒进入后先经历运动状态调整，在3.5–5 m给料管区域因输送气流扰动出现温度波动，随后颗粒持续从高温烟气中吸收热量，温度沿流动方向逐渐升高，随着与烟气温差减小，加热速率逐渐降低并趋于稳定。对于石英砂，粒径越大，颗粒出口温度越低，这主要与比表面积、颗粒惯性和气固滑移速度等因素有关。旋风分离器中颗粒随气流旋转，气固换热继续进行，但因颗粒轨迹复杂、温度分布不均匀及壁面团聚等因素，轴向温度变化规律与提升管不同。从旋风分离器出口温度看，石英砂仍表现出明显的粒径效应，粒径越大出口温度越低；生料出口温度高于0.5 mm和1.0 mm石英砂，表明细颗粒的温度响应不能仅用粒径解释，还与其粒径分布、团聚特性和热物性参数密切相关。
4.3 提升管中烟气温度和速度分布
沿提升管轴向高度，烟气温度总体呈逐渐下降趋势，轴向速度相应降低。在0–8 m高度范围内，烟气温度和轴向速度的下降趋势吻合良好；超过8 m后，气流方向从轴向主导过渡到切向入口条件，轴向速度持续下降。在4–5 m区域，因高温载气从颗粒给料口进入，导致该位置气体温度出现短距离升高，充分混合后温度变化趋于平缓并继续下降。对比四种工况的提升管出口烟气温度，工况2、3、4呈现粒径越大烟气出口温度越高的趋势，工况1的烟气出口温度高于工况2和3但低于工况4，与颗粒出口温度的变化趋势相对应：颗粒出口温度越高，从烟气中吸收的热量越多，烟气出口温度越低。
4.4 颗粒换热系数与滑移速度
工况1（生料）的换热系数沿高度方向总体呈先增、后减、再增的趋势，与颗粒滑移速度的变化趋势一致。生料因粒径小，对流换热系数对滑移速度的微小变化高度敏感，故换热系数波动较明显。其他工况下换热系数变化相对稳定。对于同种石英砂材料，粒径增大导致换热系数降低；相同粒径下，换热系数变化与气固滑移速度趋势一致。
4.5 提升管压力分布
垂直提升管内压力沿高度方向逐渐降低。不同工况下，粒径越大压力变化越大，原因是大颗粒在提升管中停留时间更长，在相同给料速率下颗粒积累更多。工况1在7–8 m区域出现颗粒团聚，也可从压力变化中反映。在3–5 m区域，因从入口向下注入的颗粒与悬浮后向上运动的颗粒共同作用导致该区域颗粒量大，压力急剧下降。
五、结论与讨论
本研究通过CPFD数值模拟验证了采用悬浮预热器以高温烟气直接加热毫米级石英砂固体颗粒的技术方案具有可行性。研究得出以下主要结论：颗粒运动在悬浮预热器中呈现阶段性演化特征；粒径显著影响颗粒流动行为和空间分布，细生料因小尺寸和强黏附力出现局部团聚，石英砂流动性较好但随粒径增大贴壁倾向增强；颗粒加热主要发生在垂直提升管而非旋风分离器，石英砂颗粒出口温度随粒径增大而降低；气固换热系数与颗粒滑移速度和粒径密切相关，细生料换热系数波动明显，石英砂换热系数相对稳定且随粒径增大而降低；提升管压力沿高度逐渐降低，粒径越大压降越大。总体而言，粒径的显著变化并未对颗粒温度、烟气温度和换热系数等关键参数沿流动路径的总体趋势产生重大影响，表明该加热方法对粒径变化具有良好的适应性，为毫米级储热颗粒在悬浮预热器中的输运和换热行为提供了数值依据。
