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摘要
中国以煤炭为主体的能源结构短期内无法改变。传统“一把火烧”的煤炭利用方式不可避免产生大量的SOx、NOx、粉尘及温室气体，是雾霾和全球气候变暖等环境问题的重要成因。郭烈锦院士团队原创性地提出基于超临界水气化的煤制氢发电多联产技术，该技术可将煤在超临界水均相环境中实现完全气化制得富氢混合物，其中的氢被完全氧化形成超临界H2O/CO2混合工质后进入透平做功发电，透平出口的乏汽经气液分离可实现CO2的自然富集。针对上述方案中关键技术的发展现状进行综述，重点介绍西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室近10 a来在该领域取得的研究成果。在超临界水煤气化反应过程强化方面，揭示了超临界水中煤气化过程的受控步骤在于稠环芳烃的开环反应；建立了超临界水中多孔焦颗粒气化模型并获得其气化机理与影响规律；通过将烷烃重整区高自由基浓度的流体循环注入反应器底部提高煤气化率约17%;通过调整喷嘴射流角度缩小了低温低流速的副反应区；通过添加催化剂实现了吸热-放热反应的原位耦合匹配。在超临界水流化床多相流动与传热方面，基于介尺度结构流动特性实验结果提出了新型能量最小多尺度(EMMS)曳力模型；基于压差实验数据获得了流化床内流型演变特性及相应计算准则；基于实验结果揭示了流化床气泡动力学特性并提出气泡弦长与上升速度的计算准则式；建立了流化床均质膨胀区和鼓泡区的床层-壁面传热关联式与基于颗粒团更新理论的传热模型。在超临界水环境氢氧化反应动力学方面，基于反应力场方法从原子层面获得了超临界水中氢氧化反应路径与动力学参数；基于氧化反应段出口氢气体积分数数据建立了超临界工况下氢氧化总包反应速率方程；建立了适用于超临界水工况的氢氧化基元反应模型并开展了反应路径分析与敏感性分析。上述研究成果为超临界水煤气化反应调控与强化、气化反应器与氧化反应器的设计优化提供指导。
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单位动力工程多相流国家重点实验室; 西安交通大学
