硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究Ⅰ. 单颗粒热解模型的构建

第30卷第4期燃料化学学报Vol.30 No.42002年8月JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TECHNOLOGYAug.2002文章编号:0253-2409 2002 )4-0336-06硬木热解过程中颗粒内部二次反应的数值研究I .单颗粒热解模型的构建余春江,周劲松,廖艳芬,骆仲泱,岑可法(浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室, 浙江杭州310027 )商要:为了研究生物质(硬木热解过程中颗粒内部的二次反应弥补常规实验研究在该领域内的不足构建合适的数学模型进行数值模拟是.--个很好的途径。本文介绍了硬木单颗粒热解综合模型的构建方法。针对所研究的问题模型中细致考虑了包含一次焦油二 次裂解的生物质热解动力学过程。为了准确描述热解产物在热解颗粒内部的传递和二次反应过程模型包含了对热解过程中颗粒内部各种气相产物在孔隙率不断变化的生物质颗粒内的生成、消耗、积累以及在压力驱动下的输运等行为的描述。模型参数的选取尽可能真实地模拟了实际过程引入转化率或温度对涉及到的各种物理性质参数进行了修正。构建的模型在理论上较全面地描述了单颗粒生物质热解的复杂过程可以利用它对颗粒内部的二次反应过程进行进-步的研究。关键词:生物质;硬木;热解;二次裂解;数学模型中图分类号:TK6 .文献标识码:A作为清洁的可再生能源，生物质能的开发利用要。越来越受到重视生物质能高效转化利用技术的研1热解基本过程究正在全世界范围内迅速展开。鉴于生物质原料具典型的生物质原料,如硬木颗粒在热解反应器有特别高的挥发分含量热解反应是各种生物质热中的基本热解过程如下随着木颗粒进入惰性、高温化学转化过程中非常关键的一个环节另一方面热的反应环境热量通过各种方式传递到颗粒表面在解是一种部分气化工艺,它的可贵之处在于能提供颗粒温度从外到内逐渐升高的过程中,硬木中的水低成本的高品质燃气。因此生物质热解过程的研分首先开始蒸发,由处于吸附状态的液体水变为水究在生物质转化利用技术领域内具有独特的地位。蒸汽进入颗粒空隙中的气相,并随气相流动离开颗热解-次产物在特定的条件下会进-步的裂解粒。当颗粒温度升高到-定程度后相应的生物质生成二次反应产物这是普遍存在的现象。这种二热分解反应随之发生反应生成了固、液、气态的各次反应有时会显著地改变热解产物的分布影响产种产物。其中固态产物驻留在原地构成并改变颗物的品质因此针对该现象展开研究有重要的实际粒的多孔结构而气、液态产物则在不断发展的孔隙意义。二次反应可以划分为颗粒内反应和颗粒外反结构中扩散、积累并在压力的驱动下流动。其中一应两种。颗粒外二次反应受一次热解产物在热解反些具有反应活性的产物还将在流动过程中经历进一应器内的停留时间反应器的温度等外部因素影响,步的二次反应,生成相应的二次产物。在上述各过相对比较易于评估或控制;颗粒内部的二次反应由程发生发展的同时蒸发吸热、热解反应热、气体、液于涉及到生物质热解过程中颗粒内部的一系列错综体产物的流动带来的焓流会改变颗粒内部不同位置复杂、相互关联的变化在不同情况下反应进行的速处的局部热量平衡影响颗粒内的温度分布这反过度与程度都很难估计。鉴于在一些实际情况下,如来又影响着热解化学反应或蒸发过程的进行速率。流化床热解反应器中,颗粒的外部传热传质强度非显然这是一个物理和化学过程相互影响的多层面常大此时颗粒内部传质过程有可能会成为过程的的复杂历程。由于目前技术水平下通过仪器实时控制因素，因此颗粒内部的二次反应对热解的影响测量颗粒内部的物理量还非常困难建立一个能够不容忽略对颗粒内部二次反应的研究显得尤为必收稿日期:2002-01-07 ;修回日期:2002-07-04基金项目:国家重点基础研究专项经费( 2001CB409600 );国家自然科学基金( 29976039 );国家杰出青年自然科学基金( 50025618 )。338燃料化学学报30卷水占据的空间V和气相占据的孔隙体积Vi。 其中空气k ]和水蒸气[ m ]的质量守恒方程。式左边第V.和V。构成控制体积里的固相,V; 构成气相,V构-项表示气相组份在控制体内的积累,左边第二项成被束缚的液相。代表由于气流流动引起的控制体内该组份质量变在建模时我们引入了如下假设:化,右边的项则体现了气相组份的产生和消耗。●颗粒内部的气、固、液相处于局部热平衡状为了描述气体在原料孔隙中的流动模型中引入了Darcy定理。Darcy定理的本质是动量方程的●忽略由物质浓度扩散引起的焓流。-个特殊的简化形式,主要用于计算流体在多孔介●忽略动能、势能和体积力。质内的流动过程。式9)表述了各种气体组份组成●没有颗粒收缩、破裂现象。的气相的表观流速< uy >与压力差、介质穿透率( )热解气态产物认为是理想气体具有恒定的K,和相应动力粘度puy的关系。平均分子量。 =K王(9)( )热解开始前原料的初始孔隙结构中的空气是惰性气体。.

= (p,YR,T( 10)●物性参数(孔隙率、穿透性、导热系数、比热M容和粘度)是温度、转化率的函数。由于假设所有气态产物都是理想气体,可以用●二次反应是单相气相反应。理想气体方程( 10 )来计算控制容积内的气相压力以基于以上假设,以球形颗粒沿半径的球面层作求得Darey 定理中所需的压力差。其中M,是气相为微分控制体积可以列微分方程如下:平均分子量,< pr >/是气相真实密度通用气体常i<ρw>= -(h+h2+ k:zXρ。>(1)数R, =8314} kmol-+ K-。气相压力实际上是四种气体组份的分压力之和。p.) = ak;+ ks;(p.)(2)式11 )是控制体积的能量平衡方程,左边第-式112 )是生物质w和半焦c的质量守恒方项代表能量在控制体内的积累第二项是液相和气程。式右边表示控制体内固体物质的消耗或产生速相流动引起的焓流右边第一项是由有效导热系数表征的导热和辐射传热造成的能量传递,式中右边率。最后一项考虑了热解中的各步反应的热效应。日影)= k:(p,)-(r27(uX(p,Yc, +<ρ, Yer, +(4)+= (2(6)c ))+ k<ρ。XOH2 +( T-TolCc-(ac. +Bc。+( 1-a-是+专录(2)=0 (7) β)e; ))+ k,s(3)此热容模型中的能量平衡计算中需要物( 14)〈p。° °质比热容数据,-般认为纯物质的比热容是温度的( 函数。根据文献,本模型中涉及的各种气、固、液态Mj =(Kp)M, + .+<定:P,>)(<ρ>++++< Pmφ= nP.. +(1-n)中。其中φm是初始原料性质重。是半焦的性质转化>)( 18)(5)其它参数 模型中涉及的其它参数还有各率η由<ρw>/<ρ。>初始计算。物质的导热系数、硬木和半焦的密度、气相组分平均(2 )本征穿透率本征穿透率 K是表征多孔介分子量、硬木和半焦的平均孔隙直径等,见表3。340燃料化学学报30卷表3模型中其它参数的选取Table 3 Selection of other parameters involvedParameterValueReferenceHeat conductvity of Hardwood /W mK 10.13+0.0003x( T -273)C. A. Koufopano5’]Heat conductivity of Char /W mK~0.08-0.0001x( T-273)C.A. KoufopanoS77Heat conductivity of gas phase /W mK-0.02577Colomba Di Blasilf 8Apparent density of hardwood /kg m540EstimatedReal density of hardwood /kg m'1100Boutin , 0.[91Real density of char /kg m'.1100Average diameter of void of hardwood /m -!0.00005M.C. Melaaert 10]Average diameter of void of char /m^0.0001Average molecular weight of gas /g mol"8Average molecular weight of volaile /g mol - !76Average molecular weight of secondary tar /g mol- L110C.A. Koufopanos']4结论数的选取尽可能真实地模拟了实际过程,引入转化在对生物质热解反应过程进行细致分析的基础率或温度对涉及到的各种物理性质进行了修正。该上构建了生物质单颗粒热解综合模型。为了研究热模型在理论上较全面地描述了单颗粒生物质热解的解颗粒内部的二次反应数学模型中包含了一次焦复杂过程,可以利用它对颗粒内部的二次反应过程油二次裂解的动力学过程描述了气相热解产物在进行进-步的研究。基于该模型对硬木在流化床热颗粒内部的传递和二次反应过程考虑了各种气相解过程中颗粒内部二次反应的数值模拟研究将在本产物在孔隙率不断变化的生物质颗粒内的生成、消文的下篇中详细介绍。耗、积累以及在压力驱动下的输运等行为。模型参参考文献[1 ] Blasi Colomba Di. Comparison of semi-global mechanisms for primary pyrolysis of lignocellulosic fuelC[ J]. 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CONSTRUCTION OF SINGLE PARTICLE PYROLYSIS MODELYU Chun-jiang , ZHOU Jin-song ,LIAO Yan-fen , LUO Zhong yang , CEN Ke-fa( Clean Energy and Environment Engineering Key Lab of Minitry of Education , Zhejiang University , Hangzhou 310027 ,China )Abstract : The experimental research on secondary reactions inside particle during hardwood pyrolysis is greatly limit-ed by the level of up-to-date measure technology ，while numerical simulation based on comprehensive mathematicalmodel provides an excellent tool in this field. The construction of a single particle pyrolysis model is introduced in thispaper. The comprehensive model includes the kinetic sub-model of secondary reactions of primary pyrolytic product.To fulfill the exploration of secondary reactions inside particle , the model also carefully includes the processes of theyielding , consuming , accumulating or escaping of the major pyrolysis products in developing porous matrix of reactinghardwood. The parameters of the model are also selected carefully to simulate the real situation ; the conversion rateand temperature are introduced to correct the involved physical properties during pyrolysis. This comprehensive modelis capable of simulating the complex pyrolysis process in enough detail to do further research on secondary reaction.Key words : biomass ; hardwood ; pyrolysis ; secondary reaction ; mathematical modelFoundation item : China National Key Basic Research Special Funds project ( NKBRSF )( 2001CB409600 ); National Natural ScienceFoundation of China( NSFC )( 29976039 ); National Science Fund for Distinguished Young Scholars( 50025618 ).Author introduction : YU Chun jiang( 1973- ), male , Ph.D , Lecturer , major in Engineering Thermophysics , interesting field includesbiomass pyrolysis , biomass gasification , coal combustion and coal combined cycle system.Email : chunjiang @ cmee. zju. edu. cn[上接327页][ 1 ] Robert G Jenkins , Satyendra P Nandi , Philip L , et al. 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Please send the manuscript to the following address :Editorial OfficeJourmal of Fuel Chemistry and TechnologyP. O. Box 165 , TaiyuanShanxi ,030001