木材热解过程中单颗粒内部传热模型的建立与研究

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快速热解液化是农林生物质热化学利用最具潜力的手段之一,但热解过程机理仍处于探索阶段,快速升温是快速热解有别于传统热解的显著特征并直接影响产物组分分布,因此对于颗粒热解过程中的热量传递及温度动态分布是研究木材热解反应机理的重要基础。本文针对流化床内木材单颗粒的热解过程,建立了二维圆柱体的瞬态传热模型,充分考虑木材颗粒的各向异性和热解过程中木材热物理性质随温度的变化,并加入热解过程中反应热、水分蒸发汽化而产生的热量源相。在确定颗粒在流化床内的对流换热等边界条件基础上,采用ANSYS有限元方法对模型进行求解计算,得到木材颗粒内部的温度分布及随时间的变化规律,并考察了木材热解反应热、含水率颗粒长径比、材料物理性质等对颗粒内部温度分布及变化的影响。为了验证新建立模型的有效性,选取了三种有代表性的不同尺寸木材颗粒样品进行热重热解分析实验,并将实验与模型模拟结果的TG与DTG曲线进行了比较和分析,二者结果吻合较好。研究成果如下:(1)建立描述热解过程中颗粒内部温度传递及非稳态分布的传热模型。将热解过程中的颗粒由外向内可划分为炭化区、热解区和未反应区三个区域,热解反应由外向内递进,反应进程与温度相关联。(2)模拟结果显示,木材中的水分含量及反应吸热会对木材的热解速率产生显著影响,水分的存在和反应吸热现象会阻碍热量由外向内进行传递;对于圆柱体木材颗粒,l/d,值影响颗粒内部的传热方向。当l/d≥3时,热量的传递主要发生在横向;当l/d<3时,颗粒内部的热量传递方向为纵横向交错。计算结果与文献结论及以往实验结果较为一致。(3)对于圆柱体状木材物料,当l/d<3时,用于描述木材热解过程中单颗粒内部传热现象的数学方程为:(?)当l/d≥3时,用于描述木材热解过程中单颗粒内部传热现象的数学方程可以简化成为:(?)(4)建立了验证快速热解过程中传热模型的新方案,采用TG分析仪器进行热重测量,并利用建立的传热机理模型对于在热重等速升温条件下颗粒温度分布及热解进行模拟,并与测量结果对比。解决了以往研究中微小颗粒内部温度无法测量的难题。
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