Ele Fang, Ji Jianwen, Wang Lihong, Gao Zhenqiang, Li Yongjun
Resumo: O cálculo do processo de combustão de pellets de biomassa é a base da utilização de energia de biomassa, análise de processo de incêndio e tecnologia de incineração de resíduos sólidos urbanos. A precisão dos resultados do cálculo depende de se o modelo matemático dos problemas físicos estudados é correto ou não. A biomassa Modelo de combustão de partículas. O modelo de reação superficial e o modelo de reação de volume no modelo de zona de reação são comparados. O modelo de reação de superfície é adequado para o cálculo do processo de controle de transmissão. O modelo de reação volumétrica é adequado para o cálculo do processo de controle comum do controle de potência ou a transmissão de energia.É resumido que a secagem, A pirólise, a oxidação do carbono e outras mudanças físicas e químicas, bem como o impulso, o calor e a transferência de massa das principais equações e equações envolvidas nos parâmetros. Os resultados mostram que essas equações e parâmetros diferenças significativas, o modelo experimental ainda precisa selecionar o modelo auxiliar.
0 Introdução
Atualmente, a combustão direta representa mais de 90% de todas as aplicações de biomassa. Devido à dificuldade de esmagamento de biomassa de '1' e à aplicação grande de partículas poluentes, Tamanho grande (2mm-150mm, tamanho de partícula ao queimar carvão<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。
O processo de combustão de biomassa de partícula grande é muito complicado, incluindo a conversão termoquímica interna de materiais e a oxidação de gases combustíveis externos, envolvendo a secagem de biomassa, a pirólise, a gasificação e a oxidação do carbono, a combustão volátil e outros processos físicos e químicos e o impulso da mídia porosa, calor, Transferência de massa, etc. Além disso, envolve também o encolhimento de partículas, o desenvolvimento de fissuras internas, o derretimento e desprendimento de cinzas, etc. A análise matemática é muito difícil e a simulação é um método efetivo de cálculo teórico. O modelo matemático que descreve os processos acima é uma simulação A chave para a precisão dos resultados. Este artigo irá resumir e analisar os principais modelos matemáticos envolvidos na combustão de partículas de biomassa e fornecer referências para o cálculo teórico e desenvolvimento de modelo do processo de combustão.
1 processo de combustão de partículas de biomassa envolvido no cálculo do modelo
No entanto, devido à complexidade do processo, a maioria das literaturas adota um modelo unidimensional, com exceção dos poucos modelos que descrevem a combustão de partículas em modelos tridimensionais e bidimensionais, se não forem dedicados a estudar as características de rachaduras ou cinzas durante a simulação de engenharia. Para as partículas irregulares, a unidade de cálculo (corpo de controle) no modelo unidimensional é dividida da seguinte forma: 4) Pegue a superfície externa da partícula como a superfície da base e pegue a casca com a espessura de Dr como a unidade mais externa. A superfície da superfície da base, pegue a espessura do dr shell para fazer a próxima unidade, seguida de até que o tamanho da entidade central seja menor ou igual à espessura da unidade, a entidade é a última unidade de cálculo. Por exemplo, o método de partição do corpo de controle de partículas do cilindro mostrado na Figura 1 Por razões de simplificação, os discutidos posteriormente referem-se principalmente a modelos unidimensionais se envolvem espaço.
1.1 Modelo de área de reação
A combustão de biomassa de partículas grandes envolve processos físicos e químicos, como a secagem, a pirólise e a oxidação do carbono, e os estudos demonstraram que a secagem nas partículas é controlada por transferência de calor, com massa de carbono controlada por transferência de massa e gasificação de piroise / carbono controlada por energia e transporte. O processo de controle de transmissão geralmente ocorre em pequenas áreas porque o calor ou a massa são rapidamente dissipados, pois são entregues na área de reação e não podem continuar sendo difundidos e entregues, o que pode ser reduzido às reações superficiais. No entanto, as reações controladas conjuntamente pelo poder ou potência e transmissão são geralmente Ocorre em uma área ampla e é uma reação volumétrica típica. Devido a essa característica, um modelo de reação frontal ou um modelo de reação de volume é comumente usado para cálculo de combustão de partículas.
1.1.1 modelo de reação superficial
O modelo de reação superficial pressupõe que a reação química / mudança física ocorre em uma superfície de reação infinitamente fina que se move à medida que a reação progride. Esse modelo é comumente usado para o cálculo de processos de secagem e oxidação de carbono. No início, Caram'5 ' A membrana, modelo de duas membranas, pressupõe que a reação de carbono ocorre apenas em uma superfície sólida e que o cálculo de Cano'6 'das partículas de incrustação assume uma frente de combustão entre o carbono e as conchas de cinzas. Gupta'7' assume a oxidação do carbono Ocorreu na superfície de partículas de carbono. O Fang '8' e outros no cálculo do acúmulo de incandescência natural em pó de carbono (semelhante à combustão interna de partículas grandes), também é assumido que a frente da reação de oxidação ocorreu entre a camada de cinza e a camada de carbono. Todo o processo de combustão de biomassa (secagem, pirólise e oxidação do carvão) é modelado usando um modelo de reação superficial. Por exemplo, Ouedrago'9 'assume que a pirólise ocorre a uma temperatura de reação de 773 K e a oxidação do carbono ocorre na superfície do bloco. Supondo que as partículas são divididas em zonas de materiais úmidos, zonas de pirólise, zonas de carbono residual e zonas de cinzas quando as partículas são queimadas, o termo da fonte para a pirólise seca e a oxidação do carbono é assumido na interface entre as zonas. O Galgano'2 também pressupõe que o produto seco e quente A solução ocorre de forma muito fina Por, e aplicar o método para calcular o integral de secagem de propagação e de pirólise na superfície da partícula.
1.1.2 Modelo de reação de volume
O modelo de volumereaction pressupõe que a reação ocorre em todo o material e a taxa de reação em um determinado ponto é determinada pela temperatura, composição gás-sólida, etc. Os cálculos são freqüentemente usados em processos de pirólise, como Groni'11 ', Janse'12' e Yu Chunjiang O processo de pirólise foi simulado usando as equações de massa, impulso, conservação de energia, reação química e transferência de calor e massa em toda a biomassa 13. Muitos pesquisadores também usaram o modelo de reação volumétrica para calcular diretamente a combustão de toda a partícula de biomassa O processo, por exemplo, Porteiro'4 'também é uma equação de conservação e cinética para todo o bloco.
Assume-se que a secagem ocorre apenas em uma unidade de cálculo e a taxa de secagem é determinada pela taxa de transferência de calor para esta unidade, a taxa de oxidação do carbono é descrita pela equação de Arrehnius, adicionando superfície interna à equação para zonas de adsorção e dessorção. Um modelo matemático mais detalhado é usado para descrever a combustão de blocos de madeira, levando em conta não apenas as equações de conservação, transporte e cinética, mas também o agravamento de alcatrão, a combustão de voláteis, etc. O Lautenberger'15 também usa modelos de reação de volume para analisar blocos de madeira Processo de oxidação e pirólise, processo de secagem usando a equação de Arreh-nius descrita.
1.1.3 Comparação dos dois modelos
Uma vez que apenas as reações químicas complexas precisam ser calculadas sobre a superfície da reação, o modelo de reação superficial pode diminuir consideravelmente o tempo de cálculo do programa, no entanto, esse método é adequado apenas para o processo de controle da transmissão e não pode quantificar com precisão a reação do volume. Do mesmo modo, o modelo de reação do volume, O cálculo também é muito difícil, a equação na área de reação do sério e estranho pode facilmente levar ao cálculo de não convergência, mesmo com o método de otimização também requer um espaço pequeno, o passo do tempo, o cálculo é muito demorado, a combustão de biomassa de 10mm usando o método de reação do volume para calcular Dezenas de horas.
Peters '16 estudou a pirólise de partículas de 8-17 mm a 900 ° C e concluiu que, nessas condições, a secagem é controlada pela transferência de calor e a pirólise é controlada tanto pela transmissão quanto pela potência. "8" calcula o incandescência ardente natural do charcoal, concluiu que a oxidação do carbono é controlada principalmente pelo transporte de massa. A reação de controle de combustão de biomassa de partículas grandes e a transmissão de poder coexistem na reação, a necessidade atual de estudar dois Modelo combinando o método de cálculo, He Fang '17 'e outros realizaram uma exploração preliminar a este respeito.
1.2 Processo de Química Física
Atualmente, há uma grande quantidade de equações que descrevem os processos físicos e químicos, como a secagem, a pirólise, a oxidação do carbono e a combustão volátil, e a complexidade é bastante diferente. Tomando pirólise, por exemplo, de uma simples equação de Arrehnius a uma série de reações que envolvem vários tipos de reações Da equação complexa é conducente ao processo de compreensão aprofundada, mas do ponto de vista da aplicação de engenharia, a equação é muito complicada e facilita facilmente a dificuldade de resolver o problema, então os cálculos de engenharia geralmente não usam equações particularmente complexas. A equação descreve o processo físico-químico.
1.2.1 Secagem
A secagem sob condições de queima de biomassa ocorre a temperaturas muito elevadas (500 ° C) e em geral seca<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:
O conceito de teoria do controle de transmissão é claro e acredita-se que a reação ocorre em uma superfície muito fina, consistente com alguns estudos.2,16 A equação cinética descreve o processo de secagem para o cálculo numérico, mas atualmente faltam alguns parâmetros cinéticos de secagem de alta temperatura Base experimental.
1.2.2 pirólise
As equações cinéticas da cintrais envolvidas na literatura têm diferenças óbvias em termos de forma e parâmetros e são divididas principalmente nos três tipos seguintes da forma da equação: a primeira hipótese é que a biomassa é diretamente pirolysada para gerar matéria volátil e carbono, Equação de Arrehnius de nível para descrever a taxa de reação, como Yang'14 'usando a fórmula:
1.2.5 oxidação do carbono
Deve-se ressaltar que a oxidação do carbono é muito importante no processo de combustão de biomassa, que determina os parâmetros importantes, como o tempo de queimação, a relação de ar primário e secundário, etc. A pesquisa sobre a oxidação do carbono tem uma história de quase cem anos. O modelo de membrana única e o modelo de membrana dupla assumem que o carbono é diretamente oxidado para o dióxido de carbono em uma superfície sólida. O modelo de membrana dupla pressupõe que o carbono é oxidado para o monóxido de carbono na superfície, o CO difunde para fora e se oxida rapidamente para CO2 em uma superfície de chama muito fina. Posteriormente, Amundson e outros propuseram um modelo de membrana contínua que considera a oxidação do CO ocorrer ao longo da camada limite. O modelo de membrana contínua é complexo e difícil de usar no cálculo. Zhang et al. Propôs o uso de um modelo móvel de fronteira de chamas para CO Queimando na camada limite.
As monções de monóxido de carbono e dióxido de carbono são muitas vezes consideradas como produtos primários de oxidação de carbono em cálculos de engenharia e simulações de engenharia. O monóxido de carbono no produto primário será re-oxidado e queimado em uma chama de fase gasosa em espaços grandes, onde as condições o permitam. Reações e produtos de oxidação primária A relação molar CO / CO2 x é expressa como a equação:
1.3 processo de transmissão
Existem vários modelos de transmissão de impulso, massa e calor em meios porosos. As principais premissas, métodos de cálculo, equações de cálculo e coeficientes do processo de transmissão na literatura para o cálculo do processo de combustão de partículas são mostrados na Tabela 1.
1.3.1 Transferência momentânea
A combustão de biomassa envolve o movimento de gases múltiplos em meios porosos, especialmente o vapor produzido pelo processo de secagem e o fluxo forçado de voláteis do processo de pirólise nas partículas. A taxa de fluxo de gás dentro de uma partícula é muitas vezes calculada usando dois métodos : Primeiro, suponha que o gás flua imediatamente (fluxo imediato) '4, 10, 16' e o outro assume que o fluxo concorda com o teorema de Darcy.
1.3.3 transferência de massa
O transporte de oxigênio nas partículas determina a taxa de consumo de carbono, portanto, no cálculo da transferência de massa, a consideração geral da difusão e convecção de oxigênio causada pelo fluxo de gás, mas também de literatura para considerar a difusão de outros componentes múltiplos. Diferencial multiplicador de coeficientes de difusão (Produto de coeficiente de difusão e porosidade):
Claro, existem muitas diferenças nos valores de coeficientes de difusão ou métodos de cálculo dos gases remanescentes na literatura, que não são descritos em detalhes aqui.
2 Conclusão
1) No modelo da área de reação, o modelo de reação superficial é adequado para o cálculo de reações controladas pelo transporte, como a secagem, a oxidação do carbono, etc. O modelo de reação volumétrica é adequado para o cálculo de reações cinetáticas ou cinéticas e de transporte controlado em conjunto, como as reações de pirólise.
2) Existem geralmente dois tipos de modelos que descrevem os processos físicoquímicos para a secagem: o modelo de controle de transferência de calor e a fórmula de Arrehnius de primeira ordem. Existem três tipos de reações de pirólise: reação única, três reações paralelas e três reações paralelas considerando cracking de alcatrão (Um total de cinco reações), o consumo de carbono de oxidação simples de carbono para considerar a reação de carbono e vapor de água, etc., algumas publicações pressupõem que a volatilização na fase gasosa não afeta a combustão de partículas, parte da consideração de voláteis de hidrocarbonetos, monóxido de carbono E a combustão de hidrogênio. O mecanismo de reação e os parâmetros cinéticos de reação em diferentes literaturas diferiram significativamente.
3) Existem dois modelos para o cálculo da transferência de momentum: modelo de saída rápida e modelo de transferência de teorema de Darcy. A transferência de calor adota a hipótese de equilíbrio térmico de fase gás-sólido e geralmente considera a condução e a convecção de calor. Alguns consideram a radiação Método de radiação). A transferência de massa considera principalmente a convecção e a difusão do oxigênio, enquanto a minoria considera a difusão de todos os gases. A diferença do coeficiente de transferência de massa térmica é óbvia.
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