煤炭是我国主要的能源资源,其大量低效利用带来的环境污染严重地影响国民经济和社会可持续发展。作为一种清洁替代能源,天然气的利用能够有效缓解煤炭直接燃烧带来的污染问题。结合我国“多煤、贫油、少气”的现实国情,采用相对丰富的煤炭资源制造合成天然气成了一个兼顾保障能源安全和改善生态环境的现实选择。以煤催化气化为代表的煤制气技术受到重视。煤的催化气化技术是指以流化床为反应器,在碱金属催化剂的促进下,将吸热的水蒸气气化反应和放热的甲烷化反应耦合在一个反应器,得到富含甲烷的高热值煤气的过程。本文结合我国正在积极开发的射流流化床煤催化气化炉,采用计算流体力学(CFD)方法,引入颗粒动理学理论(KTGF)封闭固相的拟流体特性,构建了一套双流体模型(TFM),完整地描述射流流化床内的气固流动特性和煤催化气化反应过程。该模型的准确性在小试射流床煤气化炉和中试射流床煤催化气化炉的模拟中得到验证。本文研究内容如下。首先,选取文献公开报道的小试常压射流流化床煤气化炉作为基准,实施TFM-KTGF模拟计算,并对结果进行精细的后处理,得到射流流态化床中的重要流动特征参数,如射流高度、气泡尺寸、气泡上升速度、射流对固体颗粒的卷吸量等,与经典可靠的经验关联式进行了逐一的比较验证。同时还预测了射流内的温度分布和气化反应速率分布,将模拟得到的气体组分浓度(CO、CO2、H2),与实验结果和文献报道的常粘性模型(CVM)模拟结果进行了比较。结果显示,KTGF所预测的气体组分浓度与实验结果更加接近,说明使用KTGF封闭有利于改善气固流体动力学模拟。其次,将TFM-KTGF模型推广应用到带内置射流的加压射流床煤催化气化炉。在确认模拟的床层膨胀高度与经验关联式一致后,进一步剖析了内置射流的流动特性,包括射流高度、射流内的轴向固含率分布、射流内的轴向气固相速度分布等。结果表明：内置双射流相互独立发展互不合并；内置双射流的射入不仅明显地改变了原有的气固两相流动形态,更是在其“入口效应”的作用下,为尾涡中的颗粒提供足够动量使其具备向上运动的惯性,进而打碎了上升中的气泡。模拟结果还显示,一方面内置射流能够起到分散送氧的作用,避免气化炉底部的高温区,另一方面在内置射流管附近区域易出现高温,但是,得益于气泡尺寸减小所带来的气固传质传热速率提升,高温区内的最高温度低于煤灰的软化温度,故不会导致射流管出口附近大面积结焦。此外,还预测了炉内的气体组分浓度分布,根据模拟的出口气体成分计算的碳转化率和水蒸气转化率与现场试验测量值一致。更进一步,通过改变氧煤比和水煤比,研究其对炉内最高温度和CH4生成的影响。研究结果发现,即使采用较低的氧煤比,在内置射流的局部区域内,仍然会出现超过1500K的高温,这突出了工业装置中设计和监测射流温度的重要性。研究还发现,水煤比对CH4的生成起着关键的作用。水煤比越高,水蒸气的转化率越低,床层中的H20浓度越大,导致CO气体很快被水蒸气变换反应消耗,进而减少了CH4的生成。通过多个工况的逐一验证,证实了本文所开发的TFM-KTGF模型的准确性,为煤催化气化炉的开发和放大提供了有力的技术支持。最后,作为本文开发的气固多相拟流体CFD模型的应用,结合炉排式固体垃圾焚烧炉的气固接触特点,进一步尝试将双流体模型推广应用到链条炉垃圾焚烧过程,建立了下部炉排气固燃烧与上部炉膛气相燃烧耦合的计算方法,模拟研究了炉排几何结构和垃圾热值对燃烧特性的影响,发现高水分、低热值的垃圾可能导致炉内流场和温度场分布高度不均匀。上述结果可为炉排式垃圾焚烧炉的优化设计和运行提供参考。