多段分级转化流化床（简称多段床）煤气化技术是由中科院山西煤炭化学研究所研究开发的新型流化床粉煤气化技术。由于床内气固接触良好，传热、传质速率高，碳转化率高，因此该技术在工业上具有良好的应用前景。深入研究多段床内气固流动及化学反应特征，对优化多段床操作和工业放大具有指导作用。随着计算流体力学和计算机技术的发展，数值模拟方法已经成为了研究气固两相流动和反应过程的重要手段。　　大量研究结果表明:将基于微尺度单颗粒的气固相间作用关系运用到气固两相流动模拟中，结果与实际往往产生很大的差异。这主要是因为流化床内颗粒在运动过程中会不断聚合或破碎形成非均匀结构（介尺度颗粒聚团或气泡），而颗粒聚团或气泡影响了气体与颗粒相间动量传递、传热和传质等过程。多段床在结构上由下部浓相射流流化床和上部快速提升管组成，气固流动在下部浓相射流流化床存在明显的局部不均匀结构——气泡，在上部快速提升管同样存在局部不均匀结构——颗粒聚团。为获得多段床加压下的气固流动特性，模拟预测多段床煤气化反应过程，需要采用多尺度的方法建立准确的流动模型，并在此基础上建立气化炉内化学反应模型。加压会影响到气泡的特性及颗粒聚团的受力特征，使上述基于非均匀结构的多尺度分析变得复杂。基于多尺度分析原理，针对多段分级转化流化床在结构和操作上的特点，建立适用于加压流化床气固流动的多尺度模型是非常有必要的。关于模型的建立和流化床的模拟，论文主要进行了以下几部分的工作:　　(1)在下部浓相段，气固流动主要表现为乳化相和气泡同时存在，这种非均匀结构会使气固两相不能充分接触，气固相间曳力受到影响，进而影响相间的传热、传质效率。现有研究在以气泡尺寸为关联式建立多尺度分析模型时，大多没有考虑压力的影响。而压力及气泡所处位置高度都会影响到气泡尺寸的大小，忽略这两种因素建立的模型不足以正确反映加压操作流动系统的流动特征。针对这种特点，建立了考虑压力及位置影响的Bubble-based EMMS/PFB模型，该模型用非均匀因子Hd来描述非均匀流动结构的存在，对均匀流动前提下得到的气固相间曳力的削弱程度。经过参数对比发现:床层位置越高，Hd越小，即气泡的影响越严重;空隙率曲线两端，即空隙率很大或很小的情况，对应的Hd均较大，流动接近均匀状态;压力升高，气泡尺寸减小，气泡分布变得相对均匀，Hd变越大;剩余气速增加加剧流动非均匀程度，使非均匀因子Hd减小。将Bubble-based EMMS/PFB模型与双流体模型相结合，模拟了一个二维加压射流床的气固流动，并与采用传统Gidaspow模型的计算结果以及实验结果相对比。结果显示:相比于Gidaspow模型，Bubble-based EMMS/PFB模型计算的颗粒浓度分布及边壁处颗粒速度与实验数据吻合更好。采用Bubble-based EMMS/PFB模型对多段分级转化流化床浓相射流流化床的气固流动进行了模拟，发现颗粒平均浓度沿轴向呈“S”形上稀下浓分布，沿径向中心浓度低、四周浓度高。随压力升高，轴向整体不均匀程度减弱，径向不均匀程度有增加趋势。　　(2)在上部提升段，气固流动的局部非均匀结构表现为颗粒聚团。本论文采用多尺度方法，将流动系统划分为稀相、密相及相间相三个子系统，通过平衡方程求解子系统流动参数。在常压下作用于颗粒及聚团上的附加质量力由于十分微弱通常被忽略，而在加压情况下附加质量力的比重增加，不可以再忽略。因此建立了基于颗粒聚团的适合加压流化床的多尺度模型——Cluster-based EMMS/PFB模型。用该模型与传统的忽略附加质量力的EMMS模型，分析一个P=2.1MPa,ρg=23.34kg/m3,ρp=1018kg/m3,Ug=4m/s,GS=20kg/m2s的流动系统。在所考察的空隙率范围内，两种模型得到的非均匀因子Hd随空隙率总体呈“U”型分布，在空隙率的中间区域Hd较小，在空隙率很大或很小时，颗粒分布趋于均匀，Hd较大。两种模型得到的Hd差异程度随空隙率不同而有区别:空隙率较高时，附加作用力明显，两种模型计算的Hd差异较大。随空隙率减小，附加质量力的作用程度减弱，Hd差异减小。整体空隙率减至0.65（整体颗粒浓度增至0.35）时，附加质量力的作用可以忽略，两种模型得到的Hd非常接近。　　将Cluster-based EMMS/PFB模型与双流体模型相结合，对一个加压提升管气固流动进行了模拟，得到了与实验数据比较接近的压力分布与颗粒浓度分布。将该模型应用于多段分级转化流化床上部提升管的模拟，得到了颗粒浓度中心稀、边壁浓的径向分布结构，以及底部浓、中部稀、上部由于出口强约束浓度局部回升的“C”形轴向分布。分析了操作条件对颗粒流动特性的影响，为化学反应模拟提供基础。随颗粒循环量的增加，提升管内整体颗粒浓度相应提高，颗粒轴向速度沿径向分布不均匀程度加剧。表观气速对颗粒浓度影响在提升管底部和顶部较明显，随表观气速增加，底部颗粒浓度降低，提升管顶部颗粒浓度增加段长度明显变短。颗粒轴向速度随表观气速提高而增加，床层中心处作用相对明显。其它条件不变情况下，提高操作压力使得提升管床层颗粒浓度略有增加，径向颗粒浓度不均匀性降低，颗粒速度在中心处提高程度相对于壁面处较明显。　　(3)在建立适合加压流化床的多尺度曳力模型的基础上，考虑压力对气化反应速率的影响，建立了热解、均相反应和非均相化学反应速率模型。分别模拟了多段分级转化流化床下部浓相段与上部提升管的化学反应过程。在下部浓相段，模拟结果显示煤炭燃烧和热解速率较快，反应速率数量级大概为1Kmol/m3s，反应发生在氧气入口和煤炭入口附近局部较小范围内;C-CO2与C-H2O反应速率较低，反应速率数量级大概为0.01Kmol/m3s，作用范围较大，在颗粒浓度与反应气体浓度较高的地方有较高的反应速率。在上部提升管，模拟结果显示，由于二次风中氧气的吹入，焦炭燃烧放出热量，气化反应在二次风入口附近局部范围内具有较高的反应速率;模拟还得到了气体组分浓度、床内温度等信息，揭示了流化床气化炉煤气化反应过程特征，为流化床操作及工业放大提供理论依据。