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扬州生物质燃烧过程颗粒模型现状分析

来源: 发布时间:2019-04-03 4150 次浏览

  摘要:生物质颗粒燃料燃烧过程计算是生物质能利用、火灾过程分析及城市固体垃圾焚烧技术开发的 基础其计算结果的 准确度取决于对所研究物理问题的 数学模型是否正确?总结了生物质颗粒燃料燃烧涉及的 模型?对比了反应区域模型中面反应模型和体积反应模型,指出面反应模型适合计算传输控制过程,而体积反应模型适合计算动力控制或动力传输共同控制的 过程?总结了干燥、热解、炭氧化(oxidation)等物理化学变化以及动量、热量和质量传递主要方程及方程中涉及的 参数?结果表明,这些方程和参数差异显著,仍需实验研究辅助模型选取?
  0引言
  目前在生物质的 各种应用方式中,直接燃烧占90%以上[1]?由于生物质粉碎困难[1],且大尺寸应用时颗粒污染物排放少[2],许多燃烧过程均采用较大尺寸(2mm-150mm,粉煤燃烧时粒径<75μm)原料?垃圾焚烧中也有大量大颗粒生物质物料,我国城市固体垃圾中与生物质相关的 成分(竹木、纸张、布与纤维、动植物垃圾)占20%-50%[3]?同样,大颗粒生物质的 燃烧也存在于各种火灾,特别是森林火灾中?因此,大颗粒生物质燃烧过程的 理论计算是生物质能利用和城市固体垃圾焚烧设备设计、操作、更新以及火灾分析控制的 基础?
  大颗粒生物质燃烧过程非常复杂,包括物料内部热化学转化和外部可燃气氧化,涉及(to involve)生物质干燥、热解、炭气化氧化、挥发分燃烧等物理化学过程和多孔介质内的 动量、热量、质量(Mass)传递等传输过程?另外,还涉及颗粒的 收缩、内部裂纹的 发展、灰分的 融熔和脱离等?数学解析非常困难,模拟是进行理论计算的 有效方法?描述上述各过程的 数学模型是模拟结果准确性的 关键?本文将总结和分析涉及生物质颗粒燃料燃烧的 主要数学模型,为该燃烧过程的 理论计算和模型发展提供参考?
  1生物质颗粒燃料燃烧过程(process)计算涉及的 模型
  工程模拟时如果不是专门研究裂纹或灰分的 特征,一般都忽略他们对过程的 影响?而且由于过程的 复杂性,除少数采用三维、二维模型描述颗粒燃烧,大多数文献均采用一维模型?对于不规则的 颗粒,一维模型中计算单元(控制体)的 划分方法如下[4]:以颗粒外表面为基面,取厚度为dr的 壳体作为最外侧的 单元?再以这个单元内表面为基面,取厚度为dr的 壳体做下一个单元,依次进行,直到中心实体尺寸小于等于单元厚度,这个实体是最后一个计算单元?例如圆柱体颗粒控制体划分方法如1所示?为简化起见,后面讨论的 如果涉及空间方面,主要是指一维模型?
  1.1反应区域模型
  大颗粒生物质燃烧涉及干燥、热解、炭氧化等物理化学过程?研究表明,颗粒中的 干燥由传热控制,炭氧化由传质控制,热解/炭气化由动力和传输共同控制?传输控制的 过程一般发生在小区域,这是由于热量或物质传递(transmission)到反应区域快速被消耗,不再继续扩散传递,可以简化为面反应?然而,由动力或是动力和传输共同控制的 反应一般发生在较宽的 区域,为典型的 体积反应?由于这个特点,进行颗粒燃烧计算时常用面反应模型(frontreactionmofel)或体积反应模型(volumereactionmofel)?
  1.1.1面反应模型
  面反应模型假设化学反应(Chemical reaction)/物理变化发生在无限薄的 反应面上,反应面会随反应进行而移动?这种模型常用于干燥和炭氧化过程的 计算,早期Caram[5]等提出的 碳燃烧单膜、双膜模型就假设碳的 反应仅发生在固体表面,Cano[6]计算污物颗粒燃烧时假设在炭核和灰壳之间有一个燃烧前沿(combustionfront)?Gupta[7]假设炭氧化发生在炭颗粒表面?何芳[8]等人在计算堆积炭粉向下自然阴燃(类似于大颗粒内部燃烧)时,也假设氧化反应前沿发生在灰层和炭层之间?也有人用面反应模型模拟整个生物质燃烧过程(干燥、热解和炭氧化)?例如Ouedrago[9]假设热解发生在温度为773K的 反应面处,炭氧化发生在木块表面?Thunman[10]假设颗粒燃烧时颗粒分为湿物料区、热解区、残炭区和灰分区,干燥热解和炭氧化产生的 源项假设发生在各区的 分界面上?Galgano[2]也假设干燥和热解发生在极薄的 面上,并应用积分的 方法计算干燥和热解面在颗粒中的 传播情况.
  1.1.2体积反应模型
  体积反应(volumereaction)模型假设反应发生在整个物料内,某点反应速率由该处温度、气固成分等决定?常用于热解过程的 计算?例如Groni[11],Janse[12]和余春江[13]在整个生物质颗粒燃料内部应用(application)质量、动量、能量守恒、化学反应(Chemical reaction)方程和热质传输方程,对热解过程进行了模拟?也有许多研究者直接用体积反应模型计算整个生物质颗粒燃料的 燃烧过程,例如,Porteiro[4]也是对整个木块使用守恒和动力方程?
  假设干燥仅发生在一个计算单元内,干燥速率由热传输到这个单元的 速率确定;炭氧化速率采用Arrehnius方程描述,方程中加入了代表吸附和脱附面积的 参数(innersurface)?Yang[14]采用了一个更为详细的 数学模型描述木块的 燃烧,不但考虑了各守恒、传输和动力方程,还考虑了焦油裂解、挥发分的 燃烧等?Lautenberger[15]也是采用体积(volume)反应模型分析木块的 氧化热解过程,干燥过程采用Arreh-nius方程描述?
  1.1.3两种模型的 对比
  由于仅需在反应面计算复杂的 化学反应,面反应模型可大大缩短程序计算时间?然而该方法只适用于传输控制过程(process),不能对体积反应进行准确定量计算?同样,体积反应模型对于传输控制过程计算也非常困难(difficult),方程在反应区域的 严重奇异极易导致计算不收敛,即使采用优化方法也需用很小的 空间、时间步长,计算非常耗时,10mm生物颗粒燃烧采用体积反应方法计算需数十小时?
  Peters[16]研究了8-17毫米颗粒在900℃炉温下的 热解过程,得出结论,在这种条件下,干燥由热传输控制(control),而热解由传输和动力共同控制?何芳[8]计算自然堆积状态炭粉的 向下阴燃,得出结论,炭氧(Oxygen)化主要由质传输控制?大颗粒生物质(material)燃烧时传输控制和动力传输共同控制的 反应同时存在,目前需要研究两种模型相结合的 计算方法,何芳[17]等人已在这方面进行了初步探索?
  1.2物理化学过程
  目前,有大量描述干燥、热解、炭氧化、挥发分燃烧等物理化学过程的 方程,复杂程度差异很大?以热解为例,从简单的 由一个一级Arrehnius方程到涉及各种类型反应的 数十个方程?复杂方程有利于对过程的 深入理解,但从工程应用的 角度,方程过于复杂容易导致问题难以求解,因此工程计算一般不采用特别复杂的 方程?下面总结几篇典型文献中描述物理化学过程的 方程?
  1.2.1干燥
  生物质燃烧条件下的 干燥过程发生在极高的 温度(500℃)下,和普通干燥(<200℃)差别较大,这方面的 专门的 理论和实验较少?目前,干燥速率的 方程主要有两类:一是假设干燥速率由热传输决定[4,14,16],按其物理意义,蒸发速率为传到干燥前沿净热量除以水分蒸发潜热,即:
  传输控制理论概念清晰,认为反应发生在极薄的 面上,和一些研究结果一致[2,16]?动力学方程描述的 干燥过程易于数值计算,但所涉及(to involve)一些高温干燥动力学参数目前尚缺乏实验依据?
  1.2.2热解
  文献中涉及的 热解动力学方程无论从形式上还是参数上都有明显差异,从方程形式上,主要分为以下三种?种假设生物质直接热解生成挥发分和炭,用一级Arrehnius方程描述反应速度,如Yang[14]采用的 公式为:

  1.2.5炭的 氧化
  需要指出的 是,炭的 氧化在生物质燃烧过程中非常重要,决定着燃尽时间、一次、二次风配比等重要参数?炭氧化的 研究已有近百年的 历史,典型的 模型主要有单膜模型和双膜模型,单膜模型假设碳在固体表面直接氧化生成二氧化碳?双膜模型假设碳在表面氧化为一氧化碳,CO向外扩散,并且在极薄的 火焰面上快速氧化为CO2?后来,Amundson等人提出连续膜模型,认为CO的 氧化可发生在整个边界层内?连续膜模型非常复杂,难以在计算中使用,章明川[19]等人提出用移动火焰前沿模型来处理CO在边界层内的 燃烧?
  工程计算和工程模拟中常认为炭氧化的 初级产物时一氧化碳(C)和二氧化碳的 混合物?在条件(tiáo jiàn)允许的 情况下,初级产物中的 一氧化碳会在大空间以气相火焰的 方式二次氧化燃烧?初级氧化反应及产物中CO/CO2摩尔比x应用方程表示即为:
  1.3传输过程
  多孔介质中动量、质量和热量的 传输模型众多,计算颗粒燃烧过程的 文献中对传输过程的 主要假设、计算方法、计算方程和系数如表1所示?
  1.3.1动量传输
  生物质燃烧涉及多种气体在多孔介质中的 运动,特别是由干燥过程产生的 水蒸气、热解过程产生的 挥发分在颗粒中的 强迫流动?气体在颗粒内的 流动速度常用两种方法计算:一是假设气体迅速出流(immediateOUT(出局)flow)[4,10,16]?另一种是假设流动符合Darcy定理?
  1.3.3质量传输
  氧气在颗粒内的 传输决定着炭消耗速度,因此,在计算质量传输时,一般考虑氧气的 扩散和由气体流动引起的 对流,也有些文献考虑了其他多种成分的 扩散?扩散系数多用有效值(扩散系数和孔隙率的 积)表示:
  当然,文献中其余气体的 扩散系数值或计算方法也有许多差别,这里不做详细介绍?
  2结论
  1)反应区域模型中,面反应模型适合计算传输控制的 反应,如干燥、炭氧化等?体积反应模型适合计算动力控制或动力和传输共同控制的 反应,如热解反应等?
  2)描述物理化学过程的 模型(model)中,干燥通常有两种—热量传输控制模型和一级Arrehnius公式模型;热解反应有三种—单反应模型,三平行反应模型和考虑(consider)焦油裂解的 三平行反应模型(共五个反应);碳消耗有简单炭的 氧化到考虑炭和水蒸气等的 反应等;部分文献假设挥发分在气相中的 燃烧对颗粒燃烧不影响,部分考虑了碳氢挥发份、一氧化碳和氢气的 燃烧?不同文献中的 反应机理和反应动力学参数差异明显?
  3)传输过程的 模型中,动量传输的 计算有两种模型—迅速出流模型和达西定理传输模型;热量传输多采用气固相热力平衡假设,一般考虑导热和对流,少数考虑辐射(热流辐射法);质量传输主要考虑对流和氧气的 扩散,少数考虑所有气体的 扩散?热质传输系数差异明显?
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