随着高阶煤资源的过度消耗及煤炭需求的大幅度增长,低阶煤的高效清洁利用成为亟需解决的实际问题,其中以煤热解技术为先导的多联产技术为重要研究方向。本课题合作单位提出了将热解、气化、燃烧自热过程分置的三塔式循环流化床技术作为多联产反应器,该技术核心在于引入气固并流下行床反应器将低阶煤快速热解,后续将热解产物与循环热载体气固分离后送入气化工段。同时基于高温半焦的高催化活性及高自热携带能力,本课题组提出采用半焦颗粒取代石英砂等作固体循环热载体,进一步促进轻烃气体及轻质焦油的生成。考虑到下行床在三塔式循环流化床技术中发挥的先导作用,本论文以下行床为研究对象,从数值计算角度研究高通量半焦热载体与煤条件下,下行床内部复杂气固流动–传递–热解反应等机理相互耦合过程。本文首先建立了可以定量描述产物分布及反应热效应的半焦催化作用下煤热解反应模型,并与基于双组分颗粒假设的多相流数学模型耦合,经模型准确性验证后应用于下行床数值模拟中。该模型可以同时考虑颗粒团聚对相间传递的影响,以及气固对流、颗粒直接碰撞传导、热辐射等热量传递机制。针对装有径向煤进料结构的高温高通量下行床热解过程进行数值模拟,结果发现:颗粒流受径向射流影响,呈现出强烈的整体非均匀流动结构,并且根据颗粒分布与作用机理可以分成三个区域,分别为入口射流控制区、初始动能影响区以及稳定发展区;煤颗粒在反应器内缓慢升温,热解挥发分沿颗粒运动方向不断积累。热量传递主导的传热机制依次为气固对流传热及热辐射作用,而颗粒直接碰撞传导即使在高通量条件下也可以忽略。为了优化煤颗粒升温过程,通过改变载气气速、半焦/煤混合比、颗粒粒径等操作条件,研究不同操作条件对内部流动结构、煤颗粒升温过程的影响。结果发现所研究的操作参数范围内,主导传热机制不变;此外,发现煤颗粒升温过程对不同操作条件的敏感程度依次为:粒径>>混合比>气速,最有效的优化方式是减小颗粒粒径。最后,将下行床内部掺混性能量化描述为双组分颗粒混合度及气固接触效率,进一步分析内部掺混性能发现:下行床内双组分颗粒在入口射流控制区快速混合,而气固接触效率随流动结构变化较大,同时发现气固接触效率与对流传热速率关系密切。与其他流化床不同,该结论建议下行床进料结构设计采用气固接触效率作为参考指标。