太原理工大学郝晓刚教授团队：下行床热解器模拟研究进展丨CRC最新Review

近日，太原理工大学郝晓刚教授团队在Carbon Resources Conversion期刊上发表题为“Downer reactor simulation and its application on coal pyrolysis: A review”的文章。

Carbon Resources Conversion 是一本专注于碳资源转化的国际学术期刊。期刊已经被DOAJ、INSPEC、Scopus数据库收录，入选2021年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。本刊CiteScore Tracker 2021：9.8。

1

亮点介绍

（1）总结了下行床高密度操作的定义及其实现方式；

（2）对比并分析了几种常见的曳力模型和煤热解模型；

（3）总结了现有下行床热解器模拟工作的现状与问题；

（4）展望了下行床热解器未来模拟研究的方向。

2

综述背景

我国低阶煤储量丰富，约占煤炭总储量的50%以上。低阶煤特点是挥发分高、水分大、热值低，不适合直接用于燃烧产热发电，其理想的利用工艺是：首先将其含氢挥发分转化为高品质焦油和煤气，然后将剩余含碳物质（半焦）转化为固体燃料或碳基材料。经过近几十年广泛研究，现已明确，以中低温热解为先导，以循环流化床为载体，产物分质分级利用思路是实现上述工艺的最佳方式之一。热解作为该工艺的关键一环，设备选型至关重要。

众所周知，循环流化床提升管反应器具有处理量大、传热传质效率高的优点，在化工行业尤其是石油催化裂化过程中得到了广泛的应用。但由于其内部气固逆重力场流动，在传热传质性能得到极大提升的同时不可避免会带来固相返混程度较高的缺点，难以接近平推流，与反应速度快且目标产物为中间产物的低阶煤热解反应特性不完全契合。与提升管相比，下行床内气固并流顺重力场流动，在很宽操作范围内都接近平推流型，被认为是最有前景的流化床热解反应器之一。

3

内容简述

文章主要从下行床气固流动特性、进出口结构设计、高密度操作定义及实现方式、气固相间曳力模型、煤热解反应模型及其在下行床热解器热态模拟中的应用情况等进行了综述。

综合分析下行床内部径向固含率分布、气固速度分布、颗粒停留时间分布等，认为该类反应器具有近平推流特性，适合作为煤热解反应器。同时，其内部存在少量结构松散、且不稳定的颗粒聚团，在模拟过程中应酌情加以考虑。考虑到下行床进出口结构对其内部流场影响较大，综述了几种常见的进出口结构及其各自特点。

概述了高密度操作的定义，认为目前以体积通量为基准定义的高密度操作(颗粒体积通量大于0.1-0.2 m3/(m2s)，且颗粒固含率大于0.05-0.1)可以更全面的应用于不同颗粒系统甚至流化系统。并总结了实现高密度操作的主要方式：（1）改变操作条件，如增加颗粒通量及减小气速等；（2）优化设备结构，增加辅助设备或在原有基础上改进设备结构；（3）改变循环颗粒的性质，如颗粒直径或密度，但该方法调整作用有限，一般较少采用。

介绍并详细分析对比了几种常见的气固相间曳力模型（基于均匀结构的Gidaspow曳力模型、考虑非均匀结构影响的团聚物直径曳力模型、经典多尺度曳力模型、基于空间叠加的多尺度曳力模型和考虑颗粒宽分布的粒径分布曳力模型）、煤热解动力学经验模型（总包一级反应模型、双竞争平行反应模型、有限多平行反应模型、官能团模型、分布活化能模型和离散分布活化能模型），以及其在下行床热解器热态模拟中应用现状。

4

现存问题与未来展望

（1）目前总包一级反应模型由于其简单的方程形式被广泛使用，但该模型只能预测一定条件内的热解特性，不适用于非等温反应过程等其他不同条件，从而精度有限。当使用相对总包一级反应模型较复杂的有限多平行反应模型时，其可以模拟出实际焦油产率随温度的变化。因此，综合考虑模拟计算效率与精度要求，推荐使用更合理的热解动力学模型，从而有利于提高模拟预测的准确性，有助于协助工艺放大；

（2）实际反应器中颗粒直径存在分布，并随着进料和时间变化，然而目前研究中都普遍使用平均直径代替粒径分布，而这不可避免地导致了模拟误差。因此，需要着重考虑实际反应器中颗粒的粒径分布现象，如使用颗粒群平衡模型(PBM)与现有模型结合以更详细的研究颗粒粒径分布对流动和反应过程的影响；

（3）目前下行床热解器研究中都忽略了煤颗粒在热解过程中的内部、外部传热传质过程，这是一种不合理的假设。研究发现在900 ℃的热解温度下，颗粒表面与核心的内部温差可达300 ℃以上。因此，有必要考虑颗粒内部、外部的传热传质过程，从而有助于明确反应控制机制，更好地认识反应器内复杂的热解行为。

作者及通讯作者简介

共同第一作者：

潘雪儿，女，博士研究生，合作发表SCI论文四篇。

主要研究方向：气固多相流、多尺度建模以及反应动力学。

连文豪，男，讲师，工学博士，主持国家自然科学基金一项，省级项目一项，发表SCI论文十余篇，博士论文获批2020年山西省优秀博士学位论文。

主要研究方向：流态化模拟、多尺度建模以及反应动力学。

通讯作者：

郝晓刚，男，教授，工学博士，博士生导师。山西省化工学会理事长，中国颗粒学会理事，中国化工学会工程热化学专委会委员、中国膜工业协会电驱动膜专委会委员；山西省新世纪学术技术带头人“333人才工程”省级人选，山西省教学名师、省级师德标兵，山西省“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才。毕业于四川大学化工系，分别于1987、1990年获学士、硕士学位，1997年获博士学位；2002年~2003年美国华盛顿大学访问学者、2007年~2008年加拿大滑铁卢大学高访、2011年日本东京大学、神户大学访问学者、2013年加拿大西安大略大学高访。现主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目各一项，已负责完成多项国家自然科学基金、省基金、国际合作项目和回国留学人员基金项目；在国内外学术期刊发表科研论文四百余篇，申请国家发明专利五十余项(已授权四十五项)，出版教材/专著六部。国际期刊《Carbon Resources Conversion》、《水处理技术》及《煤炭转化》编委、《太原理工大学学报》副主编，国内外八十余种主流学术期刊审稿人。

主要研究方向：电活性功能材料、膜分离、流态化、水处理技术。

杨景轩，男，副教授，工学博士，入选山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才，担任山西省化工学会秘书，负责专业委员会工作，山西省化工学会流态化专业委员会秘书长。曾主持国家自然基金青年项目一项，作为骨干成员参与国家重点研发计划项目两项，科技部国际科技合作项目一项，国家自然基金面上项目两项，省级项目三项。发表SCI论文二十余篇，授权发明专利五项。

主要研究方向：多相流动、传递、反应过程及装备开发。

文章信息

Downer reactor simulation and its application on coal pyrolysis: A review

Xueer Pan，Wenhao Lian，Jingxuan Yang，Junli Wang，Zhonglin Zhang，Xiaogang Hao，Abuliti Abudula，Guoqing Guan

扫码免费阅读

期刊简介

Carbon Resources Conversion 创刊于2018年，是一本专注于碳资源转化的国际学术期刊。它发表碳资源的清洁、高效、增值、低碳利用等相关技术的基础研究和工业发展的文章。期刊编委成员包括来自中国、美国、英国、法国、日本、韩国等多个国家的知名学者。目前，期刊已经被DOAJ、INSPEC、Scopus数据库收录，入选2021年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。

主编：许光文

沈阳化工大学

主编：Seraphim Papanikolaou

希腊雅典农业大学

推荐阅读

KeAi

科爱出版

植根中国，影响全球！

KeAi 由科学出版社和Elsevier共同投资成立，出版了超百种英文学术期刊，囊括了自然科学、地球科学、材料、工程、医学、生命科学、社会科学等学科。

关注KeAi，时刻了解期刊动态！