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背景介紹

“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”碳中和的話題自2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上由習近平主席提出以來，一直備受關注。

今年兩會期間“碳達峰”、“碳中和”更是成為了熱詞，引來各大媒體紛紛報道，人大代表、政協委員紛紛表達觀點。專家表示，從現在開始，到2030年前實現二氧化碳排放達到峰值，時間不滿10年，但我國經濟發展的同時，能源消費總量仍然處于上升通道，因此“十四五”時期二氧化碳排放如何控制，就顯得格外重要。“十四五”時期是碳達峰的關鍵期、窗口期。為此今年兩會期間，政府對于做好碳達峰、碳中和各項工作提出了更加細化的行動方案。

面臨的問題與挑戰

中國現階段面臨著碳排放量大、能源消耗以化石能源為主的挑戰。盡管近年來，隨著能源轉型步伐加快，中國的能源結構不斷優化，但煤炭在一定時期仍是主體能源類型和重要工業原料。

因此，需要大力推進煤炭的清潔利用仍是有效減少碳排放的有效手段，如煤氣化技術、化學鏈式燃燒技術。同時也要增加其他可替代燃料的利用，逐漸減少化石能源的利用，如生物質燃料、垃圾焚燒等。為了更好地促進上述技術的快速發展，單純依靠實驗手段難以滿足當前形勢的迫切要求，需要借助低成本、短周期的仿真模擬作為輔助手段。

CPFD 解決方案

工業級流體-顆粒系統模擬專家Barracuda軟件，致力于工業級大規模顆粒流體系統的模擬。可以通過精確模擬大型工業裝置內復雜的流動、傳熱和化學反應，Barracuda可幫助企業降低污染物和碳的排放量，提高能源的使用效率。

計算方法

Barracuda軟件基于的CPFD方法是一種歐拉-拉格朗日雙向耦合的計算方法，流體采用歐拉方法，通過求解Navier-Stokes方程來描述流場；顆粒相采用拉格朗日方法，根據MP-PIC數值方法（Multiphase particle-in-cell method）進行顆粒求算。通過三維瞬態模擬氣體和催化劑顆粒的流體動力學、熱力學行為和焦炭燃燒動力學，實現對反應器內流動、傳熱和反應情況的預測，分析操作條件、裝置結構變化帶來的影響。

技術優勢

• 龐大的顆粒計算量：石化行業設備尺寸及顆粒處理量一般非常龐大，顆粒數量甚至可以達到天文數字級別，Barracuda軟件可以將真實顆粒打包為計算顆粒，有效地將顆粒降低到計算機可以處理的數量。同時，百萬至千萬量級的計算顆粒仍然可以精確地模擬設備內的顆粒流動情況。
• 密相-稀相混合問題：無需根據濃度人為界定顆粒流類型，進而選擇不同的多相流模型。Barracuda軟件采用了拉格朗日類型的多相流模型模擬整個濃度范圍內的顆粒流動。
• 獨特的Baffle功能：支持擋板、分布器等薄體幾何模型直接導入，無需對薄體幾何進行網格劃分。可以通過參數實現Baffle位置、大小及阻力系數的設置，靈活方便。
• 顆粒級別的化學反應模擬：顆粒與流體作用過程中發生的化學反應與顆粒濃度、粒度及流體溫度、壓力密切相關，Barracuda 軟件結合化學反應動力學基本理論，在顆粒層級上模擬氣-固、液-固、固-固的化學反應狀況。
• CPU+GPU并行加速計算：能夠支持CPU并行和CPU+GPU并行加速求解計算，特別是GPU加速尤為顯著，依靠顯卡供應商NVIDIA推出的CUDA?通用并行計算架構，GPU能夠快速高效地解決復雜的計算問題。
• 計算速度快，結果全面：Barracuda軟件有著高效且穩定的計算方法，完成小試裝置->中試裝置->真實設備的仿真。通常在數天到數周的時間，計算速度較通用CFD軟件快10~100倍，完全滿足工業部門多設備設計要求。而且是保證獲得實驗及其他仿真工具難于獲得的更為詳細的顆粒信息，如顆粒濃度、停留時間、粒徑分布、組分變化等。

相關案例介紹

案例1：雙循環流化床煤化學鏈燃燒系統熱態CPFD模擬

圖1 雙循環流化床煤化學鏈燃燒系統

化學鏈燃燒（CLC）技術在燃燒過程中能夠實現CO₂內分離，整個過程中避免了燃料與空氣的直接接觸，從而實現CO₂富集，被認為是解決溫室效應的有效方式之一。CLC系統一般為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應用。而CLC流化床反應器在設計和放大過程中，如何去確保煤轉化率和燃燒效率則需要進行深入的研究工作。

該案例采用Barracuda軟件對50kW_th化學鏈燃燒雙循環流化床進行全床尺寸模擬分析^[1,2]，首先通過比較實驗和模擬得到的氣相組分出口濃度，驗證了CPFD模擬的可靠性；然后重點分析了反應器間的固相循環流量、系統壓力分布、固相濃度分布等對鏈式燃燒過程的影響。

圖2 燃料反應器出口處氣相體積分數的實驗與模擬值對比

圖3 穩定狀態下燃料反應器FR中的各組分分布

圖4 不同FR高度和給煤模式下的FR組分氣體體積分數

通過模擬發現在燃料反應器中，煤粉熱解產物和氣化產物CO/CH₄/H₂氧載體混合不均勻，呈現貼壁逃逸的現象，考慮可以采用多點供煤提高氧載體和煤粉的混合，來提高煤轉化率。然后借助Barracuda進行了優化方向驗證，結果表明通過多點進煤的確能夠實現煤轉化率的提高，如上圖所示。另外根據CPFD模擬提出了其他的優化操作工況，例如：提高燃料反應器和空氣反應器操作氣速，提高固體循環流量，進而提高晶格氧的供給量，可以使得CO₂氣產量提高2.7%，燃燒效率提高1.2%。

案例2：噴動床反應器中生物質快速熱解CPFD仿真分析

圖5 顆粒床層分布: CPFD（左），ECVT電容層析成像（右）

生物質作為一種可持續的可再生能源，如果能夠提高生物質的利用，作為化石燃料的替代品，能夠在一定程度上能促進低碳減排。該案例采用微噴動床熱重分析儀(MSB-TGA)測量了生物質在噴動床中的熱解動力學，并將其應用于Barracuda軟件中進行快速熱解反應模擬^[3]。生物質熱解模擬結果表明，相比于常規TGA，MSB-TGA獲得的動力學數據為生物質熱解反應提供了可靠的結果。

圖6 溫度-熱解產物曲線

圖7 熱解產物隨氣速的變化

同時研究了反應溫度和氣速對流體動力學、傳熱以及隨后的熱解反應的影響。隨著氣速從4 ~ 6 m/s的增加，床料和生物質顆粒之間的混合和傳熱增強，焦油產率由55.6%提高到64.8%，7 m/s時降至60.7%。反應溫度從400℃升高至450℃，焦油的產率從55.6 wt％增加至58.7 wt％。焦油的產率在450℃達到最大值，然后由于焦油的二次反應在550℃降低至50.9％。

圖8 焦油Tar分布云圖

案例3：循環流化床中玉米秸稈摻燒共燃的CPFD模擬

圖9 循環流化床結構示意圖

該案例采用Barracuda對循環流化床中油頁巖再生固體廢物與玉米秸稈共燃進行了三維數值模擬^[4]。研究表明，CPFD方法對循環流化床燃燒特性的模擬具有較強的預測能力，為循環流化床一次風量和混合比控制提供了有意義的數值。對比不同操作參數下的模擬獲得的床層溫度與實驗結果值，驗證了模型的準確性。分析氣體組分表明，主要反應發生在O₂和C、CO之間。對反應器中顆粒的速度分布和顆粒停留時間的分析，發現顆粒的內部循環是最有效的方式，顆粒的停留時間長，確保顆粒在爐子中的燃燒足夠充分。結合溫度分布、氣體組成和停留時間分析，確定了穩定燃燒的最佳操作條件：一次風率為80%、混合比為R1(6:4)。

圖10 不同工況下氣體組分分布

圖11 溫度沿床層高度分布

展望

依靠Barracuda軟件的特色優勢，在煤化學鏈燃燒技術、煤/生物質氣化技術、生物質/固廢摻燒^[5,6]等方面得到越來越廣泛的應用，人們能夠對反應器內的流動、傳熱和化學反應過程進行更加深入的研究，促進碳轉化和燃燒效率的提高，助力行業的低碳減排。

參考文獻：

[1] 陳曦, 馬琎晨, 趙海波. 50kWth雙循環流化床煤化學鏈燃燒系統[J]. 工程熱物理學報, 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.

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