中国煤炭资源丰富，占全国能源总额的70%。尽管世界上正在积极的推动能源供给侧改革，但对于现阶段中国的能源结构来说，煤炭仍然处于主导地位。褐煤作为煤化程度最低的煤，由于含硫量较高的特性限制了其资源化利用。传统的褐煤利用方法是直接燃烧，利用率低且污染环境。磷石膏（PG）是一种工业固体废物，其主要成分是CaSO₄·2H₂O。在我国，PG的累积量已超过5亿吨，带来了许多环境问题，而综合利用率只有约40%。
合成气主要由天然气或固体燃料产生的H₂和CO组成，是化学能源工业的重要原料。尤其是在合成氨和甲醇等化工行业中发挥着重要作用。目前，天然气蒸汽重整是合成气生产的主要方法。然而，它需要昂贵的空气分离设备。化学链气化技术（CLG）作为一种新型的气化技术，具有高效性和环境友好性。该技术已被广泛开发用于制备合成气。目前，以磷石膏为载氧体、褐煤为固体燃料的CLG制备合成气技术仍在探索阶段。该技术不仅能够实现褐煤和清洁高效转化，还能实现磷石膏的资源化利用。循环流化床技术（CFB）作为一种高效的系统，由于具有良好的气固混合效率和较广的燃料适应性等优点，已成为了煤炭燃烧和气化的常用技术。前期的研究中，主要在固定床中探究了以磷石膏作为载氧体、褐煤作为还原剂的CLG系统中的反应机理。而对循环流化床中CLG过程的性能、反应器的稳定运行及优化、炉内气固流动行为以及化学反应流的特征方面还有待进一步研究。由于气固流动复杂及测量的局限性，难以获得循环流化床中多相流的详细信息。计算流体力学（CFD）提供了一个很好的方法，以可行的计算方式对循环流化床全回路进行仿真模拟。
本文，针对本课题组开发的循环流化床系统进行了冷态模拟和热态模拟。建立了具有多相流分布的三维计算流体动力学全回路模型，以研究关键参数对系统稳定循环流化及化学链气化性能的影响。在冷态模拟中主要探究了循环流化床中气-固两相的流化行为。随后，在冷态模拟的基础上对燃料反应器（FR）中褐煤化学链气化过程进行了热态模拟。循环流化床中磷石膏载氧体褐煤化学链气化制备合成气的特性被评估。
冷态模拟结果表明：CFD模拟能够很好的捕捉到颗粒的轴向速度和径向速度，提升管下部区域和旋风分离器内部存在着较多的径向流动，反映出提升管中剧烈的颗粒碰撞和旋风分离器中良好的气固分离。这将有利于后面的气-固反应和固-固反应的进行。合适的粒径和进气速度是CFB系统稳定运行的关键因素。静态颗粒存料量对CFB内颗粒流量方面起着相当大的作用。进气速度和存料量对反应器内压力差的贡献并不大。
热态模拟结果表明：在CFB的快速流化过程中，磷石膏载氧体褐煤的化学链气化反应过程复杂且迅速。在7 s内放热反应占据着主导地位。7 s-15 s时，吸热反应占据着主导。在没有物料补给前，提升管内的反应在21s前可以基本完全。合适的反应温度、水蒸气含量以及PG载氧体与褐煤的摩尔比对提高合成气的产生量至关重要。CFB反应器的冷态模型等比推广到热态模拟时，会出现不良现象，需根据化学反应动力学模型进行修正。
仿真结果与实验结果吻合较好，验证了仿真模型的有效性。本文所开发的CFB全回路三维CFD模型能较为准确的预测CFB反应器的气固流动和燃料反应器中的褐煤CLG过程，研究结果可为磷石膏载氧体褐煤化学链气化工业放大操作提供了依据。
 

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