固定床生物质转化动力学：基于欧拉-拉格朗日方法的多种模拟方法对比研究

为优化小型固定床气化器的生物质转化效率，研究人员开发了动态耦合欧拉-拉格朗日（DCEL）和扩展离散元（XDEM）两种模拟方法，揭示了颗粒收缩与床层结构变化对热解过程的影响，为生物质能高效利用提供了关键理论支撑。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，生物质气化技术因其低排放特性成为化石燃料替代的重要选择。然而，固定床气化器中复杂的多物理场耦合过程（如颗粒热收缩与床层动态变化）使得实验研究成本高昂，亟需高效可靠的数值模拟工具。波兰科学院流体流动机械研究所（IMP PAN）的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，通过对比动态耦合欧拉-拉格朗日（DCEL）和扩展离散元（XDEM）两种方法，揭示了生物质转化过程中的关键动力学机制。

研究采用两种核心技术：DCEL方法通过Fortran和Python实现二维质量-能量耦合计算，重点捕捉传导、辐射和热分解效应；XDEM则结合计算流体力学（CFD）与三维离散元模拟，追踪颗粒运动与热化学转化的相互作用。两种方法均考虑了颗粒尺寸随热解收缩的动态变化。

Case study
以INKA下吸式气化器为对象，分析干燥层与热解层的相互作用。DCEL模拟显示底部氧化区温度显著影响上层热解速率，而XDEM通过颗粒级建模再现了床层孔隙率变化对气流分布的调控作用。

DCEL simulation
参数化研究表明，粒径分布对反应前沿传播速度具有决定性影响。当初始粒径从5 mm增至20 mm时，热解气体产率下降23%，证实了小颗粒更利于高效转化的假设。

Conclusions
两种方法均验证了颗粒动态收缩对气化效率的关键作用：DCEL在计算效率上具有优势（耗时仅为XDEM的1/5），而XDEM在捕捉局部热质传递异质性方面更精确。该研究为小型气化器设计提供了方法论指导，特别是证明了简化二维模型在工程优化中的实用性。

这项工作的创新性在于首次将颗粒形变动力学纳入固定床模拟框架，解决了传统欧拉方法忽略颗粒运动的局限性。研究不仅推动了生物质能技术发展，其混合建模思路还可拓展至其他多相流反应系统，如化工流化床或冶金反应器。作者Behrouz Adibimanesh等强调，未来需进一步耦合焦油生成模型以提升预测完整性。