颗粒内部和固定床反应耦合过程的生物质燃烧数值模拟

发布时间：2021-04-06 02:30

　　为研究成型颗粒在固定床内燃烧过程,提出了一种单颗粒与固定床结合的模型,将固定床视作由颗粒堆积的反应器,考虑了床层以及颗粒内部气体扩散,考虑生物质颗粒干燥、热解和固定碳燃烧过程。结果表明:模型准确地预测了生物质颗粒燃尽时间和热解过程的温度变化,在1223K条件下颗粒完全燃烧约需要150s,最高温度可达1720K;模型能准确预测固定床的燃烧过程,发现固定床内高温区温度远低于单颗粒燃烧可达到的最高温度,床内生物质颗粒燃尽时间比热空气中单颗粒燃尽时间长34.9%。该模型为深入研究固定床提供了有力工具。 

【文章来源】：工业控制计算机. 2019,32(12)

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

固定床内颗粒燃烧示意图

为验证干燥和热解过程模型的准确性，将生物质颗粒在N2气氛下的热解模拟结果和实验结果对比，如图2。实验数据来自文献[9]为大颗粒受热特性设计的实验，该实验是用1023K的热N2加热球形生物质颗粒，并测量生物质颗粒表面、中心的温度以及颗粒质量随时间的变化。该模拟条件十分类似于实际固定床中的热解条件，可以看到实验与模拟的颗粒表面温度吻合较好。由于颗粒尺寸较大，实验和模拟结果都表明颗粒表面和中心的温度存在明显差异，说明在升温速率较高条件下颗粒等温的假设并不成立，因此需要考虑颗粒内部反应及传热传质过程。在前50s颗粒已经加热到约100℃，水分匀速向外蒸发，其蒸发速率与吸热速率成正比，直到140s颗粒完全干燥，颗粒中心温度基本保持恒定，但颗粒质量持续下降，这是由于颗粒中外层的温度已经达到热解温度，挥发分快速析出导致。之后颗粒中心温度开始快速上升，且几乎保持线性速度上升，颗粒内部温度变化趋势的模拟和实验结果吻合较好。上述计算只包含了颗粒水分蒸发和热解过程，不包含化学反应，因此该过程结束后剩余的18%为固定碳，总体模拟结果与实验数据吻合较好，说明了热解动力参数的可靠性。整个流场和燃烧区域中速度、温度和水分浓度分布随时间变化情况如图3所示。首先由于干燥作用，颗粒表面温度升高，但内部温度在短时间内保持不变，颗粒表面与中心存在较大的温度差，颗粒下部升温速率最快；直到第200s颗粒整体温度逐渐达到一致。对于颗粒干燥过程，水蒸气最初出现在颗粒迎风面，并逐步向颗粒中心和两侧扩散，与温度升高过程类似，且由于颗粒干燥需要吸收热量，在水蒸气含量增加过程中颗粒温度基本保持不变，直到约140s颗粒完全干燥。此后，在温度较高的颗粒前缘位置热解过程最先开始，热解产物如CO、CH4等开始出现。对比后文可以发现，固定床与单颗粒都有逐层升温和热解的特性，图3从另一方面增强了本文模拟结果的可靠性。

为验证燃烧过程的化学反应动力学参数的准确性，将空气气氛下生物质颗粒质量随时间变化情况的模拟结果与单个球形生物质在1223K空气下的燃烧实验[9]结果对比，该燃烧实验与模拟的条件十分类似于固定床中颗粒的燃烧条件。如图4所示。发现在前60s颗粒质量下降较快，与热解工况类似，90s后颗粒质量下降速率逐渐平缓。假设颗粒质量减少99%后为完全燃烧，则完全燃烧大概需要180s，实验与模拟结果吻合，说明该单颗粒生物质燃烧模型准确可靠。下文将改模型的反应动力学参数应用到固定床中。图4 空气气氛下颗粒燃烧过程颗粒质量变化的模拟值与实验对比

【参考文献】：
期刊论文
[1]农村生活垃圾生物质热解和燃烧气相数值模拟[J]. 杨俊峰,杨明山.  能源环境保护. 2019(02)
[2]城市生活垃圾焚烧炉深度空气分级数值模拟[J]. 宁星星,马晓茜,胡志锋,余昭胜,廖艳芬.  环境污染与防治. 2016(10)

硕士论文
[1]秸秆成型颗粒燃烧过程的模拟和实验[D]. 张政清.山东理工大学 2018



本文编号：3120574