基于CPFD的生物质-塑料在中试规模循环流化床气化炉中共气化的数值研究

《Powder Technology》：CPFD numerical investigation on biomass-plastic co-gasification in a pilot-scale circulating fluidized bed gasifier

　　

**•** 生物质-塑料共气化在中试规模循环流化床气化炉中的研究。 **•** 密相区颗粒体积分数与聚乙烯含量呈反比变化。 **•** 共气化的协同效应增强了气体产率。 **•** 最显著的协同效应出现在40%聚乙烯含量处。

**引言**

在碳中和和循环经济的全球目标驱动下，生物质和废塑料作为两种丰富的含碳资源，因其高效清洁转化的需求，已成为能源和环境研究的焦点。热化学转化技术，特别是气化技术，被认为是通过将低品位固体烃类原料转化为高质量合成气（CO + H?）或高附加值化学品，来解决"白色污染"和"农林废弃物"问题

的关键途径。然而，当生物质和塑料作为单一原料分别气化时，两者都面临各自不同的技术局限性。在生物质气化中，原料的高氧含量导致合成气热值较低。在塑料气化中，尽管原料富含碳和氢且热值较高，但其在过程中表现出的显著粘弹性容易导致流化床中床层失流或固定床中气孔堵塞。针对这些挑战，生物质-塑料共气化作为一种有前景的解决方案日益受到关注。该方法不仅提高了合成气质量，产出了具有更高热值和氢含量的产物，还减少了焦油生成，缓解了结垢和结渣等相关问题[1]，[2]。

生物质-塑料共气化并非两种原料的简单叠加，而是利用它们的相互作用建立协同增强机制。Uzden等人[3]和Li等人[4]报道了共气化过程中在气体产率和能量产率方面的协同效应。Wilk等人[5]的实验结果表明，共气化的焦油产率低于单独气化各原料的焦油产率之和。作者们研究了生物质-塑料共气化的微观反应机制。结果表明，生物质和塑料热解产生的自由基和化合物相互作用并重组，从而降低了反应能垒，促进了CO、H?和CH?等气体的形成，表明存在正向协同效应[6]，[7]，[8]。尽管对生物质-塑料共气化进行了大量实验和微观尺度研究，但宏观反应器尺度的反应过程和协同机制仍了解不足。

反应器作为质量和能量传递的核心载体，直接决定了整体工艺性能。因此，其设计和运行对于优化气化效率和产品质量至关重要。主流气化反应器分为两类：固定床和流化床反应器[9]。后者因其优异的气固接触效率和增强的反应速率，在工业中获得了更广泛的应用。鼓泡流化床（BFB）和循环流化床（CFB）是两种常见的流化床气化炉结构。CFB以其优越的固体输送能力为特征。这一特性结合其底部进料和固体返料系统，显著延长了气固接触时间，从而提高了反应效率。CFB气化炉具有高固体体积分数，形成了典型的密集气固反应流[10]。燃料颗粒进入气化炉后，首先经历干燥以释放水分，随后进行热解，在此过程中释放挥发分气体并形成固体焦炭残渣。这些焦炭随后经历非均相反应，同时气相物质之间进行均相反应[11]。系统中的物理过程涉及气固流、传热和质量传递。因此，对密集气固反应流的全面描述必须整合颗粒尺度和反应器尺度。颗粒尺度包括干燥、脱挥发分和焦炭转化，而反应器尺度涉及气固流和气相反应。对密集气固反应流的实验测量提供的数据有限，难以获得温度、压力和物种分布的详细信息。此外，实验的高成本和耗时特性，特别是对大规模装置而言，造成了显著限制。

随着多相流理论和计算流体力学的发展，数值模拟已成为探索复杂多相流和反应不可或缺的方法。常用的方法包括两流体模型（TFM）[12]、计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）[13]和多相粒子单元（MP-PIC）模型[14]。TFM方法适用于模拟工业规模的流化床，但它无法捕捉颗粒尺度的信息，限制了对密集气固反应流的微观描述[15]。CFD-DEM方法提供了丰富的颗粒尺度信息，但其极高的计算成本使其不适合模拟中试或工业规模的流化床[16]，[17]。

MP-PIC方法将具有相同属性（尺寸、密度、温度等）的多个颗粒归为一个数值颗粒，仅追踪数值颗粒的运动[18]，[19]，[20]。此外，MP-PIC避免了逐次解析颗粒间碰撞，而是通过引入固体应力模型来简化处理[21]，[22]。这些假设大大增强了计算效率，提供了详细的颗粒信息，有效地平衡了计算精度和计算成本。MP-PIC方法广泛用于研究流化床反应器中生物质和塑料的热化学转化。Yu等人[23]使用集成热化学子模型（传热和均相/非均相反应）的MP-PIC方法研究了工业规模双CFB中的生物质气化，发现由于尺寸和密度差异引起的颗粒分选使固体燃料集中在床层表面附近，而相间动量交换导致轴向气体压力降低。Wan等人[24]采用MP-PIC方法模拟中试规模CFB中的生物质气化，分析了操作条件对物种分布、低位发热量和可燃气体浓度的影响。结果表明，H?浓度随水蒸气/生物质比增加而增加，而低位发热量和可燃气体浓度随当量比增加而降低。相比之下，颗粒尺寸对这些特性的影响很小。Zhu等人[25]采用MP-PIC模型模拟CFB中生物质CO?气化，探讨了气化剂中CO?含量的影响。研究发现，增加CO?含量对气固流行为影响不显著，但降低了焦炭转化率和床层温度，限制了使用纯CO?作为气化剂的可行性。Tokmurzin等人[26]利用MP-PIC方法结合化学反应动力学（包括干燥、热解、气固反应和气相反应）研究了BFB中废塑料气化。模拟结果与实验测量的气体组成吻合良好。

大量MP-PIC数值研究已致力于生物质和塑料气化领域。然而，生物质-塑料共气化的流-传-反耦合跨尺度模拟尚未实现。生物质、塑料与气化剂之间的多相流-反应耦合机制尚未充分了解，这限制了共气化反应器的优化设计和规模化发展。

因此，本研究旨在基于MP-PIC概念的计算颗粒流体力学（CPFD）方法，数值研究生物质-塑料共气化，以阐明多相流与热化学转化之间的耦合特征。具体而言，研究了生物质-塑料混合比对中试规模CFB中流-反耦合的影响。分析的关键参数包括气固流动动力学、热化学转化行为、物种分布剖面、产物组成、化学反应速率以及低位发热量和H?/CO比等合成气质量指标。研究结果为共气化反应器的工业化放大和运行调节提供了理论基础。

**各部分摘要**

**数值模型**

CPFD方法基于MP-PIC概念，在欧拉-拉格朗日框架内求解流体相和颗粒相的控制方程。颗粒属性首先在欧拉网格上求解，然后插值到离散拉格朗日颗粒上，使颗粒能够携带连续相和离散相的属性[27]。

**数值设置**

数值模型采用García-Ibaneez等人[44]的0.3 MWth中试规模CFB气化炉实验装置，如图1所示。原料通过位于上升管底部上方0.37 m处的入口引入气化炉，指定速度入口边界条件。气化剂从上升管底部均匀供给，而助燃空气从回料阀底部引入以促进颗粒循环。

**气固流动动力学**

图4展示了不同混合比下CFB气化炉中颗粒体积分数（PVF）的分布。根据上升管中的轴向PVF剖面（图4b），2 m以下区域PVF较高，对应密相区。密相区内PVF峰值被归因于来自原料入口和固体返料口的集中颗粒流入。2至4 m之间的区域被确定为过渡区，显示出……

**结论**

本研究通过数值模拟系统研究了中试规模CFB气化炉中生物质-聚乙烯共气化。分析了多相流与热化学转化之间的耦合特征，探讨了燃料混合比对气固流-反动力学的影响，并阐明了气体生产的协同效应。主要结论如下：

（1）上升管中PVF从密相呈现出典型的轴向递减分布……

**CRediT作者贡献声明**

Yunhui Pang：撰写——初稿，概念构思。He Lv：数据管理。Xuejiao Qi：调查研究。Jingwen Bai：验证。Baihong An：正式分析。Guosheng Song：可视化。Xiaoli Zhu：软件，方法论。Jingjie Dai：监督指导。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到山东省自然科学基金（编号：ZR2024QE187、ZR2025QC1927Z）、山东省高校青年创新团队科技支撑计划（编号：2025KJH195）、青岛滨海学院科研创新平台/团队项目（编号：PTK202502）以及青岛滨海学院博士基金（编号：BJZA2025015）的资助。

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