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生物质颗粒燃料

农村生活垃圾生物质热解和燃烧气相数值模拟

作者:admin 时间:2020-06-09 17:54

  为模仿周遭湍流气体中生物质颗粒的热化学转化和交互效用,提出了生物质热解和燃烧的数值模仿本事。响应同化气模仿气相质料、动量和能量互换的气体粒子交互效用包罗正在双向耦合项中。通过双向耦合对生物质颗粒转化功夫影响的剖释展现:颗粒体积分数大于10-5。正在恒定体积分数下,因为正在较小颗粒的景况下总热互换面积较高,双向耦合的影响跟着颗粒尺寸的减小而扩大。因为较高的气体温度,DNS模子包括的气相均相响应而削减了生物质热解功夫。相反,包罗气相响应因为颗粒外观氧浓度较低而扩大了生物质的燃烧功夫。生物质燃料是告竣能源可赓续干净临盆方向的重要目标之一[1]。为了抬高人们对生物质能转化经过的领会,邦外里学者对单颗粒生物质热解、燃烧与气化举行了深远讨论[2~5]。更深远地认识并利用生物质颗粒与周遭湍流气体的交互效用有助于告竣化工单位的迅疾策画。同时,开荒湍流气体中生物质转化的DNS模子有助于更好地领悟裂解炉内部物理化学响应经过[6,7]。

  本文提出了开荒DNS模子的框架,该框架涉及化学响应粒子与气体的双向交互效用。 为了模仿周遭湍流气体中生物质颗粒的热化学转化和交互效用,DNS模子需求与生物质的单粒子化学模子相维系。模仿洪量颗粒的生物质热解和燃烧,需求简化模子来削减估计量。依据颗粒外观温度、挥发物开释量以及颗粒正在热解和燃烧经过中的转化功夫等枢纽参数,开荒了简化模子。 通过琢磨与气相的双向交互效用,筑筑了颗粒跟踪和模仿3D湍流颗粒载流利道的模子。本文通过增加固气非均相燃烧响应和气相均相响应扩展了上述模子的利用鸿沟。

  1.1气体模子 该模子基于欧拉-拉格朗日方程,个中气相和颗粒相以区别的办法管束[7]。因为此经过涉及的温度鸿沟很宽,导致了质料密度变动彰彰;气相由可压缩Navier-Stokes方程描画。把持方程基于质料守恒、动量守恒、总能量守恒和物种质料守恒;这种守恒本质正在数值模子中利用了氮体积法[8]。气体的把持方程可写为守恒定律正在纵情体积(V)上的积分,其范围为S由式(1)流露。

  气相把持方程中的双向耦合项说明了气体和粒子之间的质料,动量和能量的转达。说明了模子的离散相和联贯相之间的迁移[9]。假设全数这些双向耦合项举动气相守恒定律中的点源。粒子所正在的把持体积可能依据粒子中央的坐标来确定。于是,由这个粒子爆发的耦合项将只包括正在此把持体积的气体方程中。 气体物质之间的响应举动气体物质均衡方程源项的动力学速度定律来模仿。目前,该模子包罗6种气体:O2、CO2、CO、H2O、H2、N2。均相气相响应包罗CO和H2的燃烧以及水气变换响应[10]。

  1.2生物质颗粒模子 每个生物质颗粒视为质点。图1显示了生物质转化经过中的举措。模仿生物质颗粒热解经过,正在该模子中,求解颗粒内焦炭前沿和温度漫衍的方程组。热解竣事后,下一阶段是焦炭的燃烧。正在本模子中,热解和燃烧响应按序产生而不是同时产生。

  燃烧响应(2)中O2的化学计量系数(v)取决于基于颗粒外观温度。该模子是基于守旧的压缩核近似而拟定的。这意味着产生响应(2)和(3)的炭-气响应前沿入手于颗粒外观,然后跟着燃烧的举行向中央挪动,导致粒径减小。正在悉数转换经过中,压缩主题的密度保留褂讪。关于粒子跟踪,行使拉格朗日公式,对0到1000之间的粒子雷诺数有用,用于估计假定为球形粒子上阻力。颗粒正在燃烧室内的小尺寸和很短的中断功夫可马虎重力的效用[11]。

  1.3数值模仿本事 全数气体和粒子的方程都是行使无量纲化的参考值。粒子方程是常微分方程的时势。基于二阶准确有限体积法,气体方程正在空间离散后显现这种时势[12]。流向和后向的范围前提是周期性的。正在壁法线目标上,通道的壁与附近壁的细胞的范围重合。正在全数三个速率分量的壁面上利用无滑移范围前提。关于上、下壁均为恒温的节能方程,利用等温壁眼前提。通过将气体物质浓度的梯度扶植为0。 全数的固气响应只产生正在生物质颗粒外观[13]。据观望,与热解比拟,燃烧经过相当疾。燃烧经过的迅疾性以方程组的时势流露。由于需求洪量的小功夫步长来告竣安宁性,行使同化隐式显式法。为了低落模仿功夫,低落数值算法的繁复度,将同化计划的显式片面用于气相方程和粒子跟踪和热解经过中。

  1.4仿真扶植 通道内的气体-粒子编制,由两个平行的秤谌面界定(图2)。响应鸿沟外述为流向上的长度为4πH,宽度为4πH,个中H是通道高度的一半。用近似等于Re=150的摩擦雷诺数举行仿真,更正颗粒的体积分数,使其永远小于10-3,粒子间碰撞可马虎不计。 响应区域划分为1283个把持单位。网格间距沿流线目标和跨线目标是匀称的,而正在壁法线目标是不匀称的,网格点正在壁邻近堆积。初始氧摩尔分数为XO2=0.1,其余为氮气。初始气体温度设定为1400K,而且粒子以300K的恒定温度初始化。 通道壁保留正在1400K。最初,粒子随机且匀称地漫衍正在通道上,粒子速率等于粒子地方处的气体速率。正在这些初始前提下,模仿湍流利道中生物质颗粒的热解和燃烧。

  燃烧室策画的枢纽参数之一是燃料颗粒的转化功夫。关于生物质颗粒,总转化功夫(t1)是原始生物质正在热解阶段转化为焦炭所需功夫(t2)与焦炭颗粒正在燃烧阶段燃烧所需功夫(t3)之和。

  本文剖释了双向耦合、粒径、气相响应对生物质颗粒转化功夫的影响[14~16]。

  2.1双向耦合效应 假使颗粒浓度较大,则颗粒的转化功夫与单颗粒生物质转化模子的转化功夫区别。颗粒与气体的双向交互效用影响周遭气体温度和气体物质浓度,进而影响颗粒转化经过。本文提出DNS模子用于剖释气体和粒子之间双向耦合对转换功夫的影响。

  关于单向耦合,没有从粒子到气体的反应,而且气体温度不受粒子转换经过的影响。于是,热解功夫也没有变动。

  另一方面,通过双向耦合,粒子的存正在影响气体温度。关于没有气相响应的双向耦合的景况,可能看出正在体积分数Φ10时双向耦合是彰彰的。

  2.2颗粒尺寸的影响 正在热解经过中,关于较小的颗粒,气体和颗粒之间较高的对流换热会扩大热解功夫,由于颗粒会从气体中抽出更众的热量,从而低落气体的温度。相反,正在燃烧阶段,因为相间外观积较大,更众的热量转达到气体中,于是与较大的颗粒比拟,低落了颗粒温度。低落的温度低落了外观响应的动力学速度,从而扩大了燃烧功夫。

  正在图4中,给出了从单粒子模子估计出的燃烧功夫的相应值。单粒子模子具有恒定的周遭气体温度和恒定的氧质料分数。

  从图4中可能看出,单粒子模子的转换功夫最短。双向耦合、单向耦合和单粒子模子正在燃烧功夫上的相对误差超越了双向耦合对燃烧阶段的主要性。

  2.3气相响应的影响 实行中,正在DNS模子中包括气相响应正在生物质转化的热解和燃烧阶段具有相反的结果。正在热解经过中,挥发性气体燃烧会扩大气体温度,从而削减热解功夫。

  可能看出,气相响应对热解功夫的影响较大。热解是由从气体转达到颗粒的热量把持的。关于较小的颗粒,较高的总热互换面积意味着更众的热量将转达给颗粒,从而削减了热解功夫。同时也可能看出,关于较大的颗粒,气相响应的鸿沟特殊小。与之相反,热解响应包罗气相响应扩大了生物质颗粒的燃烧功夫。因为挥发性气体与气相中的氧产生响应,花消固体颗粒可用于焦炭燃烧的总氧气的一片面,低落颗粒外观的氧浓度,导致颗粒燃烧功夫更长。

  正在图6中,给出了区别粒径的燃烧功夫。与热解经过区别,关于较大的颗粒,气相响应的效果更高。这是因为较大颗粒的燃烧经过赓续功夫较长。需求细心的是,正在的模子中的氧浓度和温度前提下,焦炭燃烧响应的速度宏大于均相气相燃烧响应,焦炭燃烧经过的赓续功夫越长,气相响应中花消的氧气分数就越高。于是,关于较大的颗粒,气相响应的央求更高。

  通过模仿包罗非均相颗粒燃烧和均相气相响应,筑筑了生物质燃烧模子,该模子合用于洪量质点粒子DNS告竣。双向耦合项模仿气体和粒子之间的交互效用,DNS模子中的气体响应因为较高的气体温度低落了生物质热解功夫。相反,包罗气相响应因为颗粒外观氧的可诈欺性较低而扩大了生物质的燃烧功夫。因为较高的热互换面积,关于较小的颗粒,气相响应对热解的影响较大。 参考文献

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