Он Фанг, Джи Цзяньвен, Ван Лихун, Гао Чжэньцзян, Ли Юнцзюнь
Аннотация: Расчет процесса сжигания гранул биомассы является основой использования энергии биомассы, анализа процессов пожаротушения и технологии сжигания твердых бытовых отходов. Точность результатов расчета зависит от правильности математической модели физических проблем или нет. Биомасса Модель сжигания частиц. Модель поверхностной реакции и модель объемной реакции в модели реакционной зоны сравниваются. Модель поверхностной реакции подходит для расчета процесса управления передачей. Модель объемной реакции подходит для расчета общего процесса управления регулированием мощности или передачи мощности. Подведено, что сушка, Пиролиз, окисление углерода и другие физические и химические изменения, а также импульс, тепломассоперенос основных уравнений и уравнений, связанных с параметрами. Результаты показывают, что эти уравнения и параметры существенных различий, экспериментальная модель по-прежнему требуется для выбора вспомогательных средств.
0 Введение
В настоящее время непосредственное сжигание составляет более 90% всех применений в биомассе. Из-за сложности измельчения биомассы «1» и крупномасштабного применения загрязняющих частиц, Большой размер (2 мм-150 мм, размер частиц при сжигании угля<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。
Процесс сжигания крупной частичной биомассы очень сложный, включая внутреннюю термохимическую конверсию материалов и внешнее окисление горючего газа, включая сушку биомассы, пиролиз, газификацию и окисление углерода, летучее сжигание и другие физико-химические процессы и импульс пористых сред, Массовый перенос и т. Д. Кроме того, он также связан с усадкой частиц, развитием внутренних трещин, плавлением и отрывом золы и т. Д. Математический анализ очень сложный, а симуляция является эффективным методом теоретического расчета. Математическая модель, описывающая вышеупомянутые процессы, представляет собой симуляцию Ключ к точности результатов. В этой статье будут обобщены и проанализированы основные математические модели, связанные с сжиганием частиц биомассы, и даются ссылки на теоретические расчеты и разработку модели процесса горения.
1 процесс сжигания частиц биомассы, участвующих в расчете модели
Однако из-за сложности процесса большинство литературы принимают одномерную модель, за исключением нескольких моделей, описывающих сжигание частиц в трехмерных и двумерных моделях, если они не посвящены изучению характеристик трещин или золы во время инженерного моделирования. Для нерегулярных частиц расчетная единица (орган управления) в одномерной модели делится следующим образом: 4) Возьмите внешнюю поверхность частицы в качестве базовой поверхности и возьмите оболочку с толщиной dr в качестве самой внешней единицы. Поверхность поверхности основания возьмем толщину оболочки dr, чтобы сделать следующий блок, а затем до тех пор, пока размер центральной сущности не будет меньше или не будет равен толщине устройства, а объект является последним расчетным устройством. Например, метод разбиения тела на цилиндр, показанный на рисунке 1 Для упрощения те, которые обсуждаются ниже, в основном относятся к одномерным моделям, если они связаны с пространством.
1.1. Модель зоны реакции
Сжигание с большой частицей биомассы связано с физическими и химическими процессами, такими как сушка, пиролиз и окисление углерода, и исследования показали, что сушка в частицах контролируется теплопередачей, причем масса углерода контролируется массопереносом и пиролизом / газификацией углерода, контролируемой мощностью и транспортировкой. Процесс управления передачей обычно происходит в небольших областях, потому что быстрая передача тепла или вещества в зону реакции, которая является не более чем диффузией, может быть сведена к поверхностным реакциям. Однако реакции, контролируемые совместно мощностью, мощностью и передачей, как правило, Происходит в широкой области и представляет собой типичную объемную реакцию. Благодаря этой характеристике для расчета горения частиц обычно используется модель фронтальной реакции или модель объемной реакции.
1.1.1 модель поверхностной реакции
Модель поверхностной реакции предполагает, что химическая реакция / физическое изменение происходит на бесконечно тонкой поверхности реакции, которая движется по мере протекания реакции. Эта модель обычно используется для расчета процессов сушки и окисления углерода. В раннем исследовании Caram'5 ' Мембранная модель с двумя мембранами предполагает, что реакция углерода происходит только на твердой поверхности и что расчет Кано'6 'частиц обрастания предполагает фронт горения между углеродными и зольными оболочками. Gupta'7' предполагает окисление углерода Возникает на поверхности углеродных частиц. Он Fang '8' и другие при расчете накопления природного углеродного порошка, естественного тлеющего вниз (подобно внутреннему сгоранию крупных частиц), также предполагается, что фронт реакции окисления произошел между слоем золы и углеродным слоем. Весь процесс сжигания биомассы (сушка, пиролиз и окисление углерода) моделируется с использованием модели поверхностной реакции. Например, Ouedrago'9 'предполагает, что пиролиз происходит при температуре реакции 773 К и окисление углерода происходит на поверхности блока. Предполагая, что частицы делятся на зоны влажного материала, зоны пиролиза, остаточные угольные зоны и зольные зоны при сжигании частиц, предполагается, что исходный термин для сухого пиролиза и окисления углерода происходит на границе раздела зон. Galgano2 также предполагает, что сухие и горячие Решение происходит в очень тонком На, и применить метод расчета интеграла от сушки и пиролиза распространения на поверхности частиц.
1.1.2 Модель объемной реакции
Модель волюмерации предполагает, что реакция протекает по всему материалу, а скорость реакции в данной точке определяется температурой, газо-твердым составом и т. Д. Расчеты часто используются в процессах пиролиза, таких как Groni'11 ', Janse'12' и Yu Chunjiang Процесс пиролиза моделировался с использованием массы, импульса, сохранения энергии, химической реакции и уравнений тепломассопереноса по всей биомассе 13. Многие исследователи также использовали модель объемной реакции для непосредственного расчета сжигания всей частицы биомассы Этот процесс, например, Porteiro'4 'также является сохраняющим и кинетическим уравнением для всего блока.
Предполагается, что сушка происходит только в одной расчетной единице, а скорость сушки определяется скоростью теплообмена на эту единицу, скорость окисления углерода описывается уравнением Аррения, добавляя внутреннюю поверхность к уравнению адсорбции и десорбции. Более подробная математическая модель используется для описания сжигания древесных блоков с учетом не только сохранения, транспорта и кинетических уравнений, но также трещин дегтя, сжигания летучих веществ и т. Д. Лаутенбергер'15 'также использует модели объемных реакций для анализа древесных блоков Процесс окисления и пиролиза, процесс сушки с использованием уравнения Арре-Ниуса.
1.1.3 Сравнение двух моделей
Поскольку на поверхности реакции должны быть рассчитаны только сложные химические реакции, модель поверхностной реакции может значительно сократить время вычисления программы. Однако этот метод подходит только для процесса управления передачей и не может точно количественно определить объемную реакцию. Аналогично, модель объемной реакции, Вычисление также очень сложно, уравнение в зоне реакции серьезного и странного может легко привести к рассогласованию, даже с использованием метода оптимизации также требуется небольшое пространство, временной шаг, расчет очень трудоемкий, сжигание частиц с 10-миллиметровыми объемами с использованием метода объемной реакции для расчета Десятки часов.
Петерс 16 исследовал пиролиз частиц 8-17 мм при 900 ° С и пришел к выводу, что в этих условиях сушка контролируется теплопередачей, а пиролиз контролируется как передачей, так и мощностью. «8» вычисляет естественный тлеющий угольный угольный тлеющий уголь, пришел к выводу, что окисление углерода в основном контролируется массовым транспортом. Реакция сжигания больших количеств частиц биомассы и передача энергии сосуществуют в реакции, в настоящее время необходимо изучить два Модель, объединяющая метод расчета, Хэ Фан '17 'и другие провели предварительную разведку в этом отношении.
1.2. Процесс физической химии
В настоящее время существует большое количество уравнений, описывающих физические и химические процессы, такие как сушка, пиролиз, окисление углерода и летучее сжигание, а сложность совершенно различна. Принимая пиролиз, например, от простого уравнения Аррения до серии реакций с участием различных типов реакций Из сложного уравнения способствует процесс глубокого понимания, но с точки зрения инженерного приложения это слишком сложное и легко приводящее к трудному решению проблемы, поэтому инженерные расчеты обычно не используют особенно сложные уравнения. Уравнение, описывающее физико-химический процесс.
1.2.1 Сушка
Сушка в условиях сжигания биомассы происходит при очень высоких температурах (500 ° C) и, как правило, в сухом состоянии<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:
Концепция теории управления передачей ясна, и считается, что реакция протекает на очень тонкой поверхности, что согласуется с некоторыми исследованиями [2, 16]. Кинетическое уравнение описывает процесс сушки для численного расчета, но некоторые высокотемпературные кинетические параметры сушки в настоящее время отсутствуют Экспериментальная основа.
1.2.2 пиролиз
Кинетические уравнения пиролиза, связанные с литературой, имеют очевидные различия по форме и параметрам и в основном разделены на следующие три типа из формы уравнения: Первое предположение состоит в том, что биомасса непосредственно пиролизуется для образования летучих веществ и углерода, Level Arrehnius для описания скорости реакции, такой как Yang'14 ', используя формулу:
1.2.5 окисление углерода
Следует отметить, что окисление углерода очень важно в процессе сжигания биомассы, которое определяет важные параметры, такие как время выгорания, отношение первичного и вторичного воздуха и т. Д. Исследования по окислению углерода имеют историю почти сто лет. Типичные модели включают Модель с одной мембраной и модель с двойной мембраной предполагают, что углерод непосредственно окисляется до углекислого газа на твердой поверхности. Модель с двойной мембраной предполагает, что углерод окисляется до окиси углерода на поверхности, СО диффундирует наружу и быстро окисляется до CO2 на очень тонкой поверхности пламени. Позже Амундсон и др. Предложили континуальную мембранную модель, которая учитывает окисление СО в пограничном слое. Модель сплошной мембраны сложна и сложна в использовании. Чжан и др. Предлагает использовать модель пограничного слоя подвижного пламени для CO Сжигание в пограничном слое.
Углекислый газ и смеси углекислого газа часто рассматриваются как первичные продукты окисления углерода в инженерных расчетах и инженерном моделировании. Окись углерода в основном продукте будет повторно окисляться и гореть в газофазном пламени в больших пространствах, где позволяют условия. Реакции и продукты первичного окисления Молярное отношение СО / СО2 выражается как уравнение:
1.3 процесс передачи
В пористых средах имеется много моделей передачи импульса, массы и тепла. Основные допущения, методы расчета, расчетные уравнения и коэффициенты процесса передачи в литературе для расчета процесса сжигания частиц приведены в таблице 1.
1.3.1 Передача импульса
Сжигание биомассы включает в себя перемещение нескольких газов в пористых средах, особенно пар, образующихся в процессе сушки, и принудительный поток летучих веществ из процесса пиролиза в частицах. Скорость потока газа внутри частицы часто вычисляется с использованием двух методов : Во-первых, предположим, что газ вытекает немедленно (немедленный поток) 4, 10, 16 ', а другой предполагает, что поток согласуется с теоремой Дарси.
1.3.3 массоперенос
Таким образом, перенос кислорода в частицах определяет скорость потребления углерода, поэтому при расчете массопереноса общее рассмотрение диффузии кислорода и конвекции, вызванное потоком газа, а также некоторые литературы для рассмотрения диффузии других кратных компонентов. (Продукт коэффициента диффузии и пористости):
Конечно, существует множество различий в значениях коэффициента диффузии или методов расчета оставшихся газов в литературе, которые здесь подробно не описаны.
2 Заключение
1) В модели зоны реакции модель поверхностной реакции подходит для расчета реакций, контролируемых транспортом, таких как сушка, окисление углерода и т. Д. Модель объемной реакции подходит для расчета кинетических или кинетических и транспортных реакций, контролируемых совместно, таких как реакции пиролиза.
2) Существует, как правило, два типа моделей, описывающих физико-химические процессы сушки - модель управления теплопередачей и формула Arrehnius первого порядка. Существуют три типа реакций пиролиза: одна реакция, три параллельные реакции и три параллельные реакции, (Всего пять реакций), потребление углерода простым окислением углерода для учета реакции углерода и водяного пара и т. Д., В какой-то литературе предполагается, что улетучивание при сжигании в газовой фазе не влияет на сгорание частиц, часть учета летучих углеводородов, окиси углерода И сжигание водорода. Механизм реакции и кинетические параметры реакции в разных литературе значительно различались.
3) Существуют две модели для расчета передачи импульса: модель быстрого оттока и модель переноса теоремы Дарси. Теплопередача принимает предположение о тепловом равновесии фазы газ-твердое тело и обычно рассматривает теплопроводность и конвекцию. Радиационный метод). Массоперенос в основном учитывает конвекцию и диффузию кислорода, в то время как меньшинство рассматривает диффузию всех газов. Разность коэффициента теплового массопереноса очевидна.
ссылки
'1'Loo SV, Koppejan J. Справочник по выбросу биомассы и совместному стрельбе' M'.London, Earthscan: 2008.
'2' Galgano A, Di Blasi C, Horvat A, и др. Экспериментальная валидация смешанной трёхфазной и газофазной мофелей для горения и газификации древесных отходов J '. Energy & Fuels, 2006, 20 (5) 2223-2232.
«3» Чэнь Луян, Чжун Шаньшань, Пан Жишенг и др. Сравнение состава муниципальных отходов в Гонконге, Гуанчжоу, Фошане и Пекине и стратегии лечения «Дж». Environmental Science, 1997, 17 (02): 58-61.
'4'Porteiro J, Granada E, Collazo J и др. Из мофеля для сжигания больших частиц уплотненного дерева «J». Energy & Fuels, 2007, 21 (6): 3151-3159.
'5' Caram HS, Amundson NR. Диффузия и реакция в застойном пограничном слое около углеродной частицы «J». Основы промышленной и инженерной химии, 1977, 16 (2): 171-181.
«6'Cano G, Salatino P, Scala FA одночастичные мофели сжигания в псевдоожиженном слое частицы угля с когерентным скелетом из сенокоса: применение для гранулированного осадка сточных вод». «Обработка мяса», 2007, 88 (6): 577-584.
'7'Gupta P, Sadhukhan AK, Sakh R.K. Анализ реакции горения углерода и лигнита с явлениями воспламенения и вымирания: Shrinkingsphere mofel' J '. Международный журнал химической кинетики, 2007, 39 (6): 307 -319.
'8'He F, Zobel N, Zha W, et al. Влияние физических свойств на одномерное нисходящее тлеющее образование: численный анализ «J». Biomass and Bioenergy, 2009, 33 (8): 1019-1029.
'9'Ouedraogo A, Mulligan JC, Cleland JG.A. Квазиустойчивый ShrinkingCore Анализ древесины Combustion'J'.Com-bustion and Flame, 1998, 114 (1-2): 1-12.
'10'Thunman H, Leckner B, Niklasson F и др. Кубические частицы древесных частиц - член мофеля для эйлеровых капилляров' J'.Combustion and Flame, 2002, 129 (1-2): 30-46 ,
'11'Gronli MG, Melaaen MC.Mathematics mofel для пиролиза древесины. Сравнение экспериментальных измерений с предсказаниями mofel'J'.Energy & Fuels, 2000, 14 (4): 791-800.
«12'Janse AMC, Westerhout RWJ, Prins W.mofellingof пиролиз вспышки одной древесной частицы». Химическая инженерия и обработка, 2000, 39 (3): 239-252.
'13' 余春江, 周劲松, 廖艳芬, 等.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 'J'.燃料 化学 学报, 2002, 30 (04): 336-341.
'14'Yang YB, Sharifi VN, Swithenbank J, и др. Комбинирование одной частицы биомассы'J.Energy & Fu-els, 2007, 22 (1): 306-316.
'15'Lautenberger C, Fernandez-Pello C.A mofel для окислительного пиролиза древесины' J '. Горение и пламя, 2009, 156 (8): 1503-1513.
«16'Peters B, Bruch C.dryingand пиролиз древесных частиц: эксперименты и моделирование». Journal of Ana-lytical and Applied Pyrolysis, 2003, 70 (2): 233-250.
'17'He F, Behrendt F.A новый метод для моделирования сжигания большой частицы биомассы. Комбинация объемной реакции mofel и приближения фронта реакции. J..Combustion and Flame, In Press, Correc-ted Proof.
'18'Lu H, Robert W, Peirce G, и др. Комплексное исследование сжигания частиц биомассы'J.Energy & Fuels, 2008, 22 (4): 2826-2839.
'19'ZhangM, Yu J, Xu XA новый пламенный мофел для повторного отражения влияния окисления СО на выработку углеродной частицы. J'.Combustion and Flame, 2005, 143 (3): 150 -158.
«20'Arthur JR.взаимодействия между углеродом и кислородом». Трансформации Фарадейского общества, 1951, 47, 164-178.
'21'Evans DD, Emmons H.Combustion of wood charcoal'J'.Fire SafetyJournal, 1977, 1 (1): 57-66.
«22'Сайди М.С., Хаджалигол М.Р., Мейсекар А.А. и др. Трехмерное моделирование статического и прямого тлеющего горения в уплотненном слое материалов». Прикладное математическое моделирование, 2007, 31 (9): 1970-1996 гг.
«23'Zhou H, Flamant G, Gauthier D.DEM-LES имитация сжигания угля в пузырько-псевдоожиженном слое. Часть II: сжигание угля на уровне частиц» .Химическое машиностроение, 2004, 59 (20): 4205- 4215.
«24'Тогнотти Л., Лонгвелл Дж. П., Сарофим А.Ф. Продукты высокотемпературного окисления одиночной частицы в электродинамическом равновесии« JS.Symposium (Inter-national) on Combustion, 1991, 23 (1): 1207-1213.