流化床式生物质热解过程模拟研究进展*

王文轩，高亚男，洪 坤

(淮阴工学院化工学院，江苏 淮安 223003)

能源是人类生存和社会发展的基石，其变革历程大致经历了薪柴、煤炭、石油、天然气等阶段。我国具有丰富的生物质资源，生物质种类众多、分布广泛、储量巨大，包括能源植物、农林废弃物、城市和工业废物、畜禽粪便等。当前，对大量可再生的生物质资源进行高效清洁利用是我国比较理想的新能源发展途径之一。因此，生物质能作为一种极具开发和利用潜能的可再生清洁能源，对促进能源发展战略、环境保护和农村发展都具有重要意义。

1 生物质能转化技术

近年来，生物质转化技术正成为国内外研究与开发的热点。不同种类的生物质在物理化学特性方面存在差异，其转化利用的途径也不尽相同。归纳而言，生物质能源转化利用的主要方法可分为三类[1]，如图1所示，即燃烧法、生物化学转化法和热化学转化法。

图1 生物质转化技术分类Fig.1 Classification of biomass conversion technology

因为本文主要聚焦生物质热解过程的流动和混合特性，故此以下章节重点对生物质热解的流动特性模拟等方面进行系统综述。

2 生物质热解模拟进展

生物质热解技术是一种清洁高效的生物质利用新方法，其热解产物能源利用率高，被认为是一种极具发展潜力的生物质能转化技术。而生物质热解的核心场所是热解反应器装置，它决定了热解效率、热解产物组成及其含量分布等。常见的热解装置类型包括固定床、流化床、气流床、旋转锥反应器、旋转炉等。其中，流化床反应器因具有高效的混合与传热性能，满足快速热解对温度及升温速率的要求而被广泛使用，在生物质热解领域也受到更多的关注与重视。随着快速热解工艺的日益发展，亟需对热解流化床进行放大优化以提高其生物质的处理量，从而实现生物质快速热解的工业化应用。在新型流化床反应器开发过程中，实验研究和理论分析都是不可或缺的重要手段。随着计算能力的提升及计算理论模型的发展，计算机模拟已逐步成为热解流化床研究的重要辅助手段。朱玉琴[2]、熊勤钢[3]等都对热解流化床的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟进行了全面的综述，系统总结分析了CFD模拟中常用的理论模型，包括气-固相间曳力模型、热解动力学模型、颗粒内传热模型和颗粒颈缩模型。在热解流化床模拟中，气-固相间曳力显得尤其重要，不仅影响生物质颗粒流动行为，而且还会影响热解产物分布。现有热解模拟文献一般采用基于均匀分布的曳力模型进行模拟预测。然而，流化床内具有显著的非均匀结构，如气泡、颗粒聚团等结构，这些结构又与流动、热量传递、质量传递及化学反应等“三传一反”过程存在复杂的相互作用，导致这类问题的模拟放大一直是学术界和工业界极具挑战性的难题。

2.1 流化床流动结构特征

作为生物质快速热解过程的重要反应场所，流化床反应器内部通常呈现出时空多尺度结构特征，并伴有复杂的动态演变。除了流化气体外，床内一般会有一种或多种生物质颗粒，有时也会加入沙子等惰性颗粒进行强化传热，因此流化床式生物质热解过程属于典型的气-固多相流系统。具体而言，如图2所示，单个生物质或惰性颗粒代表系统的微尺度，反应器代表系统的宏尺度，介于两者之间的局部结构(颗粒聚团、气泡等)则是典型的介尺度结构。在通常的操作条件(流化气速和生物质颗粒入口流量等)下，惰性颗粒一般易处于床底部，呈现鼓泡流化状态，而生物质颗粒则更易处于床上部，呈现快速流化状态。这种动态多变的结构又会对“三传一反”等过程产生重要影响，如影响生物质和惰性颗粒的分离与混合、生物质颗粒的停留时间、热解产率及产品分布等等。近年来相关研究[4-5]逐渐将此类难题归结为时空多尺度问题，其突破的关键在于认知和调控这种多尺度结构及其耦合影响。

图2 热解流化床的多尺度结构[3]Fig.2 The multi-scale structures of pyrolysis fluidized bed

2.2 热解流化床模拟方法

在早期有关流化床研究的文献中，报道了一些经典的无量纲模型和两相模型。例如，Davidson提出的气泡模型[6]用来分析单个气泡上升的流动行为。受限于当时的计算条件，不能大规模数值求解，因而这些模型建模时都引入了一些合理的简化近似。随着计算机软硬件及数值计算方法的快速发展，近年来借助计算机模拟可以辅助解决一些多相流工程问题，它是传统逐级试验放大的有力补充。与传统试验放大相比，使用计算机模拟进行工程放大及优化，不仅可以显著地缩短开发周期，而且可以节约大量人力、物力和财力。

根据两相的描述方式以及网格尺度大小来划分，如图3所示，多相流体力学模型主要分为三种[7]：直接数值模拟(Direct Numerical Simulation，DNS)、颗粒轨道模型(Discrete Particle Modelling，DPM)和欧拉多流体模型(Eulerian Multi-Fluid Model，MFM)。其中，DNS属于最微观的模拟方法，气相控制方程采用单相流的Navier-Stokes方程求解，固相跟踪所有颗粒的运动边界，从而揭示微元空间内所有的流场细节。由于DNS所需计算量极大，一般仅用它来研究局部平衡状态下的微元流动(微元内颗粒数量级约为103)。而在颗粒轨道模型中，气相采用欧拉坐标系求解，固相采用拉格朗日坐标系求解，可以跟踪所有颗粒的运动轨迹(颗粒数量级约为106)。同样受限于计算量，颗粒轨道模型仍难以用于颗粒达数十亿级(颗粒数量级为>109)的实际工程问题计算。在欧拉多流体模型中，颗粒相被视为“拟流体”的连续介质，这样处理后就可以在欧拉-欧拉坐标系下求解气相和固相控制方程，它能够捕捉到宏观和局部的流动行为，但无法获得每个颗粒的运动细节。由于欧拉多流体模型的计算量大大减少，故而被广泛用于大尺度工程问题的研究。

图3 三种不同尺度的多相流体力学模型[7]Fig.3 Three multi-phase hydrodynamic models for different geometries

在颗粒轨道模型中，应用最为广泛的是离散元法(Discrete Element Modelling，DEM)，DEM赋予了颗粒很多特性，包括颗粒碰撞、颗粒旋转、颗粒形状和粘结力等。将DEM模型与CFD结合便形成了CFD-DEM方法，可用于流-固两相的数值仿真。基于欧拉-拉格朗日坐标的CFD-DEM耦合法同样也受计算量的限制，它多用于小规模实验系统的研究，在工业应用领域仍受限于计算能力和模型真实度等因素。在工业流化床模拟中取得成果并被广泛使用的是欧拉-欧拉坐标系下的双流体模型(Two-Fluid Model，TFM)，然而，颗粒“拟流体”处理后，双流体模型需要封闭颗粒粘度和压力项，以及气-固相间的作用力。近年来，在传统CFD-DEM基础上，新发展了粗粒化多相粒子单元法来减少计算量，它采用虚拟粒子来打包表征若干具有相同动力学特性的颗粒，例如多相流质点网格模型(Multi-Phase Particle-In-Cell，MP-PIC)[8]以及Coarse-grained CFD-DEM方法[9]。与传统颗粒轨道模型相比，粗粒化方法可以显著减少系统的计算量，但其模型应用于工程实际问题仍处于发展阶段。

下面简要介绍DEM、MP-PIC和TFM这三种方法的特点：

(1)离散元法(DEM)

离散元法追踪每个固体颗粒的运动轨迹，并在空间尺度上将气相建模为至少比粒子直径大一个数量级的连续体，如图4(a)所示。DEM可以提供关于颗粒流场非常详细的细节信息，例如颗粒轨迹、固体与壁面相互作用，这对于表征流化床中复杂的流体动力学是非常有用的。然而，其工业应用还仍受计算能力和模型真实程度等方面限制。

图4 两种典型多相流建模示意图[7]Fig.4 Schematic diagram of two typical multi-phase modelling

(2)多相流质点网格模型(MP-PIC)

与传统离散颗粒模型不同的是，MP-PIC采用颗粒相压力梯度力取代颗粒碰撞来表征颗粒间相互作用力，并采用计算粒子来表征具有相同动力学特性的颗粒群。粗粒化处理后，MP-PIC能大大地降低粒子模拟的计算量，提高了工程问题的计算速度，但其适用性和准确性还仍有待发展和验证，已有用于模拟半工业规模粒子系统的验证研究[10-11]。

(3)双流体模型(TFM)

在双流体模型中，固体颗粒被视为以“拟流体”形式存在的连续相，流体和颗粒两相是能够充满整个流场的连续介质，且在流场中两相能够相互渗透、相互作用，如图4(b)所示。与DEM和MP-PIC相比，TFM可以节省大量的计算资源，非常适合用于工程问题的数学建模，也是流化床模拟放大的首选方法[12-13]。

前已特别提及，流化床热解过程涉及到复杂的多尺度问题。此类反应器放大时，TFM模拟的计算精度主要取决于TFM守恒方程中本构关系式的适用性或准确度。若本构关系式缺失结构特征的合理描述，如采用传统的平均化方法处理，就会湮灭了结构及其所带来的影响，那么将会导致预测结果的可靠性大大降低，甚至与实际情况相悖[14]。因此，构建与本征物理结构相一致的数学模型，是认识和调控这类多尺度耦合问题的重要手段。

2.3 多尺度建模方法

多尺度方法是一种解决不同尺度间关联的有效方法，粗略可划分为三类[15]：描述型、关联型和变分型。其中，描述型方法仅仅用于描述不同尺度上的各种结构特征，不关注结构的形成机理；关联型方法通过微尺度相互作用分析进行大尺度上的粗粒化处理，属于单向关联；而变分型方法通过控制机理(如稳定性条件)反映不同尺度之间的双向关联，这其中就涉及到介尺度结构问题。

热解流化床中，常见的介尺度结构主要包括气泡和颗粒聚团等。针对此类问题建模时，Glasser等[16]曾指出这些非均匀结构具有相同的形成与传播机理，属于同一类非线性方程的求解范畴。认识到结构及其影响的重要性后，近年来，越来越多的研究者开始聚焦介尺度结构建模。国际上得到广泛关注和应用的当属变分型的能量最小多尺度(EMMS)方法[15]，它通过稳定性条件分析不同尺度间的联系，揭示产生结构的主要机理，得到含有结构参数的本构关系式。纵观EMMS模型30多年的发展历程，从循环流化床中的颗粒聚团，到经典鼓泡床中的气泡，介尺度结构及其耦合效应始终是贯穿其模型研究的核心内容。当前EMMS研究大多集中于以颗粒聚团为特征的气-固两相流，然而应用于以气泡为特征的气固多相流研究报道相对较少。

对于生物质快速热解流化床，情况也更为复杂，生物质颗粒(一般为Geldart A或B颗粒)和惰性颗粒(一般为Geldart B或D颗粒)因物性差别大，两者常处于不同的流化状态，即惰性颗粒常见鼓泡流化，而生物质颗粒常见快速流化。Xue等[17]利用欧拉多流体模型模拟了实验室规模的快速热解流化床并考察了生物质组成的影响。也有研究者模拟考察了操作温度、流化气速和生物质粒径等对动力学和热解产率的影响[18]。Lee等[19]采用模拟考察了反应器几何结构对热解过程中气泡大小和数量的影响。然而，上述所有研究仍采用平均化方法或一些经验关联式封闭本构关系，以致无法准确表达内秉性的非均匀结构及其传递现象，其放大规律的可靠性也大大降低。本文将重点围绕热解流化床内的结构进行数学建模，以期为热解流化床的放大及优化积累理论基础。

3 结 语

生物质快速热解是一种很有发展潜力的生物质能利用新技术。然而，生物质热解过程异常复杂，受到很多的因素影响，也存在着各种需要解决的问题。计算模拟方法对热解流化床内的流动特性研究具有非常重要的指导意义。本文系统综述总结了生物质热解过程的特征结构、各种热解流化床模拟方法的优缺点，以及近年发展的多尺度建模方法在其中的应用前景。