当前世界上绝大多数能源均由传统化石燃料所提供，随着能源的需求量逐渐增加，燃料资源总量也在日益减少，同时在煤等燃料的燃烧利用过程中会产生大量的NOx、SO2以及颗粒物等污染物，对环境也造成了严重的影响[1, 2]，所以对于资源更加清洁高效地进行利用，成为了目前亟待研究和解决的问题。而在现有的能源利用技术中，气化则被视为是能源清洁利用的重要方式之一[3-7]。
在近几年中，CFD数值模拟在气化研究中被运用得越来越广泛，成为了一种高效的研究工具，通过模拟可以从定性和定量两个方面了解气化过程，便于气化过程的设计和应用。刘臻等人[7]利用湍流气相反应模型，计算了煤气化过程炉中的温度场、浓度场以及碳转化率分布，发现湍流气相反应模型对于火焰区温度场和浓度场中的计算影响较大，但是对气化炉后部地影响较小。李伟伟等人[8]利用一维稳态模型对射流流化床中的煤催化气化进行了模拟，所得到的颗粒温度和气体组成与实验值的一致性较高。苏丽[9]利用Fluent软件模拟了煤粉气化过程，得到了气化炉中的速度场、温度场和合成气浓度场的分布，同样与实际生产结果吻合得较好。气化技术除了用于煤炭生产合成气外，同样较为广泛地应用于可再生性好、储量巨大的生物质资源。李乾军等人[10]利用基于欧拉多相流的动力学模型对生物质气化过程进行了模拟，所得结果与实验结果基本吻合，同时发现随着生物质粒径的减小，所生成的CO、H2的体积分数以及蒸汽分解率都相应增大。张鹏威等人[11]通过Fluent软件模拟了生物质-水蒸气气化反应，发现随着温度的升高碳转化率和气体总产率均增大，CO和H2的生成受床层高度影响较大，同时模拟结果可以说明水蒸气作为气化介质可以增加H2的产量。
基于已有的单独气化技术，研究人员又提出煤与生物质的共气化[12-15]。煤与生物质的共气化不仅可以克服单独气化过程中的不足，减少了焦油的产生提高了能源利用效率，还可以提高碳的反应活性，同时减少了一部分化石能源的消耗以及污染物的排放[16-18]。研究人员在共气化研究中发现，从生物质转移到煤中的H自由基和OH活性基团，以及生物质中如钾（K）等碱金属的催化作用促进了煤的气化过程，并且提高了合成气的产量，即生物质与煤之间产生了协同作用[19-21]。Pan Y G等人[22]发现生物质与煤进行共气化，可以有效改善低阶烟煤的气化特性，同时随着生物质掺混比例的增加，所生成的合成气热值也在增加。Lu等人[23]在研究中发现，煤在与生物质共热解时挥发分释放的初始和终了温度，取决于生物质的掺混比例以及煤阶。Wang等人[24]发现，当掺混比低于50%时生物质会促进煤的热解气化，而当掺混比高于50%时煤与生物质之间的协同作用将会消失。除了实验探究外，也有许多研究者利用计算机软件对共气化过程进行数值模拟，其中Aspen Plus是一款应用较为广泛的工业系统流程软件[16, 18, 25]。韩宁宁[16]研究发现，随着生物质掺混比的增加，生成合成气中CO、H2和CH4的含量均有增加，且当掺混比例达到50%时协同作用最为明显。周金豪等人[18]基于Gibbs自由能最小化方法模拟了流化床中煤与生物质的共气化过程，得出结论，当生物质的质量分数为20%，氧碳摩尔比为1.1~1.3时气化效果最好。张伟鹏等人[25]利用Aspen Plus建立了平衡简化模型，模拟了煤与生物质共气化制取费托油的过程，发现增加生物质在气化原料中的比例可以减少温室气体的排放。除了Aspen Plus外，也有很多研究者运用ANSYS Fluent软件进行共气化数值模拟研究[26-28]。Armstrong等人[26]利用脱挥发分模型和非均相反应对鼓泡流化床中煤和生物质，以及两种燃料对应的焦之间的共气化过程进行了模拟，并将模拟结果与文献中报道的实验值进行了比较。Lee等人[27]通过求解煤和生物质的气固相化学反应速率方程，对共气化所用气化炉进行了模拟，确定了当蒸汽/燃料比为0.058时气化炉中的气化条件最佳。张锐[28]利用欧拉-拉格朗日方法，搭建了流化床中的气化流体动力学模型，通过数值模拟发现，当共气化中褐煤掺混比增大时，炉膛温度升高且温度最大值向着炉膛上方移动，同时合成气中CO、H2和CH4的浓度下降，而CO2的浓度上升。
从以上研究中可以发现，煤与生物质的共气化具有很好的应用前景，同时利用fluent等软件对反应过程进行模拟也可以更加方便、快捷地对反应进行设计和研究。
参考文献
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