PDF《气相温度随机脉动对生物质颗粒热解的影响》

气相温度随机脉动对生物质颗粒热解的影响 张健,庞杰 (清华大学工程力学系,北京100084) 摘要:为研究气相温度的湍流脉动对生物质颗粒瞬时热解反应的影响,将气相瞬时温度的概率密度函数(PDF)分别 取为双Delta函数分布、均匀分布、Beta函数分布和截尾高斯分布.

给出了不同的气相瞬时温度PDF下,在任一湍流时 间尺度内随机选取气相瞬时温度的表达式.在不同的气相温度随机脉动方式下,对粒径为100~300 m的松木颗粒的 瞬时热解过程进行了计算.结果表明,气相温度的随机脉动对不同粒径颗粒的热解均有明显的影响,加快了颗粒的质 量损失.而气相温度脉动强度的增大会使得这一影响效果更为显著. 我国生物质资源丰富,目前每年可利用的生物质资源约合6.5亿吨标准煤.生物质的热化学转化如燃烧是利用生物 质能的重要方式之一[1] .在现有的燃煤锅炉上将生物质与煤粉混合燃烧,可以有效地利用生物质能,克服生物质单一燃烧时所遇到的问题, 减少对煤的消耗,同时也可以对燃煤锅炉的CO2减排及降低NOx和SO2的排放起到较大的作用. 在研究和应用生物质与煤粉混合燃烧技术的同时,需要发展生物质与煤粉混合燃烧的湍流多相燃烧理论模型,开展 对生物质与煤粉混合燃烧的数值模拟.在生物质颗粒的湍流多相燃烧中,气相速度的湍流脉动对颗粒运动起着不容忽 视的作用,已建立的生物质与 煤粉混合燃烧理论模型考虑了湍流-颗粒运动的相互作用[2-3] .在燃烧过程中,生物质颗粒的大部分质量是通过热解释放出的.而气相温度的湍流脉动是否会对生物质颗粒的瞬时 热解反应产生影响则有待进一步探讨. 随机性是湍流脉动的主要特点之一.由于湍流燃烧的作用,实际燃烧室内空间各点处的气相瞬时温度随时间随机变 化.为此本文将气相瞬时温度的概率密度函数(PDF)分别取为双Delta(δ)函数分布、均匀分布、Beta(β)函数分布和截 尾高斯分布,给出了气相瞬时温度随机选取的相应表达式.将生物质颗粒置于具有不同温度脉动方式的热气流中,研 究了气相温度的随机脉动对生物质颗粒瞬时热解过程的影响. 1气相瞬时温度的随机选取 双δ函数分布、均 匀分布、β函数分布和截尾高斯分布是湍 流燃烧中常用的标量概率密度函数[4-7] ,对气相瞬时温度的PDF分别取为这4种分布.针对不同的PDF,分别给出随机获取气相瞬时温度的表达式. 1.1双δ函数分布 页面

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14 1.2均匀分布 1.3 β函数分布 页面

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14 1.4截尾高斯分布 页面

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14 2生物质颗粒热解的瞬时控制方程组 将单个生物质颗粒置于温度空间分布均匀但随时间呈随机脉动的热气流中,仅考察生物质颗粒的瞬时热解过程.考 虑到气体与颗粒之间的对流传热、燃烧室壁面与颗粒之间的辐射传热和颗粒热解吸热,生物质颗粒的瞬时能量方程为 页面

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14 采用 有限差分 法对生物质颗粒热 解的瞬时控制方程组进行离散化.时 间项的离散采用一阶显式格式,步长取至10-5 s,以确保计算结果与时间步长无关.依次求解颗粒瞬时能量方程与质量方程,可得到颗粒瞬时质量随时间的变化. 将生物质取为松木颗粒.松木的干燥基工业分析数据为挥发分79.22%、固定碳19.86%、灰分0.92%.松木颗粒的比 热为1600J/(kg K),去除水分后颗粒的初始材料密 度取为307kg/m3 .计算中颗粒直径分别取为100 m、200 m和300 m,气相平均温度取为800K.燃烧室内气相温度脉动均方根值与 气相平均温度之比的典型实验值为0.1~0.2[11] ,气相温度脉动强度分别取为