生物质燃料层热解过程的传热传质模型研究.docxVIP

文章编号: 167128097 (2005) 0320219205生物质燃料层热解过程的传热传质模型研究赖 艳 华1 ,马 春 元1 ,施 明 恒2( 1. 山东大学 能源与动力工程学院, 山东 济南 250061;2. 东南大学 动力工程系, 江苏 南京 210096 )摘要:通过分析生物质热解过程的传热传质特点, 建立了生物质燃料层热解过程的传热传质数学模型。通过数值计算, 研究了生物质燃料层在热解过程中所发生的热量和质量迁移现象, 分析了热解过程生物质床内部温度场的分布、生物质固体密度的变化和热解区的迁移规律。关键词: 生物质; 燃料层; 热解; 模型中图分类号: S216文献标识码: A生物质燃料层热解过程的传热传质特点生物质热解是生物质固体气化和燃烧过程中 重要的初始反应, 由于生物质热解过程伴随着复 杂的化学变化, 人们对生物质多孔介质固体热解 过程的能量和质量迁移规律缺乏了解。目前, 有关 工业化的设计主要是建立在经验的基础上。本文 研究了生物质燃料层在辐射加热条件下所发生的 传热传质过程。在 加热过程中, 生物质燃料层的外层燃料首 先被加热, 达到一定温度后就开始发生热解, 析出 挥发分气体, 同时生成焦炭; 随着热量从外层向多孔燃料层内部的传递, 热扰动不断地深入到位于 床层内部的生物质燃料。在加热过程中, 整个多孔 燃料层的热解过程反应区分布如图 1 所示。在此过程中, 由于被加热燃料发生热解所形成的挥发份气体不断析出, 在多孔燃料层内形成 气体压力梯度; 热解所产生的气体在压力梯度的作用下会朝向未反应的燃料层或已经形成的焦炭区方向发生流动。当热解气体通过发生热解后所 形成的高温区 — 炭化区时被加热, 而焦炭区则被 冷却, 同时在均匀的气相和非均相的焦炭表面都会发生二次热解反应。另外, 一部分气体产物也可 能从热解区向燃料层未反应区域迁移, 由于此区 域的温度低, 气体会被冷却; 随着热解区从外向内 迁移, 已冷却冷凝的气体会重新被加热蒸发。综 上所述, 生物质热解过程中的传热传质是 发生在复杂的多孔床结构中, 既有化学反应, 亦有相 变发生, 同时还有骨架的变异。而且, 多孔床内 的温度场和压力场随着时间在发生不断的变化。 如果考虑到气体挥发物组成、固体生成物成分的 变化等原因而导致的介质热物性的变化, 那么生 物质热解过程将变得十分复杂, 这也是目前生物质热解传热传质研究进展缓慢的主要因素。本文 工作在对该过程进行适当简化的基础上, 建立生 物质热解过程传热传质的数学模型, 对该过程进 行理论分析和模拟研究。1图 1多孔燃料层热解过程的反应区分布示意图F ig11 Sch em a t ic o f p y ro ly sis p ro ce ss o f b iom a ss fu e l bed 2生物质多孔燃料层热解过程的传热传质模型前面已经分析了生物质燃料层热解的传热传收稿日期: 2004212210; 修回日期: 2005206224.作者简介: 赖艳华 ( 19712) , 副教授, 博士, 主要从事能源利用与环境保护方面的研究.热科学与技术第 4 卷220质过程的特点及其复杂性, 为了研究该过程的本质特点, 将生物质燃料层处于惰性气氛中, 其一边 以辐射的形式进行加热, 其他边界条件为绝热条 件, 热解所产生的气体从加热侧流出, 如图 2 所示。在生物质原料的堆积密度为 ΘS0 , 燃料平均直 径为 d P , 床层厚度为 L , 加热侧温度为 T r。2. 2传热传质模型的建立根据前面对生物质多孔燃料层热解过程的分 析, 所建立的传热传质方程组如下。2. 2. 1组分方程每一种参加反应的物质的生成和消失速度、质量变化可分别根据 A r rh en n iu s 方程所表述的 化学反应速度常数来表示。生物质固体原料分解速度:5ΘS= -(k 1 + k 2 +k 3 ) ΘS(1)5t焦炭生成速度:5ΘC =图 2生物质热解过程的物理模型示意图F ig12 Sch em a t ic o f p hy sica l m o de l o f b iom a ss p y ro ly sis p ro ce ss2. 1基本假设1) 生物质燃料层看作是各向同性的多孔介 质。2) 生物质固体热解生成焦炭、焦油和气体的反应是一级反应。3) 传热仅沿 X 方向进行, 忽略生物质燃料内 部的传热传质阻力。4) 热解气体和固体处于局域热平衡, 具有相 同的温度。5) 在同一床层横截面上, 生物质都处于同一 的热解状态。6) 热解生成的气体是可压缩的理想气体。7) 在传热过程中, 能量主要通过导热和辐射 方式来传递。根据图 1 和 2 所示的生