农林剩余物多途径热解气化联产碳材料关键技术开发——电力技术成果推荐

北极星火力发电网讯:在国家自然科学基金、科技支撑计划等课题等共同资助下，开展了农林剩余物等固体燃料的热解气化及多元颗粒体系流态化特性的应用基础研究。

成果介绍

主要学术贡献及其科学价值如下：

1、建立了固体颗粒无粘性双流体模型，提出了无因次准数相似放大方法。

可调参数多、计算任务重和预报结果误差大是制约流化床模型化放大方法的“瓶颈”问题，其中曳力系数和传热系数的定量化描述及颗粒粘性的存在性问题是困扰业界的难题。

（1）通过对颗粒－颗粒和颗粒－流体相互作用力分析，在网格尺度和设备尺度上剖析了曳力和颗粒黏性对模拟结果的影响，明确了不同曳力系数计算公式适用范围，确定了颗粒粘性影响程度；

（2）根据颗粒碰撞理论建立了颗粒间热传导模型，基于对颗粒尺度上碰撞导热和网格尺度上气固对流传热的系统研究，确定了对流传热约为颗粒碰撞热传导十倍的定量关系；

（3）将拟平衡状态下颗粒与流体相互作用力作为附加力项，同时引入到气相和固相动量方程中，建立了仅有曳力系数一个可调参数的颗粒无粘性双流体模型，提出了相应的无因次准数相似放大方法；

（4）将该模型拓展到液固体系，其模拟结果比目前普遍采用的基于颗粒动理学理论双流体模型更接近实验值。上述成果被国内外同行正面引用500多次。如：Can J Chem Eng副主编Mahinpey教授对所建立的模型评价为“简单…不包括可调参数…获得了与更复杂欧拉－欧拉模型相似结果（easy…not include adjustable parameters…leading to similar results as the more complex Eulerian-Eulerian models)”。

2、提出了锥形结构约束射流的流型调控方法，实现了农林残余生物质的稳定流化。

流化质量是判断流化床反应器操作的重要指标。设备结构和操作条件决定了特定颗粒体系的流化质量，也是影响颗粒停留时间分布及颗粒流体间热、质传递的主要因素，进而影响到反应器的整体性能。因此，优化设备结构和操作条件是调控床内流型结构及提高流化质量的主要方法，对于密度小、体积差异大和形状不规则的秸秆和稻草等生物质尤为重要。

（1）率先开展了锥形流化床内多颗粒体系轴向浓度分布特征研究，指出了锥形结构调控宽粒径颗粒均匀分布的明显优势；

（2）发现了高速射流诱导的颗粒循环模式具有强化多组份颗粒混合的显著效果；

（3）通过锥形结构约束和高速射流诱导的耦合，建立了锥形度与异性颗粒流化数之比的构效关系，提出了锥形结构约束射流的流型调控与颗粒混合强化方法，实现了生物质颗粒在流化床内宽负荷的稳定流化。英国皇家学会Sparks院士将约束射流诱导的颗粒循环模式用于诠释火山喷发过程碎石流化现象，知名多相流学者Biswas教授对候选人在锥形床方面工作评价为“…首先由张等完成（…were Primarily made by Zhang et al.)”，著名化工专家Pangarkar教授在Design of Multiphase ReactorsISBN:978-1-118-80756-9,Wiley出版社，2015）书中指出“多相反应器内不同粒径颗粒分布可以由张的贡献清晰解释（…is readily explained on the basis…)”。

奖项等级

华北电力大学排名：第4

奖种、等级：以华北电力大学为第一完成单位，2012年获教育部自然科学二等奖（生物质热解气化多相流动反应机制和应用基础）。通过产学研合作，与中国林业科学研究院林产化学工业研究所等单位共同开发了锥形流化床生物质热解气化联产炭材料成套技术与装置，长期工业运行中气化炉流化质量稳定、温度均匀、气化强度高，2013年荣获国家科技进步二等奖。

成果团队

主要完成人：张锴

1989年获南京化工学院（现南京工业大学）化学工程专业学士学位，1992年和1996年分别获中科院山西煤炭化学研究所工学硕士和博士学位，然后留所工作，曾任课题组长和研究室副主任