传统电炉法生产黄磷工艺面临能耗高、污染重、尾气难以规模化利用等挑战；现代气流床煤气化技术高效低排，但需配置冷却系统移除高温余热。鉴于此，磷化工团队创新提出磷煤联产节能减碳耦合技术，以煤气化产生的高温热量直接驱动磷矿还原反应，实现一次能源替代高品位电能，从而提升热能利用效率，降低能耗与碳排放。磷煤耦合气化炉结构设计与内部流场调控是该技术实现工业化应用的关键之一。近期，团队围绕磷煤耦合体系涉及的流动、传递及反应规律，针对煤气化过程流场分布、气化炉结构、磷矿熔融相变、高温液滴传热等方向开展了CFD数值模拟研究，取得重要进展。系列成果发表于化学工程领域《Chemical Engineering Science》和能源热工程领域《Applied Thermal Engineering》国际权威期刊上。研究工作由昆明理工大学化学工程学院为第一完成单位，我院博士生陈功俊、硕士生何欣阳、夏君玲、王洪琴分别为论文第一作者，文章楠老师和梅毅教授为共同通讯作者。
研究进展一：气化炉进料模式对内部流场分布与气化性能的影响规律
气流床煤气化是磷煤联产的核心技术环节之一。本研究以典型的Shell气化炉为对象，系统揭示不同进料模式下炉内流体流动特性的演化过程与作用机制，阐明非对称进料对速度场、温度场及反应参数的动态影响规律。结果表明，非对称进料会破坏炉内理想的轴对称旋流结构，一对烧嘴进料减半时中心旋涡区域收缩，完全堵塞时旋涡流完全消失，射流直接冲击炉壁，增加设备烧蚀与安全风险。当一对烧嘴完全堵塞时，冷煤气效率由81.19%降至75.26%，合成气产率由84.31%降至80.20%，CO+H₂总产量降低51.71%。基于上述发现，提出配置冗余系统、强化在线监控、对称调节烧嘴负荷、避免极端关停操作等工程策略，为气化装置长周期稳定运行提供借鉴。相关成果以“Fluid flow characteristics and coal gasification performance under various injection patterns in a Shell gasifier”为题，发表于化工领域权威期刊《Chemical Engineering Science》上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121471
研究进展二：气化炉结构对内部流场分布与气化性能的调控机制
本研究紧扣磷煤联产工艺特征需求，系统研究了气化炉烧嘴倾斜角、安装高度及反应器高径比三大关键几何参数的耦合作用机制，阐明了结构参数对炉内速度、温度、浓度分布及气化性能的调控规律。研究结果表明，烧嘴倾斜角和安装高度是调控高温热量分布的核心因素，而高径比则通过约束旋流范围，直接影响物料混合效率、接触的充分性以，控制停留时间等。经过多目标优化，确定了气化炉的较优几何构型，在高效煤气化、合理热分布与运行稳定性之间实现平衡。最优构型下冷煤气效率达81.28%、合成气产率为84.40%、碳转化率为98.33%。本研究为磷煤联产系统气化炉的结构设计提供了技术方案。相关成果以“Effect of geometric configuration on fluid flow characteristics and coal gasification performance in a shell gasifier”为题，发表于能源热工程领域权威期刊《Applied Thermal Engineering》上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130943
研究进展三：磷矿石高温熔融相变与传热特性的颗粒尺度行为
本研究聚焦磷煤耦合气化炉内磷矿颗粒熔融过程，构建三维单颗粒熔融相变数值模型，耦合凝固–熔融模型与VOF界面追踪算法，从颗粒尺度系统揭示磷矿熔融动力学、传热机理及相变演化规律，量化分析气流速度、颗粒粒径、气体温度、颗粒初始温度对熔融效率与传热特性的影响机制。研究发现，提升炉气速度与温度可强化对流与辐射换热，显著加快磷矿熔融进程，7 m/s气流下熔融时间较3 m/s缩短90%，平均熔融速率提升87.4%；增大颗粒粒径显著延长熔融周期，降低熔融速率。16 mm颗粒熔融时间为6 mm颗粒的7.8倍，平均熔融速率下降86.9%。高温环境中辐射换热占主导，对流与辐射换热存在竞争关系，颗粒粒径是调控熔融效率的核心参数，而颗粒初始温度影响不明显。本研究揭示了磷矿颗粒自身物性特征及其所处热环境参数对熔融相变过程的影响机制，为后续工艺中优化矿料粒径配比与热工参数、提升能源利用效率提供了基础理论依据。相关成果以“Numerical study on melting behavior and phase transition characteristics of phosphate ore at the particle scale”为题，发表于能源热工程领域权威期刊《Applied Thermal Engineering》上。论文链接：10.1016/j.applthermaleng.2026.130523
研究进展四：高温环境下液滴撞击壁面的动态行为与传热特性
高温环境下液滴撞击壁面现象广泛存在于化工、能源、冶金等工业场景，其流动行为与传热特性直接影响系统运行效率与设备安全稳定性。为深入研究煤灰熔渣液滴撞击壁面的动力学行为与传热机理，本研究基于高温多相流动与相变传热理论，以理想工质为对象，建立多相流动与传热耦合数值模型，系统揭示了高温区间内液滴撞击的多相流动规律、界面相变机制及传热机理；明晰了液滴铺展、回缩–回弹、二次铺展的动态演化特征，阐明壁面温度升高诱发蒸汽层生成演化规律，以及莱顿弗罗斯特效应对液滴运动形态与界面传热的调控机制。结果表明，1200℃工况下液相界面面积较400℃提升77.1%，液体体积降低13.7%，平均传热速率提升约5倍。本研究完善了高温工况下液滴动力学及强化传热基础机理，也为下一步针对煤气化炉实际工况，探究熔渣液滴撞击壁面的相变行为及熔渣流动行为，奠定了模型与方法基础。相关成果以“Study of multiphase flow and heat transfer characteristics during droplet impact on high-temperature surface”为题，发表于化学工程领域权威期刊《Chemical Engineering Science》上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.123476
上述工作得到了云南省磷化工节能与新材料重点实验室等平台的支持，以及国家自然科学基金（22408137）、云南省重大科技专项（202202AG050001)）云南省基础研究计划（202401CF070141, 202301BE070001-0535）等项目的资助。
