生物质热解动力学及颗粒热解性能模型化研究

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生物质热解是生物质利用的最有效途径之一,有关热解动力学的研究对于生物质热解反应机理的认识以及热解反应器的优化设计具有十分重要的意义。本文基于分布活化能模型(DAEM)研究生物质热解动力学和颗粒热解的传递和反应性能,主要研究内容和结果如下:首先,使用分布拟合方法研究DAEM中热解动力学参数的估值方法及其适用性。结果表明:通过分布拟合方法在单一(10 K·min-1)升温速率下根据农业残渣热解实验数据估得的动力学参数,同样可以很好地描述其在另外两种加热速率(20 K·min-1和30 K·min-1)下的热解行为;对于复杂材料如木屑的热解,估得的参数可以成功地预测到其热解速率的两个峰值;指前因子k0与活化能均值E0对热解转化率曲线的影响导致了分布拟合方法在估值过程中产生了参数的多重性,并且通过对估值过程中多组参数的考察发现了k0与E0之间的线性关系。其次,基于阶梯函数近似提出了一种反演预测活化能分布函数f(E)的简化方法,新的方法将DAEM模型中复杂的双重积分简化为单重积分问题,并且仅需一组实验数据便可对分布函数进行预测。对各种模型参数的研究表明,当σ<10 k J·mol-1时本文方法依然可以很好地对f(E)进行预测,即与之前的研究相比本文方法对于标准差σ的选取具有更好的适用性;指前因子k0以及加热速率与加热方式对f(E)的预测影响很小,证明活化能分布函数的预测与加热条件无关。最后,基于前述分布活化能动力学模型,建立了球形生物质单颗粒一维非定态热解模型,并考察了不同粒径以及环境温度对颗粒热解性能的影响,结果表明:颗粒本身的导热热阻会使其内部具有一定的温度分布,颗粒中心温度变化情况与表面相比具有明显的滞后;对于温度较高,粒径较大的颗粒,内热阻对其热解过程影响最大,反应动力学因素对其影响最小。通过对热解热效应的考察发现热效应对热解过程具有较大影响,在计算时不能忽略。
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