何芳, 閘建文, 王麗紅, 高振強, 李永軍
摘要: 生物質顆粒燃燒過程計算是生物質能利用, 火災過程分析及城市固體垃圾焚燒技術開發的基礎｡其計算結果的準確度取決於對所研究物理問題的數學模型是否正確｡總結了生物質顆粒燃燒涉及的模型｡對比了反應區域模型中面反應模型和體積反應模型, 指出面反應模型適合計算傳輸控制過程, 而體積反應模型適合計算動力控制或動力傳輸共同控制的過程｡總結了乾燥, 熱解, 炭氧化等物理化學變化以及動量, 熱量和質量傳遞主要方程及方程中涉及的參數｡結果表明, 這些方程和參數差異顯著, 仍需實驗研究輔助模型選取｡
0引言
目前在生物質的各種應用方式中, 直接燃燒佔90%以上[1]｡由於生物質粉碎困難[1], 且大尺寸應用時顆粒汙染物排放少[2], 許多燃燒過程均採用較大尺寸(2mm-150mm, 粉煤燃燒時粒徑<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｡
大顆粒生物質燃燒過程非常複雜, 包括物料內部熱化學轉化和外部可燃氣氧化, 涉及生物質乾燥, 熱解, 炭氣化氧化, 揮發分燃燒等物理化學過程和多孔介質內的動量, 熱量, 質量傳遞等傳輸過程｡另外, 還涉及顆粒的收縮, 內部裂紋的發展, 灰分的融熔和脫離等｡數學解析非常困難, 類比是進行理論計算的有效方法｡描述上述各過程的數學模型是類比結果準確性的關鍵｡本文將總結和分析涉及生物質顆粒燃燒的主要數學模型, 為該燃燒過程的理論計算和模型發展提供參考｡
1生物質顆粒燃燒過程計算涉及的模型
工程類比時如果不是專門研究裂紋或灰分的特徵, 一般都忽略他們對過程的影響｡而且由於過程的複雜性, 除少數採用三維, 二維模型描述顆粒燃燒, 大多數文獻均採用一維模型｡對於不規則的顆粒, 一維模型中計算單元(控制體)的劃分方法如下[4]: 以顆粒外表面為基面, 取厚度為dr的殼體作為最外側的單元｡再以這個單元內表面為基面, 取厚度為dr的殼體做下一個單元, 依次進行, 直到中心實體尺寸小於等於單元厚度, 這個實體是最後一個計算單元｡例如圓柱體顆粒控制體劃分方法如圖1所示｡為簡化起見, 後面討論的如果涉及空間方面, 主要是指一維模型｡
1.1反應區域模型
大顆粒生物質燃燒涉及乾燥, 熱解, 炭氧化等物理化學過程｡研究表明, 顆粒中的乾燥由傳熱控制, 炭氧化由傳質控制, 熱解/炭氣化由動力和傳輸共同控制｡傳輸控制的過程一般發生在小區域, 這是由於熱量或物質傳遞到反應區域快速被消耗, 不再繼續擴散傳遞, 可以簡化為面反應｡然而, 由動力或是動力和傳輸共同控制的反應一般發生在較寬的區域, 為典型的體積反應｡由於這個特點, 進行顆粒燃燒計算時常用面反應模型(frontreactionmofel)或體積反應模型(volumereactionmofel)｡
1.1.1面反應模型
面反應模型假設化學反應/物理變化發生在無限薄的反應面上, 反應面會隨反應進行而移動｡這種模型常用於乾燥和炭氧化過程的計算, 早期Caram[5]等提出的碳燃燒單膜, 雙膜模型就假設碳的反應僅發生在固體表面, Cano[6]計算汙物顆粒燃燒時假設在炭核和灰殼之間有一個燃燒前沿(combustionfront)｡Gupta[7]假設炭氧化發生在炭顆粒表面｡何芳[8]等人在計算堆積炭粉向下自然陰燃(類似於大顆粒內部燃燒)時, 也假設氧化反應前沿發生在灰層和炭層之間｡也有人用面反應模型類比整個生物質燃燒過程(乾燥, 熱解和炭氧化)｡例如Ouedrago[9]假設熱解發生在溫度為773K的反應面處, 炭氧化發生在木塊表面｡Thunman[10]假設顆粒燃燒時顆粒分為濕物料區, 熱解區, 殘炭區和灰分區, 乾燥熱解和炭氧化產生的源項假設發生在各區的分界面上｡Galgano[2]也假設乾燥和熱解發生在極薄的面上, 並應用積分的方法計算乾燥和熱解面在顆粒中的傳播情況.
1.1.2體積反應模型
體積反應(volumereaction)模型假設反應發生在整個物料內, 某點反應速率由該處溫度, 氣固成分等決定｡常用於熱解過程的計算｡例如Groni[11], Janse[12]和餘春江[13]在整個生物質顆粒內部應用質量, 動量, 能量守恒, 化學反應方程和熱質傳輸方程, 對熱解過程進行了類比｡也有許多研究者直接用體積反應模型計算整個生物質顆粒的燃燒過程, 例如, Porteiro[4]也是對整個木塊使用守恒和動力方程｡
假設乾燥僅發生在一個計算單元內, 乾燥速率由熱傳輸到這個單元的速率確定; 炭氧化速率採用Arrehnius方程描述, 方程中加入了代表吸附和脫附面積的參數(innersurface)｡Yang[14]採用了一個更為詳細的數學模型描述木塊的燃燒, 不但考慮了各守恒, 傳輸和動力方程, 還考慮了焦油裂解, 揮發分的燃燒等｡Lautenberger[15]也是採用體積反應模型分析木塊的氧化熱解過程, 乾燥過程採用Arreh-nius方程描述｡
1.1.3兩種模型的對比
由於僅需在反應面計算複雜的化學反應, 面反應模型可大大縮短程序計算時間｡然而該方法只適用於傳輸控制過程, 不能對體積反應進行準確定量計算｡同樣, 體積反應模型對於傳輸控制過程計算也非常困難, 方程在反應區域的嚴重奇異極易導致計算不收斂, 即使採用優化方法也需用很小的空間, 時間步長, 計算非常耗時, 10mm生物顆粒燃燒採用體積反應方法計算需數十小時｡
Peters[16]研究了8-17毫米顆粒在900℃爐溫下的熱解過程, 得出結論, 在這種條件下, 乾燥由熱傳輸控制, 而熱解由傳輸和動力共同控制｡何芳[8]計算自然堆積狀態炭粉的向下陰燃, 得出結論, 炭氧化主要由質傳輸控制｡大顆粒生物質燃燒時傳輸控制和動力傳輸共同控制的反應同時存在, 目前需要研究兩種模型相結合的計算方法, 何芳[17]等人已在這方面進行了初步探索｡
1.2物理化學過程
目前, 有大量描述乾燥, 熱解, 炭氧化, 揮發分燃燒等物理化學過程的方程, 複雜程度差異很大｡以熱解為例, 從簡單的由一個一級Arrehnius方程到涉及各種類型反應的數十個方程｡複雜方程有利於對過程的深入理解, 但從工程應用的角度, 方程過於複雜容易導致問題難以求解, 因此工程計算一般不採用特別複雜的方程｡下面總結幾篇典型文獻中描述物理化學過程的方程｡
1.2.1乾燥
生物質燃燒條件下的乾燥過程發生在極高的溫度(500℃)下, 和普通乾燥(<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:
傳輸控制理論概念清晰, 認為反應發生在極薄的面上, 和一些研究結果一致[2, 16]｡動力學方程描述的乾燥過程易於數值計算, 但所涉及一些高溫乾燥動力學參數目前尚缺乏實驗依據｡
1.2.2熱解
文獻中涉及的熱解動力學方程無論從形式上還是參數上都有明顯差異, 從方程形式上, 主要分為以下三種｡第一種假設生物質直接熱解生成揮發分和炭, 用一級Arrehnius方程描述反應速度, 如Yang[14]採用的公式為:
1.2.5炭的氧化
需要指出的是, 炭的氧化在生物質燃燒過程中非常重要, 決定著燃盡時間, 一次, 二次風配比等重要參數｡炭氧化的研究已有近百年的曆史, 典型的模型主要有單膜模型和雙膜模型, 單膜模型假設碳在固體表面直接氧化生成二氧化碳｡雙膜模型假設碳在表面氧化為一氧化碳, CO向外擴散, 並且在極薄的火焰面上快速氧化為CO2｡後來, Amundson等人提出連續膜模型, 認為CO的氧化可發生在整個邊界層內｡連續膜模型非常複雜, 難以在計算中使用, 章明川[19]等人提出用移動火焰前沿模型來處理CO在邊界層內的燃燒｡
工程計算和工程類比中常認為炭氧化的初級產物時一氧化碳和二氧化碳的混合物｡在條件允許的情況下, 初級產物中的一氧化碳會在大空間以氣相火焰的方式二次氧化燃燒｡初級氧化反應及產物中CO/CO2摩爾比x應用方程表示即為:
1.3傳輸過程
多孔介質中動量, 質量和熱量的傳輸模型眾多, 計算顆粒燃燒過程的文獻中對傳輸過程的主要假設, 計算方法, 計算方程和係數如表1所示｡
1.3.1動量傳輸
生物質燃燒涉及多種氣體在多孔介質中的運動, 特別是由乾燥過程產生的水蒸氣, 熱解過程產生的揮發分在顆粒中的強迫流動｡氣體在顆粒內的流動速度常用兩種方法計算: 一是假設氣體迅速出流(immediateoutflow)[4, 10, 16]｡另一種是假設流動符合Darcy定理｡
1.3.3質量傳輸
氧氣在顆粒內的傳輸決定著炭消耗速度, 因此, 在計算質量傳輸時, 一般考慮氧氣的擴散和由氣體流動引起的對流, 也有些文獻考慮了其他多種成分的擴散｡擴散係數多用有效值(擴散係數和孔隙率的積)表示:
當然, 文獻中其餘氣體的擴散係數值或計算方法也有許多差別, 這裡不做詳細介紹｡
2結論
1)反應區域模型中, 面反應模型適合計算傳輸控制的反應, 如乾燥, 炭氧化等｡體積反應模型適合計算動力控制或動力和傳輸共同控制的反應, 如熱解反應等｡
2)描述物理化學過程的模型中, 乾燥通常有兩種—熱量傳輸控制模型和一級Arrehnius公式模型; 熱解反應有三種—單反應模型, 三平行反應模型和考慮焦油裂解的三平行反應模型(共五個反應); 碳消耗有簡單炭的氧化到考慮炭和水蒸氣等的反應等; 部分文獻假設揮發分在氣相中的燃燒對顆粒燃燒不影響, 部分考慮了碳氫揮發份, 一氧化碳和氫氣的燃燒｡不同文獻中的反應機理和反應動力學參數差異明顯｡
3)傳輸過程的模型中, 動量傳輸的計算有兩種模型—迅速出流模型和達西定理傳輸模型; 熱量傳輸多採用氣固相熱力平衡假設, 一般考慮導熱和對流, 少數考慮輻射(熱流輻射法); 質量傳輸主要考慮對流和氧氣的擴散, 少數考慮所有氣體的擴散｡熱質傳輸係數差異明顯｡
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