PDF《气相温度随机脉动对生物质颗粒热解的影响》

0、0.0707和0.1414.气相温度脉动频率取为100Hz,即将每次随机选取的气相瞬时温度 对颗粒的作用时间取为典型的湍流时间尺度0.01s[5] .颗粒初始温度均设为300K,燃烧室壁面按水冷壁温度取为300K,颗粒表面发射率取为0.8,颗粒- [9-10] .这组热解动力学参数是在颗粒直径为100~212 m的实验条件下得到的,因此对于粒径为100~300 m的松木颗粒 热解过程的计算,均采用了该组动力学参数. 3结果与讨论 页面

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14 为了与实验数据进行对比,对松木颗粒在无气相温度脉动环境中的热解过程进行计算.图1给出了计算得到的颗粒 质量转化率和文献[9]实验测量值的对比.计算工况参数与实验条件一致,松木颗粒的直径为156 m,气流与壁面温 度均为823K,松木颗粒的初始温度为300K.颗粒在氮气氛围的热气流中热解,颗粒与气相之间的相对速度取为0.图中mk∞ 为热解完毕后颗粒的最终质量.从图1可以看到,在热解过程中,颗粒质量转化率随时间逐渐增大,计算结果与实验 值相符合.说明计算采用的热解模型能够用来描述生物质颗粒的热解过程. 页面

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14 图2和图3给出了在不同的气相温度随机脉动方式作用下,生物质颗粒热解过程中瞬时质量变化的计算结果.在不同 方式的气相温度随机脉动或不同的气相瞬时温度概率密度函数下,随机数的生成采用了同一个随机种子. 图2(a)~(c)给出了气相温度脉动强度为0.0707时,不同方式的气相温度随机脉动对粒径为100μm、200μm和300μm 的松木颗粒热解时瞬时质量变化的影响.从图中可以看到,气相温度脉动对不同粒径的松木颗粒的瞬时质量变化均有 明显的影响.考虑气相温度脉动时颗粒的热解速率更快,质量下降也更快.对于粒径为100μm的松木颗粒,热解进 行到1.6s时,不考虑气相温度脉动的颗粒质量为0.2mk0,而考虑气相温度脉动的颗粒瞬时质量约为0.1mk0. 从图中还可以看到,在不同的气相温度随机脉动方式作用下,颗粒的瞬时质量下降出现了差异,但这种差异忽大忽 小,体现了气相温度脉动的随机性.而这种随机性又使得颗粒瞬时质量不再是随时间平滑地下降. 图3(a)~(c)给出了气相温度脉动强度为0.1414时,不同方式的气相温度随机脉动对粒径为100μm、200μm和300μm 的松木颗粒热解时瞬时质量变化的影响.随着气相温度脉动强度的增大,气相温度脉动对粒径为100~300 m颗粒热 解的瞬时质量变化的影响更为显著,颗粒质量损失加快,热解完成时间缩短.对比图3(a)与图2(a)可以看到,对于粒 径为100 m的松木颗粒,气相温度脉动强度为0.1414时的热解时间约为0.6s,而气相温度脉动强度为0.0707时的热解完 成时间约为1.2s. 从图中还可以看到,随着气相温度脉动强度的增大,在不同的气相温度随机脉动方式作用下,颗粒瞬时质量下降的 差异也变大了.如图3(a)所示,当热解进行到0.13s时,对应于气相瞬时温度的PDF分别为双δ函数分布、均匀分布、 β函数分布和截尾高斯分布,颗粒瞬时质量分别为0.717mk

0、0.828mk

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14 和0.556k0m.这种差异随着热解趋于完成而有所降低. 由于采用了三平行反应热解动力学模型,气相温度脉动除了使颗粒热解速率加快外,还影响到热解产物的最终产量 .如图2(a)与图3(a)所示,对于粒径100 m的松木颗粒热解后的焦炭产量,当气相温度无脉动时其为11.11%,气相温 度脉动强度为0.0707时其为9.06%~9.40%,气相温度脉动强度为0.1414时其为6.72%~7.76%.在三平行反应模型中,生 成挥发分反应的活化能最高,焦油次之,而焦炭最低.因此在有气相温度脉动时,挥发分和焦油的生成速率提高得更 多,从而产量有所增大,而焦炭产量则有所减少. 为了进一步比较不同的气相温度随机脉动方式所得到的热解曲线的差异,对图3(a)条件下颗粒剩余质量分数为20% 时所经历的时间以及热解完成后的颗粒剩余质量分数进行了统计分析.以计算机时间作为随机种子,在采用不同的随 机序列下,每一种随机脉动方式计算得到100组数据.气相瞬时温度PDF取双δ函数分布、均匀分布、β函数分布和 截尾高斯分布下颗粒剩余质量分数为20%时,所需要的热解时间分别为(0.2735±0.0648)s、(0.2490±0.1061)s、(0.2385± 0.1274)s和(0.2573±0.1152)s,最终颗粒剩余质量分数分别为(7.525±0.142)%、(7.093±0.332)%、(6.632±0.770)%和(6.89 4±0.580)%.可以看到,不同随机脉动方式下得到的颗粒平均热解速率和最终产物产量有一定差异.其中,气相瞬时 温度PDF为双δ函数分布时颗粒热解速率最慢,最终颗粒剩余质量最大;