一、概述

生物质能利用的一种主要形式就是将生物质能先转化为热能，其中大部分项目以农林剩余物为燃料，通过专用锅炉直接燃烧产生蒸汽，最后进而转化为电能、动力源或供暖源。而生物质热解气化炉是近年来兴起的一种高效的生物质转热能设备，在供给少量空气的条件下，通过热化学转换，将生物质转变成为木炭、液体和气体等低分子物质的过程。

本节中我司的仿真案例项目，将简要介绍我司针对前述某型生物质热解气化炉的仿真过程，由于该设备的工艺中存在一个“堆积床动态传质”非常规的仿真难点，我司在这次模拟中利用擅长的二次开发编程能力，总体上解决了相关问题。

二、生物质热解气化炉-模拟案例

本案例模拟的内容，是一型生物质热解炉内各种气体热解析出/注入、混合和燃烧反应的过程，几何模型示意图如下：

几何模型

整个设备中包括以下4类气体源：

（1）   料层区颗粒热解，并向上于整个气体薄层区段析出有机混合热解气；

（2）   气体薄层区左段外加的热解用空气（常温）；

（3）   气体薄层区右段外加的碳化用水蒸气（大于100℃）；

（4）   燃烧区喷嘴群外加的助燃用空气（常温）。 

本次模拟的最大技术难点是：底部生物质颗粒粒径较大，该床层属于“堆积床”。虽然生物质颗粒处于动态搅拌中，但其中的气体空隙体积占比仍然很小，与多相流气-固“流化床”的状态差距很大，整个床层不具备真正的流体流动性，不符合流体动力学的原始定义，无法直接模拟。

而我司解决该难点的主要思路是：整个下部料层区域单独设定一种新的物质，各要素、变量的求解，以单独编程的形式作“二次开发”，并与上部气体区域流体动力学主程序相连结。在紧靠梯形等截面料层区的顶面上方，设置一层数据耦合气体薄层区，下部料层区和上部燃烧区之间的热量耦合、气体组分耦合，均在这一气体薄层区完成。料层区加注的热解风和水蒸气，也在这个薄层区析出。

热解气源项位置

（大红色为热解速率波峰）

热解风源项位置

水蒸气源项位置

以上三图分别为在气体薄层区析出的热解气、热解风和水蒸气的源项位置示意图。其中，热解气析出速率与料层的温度有关联，第一幅图靠中间的大红色区为热解速率大波峰，靠左边黄色区域为次波峰。

生物质颗粒热解以后的混合气体主要包括：CO、CO2、H2、CH4、H2O及生物质焦油等，成分极为复杂，混合气体可拟合为一个总体分子式Cn1 Hn2 On3 （具体比例数据此处略去）。本案例对混合气体燃料以总包、单步、不可逆反应的形式，模拟考虑涡耗散影响的湍流有限速率燃烧反应。概念性的反应方程式如下：

Cn1 Hn2 On3  +（k1）O2  → （k2）CO2 +（k3）H2O

下面两图为某一时刻下部料床的最终结果图，颜色比例尺分别代表料床高度系数和温度。其中，h0代表料床入口处的总高度，h代表沿输送轴不同位置的实际高度值，入口处的料床高度系数h/h0为1.0。料床高度在起始段下降很慢，下降最快的区段是床层中部，在料床末段下降又趋缓，最终出口处的高度h，相当于入口高度的约20%。料层高度下降最快的位置，与前面图中热解速率波峰的位置一致。

纵向截面料床高度系数h/h0 

纵向截面料床温度分布

下图为总体温度场分布，一燃室底部的局部低温是因为热解风和水蒸气的加注，中间的高温区即为火焰中心区，明显可见高浓度氧气喷射形成的高速率条带；二燃室的燃烧速率相对来说更慢一些，温度场大小差异也没有一燃室那么明显。

总体温度场-纵向截面

下图为气体速度场分布，可见，助燃空气的喷射群尾迹，在各截面上表现为明显的高速点阵。总的气体流量，在进入二燃室、三燃室的过程中都是逐渐升高的。

气体速度场-纵向截面

以下三图为浓度场图，量值大小均为质量占比分数。

由<热解混合气cn1 hn2="""""""""""""">可见，热解气2个极高浓度的区域主要位于气体薄层区附近，具体位置分别对应下部料床热解的大波峰和次波峰；薄层区中部的最高浓度热解混合气，因为上方的极高速燃烧而在向上扩散过程中浓度急剧衰减，而左边的次高浓度区因为上方的中低速燃烧而在向上扩散过程中浓度衰减较慢。

由<氧气o2浓度场>可见，气体薄层区左段外加的热解用空气，提供了左侧高浓度的氧气分布，而右侧的氧气浓度，则受到了气体薄层区右段外加的大流量碳化用水蒸气的压制，左边的氧气不容扩散过去。

由<水蒸气h2o浓度场>可见，气体薄层区右段外加的大流量碳化用水蒸气，扩散后的浓度很大，甚至局部压制了燃烧反应。而该图中部的条带状浅蓝色印记，则是H2O作为燃烧反应生成物的低浓度贡献。

热解混合气Cn1 Hn2 On3浓度场-纵向截面

氧气O2浓度场-纵向截面

水蒸气H2O浓度场-纵向截面