背景介绍

“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”碳中和的话题自2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上由习近平主席提出以来，一直备受关注。

今年两会期间“碳达峰”、“碳中和”更是成为了热词，引来各大媒体纷纷报道，人大代表、政协委员纷纷表达观点。专家表示，从现在开始，到2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，时间不满10年，但我国经济发展的同时，能源消费总量仍然处于上升通道，因此“十四五”时期二氧化碳排放如何控制，就显得格外重要。“十四五”时期是碳达峰的关键期、窗口期。为此今年两会期间，政府对于做好碳达峰、碳中和各项工作提出了更加细化的行动方案。

面临的问题与挑战

中国现阶段面临着碳排放量大、能源消耗以化石能源为主的挑战。尽管近年来，随着能源转型步伐加快，中国的能源结构不断优化，但煤炭在一定时期仍是主体能源类型和重要工业原料。

因此，需要大力推进煤炭的清洁利用仍是有效减少碳排放的有效手段，如煤气化技术、化学链式燃烧技术。同时也要增加其他可替代燃料的利用，逐渐减少化石能源的利用，如生物质燃料、垃圾焚烧等。为了更好地促进上述技术的快速发展，单纯依靠实验手段难以满足当前形势的迫切要求，需要借助低成本、短周期的仿真模拟作为辅助手段。

CPFD 解决方案

工业级流体-颗粒系统模拟专家Barracuda软件，致力于工业级大规模颗粒流体系统的模拟。可以通过精确模拟大型工业装置内复杂的流动、传热和化学反应，Barracuda可帮助企业降低污染物和碳的排放量，提高能源的使用效率。

计算方法

Barracuda软件基于的CPFD方法是一种欧拉-拉格朗日双向耦合的计算方法，流体采用欧拉方法，通过求解Navier-Stokes方程来描述流场；颗粒相采用拉格朗日方法，根据MP-PIC数值方法（Multiphase particle-in-cell method）进行颗粒求算。通过三维瞬态模拟气体和催化剂颗粒的流体动力学、热力学行为和焦炭燃烧动力学，实现对反应器内流动、传热和反应情况的预测，分析操作条件、装置结构变化带来的影响。

技术优势

• 庞大的颗粒计算量：石化行业设备尺寸及颗粒处理量一般非常庞大，颗粒数量甚至可以达到天文数字级别，Barracuda软件可以将真实颗粒打包为计算颗粒，有效地将颗粒降低到计算机可以处理的数量。同时，百万至千万量级的计算颗粒仍然可以精确地模拟设备内的颗粒流动情况。
• 密相-稀相混合问题：无需根据浓度人为界定颗粒流类型，进而选择不同的多相流模型。Barracuda软件采用了拉格朗日类型的多相流模型模拟整个浓度范围内的颗粒流动。
• 独特的Baffle功能：支持挡板、分布器等薄体几何模型直接导入，无需对薄体几何进行网格划分。可以通过参数实现Baffle位置、大小及阻力系数的设置，灵活方便。
• 颗粒级别的化学反应模拟：颗粒与流体作用过程中发生的化学反应与颗粒浓度、粒度及流体温度、压力密切相关，Barracuda 软件结合化学反应动力学基本理论，在颗粒层级上模拟气-固、液-固、固-固的化学反应状况。
• CPU+GPU并行加速计算：能够支持CPU并行和CPU+GPU并行加速求解计算，特别是GPU加速尤为显著，依靠显卡供应商NVIDIA推出的CUDA™通用并行计算架构，GPU能够快速高效地解决复杂的计算问题。
• 计算速度快，结果全面：Barracuda软件有着高效且稳定的计算方法，完成小试装置->中试装置->真实设备的仿真。通常在数天到数周的时间，计算速度较通用CFD软件快10~100倍，完全满足工业部门多设备设计要求。而且是保证获得实验及其他仿真工具难于获得的更为详细的颗粒信息，如颗粒浓度、停留时间、粒径分布、组分变化等。

相关案例介绍

案例1：双循环流化床煤化学链燃烧系统热态CPFD模拟

图1 双循环流化床煤化学链燃烧系统

化学链燃烧（CLC）技术在燃烧过程中能够实现CO₂内分离，整个过程中避免了燃料与空气的直接接触，从而实现CO₂富集，被认为是解决温室效应的有效方式之一。CLC系统一般为串行流化床或固定床配置，其中串行流化床形式更有利于工程放大和应用。而CLC流化床反应器在设计和放大过程中，如何去确保煤转化率和燃烧效率则需要进行深入的研究工作。

该案例采用Barracuda软件对50kW_th化学链燃烧双循环流化床进行全床尺寸模拟分析^[1,2]，首先通过比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度，验证了CPFD模拟的可靠性；然后重点分析了反应器间的固相循环流量、系统压力分布、固相浓度分布等对链式燃烧过程的影响。

图2 燃料反应器出口处气相体积分数的实验与模拟值对比

图3 稳定状态下燃料反应器FR中的各组分分布

图4 不同FR高度和给煤模式下的FR组分气体体积分数

通过模拟发现在燃料反应器中，煤粉热解产物和气化产物CO/CH₄/H₂氧载体混合不均匀，呈现贴壁逃逸的现象，考虑可以采用多点供煤提高氧载体和煤粉的混合，来提高煤转化率。然后借助Barracuda进行了优化方向验证，结果表明通过多点进煤的确能够实现煤转化率的提高，如上图所示。另外根据CPFD模拟提出了其他的优化操作工况，例如：提高燃料反应器和空气反应器操作气速，提高固体循环流量，进而提高晶格氧的供给量，可以使得CO₂气产量提高2.7%，燃烧效率提高1.2%。

案例2：喷动床反应器中生物质快速热解CPFD仿真分析

图5 颗粒床层分布: CPFD（左），ECVT电容层析成像（右）

生物质作为一种可持续的可再生能源，如果能够提高生物质的利用，作为化石燃料的替代品，能够在一定程度上能促进低碳减排。该案例采用微喷动床热重分析仪(MSB-TGA)测量了生物质在喷动床中的热解动力学，并将其应用于Barracuda软件中进行快速热解反应模拟^[3]。生物质热解模拟结果表明，相比于常规TGA，MSB-TGA获得的动力学数据为生物质热解反应提供了可靠的结果。

图6 温度-热解产物曲线

图7 热解产物随气速的变化

同时研究了反应温度和气速对流体动力学、传热以及随后的热解反应的影响。随着气速从4 ~ 6 m/s的增加，床料和生物质颗粒之间的混合和传热增强，焦油产率由55.6%提高到64.8%，7 m/s时降至60.7%。反应温度从400℃升高至450℃，焦油的产率从55.6 wt％增加至58.7 wt％。焦油的产率在450℃达到最大值，然后由于焦油的二次反应在550℃降低至50.9％。

图8 焦油Tar分布云图

案例3：循环流化床中玉米秸秆掺烧共燃的CPFD模拟

图9 循环流化床结构示意图

该案例采用Barracuda对循环流化床中油页岩再生固体废物与玉米秸秆共燃进行了三维数值模拟^[4]。研究表明，CPFD方法对循环流化床燃烧特性的模拟具有较强的预测能力，为循环流化床一次风量和混合比控制提供了有意义的数值。对比不同操作参数下的模拟获得的床层温度与实验结果值，验证了模型的准确性。分析气体组分表明，主要反应发生在O₂和C、CO之间。对反应器中颗粒的速度分布和颗粒停留时间的分析，发现颗粒的内部循环是最有效的方式，颗粒的停留时间长，确保颗粒在炉子中的燃烧足够充分。结合温度分布、气体组成和停留时间分析，确定了稳定燃烧的最佳操作条件：一次风率为80%、混合比为R1(6:4)。

图10 不同工况下气体组分分布

图11 温度沿床层高度分布

展望

依靠Barracuda软件的特色优势，在煤化学链燃烧技术、煤/生物质气化技术、生物质/固废掺烧^[5,6]等方面得到越来越广泛的应用，人们能够对反应器内的流动、传热和化学反应过程进行更加深入的研究，促进碳转化和燃烧效率的提高，助力行业的低碳减排。

参考文献：

[1] 陈曦, 马琎晨, 赵海波. 50kWth双循环流化床煤化学链燃烧系统[J]. 工程热物理学报, 2018(9).

[2] Chen X, J Ma, Tian X, et al. CPFD simulation and optimization of a 50 kW_th dual circulating fluidized bed reactor for chemical looping combustion of coal[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 90(C):102800-102800.

[3] Park H C, Choi H S . Fast pyrolysis of biomass in a spouted bed reactor: Hydrodynamics, heat transfer and chemical reaction[J]. Renewable energy, 2019, 143B(DEC.):1268-1284.

[4] Liu H, Li J, Wang Q. Three-dimensional numerical simulation of the Co-combustion of Oil Shale Retorting Solid Waste with Cornstalk Particles in a Circulating Fluidized Bed Reactor[J]. Applied Thermal Engineering, 2017:S1359431117343466.

[5] Kong D, Wang S, Zhou M , et al. Three-dimensional Full-loop Numerical Simulation of Co-combustion of Coal and Refuse Derived Fuel in a Pilot-Scale Circulating Fluidized Bed Boiler[J]. Chemical Engineering Science, 2020, 220:115612.

[6] Nakhaei M, Wu H, D Grévain, et al. CPFD simulation of petcoke and SRF co–firing in a full–scale cement calciner[J]. Fuel Processing Technology, 2019, 196:106153.

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