单个生物质颗粒热解的物理化学耦合模型研究.pdf

中国工程热物理学会． 燃烧学 学术会议论文 编号：074053 单个生物质颗粒热解的物理化学耦合模型 陈海翔刘乃安 中国科学技术犬学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026 ’rel：0551·360l668；Email：b2l曼b曼n@坠§!璺：皇焦坠：壁盟、!i坠娶垒i延E坠§!Q：璺亟丛：曼n 摘要：具有一定尺寸的生物质颗粒热解是可再生能源领域和火灾科学领域的重要研究课题。本文建立 了一般意义上的生物质颗粒热解模型，详细考虑了热解过程中的传热和传质等物理效应和化学动力学 行为，提出了依据Pcclct数简化模型的～种途径，从而从小尺度和大尺度两个方面对热解模型进行数 值求解，数值结果与实验结果吻合较好。 关键词：生物质；颗粒；热解；模型 l引言 生物质的热解燃烧是可再生能源领域和火灾科学领域的重要研究课题。生物质颗粒 受到外界加热后，会裂解为炭和挥发性热解产物，这些产物还可以和颗粒周围环境的气 体成分如氧气发生反应。一般认为生物质的热解过程和产物的氧化燃烧过程是相对连续 的[1．6】，可以分开进行研究。对于生物质热解过程，目前国内外已经利用热分析仪对极 小样品(颗粒直径一般小至100微米左右)进行了大量的非等温热解实验研究，并建立了 热解反应动力学模型【7．16】。在这种实验条件下热解过程可以近似为只受化学反应动力 学控制，从而可以忽略传热和传质等物理效应【17】，其结果显然不能直接推厂‘到具有显 著传热传质效应和炭化效应的大样品，而在火灾科学领域和生物质热转化领域使用的生 物质材料往往具有较大的尺寸和质量，例如建筑火灾研究关注大块木材类生物质材料受 热后的降解行为、可再生能源转化领域关注生物质大颗粒在流化场中的热解行为。在这 些研究中，·必须既考虑生物质热解过程的传热和传质等物理效应，又考虑其中的化学动 力学行为。本文试图构建具有普遍性的生物质热解的物理化学耦合模型，分析模型的关 键因素并进行数值求解和实验验证。 2生物质颗粒的热解模型 本节从守恒方程出发，建立描述生物质热解过程气相成分和同相成分的完备方程 组，进而综合建立生物质热解模型。 生物质颗粒热解过程中颗粒内部的气相(上标g)质量守恒方程是： 攀+v．∥≯：月g (1) al| 一 气体动=IiI=守恒方程最终可以简化为Darcy定律：≯：一竺跏 (2) +∥ 禽；餐方程为：曼《竺+v．pg而g：一v．7+月g胪 (3) ol 894 通常热流g譬使用Fourier定理模拟。 微量的第三种惰性成分：灰分(嬲h)，它基本上不参与热解反应，可以忽略。一般生物质 的纯热解过程可以认为是一个单步反应： B如所鲫一∥C兹口，．+wg鼢 (4) 且反厦机理函数是一搿r级数函数。冥中w。和w5分别是严物的生成系数。这样固体相的 质量守恒方程是： 等一氏eXp(舢聊6一彤 (5) 譬：w… 一 、。(6) a 对于动量守恒方程，把固体相作为一个整体来处理(上标s)比较方便。没有净外 力作用下的动量