《Chemical Engineering Research and Design》：Simulation of the fuel reactor in a dual-circulating fluidized bed for coal chemical looping gasification: Enhancement mechanism of the perforated plate configuration on reactor performance
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摘要在化学链气化双流化床系统中，燃料反应器（FR）必须同时确保非均质颗粒之间的有效传热以及炭气化与载氧剂还原之间的速率匹配。FR的运行优化对于提高系统整体效率至关重要。本研究基于耦合流场与反应的计算颗粒流体动力学模型，评估了单级FR的运行效率。通过在密相区嵌入多孔板，反应器性
摘要
在化学链气化双流化床系统中，燃料反应器（FR）必须同时确保非均质颗粒之间的有效传热以及炭气化与载氧剂还原之间的速率匹配。FR的运行优化对于提高系统整体效率至关重要。本研究基于耦合流场与反应的计算颗粒流体动力学模型，评估了单级FR的运行效率。通过在密相区嵌入多孔板，反应器性能得到了提升，并通过流场与反应的耦合分析揭示了其背后的改善机制。在各种颗粒循环速率下，碳损失率始终超过37%，表明单级FR的运行效率较低。插入多孔板打破了不同尺寸颗粒的差异运动，从而有效地控制了碳损失率。此外，优化了颗粒热源组成，使系统能够实现更环保的自热运行。较高的多孔板开孔面积比不利于反应器性能的提升，而较低的开孔面积比则导致密相区压力过高。综合考虑反应器性能提升和运行安全，确定多孔板的最佳开孔面积比范围为35%-45%。本研究为化学链气化双流化床系统的过程控制与优化提供了有价值的见解。
引言
作为一种新型燃料利用方式，化学链技术在煤化工产业的绿色清洁转型中发挥着重要作用。反应器的合理选择是化学链技术产业化的关键问题。双流化床（DCFB）能够有效解决气体返混问题，并可通过可控的气固流实现两个反应器之间的双向传热和传质，因此目前被认为是最适合化学链技术的反应器（Zhou等，2025；Ansari等，2025；Nguyen等，2021）。在用于化学链技术的DCFB系统中，燃料反应器（FR）内同时发生一系列均相和非均相反应，如炭气化、载氧剂还原和水煤气变换反应。多反应速率的匹配直接影响系统整体运行效率（Hu等，2020；Li等，2026；Liu等，2024）。优化的FR结构在实现反应速率平衡中起着决定性作用。
自化学链技术提出以来，合适的FR选择一直受到关注。研究表明，FR的设计和优化应以提高颗粒停留时间为目标，从而实现低碳损失率和高燃料转化率（Song和Shen，2018；Yan等，2024）。Adánez等人（Adanez等，2018）指出，使用鼓泡流化床作为FR有利于延长颗粒在反应器中的停留时间。然而，当化学链系统中使用细颗粒时，鼓泡床中会出现较为严重的炭夹带现象。增加FR中的固体存量可以在一定程度上抑制炭夹带，但在高固体存量条件下产生的 slug 流增加了气固流的不稳定性（Lyngfelt和Linderholm，2014；Lyngfelt和Linderholm，2017；Markstr?m等，2014）。Tong等（Tong等，2014）和Ma等（Ma等，2015）将鼓泡床和湍流床相结合，设计了一种两级反应器配置作为FR。该设计在低固体存量条件下实现了反应器内较高的气体转化率，并通过耦合高效旋风分离器解决了反应器内的炭夹带问题。然而，旋风分离器的集成增加了建设成本和系统运行复杂度。床层内部组件可以通过抑制和破碎气泡来提高气固流的均匀性，从而防止炭夹带。各种内部组件，如气泡帽、环形流动障碍和多孔板，已被应用于提高反应器性能（Gu等，2018a；Penthor等，2016；Zapater等，2024）。其中，多孔板结构简单且有利于压降控制，因此被广泛应用于多个反应器设计方案中。Yang等（Yang等，2015）在鼓泡流化床中嵌入了四块多孔板以改善气固流，并详细讨论了反应器内固体分布的变化。Zhu等（Zhu和Shen，2017）通过冷模实验研究了多孔板对化学链FR在高固体存量条件下 slug 流的影响。尽管研究人员已探索了多孔板对反应器内气固流状态的影响，但由于实验条件和微观表征技术的限制，化学反应与气固流的耦合尚未得到充分考虑。多孔板在化学链FR中气固流与复杂环境耦合条件下影响反应器效率的机制尚不清楚。解决这一问题对于建立旨在提高FR性能的多孔板参数调整机制至关重要。
由于检测方法和成本的限制，通过实验研究大规模化学链反应器中的气固流和反应特性极具挑战性。随着数值算法和计算能力的进步，计算流体动力学（CFD）已被广泛应用于化学链反应器控制与优化的研究（Tong等，2025；Wang等，2024）。基于CFD的气固运动和传热/传质技术可分为欧拉-欧拉（EE）方法和欧拉-拉格朗日（EL）方法（Lv等，2025；Esgandari等，2023）。在先前的模拟中，EE方法已成功用于预测化学链反应器中的反应特性（Shao等，2017）。然而，EE方法将离散颗粒视为连续相的局限性对有效表征不同尺寸颗粒的特有运动和反应行为产生了不利影响（Liu等，2021）。计算颗粒流体动力学（CPFD）是基于EL方法的一种模型，能够准确捕获与颗粒相关的丰富物理和热化学信息。此外，CPFD所采用的将具有相似性质的真实颗粒捆绑为计算颗粒的方法显著节省了计算资源，使大规模化学链反应器的计算更加高效（Liu等，2023）。Gu等（Gu等，2018b；Gu等，2018c）应用CPFD模拟讨论了颗粒和流体参数对双流化床气固流的影响，并研究了颗粒在对称和不对称耦合流中的运动。Chen等（Chen等，2019）通过基于CPFD的床层存量和固体循环速率分析，研究了50 kWth化学链双流化床中的颗粒重新平衡现象，并通过优化煤炭进料方式提高了反应器性能。Shao等（Shao等，2024）在CPFD模拟中耦合了流场与反应，分析了不同燃料类型和粒径分布下的反应器性能。CPFD在大规模化学链反应器的设计与优化中已展现出一定优势。
基于3 MWth化学链气化双流化床的实际参数，建立了一个三维FR的CPFD模型，该模型耦合了气固流体动力学、传热和非均相反应。通过对单级反应器和嵌入多孔板的三级反应器中的气固反应流进行详细分析，研究了多孔板对反应器性能的增强机制。此外，基于反应器性能分析，优化了多孔板的开孔面积比。研究结果可为反应器的后续优化提供支持。
章节摘要
气相和固相的控制方程
根据MP-PIC方法（Andrews和O'Rourke，1996；Lee等，2023），采用欧拉网格中的Navier-Stokes方程求解气相运动。颗粒相的运动由拉格朗日框架中的牛顿运动定律描述。本研究中使用的各相质量守恒方程、动量守恒方程以及能量和传输方程概述于表1、表2、表3中。
模拟中考虑的三种传热模式
几何模型
本研究对FR进行了模拟，FR是煤、蒸汽和氧气发生复杂反应的主要场所。CPFD模型的尺寸与实际装置一致。如图1所示，反应器下部为密相反应区，高度为5.3 m，内径为1.8 m。反应器上部为提升管，高度为15.18 m，内径为0.55 m，主要用于完成气固两相
模型验证
通过与模拟和实验数据的对比验证了模型的准确性（Li等，2024a）。轴向压力分布的对比证实了预测反应器内气固流特性的合理性，而出口气体组成的对比验证了反应模型的可靠性。如图5所示，模拟轴向压力与实验数据相比的最大误差小于4.9%，代表了显著
结论
本研究针对化学链气化DCFB中的关键运行单元FR开发了一个三维反应数值模型。通过比较单级反应器和三级反应器的气固流与反应特性，详细研究了多孔板对反应器性能的增强机制。从模拟中获得的主要结论如下：
(1) 在FR中嵌入多孔板可以有效提高空间利用率
CRediT作者贡献声明
郭拓：方法论，调查研究。胡秀德：资源，调查研究。梁鹏：撰写——审阅与编辑，验证，资源，资金获取。郭清杰：撰写——审阅与编辑，验证，软件，资金获取。常国章：验证，方法论。张亚青：调查研究，数据整理。秦喜庄：调查研究，资金获取。焦天天：验证。李向平：验证。郭新同：撰写——审阅与编辑，资金获取，数据
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了青岛博士后应用研究项目[项目编号QDBSH20250102095]、国家自然科学基金委员会[项目编号W2412090]、宁夏自然科学基金[项目编号2024AAC03355]、山东省泰山学者计划[项目编号tsqnz20250735]和青岛市自然科学基金[项目编号25-1-1-24-zyyd-jch]的支持。
李彦坤|常国章|郭拓|胡秀德|焦天天|李向平|张亚青|秦喜庄|张腾飞|吕雪龙|郭新同|梁鹏|郭清杰
山东科技大学 煤梯级转化与低碳利用山东省重点实验室，中国青岛 266590
