沸腾流化床中氧载体辅助生物质燃烧的CFD-DEM分析：模型构建与数值模拟

《Advanced Powder Technology》：CFD-DEM analysis of oxygen carrier-aided biomass combustion in a bubbling fluidized bed: Model Development and numerical simulation

　　童怀楚|王静静|尹柳玲|曹希|卜长生
中国南京师范大学能源与机械工程学院，南京210046

摘要
本研究构建了一种结合流体力学、热质传递及化学反应机制的计算流体动力学-离散元方法模型，用于模拟流化床系统中生物质在氧载体辅助下的燃烧过程。该模型通过实验数据进行了严格验证，并通过对燃烧特性的深入分析，揭示了Fe2O3和SiO2两种床料均可形成“核环”流动结构。与传统燃烧相比，氧载体辅助燃烧使得气固相温度略有升高，温度波动减小，从而更有利于生物质燃烧。当流化床温度从1073 K升高到1173 K时，流化床出口处的CO浓度显著降低，颗粒燃烧速率也高于传统燃烧情况。而当流化速度从1.25 m/s提升到2.25 m/s时，两种燃烧方式下挥发性物质的释放速率及炭的燃烧速率都会加快，不过氧载体辅助燃烧在促进挥发性物质燃烧方面的效果更为显著。随着流化气体中氧气浓度的降低，整体燃烧速率下降，CO浓度上升，但Fe2O3床料仍能在低氧条件下有效提升燃料燃烧效率。

引言
过去三十年来，对化石燃料的过度依赖导致了严重的环境问题，如全球变暖、生态破坏以及能源安全威胁[1]。为解决这些问题，向可持续低碳能源转型至关重要[2]。在各类替代能源中，生物质作为最丰富的有机碳可再生资源，其高效利用不仅能减少对化石燃料的依赖，还能帮助应对温室气体排放及传统能源系统带来的污染等重大可持续性挑战[3]。
生物质燃烧可通过热化学过程将生物质转化为热能、电能及生物燃料，是一种有效的转化途径[4]。目前的生物质燃烧技术主要包括格子炉燃烧、悬浮燃烧和流化床燃烧[5][6]，其中流化床燃烧因其独特的燃烧机制而具有显著优势——生物质颗粒在流化作用下发生反应，兼具格子炉和悬浮燃烧的特点。具体而言，流化床燃烧可在相对较低的温度下进行，延长燃料停留时间，增强气固混合效果。此外，该技术还具有较宽的负荷调节范围和快速响应能力，能够在不同工况下实现灵活高效的运行[8][9]。
尽管流化床燃烧在燃料灵活性和污染物控制方面具有优势，但燃料与氧气在床层中的分布不均往往会导致燃烧不完全，限制其效率。2013年，瑞典查尔姆斯理工大学的Thunman等人提出了氧载体辅助燃烧这一创新解决方案[10]。该技术通过用反应性氧载体替代部分或全部惰性床料，改善燃烧器内的氧气分布。其原理是将富氧区域的氧气以晶格氧形式储存在氧化后的氧载体中，再在缺氧区域释放出来与燃料反应，生成CO2和H2O[11]。近年来，氧载体辅助燃烧技术发展迅速，已从实验室规模试验成功应用于工业领域[12][13]。实验结果表明，这种燃烧模式能显著增加氧气与燃料的接触，从而提高燃烧效率并减少污染物排放。Ju Kim等人[14]在以木材为燃料、功率为84 kWth的试点装置上，使用钛铁矿作为氧载体对氧载体辅助燃烧进行了实验研究，结果表明用钛铁矿替代传统惰性床料可使烟气中的CO浓度降低50%以上，同时CO2浓度从94.3%上升至97.4%。Ma等人[15]和Wang等人[16]则研究了沸腾流化床中氧载体辅助燃烧的性能，评估了不同氧载体在不同空燃比条件下的燃烧效率及NOx排放情况，发现所有测试的氧载体都能降低CO和NOx的排放量。此外，该技术已在容量为12至170 MWth的工业循环流化床锅炉中得到成功应用，超过12,000小时的运行数据显示，氧载体辅助燃烧能有效降低CO排放，减少过量空气需求，并提升锅炉效率[17][18]。
目前，氧载体主要分为非金属氧化物、金属氧化物和天然矿石三类。像CaSO4这样的非金属氧化物由于反应过程中会产生SO2，对环境不利[19]；基于铂和钯的氧载体则因成本高昂且资源稀缺而受限；铜基材料则存在热稳定性差的问题，锰基材料的氧迁移能力也不足。相比之下，包括Fe2O3、钢渣和铁矿石在内的铁基材料因其经济性、抗烧结性及高反应性而成为更优选择。但由于钛铁矿含有惰性成分TiO2且成分复杂，钢渣在不同批次间的化学成分稳定性较差，二者都会带来难以控制的干扰因素。因此，本研究选择化学成分明确的纯Fe2O3作为研究对象，以准确揭示铁基氧载体的燃烧机制[20]。
Schneider[21]和Stenberg[22]研究了沸腾床反应器中钛铁矿辅助甲烷燃烧的机制，发现使用钛铁矿作为床料可使甲烷的燃烧效率达到100%。进一步分析表明，钛铁矿有助于将氧气从反应器底部输送到顶部，在顶部通过还原反应释放氧气，从而氧化顶部的可燃气体。Chadeesingh等人[23]在沸腾流化床研究中也发现，添加Fe2O3能提高甲烷的燃烧效率，降低CO、CH4和C2H4等不完全燃烧气体的浓度，同时提高床层顶部的氧气浓度。他们还在床料中发现了还原态的Fe3O4颗粒，这说明氧气的动态调控是通过Fe2O3/Fe3O4的氧化还原循环实现的，进而优化了炉内的氧气分布。后续研究[24]还表明，Fe2O3中的晶格氧可通过物理接触点转移到碳的活性位点上，此过程中产生的氧空位会被氧分子填充，形成持续的氧化还原循环，为氧气与燃料的接触提供新的途径。对于挥发性物质的燃烧，研究发现添加Fe2O3颗粒后，甲烷是由Fe2O3而非O2氧化的，这进一步说明晶格氧的转移机制也有助于挥发性物质的燃烧。鉴于钛铁矿和钢渣存在的上述问题，本研究仍选择纯Fe2O3作为研究对象。
虽然实验研究已经证实了铁基氧载体对燃烧的促进作用，也从理论上阐述了Fe2O3的作用机制，但由于氧化还原反应是连续进行的，仅通过监测铁的价态变化很难还原原子级别的氧气迁移过程，具体的氧气迁移路径也缺乏实验验证。此外，颗粒在气膜层之外还会与其周围环境发生复杂的热、质和动量交换，导致燃烧过程呈现多场耦合的“热-质-流”特性，实验方法难以分离这些单独的因素，也就难以量化它们对燃烧效率和氧气分布的具体影响。同时，当前仪器还无法检测局部温度场和晶格氧扩散率等关键参数，氧载体辅助燃烧中“热-质-流”如何调控燃烧的机制也尚未完全阐明。
数值模拟是一种研究密集型气固反应流的强大工具，能够提供详细的颗粒级信息，而这些信息往往仅靠实验难以获取。本研究采用计算流体动力学-离散元方法，旨在克服传统实验的局限性——传统实验无法捕捉原子级别的氧气迁移，也无法解析燃烧机制中“热-质-流”之间的协同作用。该数值方法对气相采用欧拉描述，对固相采用拉格朗日描述，既能精确追踪单个颗粒的轨迹，又能保持较高的计算精度[25][26]。此外，该方法具有很高的可扩展性，可整合子模型来详细描述包括热传递、化学反应以及静电力、液桥力和范德华力在内的多物理场相互作用[27][28]。通过该方法，那些难以通过实验测量的关键参数，如局部温度场和晶格氧扩散率，也能被准确量化。事实上，计算流体动力学-离散元方法在研究复杂气固反应系统方面已展现出良好效果。Guo等人[29]利用MFIX平台对凝聚态气固流化床中的生物质燃烧进行了数值模拟，阐明了颗粒间黏聚力随颗粒尺寸的变化规律。Korkerd等人[30]则通过该方法研究了流化过程中二元混合物的热传递动力学。这些研究都体现了计算流体动力学-离散元方法在揭示复杂气固多相流微观机制方面的独特优势。在本研究中，我们创新性地构建了计算流体动力学-离散元方法模型，实现了多相流、热传递和化学反应的深度耦合，能够精确追踪颗粒的流化过程及反应演变，进而捕捉那些难以通过实验获得的氧气迁移动态。
具体而言，本研究的第一阶段是在开源的MFIX-DEM框架内构建计算流体动力学-离散元方法模型。该模型整合了多相流动力学、热质传递以及氧载体的氧化还原反应机制，专门用于研究流化床中生物质的氧载体辅助燃烧过程。该模型通过实验数据进行了全面验证，重点考察了热传递、气相燃烧及固相燃烧特性，验证结果证明了该模型在预测氧载体辅助燃烧特性方面的准确性。基于经过验证的模型，我们进行了数值模拟，分析了颗粒的流化动态、气固相互作用中的热场分布以及氧载体的氧化还原反应。此外，我们还系统研究了床料类型、床温、流化速度和氧气浓度等关键操作参数对生物质燃烧特性的影响。

模型描述
在计算流体动力学-离散元方法框架中，通过双坐标方法来描述流体相与颗粒相之间的复杂相互作用。流体运动在欧拉框架下用纳维-斯托克斯方程描述，此时流体被视为连续介质；而单个颗粒的运动则在拉格朗日框架下遵循牛顿第二定律，这样就可以详细追踪颗粒的轨迹。该模型中的气固耦合反应为：4Fe3O4+ O2→6Fe2O3(R14)。反应速率可通过以下公式计算：
r13=ApPO2rdiff,O2rkin,O2rdiff,O2+rkin,O2MFeO- 1
r14=ApPO2rdiff,O2rkin,O2rdiff,O2+rkin,O2MFe3O4- 1
其中，Ap、PO2和M分别表示颗粒的表面积、氧气的分压以及氧载体的摩尔质量。

模拟平台的构建
本研究采用开源的MFIX-DEM软件进行数值模拟。现有的MFIX-DEM框架提供了标准的物理模型和库，可用于求解流化床中的气固流体力学问题以及热/质传递问题。该程序代码包含多个模块……

实验
由于锯末的挥发性物质含量较高（V/(V + FC)比值大）且灰分含量低，因此被选为生物质燃料及模拟对象，相关数据见表3。这些特性有助于提升燃烧时的点火性能，同时减少炉渣和飞灰的生成。作为传统燃烧和锯末氧载体辅助燃烧的床料，我们分别选择了纯度为99.9%的分析级SiO2和Fe2O3，这两种材料均来自Aladdin Scientific公司。

模型验证
在先前的研究中，MFIX-DEM模型已被用于气固反应模拟，并得到了严格验证[50]。在本研究中，我们进一步开发了用于热传递和化学反应的热化学子模型，并将其与MFIX-DEM框架相结合，用于模拟生物质的氧载体辅助燃烧过程。因此，对这些新开发的子模型进行全面验证，对于确保模拟结果的准确性和可靠性至关重要。

结论
本研究将计算流体动力学-离散元方法与基于开源代码MFIX-DEM的热传递和化学反应子模型相结合，用于模拟流化床中以铁基氧载体为辅助的生物质燃烧过程。这些经过验证的热传递和化学反应子模型，是根据颗粒热传递实验、氧载体辅助甲烷燃烧实验以及流化床中生物质氧载体辅助燃烧实验的结果进行验证的。在这一经过验证的框架基础上，我们对相关现象进行了全面研究……

CRediT作者贡献声明
童怀楚：撰写原文初稿、可视化处理、数据整理、概念构思。王静静：方法设计、实验研究、定量分析、数据整理。尹留玲：写作——初稿撰写、数据整理、概念构建。曹曦：验证、方法设计、数据整理。布长生：写作——审阅与编辑、监督、资源协调、资金筹集、概念构建。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52376116）的支持。