Abstract By coupling the heat transfer and chemical reactions, biomass-steam gasification in a lab-scale spouted gasifier is numerically simulated via the multiphase particle-in-cell approach. The proposed model is firstly validated with the experimental results. Then, the spatial distributions of biomass particles, spout-annulus boundary, the gas species, the gas-solid flux, together with the influences of operating parameters are discussed. The results demonstrate that: (i) similar to the well-known Brazil nut effect, density-induced segregation of biomass and sand species results in the accumulation of large-diameter biomass species near the bed surface. High temperature does not change the general distribution of the spout-annulus boundary; (ii) the gaseous products mainly concentrate in the fountain; enlarging the bed height and biomass diameter reduces but increases the mole fraction of CO and H2, respectively. The steam-biomass ratio has a promoting effect on the production of H2, while higher gasification temperature reduces the H2 yield; (iii) enlarging the bed height and steam-biomass ratio decreases and increases the vertical flux of both the gas and solid phase in the dense region, respectively. The increase of bed height and steam-biomass ratio reduces and enlarges the gas voidage, respectively. The results obtained in this work provide meaningful insights regarding the presence of Brazil nut effect induced by the density difference and the complicated multiphase flow in the spouting apparatus, which will be beneficial to the design and optimization of this kind of gasifier.

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喷射床气化炉生物质蒸汽气化的三维 MP-PIC 模拟

摘要 通过耦合传热和化学反应，实验室规模的喷射式气化炉中的生物质蒸汽气化通过多相颗粒胞内方法进行了数值模拟。所提出的模型首先通过实验结果进行验证。然后，讨论了生物质颗粒的空间分布、喷口-环空边界、气体种类、气固通量以及操作参数的影响。结果表明： (i) 类似于众所周知的巴西坚果效应，密度引起的生物量和沙子物种的分离导致大直径生物量物种在床面附近的积累。高温不改变喷口-环空边界的一般分布；(ii) 气态产物主要集中在喷泉中；增加床层高度和生物质直径分别减少但增加了 CO 和 H2 的摩尔分数。蒸汽生物质比对H2的产生有促进作用，而较高的气化温度降低了H2的产率；(iii) 增加床层高度和蒸汽生物质比分别降低和增加致密区气固相的垂直通量。床高和蒸汽生物质比的增加分别减少和扩大了气体空隙率。这项工作获得的结果为关于密度差异和喷射装置中复杂的多相流引起的巴西坚果效应的存在提供了有意义的见解，这将有利于这种气化器的设计和优化。分别。蒸汽生物质比对H2的产生有促进作用，而较高的气化温度降低了H2的产率；(iii) 增加床层高度和蒸汽生物质比分别降低和增加致密区气固相的垂直通量。床高和蒸汽生物质比的增加分别减少和扩大了气体空隙率。这项工作获得的结果为关于密度差异和喷射装置中复杂的多相流引起的巴西坚果效应的存在提供了有意义的见解，这将有利于这种气化器的设计和优化。分别。蒸汽生物质比对H2的产生有促进作用，而较高的气化温度降低了H2的产率；(iii) 增加床层高度和蒸汽生物质比分别降低和增加致密区气固相的垂直通量。床高和蒸汽生物质比的增加分别减少和扩大了气体空隙率。这项工作获得的结果为关于密度差异和喷射装置中复杂的多相流引起的巴西坚果效应的存在提供了有意义的见解，这将有利于这种气化器的设计和优化。(iii) 增加床层高度和蒸汽生物质比分别降低和增加致密区气固相的垂直通量。床高和蒸汽生物质比的增加分别减少和扩大了气体空隙率。这项工作获得的结果为关于密度差异和喷射装置中复杂的多相流引起的巴西坚果效应的存在提供了有意义的见解，这将有利于这种气化器的设计和优化。(iii) 增加床层高度和蒸汽生物质比分别降低和增加致密区气固相的垂直通量。床高和蒸汽生物质比的增加分别减少和扩大了气体空隙率。这项工作获得的结果为关于密度差异和喷射装置中复杂的多相流引起的巴西坚果效应的存在提供了有意义的见解，这将有利于这种气化器的设计和优化。