He Fang, Ji Jianwen, Wang Lihong, Gao Zhenqiang, Li Yongjun
Resumen: El proceso de combustión de pellets de biomasa se calcula utilización de la biomasa, análisis de procesos y el fuego de incineración de residuos municipales fundamento sólido desarrollo de la tecnología de la precisión de cálculo de los resultados depende del modelo matemático estudiados problemas de física resumido correctamente la biomasa. modelo implica la zona de reacción comparativo modelo de superficie del modelo de reacción de combustión de partículas y el volumen del modelo de reacción, señalado modelo de respuesta de superficie adaptada para calcular el procedimiento de control de la transmisión, y el volumen del modelo de reacción está adaptado para calcular el control de potencia o control conjunto de transmisión de potencia de proceso. resume secado, pirólisis fisicoquímicas, óxido de carbono y el cambio de cantidad de movimiento, el calor y la ecuación de transferencia de masa y de los principales parámetros que intervienen en la ecuación. los resultados mostraron que estos parámetros significativos ecuaciones de diferencia y, todavía ayudar experimental de selección de modelo de estudio.
0 Introducción
En diversas aplicaciones biomasa presente forma de realización, la combustión directa de 90% o más '1'. Puesto que la biomasa pulverizada es difícil a '1', de partículas contaminantes menos emisiones '2' y A aplicaciones de gran tamaño, una serie de procesos de combustión se utilizan más Tamaño grande (2 mm-150 mm, tamaño de partícula cuando se quema carbón<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｡
Large partículas proceso de combustión de biomasa es muy complejo, incluyendo el material interno y externo de calor de conversión puede ser gas oxidativo química, para el secado de biomasa, de pirólisis, gasificación de oxidación char, combustión volátil y otros procesos físicos y químicos dentro del impulso medio poroso, calor, transferencia de calidad de transmisión, etc., además, se refiere también a una contracción de las partículas, el desarrollo de grietas internas, de fusión de ceniza y desprendimiento. de análisis matemático difícil, la simulación es un método eficaz de cálculo teórico. modelo matemático de cada uno del proceso descrito anteriormente es un análogo los principales resultados de precisión. en este documento se resumir y analizar un modelo matemático que implica principalmente la combustión de partículas de biomasa, para proporcionar una referencia para el modelo teórico y el desarrollo del proceso de combustión.
1 proceso de combustión de partículas de biomasa involucrado en el cálculo del modelo
¿Cuándo, si no se especializan en grietas función de simulación de ingeniería o de ceniza, en general, ignorar su impacto en el proceso. Y debido a la complejidad del proceso, a excepción de algunos tridimensional, modelo bidimensional describe las partículas de combustión, la mayoría de los documentos son modelo unidimensional. para el método de división de partículas irregulares, una unidad de cálculo de modelo tridimensional (cuerpo de control) siguiente '4': superficie exterior de las partículas de la superficie de la base, tomado como el dr espesor de la unidad de vivienda más externa y luego a la unidad interna. superficie es una superficie base, para la siguiente tomado para hacer una unidad de vivienda espesor dr, a su vez, hasta que el centro del tamaño físico del espesor de la celda o menos, esto es la unidad de cálculo última entidad, por ejemplo un método de cuerpo dividido de control de partículas cilíndrica que se muestra en la Figura 1 En aras de la simplificación, los que se analizarán más adelante se refieren principalmente a modelos unidimensionales si implican espacio.
1.1 Modelo del área de reacción
Large combustión de biomasa en partículas relaciona secó pirólisis fisicoquímicas, oxidación carbón y otros procesos. Los estudios han demostrado que las partículas secas de la transferencia de calor controlada, la transferencia de masa es controlado por la oxidación de carbón, de pirólisis / gasificación de carbón y controladas conjuntamente por una transmisión de potencia. proceso de control de la transmisión se produce típicamente en un área pequeña, que es debido a la transferencia de calor o material en la zona de reacción se consume rápidamente, no hay transferencia de difusión adicional puede ser simplificado como una superficie de reacción. sin embargo, el control conjunto de la potencia y la transmisión de potencia o la reacción general ocurre en una amplia región, un volumen típico de la reacción. Debido a esta característica, un modelo de reacción superficial convencional (frontreactionmofel) calcular el volumen de partícula del modelo de reacción o combustión (volumereactionmofel).
1.1.1 modelo de reacción de superficie
El modelo de superficie de reacción asume una reacción química cambios / físicas en la reacción de superficie infinitamente delgada, la superficie de reacción se puede mover con la reacción. Este modelo se usa para calcular sulfato y proceso de oxidación char, carbono temprano Caram'5 'propuesto por solo combustión película, modelo película asume reacción doble de carbono se produce sólo en la superficie sólida, Cano'6 'asuma un frente de combustión (combustionfront) entre el núcleo y la cáscara de carbón gris en el cálculo de las partículas de suciedad de combustión .Gupta'7' de óxido de carbono hipótesis se produce en la superficie de partículas de carbono. HE arilo '8' en el cálculo de la mayor et al. Naturaleza humeantes carbón hacia abajo (similar a las partículas grandes de combustión interna), se supone que se produce la reacción de oxidación entre el borde delantero de la capa de ceniza y la capa de carbono. también era todo el modelo de simulación de superficies de reacción proceso de la combustión de biomasa (secado, pirólisis y oxidación char). Por ejemplo Ouedrago'9 'cara de la reacción asumido se produce a 773K temperatura de pirólisis, oxidación de carbón se produce en la superficie del bloque .Thunman'10' material en partículas Supongamos que en la zona de mojado, la zona de pirólisis, y la región de carbono ceniza partición de partículas de combustión residual, de pirólisis suposición fuente se seca y la oxidación de carbón se produce en la interfaz de distritos .Galgano'2 también asume secado y calor La solución tiene lugar en el muy delgado On, y aplicar el método para calcular la integral de secado de propagación y de pirólisis en la superficie de la partícula.
1.1.2 Modelo de reacción de volumen
Volumen del modelo de reacción (volumereaction) supone que toda la masa de reacción, la velocidad de reacción se determina por un punto donde la temperatura, la composición del gas-sólido, etc. utilizado para el cálculo del proceso de pirólisis. Por ejemplo Groni'11', Janse'12' y Yu Chunjiang '13' en la aplicación de la masa en el interior de toda la conservación de partículas de biomasa, el impulso y la energía, se simuló la ecuación de reacción química y la ecuación de transferencia térmica de masa para el proceso de pirólisis. también hay muchos investigadores directamente calculados en volumen de las partículas de biomasa todo el modelo de reacción de combustión El proceso, por ejemplo, Porteiro'4 ', también usa las ecuaciones de conservación y cinéticas para todo el bloque.
secado Supongamos que se produce sólo en una unidad de cálculo, la velocidad de secado está determinada por la tasa de transferencia de calor en la célula; Arrehnius velocidad de oxidación Char utilizando ecuaciones descritas, los parámetros de la ecuación agregados representan adsorción y la zona de desorción (superficie interior) .Yang'14 ' utilizando un modelo matemático más detallada de la combustión de madera, teniendo en cuenta no sólo los diversos tar la conservación, el transporte y la ecuación dinámica también se contemplan agrietamiento, ardor, etc. los volátiles .Lautenberger'15 también utilizar el volumen del modelo de bloque de reacción Proceso de oxidación y pirólisis, describiendo el proceso de secado usando la ecuación de Arreh-nius.
1.1.3 Comparación de los dos modelos
Puesto que sólo la complejidad computacional de las reacciones químicas de la superficie de reacción, el modelo de superficie puede acortar en gran medida el programa de cálculo de tiempo de reacción. Sin embargo, este método sólo es aplicable a proceso de control de transmisión, el volumen de reacción no puede cálculo con precisión cuantitativa. Del mismo modo, el volumen del modelo de reacción para el procedimiento de control de transmisión cálculo es muy difícil, ecuaciones severamente altamente singulares en la zona de reacción conduce a cálculo no convergencia, incluso con métodos de optimización requieren menos espacio y tiempo de paso, el cálculo se consume mucho tiempo, requiere el volumen del método de reacción de combustión utilizando el cálculo de 10 mm partícula biológica Docenas de horas
Peters '16 estudió la pirólisis de partículas de 8-17 mm a 900 ° C y concluyó que bajo estas condiciones, el secado se controla mediante transferencia de calor y la pirólisis es controlada tanto por la transmisión como por la potencia. '8' calcula el estado natural de tóner depositado hacia abajo humeantes llegó a la conclusión, la combustión de biomasa de transmisión de potencia y la transmisión de control de partículas grandes principalmente la transferencia de masa de óxido de carbono controlada del control común existen reacciones, en la actualidad requiere un estudio de dos El modelo que combina el método de cálculo, He Fang '17 'y otros han llevado a cabo una exploración preliminar en este sentido.
1.2 Proceso de Química Física
En la actualidad, no se describen ampliamente secado, pirólisis, oxidación char, combustión volátil y otros procesos físicos y químicos de las ecuaciones, una gran diferencia en el grado de complejidad. En la pirólisis, por ejemplo, por un simple a partir de una variedad de tipos de reactor ecuación Arrehnius se refiere a docenas ecuación ecuación compleja en favor de la comprensión en profundidad del proceso, pero desde la perspectiva de aplicaciones de ingeniería, las ecuaciones demasiado complicadas conducir fácilmente a problemas difíciles de resolver, los cálculos de ingeniería, por tanto, generalmente no se utilizan ecuación particularmente compleja a continuación resume varios literatura típica La ecuación que describe el proceso fisicoquímico.
1.2.1 Secado
El secado bajo condiciones de combustión de biomasa ocurre a temperaturas muy altas (500 ° C) y en general seco<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:
conceptos de la teoría de control de transmisión claro, que la reacción se produce en una superficie muy delgada, y algunos de los hallazgos son consistentes '2, 16' de secado cinética de ecuaciones que describe fácilmente numérico, pero algunos caliente seco involucrado en la actual falta de parámetros cinéticos Base experimental
1.2.2 pirólisis
En la literatura hay diferencias significativas que implican pirólisis cinética formas ecuación o en términos de parámetros de forma de ecuación, divididos en las siguientes tres clases. La primera hipótesis de pirólisis de volátiles biomasa y Char directamente mediante una Nivele la ecuación de Arrehnius para describir la velocidad de reacción, como Yang'14 'usando la fórmula:
1.2.5 oxidación de carbono
Cabe señalar que la oxidación del carbono es muy importante en el proceso de combustión de biomasa, determinar la duración de la combustión, la relación de aire primario y secundario y otros parámetros importantes. La oxidación del carbono tiene una historia de la investigación, el modelo típico del siglo pasado son principalmente película individual y un modelo de doble modelo de película, un único modelo de película asume que el dióxido de carbono se oxida directamente en la superficie sólida. modelo de membrana bicapa supone que la oxidación de la superficie de carbono a monóxido de carbono, CO hacia el exterior de difusión, y la superficie de la llama de la delgada oxida rápidamente a CO2. después, Amundson et al propuso un modelo de película continua, la oxidación del CO que pueda existir en el modelo de la capa límite de una película continua es muy complejo, difícil de usar en el cálculo, Zhang Ming Chuan '19' et al usaron un frente de llama se mueve modelo de proceso CO ardor en la capa límite.
La mezcla de los productos primarios de la oxidación de los cálculos de ingeniería de monóxido de carbono y dióxido de carbono y de simulación de ingeniería a menudo considerados. En el caso en que las condiciones lo permiten, el monóxido de carbono será la oxidación en fase gaseosa de producto principal de la forma de la llama de combustión secundaria en grandes espacios. Producto de reacción de oxidación primaria y la relación CO / CO2 molar x indica la aplicación es la ecuación:
1.3 proceso de transmisión
Muchos impulso medios porosos, la masa y el modelo de transferencia de calor para calcular proceso de combustión de partículas se asume principalmente en la literatura sobre la transmisión del método de cálculo, y una ecuación de cálculo del coeficiente muestran en la Tabla 1.
1.3.1 transferencia de momento
La biomasa se refiere más movimiento de los gases de combustión en medios porosos, en especial vapor de agua generado por el proceso de secado, los volátiles generados durante los puntos de pirólisis partículas obligados fluye velocidad de flujo de gas de las partículas usadas en los dos métodos : en primer lugar, asumir un flujo rápido de gas (immediateoutflow) '4, 10, 16' en línea con la otra se supone teorema de flujo de Darcy.
1.3.3 transferencia de masa
la transferencia de oxígeno dentro de las partículas de carbono determina la tasa de consumo, y por lo tanto, en el cálculo de transferencia de masa, las consideraciones generales de difusión de oxígeno y de convección causado por el flujo de gas, también algunos de difusión de la literatura considerado más de otros componentes. coeficientes de difusión rms (Producto de coeficiente de difusión y porosidad):
Por supuesto, hay muchas diferencias en los valores del coeficiente de difusión o métodos de cálculo de los gases restantes en la literatura, que no se describen en detalle aquí.
2 Conclusión
1) el modelado zona de reacción, modelos de respuesta de superficie para el cálculo del control de la transmisión de la reacción, tal como en seco, óxido de carbono, etc. El volumen del modelo de reacción está adaptado para calcular el control de potencia y transmisión de energía o las reacciones de control comunes, tales como reacciones de pirólisis.
2) el modelo descrito en procesos físicos y químicos, por lo general hay dos de secado - modelo de transporte de calor y una fórmula modelo de control Arrehnius; tres reactor de pirólisis - un modelo único reactor, tres modelo reacción paralela y considerando tres alquitrán paralelo modelo de reacción de craqueo (reacción de un total de cinco); simple consumo de carbón mineral de carbono y reacción de oxidación Char en vapor de cuenta de agua y similares; parte volátil de la literatura se supone que la combustión en la fase de gas no afecta a las partículas de combustión, considerado parte del hidrocarburo volátil, monóxido de carbono Y la combustión de hidrógeno. El mecanismo de reacción y los parámetros cinéticos de la reacción en diferentes literaturas difirieron significativamente.
3) Modelo de proceso de transferencia, el cálculo de la transferencia de momento en dos modelos - un modelo de flujo modelo de transmisión Teorema rápida y Darcy, el uso de más de transferencia de calor gas-sólido se supone equilibrio termodinámico, la conducción consideraciones generales y convección, considerar algunos de radiación (flujo de calor Método de radiación). La transferencia de masa considera principalmente la convección y la difusión de oxígeno, mientras que la minoría considera la difusión de todos los gases. La diferencia del coeficiente de transferencia de masa térmica es obvia.
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