Er Fang, Ji Jianwen, Wang Lihong, Gao Zhenqiang, Li Yongjun
Abstract: Die Biomasse Pellet Verbrennungsprozess berechnet Biomassenutzung, Prozessanalyse und Brandkehrichtverbrennungstechnik Entwicklung Grundlage der Berechnung Genauigkeit der Ergebnisse hängt von dem mathematischen Modell studierten aufsummiert Physik Probleme richtig die Biomasse. Modell beinhaltet die Partikelverbrennung Vergleichsreaktionszone Oberflächenmodell Reaktionsmodell und das Volumen des Reaktionsmodell wies Oberflächenantwortmodell angepasst ist, die Übertragungssteuerprozedur, und das Volumen des Reaktionsmodell angepasst ist zur Berechnung der Leistungssteuerung oder Prozeßkraftübertragungsverbindung Steuerung zu berechnen. fasst Trocknen, physikochemischen Pyrolyse, Kohlenoxid und Wechsel der Impuls-, Wärme- und Stoffübergangsgleichung und die wichtigsten in der Gleichung beteiligten Parameter. die Ergebnisse zeigten, dass diese Parameter signifikante Unterschied Gleichungen und, noch experimentelle Studie Modellauswahl unterstützen.
0 Einleitung
Gegenwärtig stellt die direkte Verbrennung mehr als 90% aller Biomasseanwendungen dar. Wegen der Schwierigkeit der Biomassezerkleinerung von "1" und der großflächigen Anwendung von partikelförmigen Schadstoffen, Große Größe (2mm-150mm, Partikelgröße beim Verbrennen von Kohle<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｡
Große partikuläre Biomasse Verbrennungsprozess ist sehr komplex, einschließlich interner und externer Wärme-Umwandlungsmaterial kann chemisch oxidative Gas sein, um Biomasse Trocknung, Pyrolyse, Vergasung von Kohleoxidation, volatile Verbrennung und andere physikalische und chemische Prozesse innerhalb des porösen Mediums Impuls, Wärme, Übertragungsqualität Übertragung, etc. darüber hinaus bezieht sich auch auf eine Partikel Schrumpfung, die Entwicklung von inneren Rissen, Ascheschmelz und Loslösung. schwierigen mathematischen Analyse, Simulation ist eine wirksame Methode zur theoretischen Berechnung. mathematisches Modell von jedem der oben beschriebenen Verfahren ist ein analoges die wichtigsten Ergebnisse der Genauigkeit. werden dieses Papier zusammenfassen und ein mathematisches Modell analysieren vor allem die Verbrennung von Biomasse Teilchen beteiligt, eine Referenz für das theoretische Modell und die Entwicklung des Verbrennungsprozesses zur Verfügung zu stellen.
1 Verbrennungsprozess von Biomassepartikeln, der an der Berechnung des Modells beteiligt war
Wann, wenn nicht in Engineering Simulation Funktion Risse oder Asche spezialisieren, in der Regel ihre Auswirkungen auf den Prozess ignorieren. Und wegen der Komplexität des Verfahrens, mit Ausnahme von ein paar dreidimensionale, zweidimensionales Modell der Verbrennungspartikel beschreibt, die meisten Dokumente sind eindimensionale Modell. für Aufteilungsverfahren von unregelmßigen Teilchen, eindimensional Modellberechnungseinheit (Kontrollorgan) folgende ‚4‘: äußere Oberfläche der Partikel der Basisoberfläche, wie die Dicke dr der äußersten Gehäuseeinheit aufgenommen und dann an die interne Einheit. Oberfläche ist eine Basisfläche, für die nächste genommen eine Dicke dr Gehäuseeinheit zu bilden, die wiederum bis zum Zentrum der physikalischen Größe der Zelldicke oder weniger, das ist die letzte Einheit-Berechnungseinheit ist zum Beispiel ein zylindrischer Körper verteilte partikuläre Steuerverfahren in Figur 1 gezeigten Zur Vereinfachung beziehen sich die später diskutierten hauptsächlich auf eindimensionale Modelle, wenn sie Raum beinhalten.
1.1 Reaktionsbereichsmodell
Große partikuläre Biomasseverbrennung bezieht physikochemischen Pyrolyse, char Oxidation und andere Verfahren getrocknet. Studien haben gezeigt, daß die getrockneten Teilchen von kontrollierten Wärmeübertragung, Massentransfer wird durch die Holzkohle Oxidation, Pyrolyse / Vergasung von char gesteuert und gemeinsam von einer Kraftübertragung gesteuert. Getriebesteuervorgang erfolgt typischerweise in einem kleinen Bereich, das durch wärmt oder Material in die Reaktionszone übertragen wird schnell verbraucht, ist keine weitere Diffusionsübertragung kann als Reaktionsoberfläche vereinfacht werden. jedoch gemeinsam von der Leistung und der Energieübertragung oder der allgemeinen Reaktions tritt in einem breiten Bereich, einem typischen Volumen der Reaktions. Aufgrund dieses Merkmals wird ein Reaktionsmodell herkömmliche Oberflächen (frontreactionmofel), um das Partikelvolumen der Reaktion oder Verbrennungsmodell (volumereactionmofel) berechnet wird.
1.1.1 Oberflächenreaktionsmodell
Das Reaktionsoberflächenmodell geht davon aus, eine chemische Reaktion / physikalische Veränderungen in der unendlich dünnen Oberflächenreaktion kann die Reaktionsoberfläche mit der Reaktion bewegt werden. Dieses Modell ist durch einzelne Verbrennung zu berechnen Sulfat und char Oxidationsverfahren, Kohlenstoff frühen Caram'5 ‚vorgeschlagen verwendet Film, Filmmodell annehmen Kohlenstoff-Doppel Reaktion nur auf der festen Oberfläche auftritt, Cano'6 ‚gehen von einer Verbrennungsfront (combustionfront) zwischen dem Kern und der Schale koksgrau wenn die Teilchen Schmutz Berechnung Verbrennungs .Gupta'7‘ Hypothese Kohlenoxid tritt an der Oberfläche der Kohlenstoffteilchen. HE Aryl ‚8‘ in die Masse Berechnung et al. Nature nach unten charcoal Schwelbränden (ähnlich den Verbrennungs großen Partikel), wird angenommen, daß die Oxidationsreaktion zwischen der Vorderkante der Aschenschicht und der Kohlenstoffschicht auftritt. es war auch die Reaktion gesamte Simulationsmodelloberflächen Biomasse Brennvorgang (Trocknung, Pyrolyse und Oxidation char). Zum Beispiel Ouedrago'9 Gesicht der angenommenen Reaktion erfolgt bei 773 K Pyrolysetemperatur tritt char Oxidation an der Oberfläche des Blockes .Thunman'10 ' Angenommen, teilchenförmiges Material in die Naßzone, der Pyrolysezone und die Restkohlenstoffbereiches Trennwand partikuläre Verbrennungsasche, pyrogene Quelle Annahme getrocknet und char Oxidation erfolgt an den Grenzbezirke .Galgano'2 ‚nimmt auch an Trocknungs- und Wärme Lösung erfolgt in einem sehr dünnen Auf und wendet das Verfahren der integral Ausbreitungs Trocknungs- und Pyrolyse in der Partikeloberfläche zu berechnen.
1.1.2 Modellreaktion Volume
Volumen der Reaktions (volumereaction) Modell geht davon aus, daß die gesamte Reaktionsmasse, die Reaktionsgeschwindigkeit durch einen Punkt bestimmt wird, wo die Temperatur ist, Gas-Feststoff-Zusammensetzung, usw. für die Berechnung des Pyrolyseprozesses verwendet werden. Zum Beispiel Groni'11‘, Janse'12' und Yu Chunjiang ‚13‘ in der Anwendung der Masse innerhalb der gesamten Biomassepartikel, Impuls- und Energieerhaltung, die chemischen Reaktionsgleichung und die thermische Massenübertragungsgleichung für den Pyrolyseprozess simuliert. es gibt auch viele Forscher berechnet, direkt Volumen des Reaktionsmodell Verbrennungs gesamten Biomasseteilchen Prozess, z.B. Porteiro'4 ‚und Stromerhaltungsgleichungen werden für den gesamten Block verwendet.
Angenommen Trocknung nur in einer Recheneinheit auftritt, wird die Trocknungsgeschwindigkeit durch Wärmeübertragungsrate in die Zelle bestimmt wird; Arrhenius char Oxidationsrate unter Verwendung von Gleichungen beschrieben, die zugegebene Gleichung Parameter repräsentieren Adsorption und Desorption Bereich (Innenflächen) .Yang'14 ' ein detaillierteres mathematisches Modell der Verbrennung von Holz verwendet wird, nicht nur die verschiedenen Erhaltungs Berücksichtigung, Transport und dynamische Gleichung sind auch Knacken in Betracht gezogen, Teer, Brennen, usw. mit flüchtigen .Lautenberger'15 ‚auch das Volumen des Reaktionsblockmodell verwenden Oxidations-und Pyrolyse-Prozess, der Trocknungsprozess mit Arreh-nius-Gleichung beschrieben.
1.1.3 Vergleich der beiden Modelle
Da nur die Rechenkomplexität der Reaktionsoberfläche chemischen Reaktionen kann das Oberflächenmodell erheblich die Reaktionszeit-Berechnungsprogramm verkürzen. Allerdings ist dieses Verfahren nur anwendbar auf Getriebesteuerprozess, das Reaktionsvolumen nicht genau quantitative Berechnung. In ähnlicher Weise das Volumen des Reaktionsmodell für das Verfahren Getriebesteuerung Berechnung ist sehr schwierig, stark stark singuläre Gleichungen in der Reaktionszone führt zu nicht-Konvergenzberechnung auch bei Optimierungsmethoden erfordern weniger Raum und Zeitschritt wird die Berechnung sehr zeitaufwendig ist, das Volumen des Verfahrens Verbrennungsreaktion der biologischen Partikel 10 mm Berechnung unter Verwendung erforderlichen Dutzende von Stunden.
Peters '16 untersuchte die Pyrolyse von 8-17-mm-Partikeln bei 900 ° C und kam zu dem Schluss, dass unter diesen Bedingungen die Trocknung durch Wärmeübertragung gesteuert wird und die Pyrolyse sowohl durch Transmission als auch durch Leistung gesteuert wird. ‚8‘ der natürliche Zustand des Toners berechnet abgelagerten nach unten geschlossen Schwelbränden, vor allem Kohlenoxid Massentransfer kontrolliert große partikuläre Biomasse Verbrennungskraftübertragung und Getriebesteuerung der gemeinsamen Kontrollreaktionen vorhanden sind, erfordert derzeit Untersuchung zweier Das Modell, das die Berechnungsmethode He'Fang '17 'und andere kombiniert, hat eine vorläufige Untersuchung in dieser Hinsicht durchgeführt.
1.2 Physikalischer Chemieprozess
Derzeit gibt es weithin Trocknung, Pyrolyse, Kohleoxidation beschrieben, volatile Verbrennung und andere physikalische und chemische Prozesse der Gleichungen, einen großen Unterschied in dem Grad der Komplexität. In Pyrolyse, beispielsweise durch ein einfaches aus einer Vielzahl von Reaktortypen Arrhenius-Gleichung bezieht sich auf Dutzende für das Verständnis des Prozesses in die Tiefe gehende komplexen Gleichung Gleichung, sondern aus der Perspektive von Engineering-Anwendungen, zu kompliziert Gleichungen leicht zu Problemen führen schwierig zu lösen, deshalb Konstruktionsberechnungen verwendet im allgemeinen nicht besonders komplexen Gleichung fasst unten einige typische Literatur Die Gleichung beschreibt den physikalisch-chemischen Prozess.
1.2.1 Trocknen
Unter den Bedingungen des Trocknungsprozesses von Biomasse-Verbrennung findet bei sehr hohen Temperaturen (500 ℃), getrocknet und allgemein (<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:
Getriebesteuerung Theorie Konzepte klar, dass die Reaktion stattfindet in einer sehr dünnen Oberfläche, und einige der Ergebnisse stehen im Einklang ‚2, 16‘ Trocknungskinetik Gleichungen numerisch leicht zu beschreiben, aber einige heiße, trockene im aktuellen Mangel an kinetischen Parameter beteiligt Experimentelle Grundlage
1.2.2 Pyrolyse
In der Literatur gibt es signifikante Unterschiede Pyrolyse kinetische Gleichung Formen oder in Form von Parametern aus Gleichungsform beteiligt, aufgeteilt in die folgenden drei Arten. Die erste Hypothese Biomasse Pyrolyse flüchtige Stoffe und char direkt eine using die Reaktionsgeschwindigkeit Gleichungen Arrhenius Niveau wie Yang'14 ‚beschreibende Gleichung verwendet wird:
1.2.5 Kohlenstoffoxidation
Es soll beachtet werden, dass die Oxidation von Kohlenstoff in Biomasse Verbrennungsprozess sehr wichtig ist, bestimmt die Brenndauer, Primär- und Sekundärluft-Verhältnis und andere wichtige Parameter. Die Oxidation von Kohlenstoff hat eine Geschichte der Forschung, das typische Modell des vergangenen Jahrhunderts ist vor allem Einzelfilm und ein Doppelfilmmodell Modell, ein einzelne Filmmodell geht davon aus, dass Kohlendioxid direkt auf der festen Oberfläche oxidiert wird. Bilayermembran Modell geht davon aus, dass die Oberflächenoxidation des Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid, CO Ausdiffusion und die Flamme Oberfläche der dünnen schnell zu CO2 oxidiert. später Amundson et al einen kontinuierlichen Film Modell vorgeschlagen, die Oxidation von CO, die über die Grenzschichtmodell eines kontinuierlichen Films auftreten kann, ist sehr komplex, schwierig ‚19‘ in der Berechnung, Zhang Ming Chuan zu verwenden, verwendet et al eine Flammenfront CO bewegten Prozessmodell Brennen in der Grenzschicht.
Das Gemisch der Primärprodukte der Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid Ingenieurberechnungen und Engineering Simulation häufig betrachtet. In dem Fall, wenn die Bedingungen dies zuläßt, das Kohlenmonoxid die primären Produktgasphasenoxidation der sekundären Verbrennungsflamme Weise in großen Räumen sein. Primäre Oxidationsreaktionsprodukt und Das CO / CO2-Molverhältnis x wird ausgedrückt als die Gleichung:
1.3 Übertragungsprozess
Es gibt viele Transmissionsmodelle für Impuls, Masse und Wärme in porösen Medien Die Hauptannahmen, Berechnungsmethoden, Berechnungsgleichungen und Koeffizienten des Transmissionsprozesses in der Literatur zur Berechnung des Partikelverbrennungsprozesses sind in Tabelle 1 dargestellt.
1.3.1 Momentumübertragung
Biomasse mehr Verbrennungsgasbewegung in porösen Medien betrifft, insbesondere Wasserdampf durch den Trocknungsprozess erzeugt werden, die während der Pyrolyse erzeugt Punkte flüchtigen Teilchen strömenden Gasströmungsgeschwindigkeit der in den beiden Verfahren verwendeten Partikel gezwungen : Nehmen wir an, dass das Gas sofort (sofortiger Abfluss) "4, 10, 16" ausströmt und der andere davon ausgeht, dass der Fluss mit dem Satz von Darcy übereinstimmt.
1.3.3 Massentransfer
Sauerstofftransfer innerhalb des Kohlenstoffpartikels bestimmt die Rate des Verbrauchs, und deshalb bei der Berechnung des Massentransfers, allgemeiner Überlegungen Sauerstoffdiffusion und Konvektion durch die Gasströmung verursacht wird, auch eine gewisse Diffusion der Literatur als mehrere andere Komponenten. Diffusionskoeffizienten rms (Produkt aus Diffusionskoeffizient und Porosität):
Natürlich gibt es in der Literatur viele Unterschiede in den Diffusionskoeffizientenwerten oder Berechnungsmethoden der verbleibenden Gase, die hier nicht im Detail beschrieben werden.
2 Fazit
1) die Reaktionszone Modellierung, Oberflächenreaktionsmodelle zur Berechnung der Getriebesteuerung der Reaktion, wie trockene, Kohlenoxid usw. Das Volumen des Reaktionsmodell angepasst ist, die Leistung und die Übertragungsleistungssteuerung oder die gemeinsame Steuerreaktionen wie Pyrolysereaktionen zu berechnen.
2) das Modell in physikalischen und chemischen Prozesse beschrieben, gibt es in der Regel zwei Trocknungs - Wärmetransportmodell und ein Steuerungsmodell Formel Arrhenius, drei Pyrolysereaktor - ein einziges Reaktormodell, drei parallele Reaktionsmodell und unter Berücksichtigung drei parallelen tar Krackreaktionsmodell (Reaktion insgesamt fünf); einfacher Verbrauch von Kohlenstoff char und char Oxidationsreaktion in Betracht Wasserdampf und dergleichen; flüchtiger Teil der Literatur wird angenommen, dass die Verbrennung in der Gasphase nicht die Verbrennungspartikel nicht beeinflusst, als Teil des flüchtigen Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid Und Wasserstoffverbrennung. Der Reaktionsmechanismus und die kinetischen Reaktionsparameter in verschiedenen Literaturen unterschieden sich signifikant.
3) Es gibt zwei Modelle für die Berechnung der Impulsübertragung: das schnelle Abflussmodell und Darcys Theorem-Übertragungsmodell.Die Wärmeübertragung nimmt die Annahme des thermischen Gleichgewichts der Gas-Fest-Phase an und berücksichtigt im Allgemeinen die Wärmeleitung und Konvektion Bestrahlung); Massentransfer Konvektion und Diffusion von Sauerstoff Hauptüberlegung, einige betrachten alle die Gasdiffusionsthermomassentransferkoeffizient signifikant verschieden.
Referenzen
‚1'Loo SV, Koppejan J.The Handbuch von Biomasse Combus-tion und Co-firing'M'.London, Springer-Verlag: 2008.
‚2'Galgano A, Di Blasi C, Horvat A, et al.Experimental Validierung eines Coupled Fest und Gasphasen mofel für Verbrennung und Vergasung von Holz Logs'J'.Energy & Fuels, 2006, 20 (5): 2223-2232.
'3' Lu Chen Yan, Zhong Shanshan, Poon Chi-sun, wie Hong Kong, Guangzhou, Foshan und Peking kommunale Abfallzusammensetzung der Vergleich und Verarbeitungsstrategie 'J' Environmental Science, 1997, 17 (02): 58-61.
'4'Porteiro J, Granada E, Collazo J, ua, von Mofel für die Verbrennung großer Partikel von verdichtetem Holz' J '. Energy & Fuels, 2007, 21 (6): 3151-3159.
'5' Caram HS, Amundson NR. Diffusion und Reaktion in einer stagnierenden Grenzschicht über ein Kohlenstoffteilchen 'J'. Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, 1977, 16 (2): 171-181.
‚6'Cano G, P Salatino, Scala FA einzelner Partikel mofel der Wirbelschichtfeuerung eines char Teilchen mit einem Co-Herent ash Skelett: Anwendung auf Abwasser granuliert sludge'J'.Fuel ProcessingTechnology 2007, 88 (6): 577-584.
'7'Gupta P, Sadhukhan AK, Saha RK.Analysis der Verbrennungsreaktion von Kohlenstoff und Braunkohlenschwelkoks mit igni-tion und vom Aussterben Phänomen: Shrinkingsphere mofel' J'.International Journal of Chemical Kinetics, 2007, 39 (6): 307 -319.
‚8'He F, Zobel N, Zha W, et al.Effects physikalischer prop-schaften auf eindimensionaler abwärts smolderingof char: Numerical analysis'J'.Biomass und Bioenergy 2009, 33 (8): 1019-1029.
9'Ouedraogo A, Mulligan JC, Cleland JG.A Quasi-stetige ShrinkingCore-Analyse von Wood Combustion'J'.Com-Bustion und Flame, 1998, 114 (1-2): 1-12.
10 Thunman H, Leckner B, Niklasson F, et al.Combustion von Holzpartikeln -Apartikelmofel für eulerische Berechnungen J. Combustion and Flame, 2002, 129 (1-2): 30-46 .
'11'Gronli MG, Melaaen MC.Mathematische Mofel für HolzpyrolyseVergleich von experimentellen Messungen mit Mofel Vorhersagen'J'.Energy & Fuels, 2000, 14 (4): 791-800.
'12'Janse AMC, Westerhout RWJ, Prins W.moelfingof Flash-Pyrolyse einer einzelnen Holzteilchen'J'.Chemical Engineeringand Processing, 2000, 39 (3): 239-252.
'13' 余春江, 周劲松, 廖艳芬, 等.过程 热 解 过程 中 颗粒 内部 二次 反应 数值 Ⅰ Ⅰ.构建 颗粒 热 解 模型 的 'J'.燃料 化学 学报, 2002, 30 (04): 336-341.
'14'Yang YB, Sharifi VN, Swithenbank J, et al.Combustion eines einzigen Teilchens von Biomasse'J'.Energy & Fu-els, 2007, 22 (1): 306-316.
'15'Lautenberger C, Fernandez-Pello C. Ein Mofel für die oxidative Pyrolyse von Holz "J". Combustion and Flame, 2009, 156 (8): 1503-1513.
"16" Peters B, Bruch C. Trocknung und Pyrolyse von Holzpartikeln: Experimente und Simulation "J." Journal of Analytic and Applied Pyrolysis, 2003, 70 (2): 233-250.
'17'He F, Behrendt F.Eine neue Methode zur Simulation der Verbrennung eines großen Biomassepartikels - Eine Kombination aus einem Volumenreaktions-Mofel und einer Reaktion der vorderen Reaktion'J'.Verbrennung und Flamme, In Press, Corrected Proof.
'18'Lu H, Robert W., Peirce G., et al.Comprehensive Study of Biomass Particle Combustion'J'.Energy & Kraftstoffe, 2008, 22 (4): 2826-2839.
'19'ZhangM, Yu J, Xu X Ein neuer Flammenbogen, der den Einfluss der Oxidation von CO auf die Verbrennung eines Kohlenstoffpartikels widerspiegelt'. 'Combustion and Flame, 2005, 143 (3): 150 -158.
20'Arthur JR.Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff'J'.Transaktionen der FaradaySociety, 1951, 47, 164-178.
'21'Evans DD, Emmons H. Verbrennung von Holzkohle'J'.Fire SafetyJournal, 1977, 1 (1): 57-66.
'22'Saidi MS, Hajaligol MR, Mhaisekar A, et al.Ein 3D-Moofing von statischen und vorwärts schwelenden Verbrennung in einem gepackten Bett von Materialien'J'Applied Mathematical Mofelling, 2007, 31 (9): 1970-1996.
'23'Zhou H, Flamant G, Gauthier D.DEM-LES Simulation der Kohleverbrennung in einem sprudelnden, fluidisierten Bett Teil II: Kohleverbrennung auf der Partikelebene'J'.Chemical Engineering Science, 2004, 59 (20): 4205- 4215.
'24'Tognotti L, Longwell JP, Sarofim AF. Die Produkte der Hochtemperaturoxidation eines einzelnen Char-Partikels in einem elektrodynamischen Gleichgewicht. J. Symposium (International) on Combustion, 1991, 23 (1): 1207-1213.
