文献综述（或调研报告）：
现如今人类由于对化石燃料的依赖，能源需求已逐渐增长，并且将持续很长一段时间，然而全球人口增加以及自然能源的日益消耗匮乏之类的等问题逐渐引起人们的关注，为了应对当前的状况，如今如何合理分配利用自然资源，最受关注的就是化石燃料的使用，以及减少污染物排放等一系列问题正在得到科学家们的关注，虽然已经实现可以克服上述问题的替代资源的整合[3-5]。通过调查研究发现生物质是最合适替代化石燃料的方法，同时生物质气化可以在一定程度上缓解目前我们面临的环境污染问题和能源需求增长迅速问题。查阅相关文献了解到气化是任何固体燃料（例如煤，石油，焦炭，塑料，生物质和固体废物）的热化学转化，借助气化剂在高温下通过部分氧化转化为有价值的气体[6]。也就是说生物质气化可以将生物质转化为燃料产物气。特别是蒸汽流化床气化可产生富含氢气和一氧化碳的合成气，这些合成气可适用于化学物质高效发电和生物燃料的合成。煤炭化学链气化是近十年来兴起的一种极具应用前景的气化技术,基于CaO载碳体的化学链气化的基本原理为：煤在气化炉内水蒸气气化产生的CO2被CaO载体选择性吸收生成CaCO3,放热的碳酸化反应在提供气化反应所需热量的同时,促进碳水反应、水汽变换和烃类重整等反应向产生H2的方向偏移。未完全气化的残碳和CaCO3进入燃烧炉,半焦燃烧并给CaCO3的煅烧分解供热,所产生的CaO被重新送入气化炉作为载体循环使用。根据以前的研究, 叠式流化床气化炉可在常压下生产96vol%的合成氢气[7]。该技术能够分别在气化炉和燃烧炉的出口获得高浓度富氢合成气和含高浓度CO2的烟气,有望实现煤炭在高效利。化学链技术通过循环物质的反应与再生将特定反应分为几个子反应,以实现资源的定向转化与产物的低耗分离。化学链技术用于煤炭资源的清洁利用实现CO2低耗捕集、同时抑制NOx产生,在制氧、制氢、发电、化学品生产工艺中有非常大的潜力[8]。化学链重整制氢(CLR)、钙链循环制氢(Ca-CLP)、化学链制氢(CLHG)。为制得高纯氢气CLR和Ca-CLP都需要水汽变换、变压吸附等后续处理过程,而CLHG在实现CO2捕集的同时不需要额外的氢气净化过程,优势明显[9]。其中化学链燃烧技术是一种具有能量梯级利用,内分离CO2同时降低NOx生成的新型燃烧技术。
CDCL)过程和钙循环过程(CLP)。Ramkumar和Fan设计、建造和研究了CLP的三部分:1)碳化器2)煅烧炉和3)水合器[10-12]。这些过程利用简单的反应方案将碳燃料转化为氢、电和合成燃料等产品,通过转换高活性,高度可回收的化学中间体[13]。
生物质气化引出气化过程中所需的装置气化炉，我们根据流体动力学上的分类，气化炉可分为：流化床，固定床或移动床和气流床。其中流化床体现出相对高的混合和高反应速率。此外，流化床能够放大到中型和大型规模，克服了小型，固定床设计的局限性，双流化床气化炉（DFBG）能够生产高质量的合成气而引起了研究人员的兴趣，通过查阅资料了解到双流化床气化炉（DFBG）的基本概念是将流化床分为两个区域：气化区和燃烧区。也就是在实际装置中有两个不同的腔室。在工业过程中我们通过优化气化炉的设计和运行以及催化床材料的使用，包括焦油和甲烷的分配布置，以及最终的下游清洁工艺，可以改善双流化床气化炉（DFBG）中合成气的质量，充分发挥其燃料灵活性的优势。简要概括床层材料的作用：炭在床层材料的存在下在循环流化床（CFB）提升管中燃烧，产生热量和主要成分为N2，CO2，过量的O2和H2O的烟道气。来自循环流化床（CFB）的加热床物料流到气固分离器（如旋风分离器）中，并通过非机械阀循环到鼓泡流化床（BFB），以提供吸热气化过程所需的基本热量。此外，床层材料可用于实现催化活性，CO2捕集，氧气输送等。另一种有前途的双流化床（DFB）技术是化学循环燃烧（CLC），可提供高效且低成本的CO2捕集[14]。在文章中了解到化学循环燃烧（CLC）由两个相互连接的流化床组成，其中一个反应堆是燃料反应堆（FR），另一个是空气反应堆（AR）。双流化床（DFB）目的是在生产气中产生高氢含量的CO2，在此过程中，床层材料除了传递热量还发挥捕获二氧化碳的作用。除了这些燃烧前的CO2捕集过程外，双流化床（DFB）还被用于燃烧后的CO2捕集，该过程被称为钙循环过程。
还有一些值得关注的问题，实际中流化床由于气化区和燃烧区是相互连接的实心回路，在两个反应器腔室之间可能会发生一些气体泄漏，因此必须适当设计虹吸管或者插入回路密封件。通过实验研究表明，环封已经作为一种非机械阀被广泛用于流化床系统中，因为它们可以提供对固体流的有效控制。在实际运行过程中从流化床燃烧室到气化炉的氮气泄漏会稀释产物合成气，从而破坏了实现双流化床（DFB）系统的效率，评估这些关键方面的一种可能方法是使用能够再现真实双流化床（DFB）气化炉流体力学特性的反应堆模型，为冷模型的出现提供依据，这样就可以在实验室进行测试，较为便捷的获取实验数据，研究数据在模型的基础上改进双流化床的不足。由于工业规模工厂中水在高温运行条件下，水动力参数的测量困难使得实验难以进行，因此冷流模型（CFM）被广泛应用于研究流体动力学和流体动力学。Glicksman[15]率先引入动态相似性的概念作为流化床反应器设计的重要工具，为减小尺寸的原型反应器“冷模型”的构建和运行提供了可靠的参考，可以轻松操作以预测实际反应堆的流体动力学特性，上述过程可以通过基于相应的无量纲参数的流化床的一组缩放定律来完成，这种方法的有效性已经在大量流化系统上进行了实验验证。由于双流化床（DFB）工艺的某些突出特点优势仍处于演示阶段，仍需要成熟才能商业化利用，我们更需要在冷模型试验台上进行研究并改善双流化床（DFB）反应器的性能。双流化床（DFB）技术流体动力学研究早已受到研究人员的重视，为了设计并优化反应器，无论双流化床（DFB）的运行过程如何，首先备受研究人员关注的是了解反应器的几何形状，床层质量和固体停留时间，气固接触效率，传热和传质速率，化学反应性能和这些反应器中的气体泄漏等，这些参数取决于反应器内流动的复杂性，对流化床流体动力学特性理解的关键是成功对这些反应堆进行建模，设计和具有一定的参考性真实性。
通过使用比例关系建立的比例缩放的冷流模型（CFM），类似于大型热钻机的流体力学；而在工业规模的情况下，研究人员则构建了完全比例的冷流模型（CFM），以更好地理解设计解决方案和操作对设备系统性能，以测试控制过程和测量方法[16]。由于冷流模型（CFM）易于操作，对实验设备和控制技术有最低要求以及在宏观流动结构中进行目视观察的可能性，使得冷流模型（CFM）廉价舒适且可靠地获得了重要的流体动力学特性数据进行研究。但是我们注意到尽管构建冷模型可以提高工业规模流化床的性能，但是如果未知两个不同大小的装置之间的关系，实际中不同装置在不同的工况下运行，则从它们获得的数据将不适用于实验研究。
根据之前研究人员的研究成果，我们了解到设计按比例缩小的冷模型，可以用于在高温下运行的工业系统，以研究其流体力学特性。通过减小尺寸和容量的冷模型，在环境设置温度和压力下通过多次实验测试来检查真实气化炉的流体力学特性，可以帮助我们轻松地了解到原型反应器的流体动力学特性，这就是缩放定律在双流化床（DFB）似乎也很流行的原因，并得到了应用，同时被广泛接受规模化用于设计流化床。在观察到的实验室规模的冷模型中，应用缩放定律以实现相似的流场，这对于了解实际操作条件下出现的流化状态非常重要。
通过实验观察发现由于固体床材料和流化气体之间的相互作用，决定了床的流场流动特性。随着气体速度的增加，流化状态从固定床转变为鼓泡，湍流，快速流化，然后变为气动输送状态，从而将床材料运出反应器。所以当实际操作偏离设计的流化方案时，流化床气化炉的性能显着下降。因此，对流化床装置的炉子或反应器中的气体-固体运动有一个很好的了解非常重要，这为优化反应器提供重要参考。流化过程本质上是一个复杂的过程，其操作也相对复杂。双流化床（DFB）技术同时利用两个流化床，使其操作更加困难。因此，考虑到这些因素，Charitos等人已经在双流化床（DFB）中进行了大量研究，以总结各种操作条件下的操作稳定性[17]。实验中通常利用立管碳酸化器和鼓泡流化床（BFB）蓄热器来展示冷模型的运行区域，定义了冒口相对于气体速度，冒口压降和总固体存量的操作行为确定了以最大和最小速度为边界的稳定运行区域。除此之外研究还得出滑道压力降必须足够高，以防止滑道气流从循环流化床（CFB）到双流化床（DFB）旁路。同样，鼓泡流化床（BFB）气流和斜槽气流也应足够高，以使斜槽充分充满固体，从而稳定运行。从文献中得知，研究表明在任何实验中，在鼓泡流化床的床表面上均未观察到焦炭层。这与其他研究不同，可能是因为模型炭和模型吸附剂之间的密度差很小导致的。在每个实验中，实验数据都是在稳定的固体再循环条件下获得的。通过文献中的实验得知，当整体固体流量稳定且两个反应器中的总压降在整个运行期间内保持恒定时，即可实现运行稳定性。在运行双流化床（DFB）时，达到动态平衡后，必须了解其流体动力学特性，如压降，固体分率和固体循环速率及其在不同运行条件下的变化。实验过后我们也要对各个腔室的压力进行画图分析，我们观察到除了反应堆配置外，连接和它们之间使用的非机械阀也极大地影响了压力分布。实验过后画出压力曲线有助于评估在冷模型中所做的修改并确认其真实性和参考价值。
我们知道固体分数是气固悬浮液中固体所占体积分数的度量，也称为固体滞留率。在流化床反应器中，通常通过测量反应器中的压降使用气相和固相的性质来确定固含量。由于冷流模型（CFM）燃烧产生的热量必须被载热体吸收，因此冷流模型（CFM）立管中需要良好的气固相互作用，这反映出立管中固体体积分数的重要性。此外，固体馏分提供了有关不同操作条件下流动状态的信息，并定义了诸如混合，传热和传质以及反应性能等参数。在这里引入固体循环速率的概念，在双流化床（DFB）工艺中，将适合的床料在两个反应器中循环，并表示为固体循环速率，这是重要的流体动力学特性参数，气化炉和燃烧室之间的固体循环速率为气化反应提供了必要的热量，双流化床气化炉（DFBG）在较高的固体循环速率下，两个反应器之间的温差降低，较高的固体通量将更多的焦炭从气化炉输送到燃烧室，从而减少了额外的燃料量[18]。在循环流化床（CFB）广泛使用。简的按比例缩放的冷流模型中，测量固体循环速率有四种不同方法，其中一种方法因其简单而被广泛运用，单概括该方法的优点，在这种方法中，非机械阀中的流化突然关闭，床料在下导管中被堆积不再被运输，并且同时测得了所堆积的材料的高度以及所用时间，利用已知的固定床的堆积密度和横截面积，可以确定质量通量的近似值。研究双流化床（DFB）中固体循环速率的行为以及双流化床（DFB）组件中的气体速度，存量和颗粒性质等操作变量的特性，将为优化和实施实际控制方法提供指导。Karmakar和Datta [19]使用耦合反应器之间的L型阀分析了双流化床（DFB）系统的冷模型。他们发现固体循环速率随着曝气流量的增加和表面速度的增加而增加。研究发现对于相等的空气流量，较高的固体循环可降低颗粒尺寸，L阀的通气需求也随着增大的颗粒尺寸随后增加。在自行搭建的双循环流化床冷态实验系统上研究了鼓泡床静床层高度、颗粒平均粒径、鼓泡床流化风速、快速床总流化风速及一次风量比例等控制参数对颗粒循环流率的影响，结果表明:随着鼓泡床流化风速的增加,颗粒循环流率变化不明显;随着快速床中一次风量比例和总流化风速的增加,颗粒循环流率均增大,当一次风量比例和总流化风速达到一定值后,颗粒循环流率的增幅逐渐变缓;颗粒循环流率随着静床层高度的增加而增大,随颗粒平均粒径的增大而减小,且颗粒平均粒径的影响程度较大[20]。同时研究发现，冷模型中的颗粒密度比气化炉中的颗粒密度高得多，而平均直径却减小了四倍，此缩小比例适用于所有冷模型线性尺寸。研究还发现运行冷模型的流化速度大约是气化炉相应流化速度的一半，这导致体积流量减少了32倍，尺寸和流量的显著减小以及在环境条件下运行的明显优势，使得在实验室规模下进行冷模型研究成为可行，以评估容量高达兆瓦级的原型气化炉反应器的流体力学特性，为改造优化气化炉带来极大的参考便利。
阅读文献还发现，炭颗粒对固体再循环过程也产生较大影响，气化炉中的高流化速率促进了颗粒的混合，并增加了进入再生器的焦炭流量，但这阻碍了在上部提升管中的炭和吸附剂的分离，并导致炭流向上部提升管。气化炉中的高流化速率必须使用额外的能量来产生更多的蒸汽。运用较高的固体再循环通量可改善颗粒的混合，但效果有限。研究还表明固体再循环通量对混合因子的影响随着气化炉中流化速率的增加而逆转。较高的系统碳浓度可提高再生器中的碳含量。然而，它不能改善颗粒的混合，并且大部分的炭留在鼓泡的流化床中。
总之，气化炉中的流化速率是影响颗粒混合的主要因素。固体再循环通量的增加有利于氢气的产生，CO2的捕获和热传递。因此，在气化炉中运用具有较低流化速率的高固体再循环通量是最佳的。
