第42卷第6期 北京化工大学学报（自然料学版） Vol.42.No.6 2015年 Beijing University of Chemical Technology (Natural Science 2015 适用生物质及煤热解CD模拟的 DAEM近似计算方法 马趣祁赵系刘辉 (北京化工大学化学工程学院化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029) 近似计算方法以使其能够合并在C℉D程序的计算中。简化后的模型能够较精确预测热解产物产率和生成速率：此 外，改进后的模型的计算量大大减少，可适用于较宽泛的加热环境下，且模型预测结果与生物质或煤粒热解实验得 到的结果能够很好的吻合 关键词：生物质；煤粒：热解分布话化能模型 中图分类号：T0530.2:TK6 引言 拟管式沉降炉中小麦秸秆的燃烧，从而得到了小麦 桔轩株烧也可用CFD进行模拟的结论 煤是人类社会重要的能源资源，占世界能源总 分布活化能模型(DAEM)也称为多重反应模 量的22%，但同时煤也是不可再生资源。因此在倡 (MRM),已成为热解过程研究中应用最泛的模 导低碳环保的背景下，生物质无疑是一种较好的替 型。在分布活化能模型提出后，Donskoi等对求解 代能源。因热解过程是生物质转化的第一步，之后 分布活化能模型进行了进一步的探索，并基于高斯： 还要经历如气化、液化、干馏及燃烧等过程，故研究 埃尔米特求积公式(Gaus-Hermite Quadrature)提 生物质热解对生物质能源的发展有很大的帮助。 出了改进的积分公式(MGHQ):通过将此方法与其 如今，模拟计算已成为研究煤和生物质热解及 他近似方法进行对比，验证了此方法具有更高的精 燃烧的必不可少的方法之一。例如计算流体力学 度。但是通过此方法近似后，仍存在复杂的温度积 (CD)商业软件已经句含了大量的用于计算化石燃 分，偶合在CFD中时计算量仍然很大 料的燃烧模型。通过程序模拟复杂的热解过程可以 本文在文献[4]求解DAEM的基础上引人了 更好地分析设计及优化生物质及煤粒的燃烧和封 度积分和广义温度积分形式的近似们，在保证精度 化过程。Eaon等)运用CFD软件模拟了煤燃烧过 的前提下简化了复杂的二重积分。此方法适用于模 程，并与实验数据对比，有很好的一致性：此外，作者 拟计算线性和简单非线性升温条件下煤或生物质的 也强调了要简化计算模型来节省计算时间。 热解过程。通过与已有文献结果和实验数据对比， liams等2]通过类比煤燃烧过程，论证了煤燃烧的研 进一步验证了本文方法的可靠性。 究方法也适用于生物质的燃烧，其中，脱挥发分也即 热解过程，是燃烧过程中最重要的过程。Jones等3) DAEM的建立及近似优化 对小麦秸秆的燃烧特性进行了模拟，将模拟得到的 L.1DAEM的建立 产物产率作为模型参数输人至C℉D模型中，用以模 分布活化能模型假设热解过程包含了无限多个 独立的一级不可可逆化学反应。这些化学反应的热解 收稿日期.2015-04-1 基金项目 速率可以用以下方程表示 国家“973"计划(2011CB201306 第一作者：女，1989年生，硕士生 立=(-y) d (1 ◆通讯联系人 式中表示某个独立的化学反应或某个反应物，V E-mail.hliu@mail.buct.edu.en 表示对于第i个化学反应或某个反应物，从零时刻 http://www.journal.buct.edu.cn 第 42 卷 第 6 期 2015 年 北京化工大学学报(自然科学版) Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science) Vol. 42, No. 6 2015 适用生物质及煤热解 CFD 模拟的 DAEM 近似计算方法 马艺桠 祁 娟 赵欣磊 刘 辉* (北京化工大学 化学工程学院 化工资源有效利用国家重点实验室, 北京 100029) 摘 要: 生物质以及煤粒的复杂热解反应可用分布活化能模型(DAEM)模拟,但将此模型直接应用于计算流体力 学(CFD)模拟计算量极大,因为在每个时间步中对每个计算网格都要计算多重积分。 因此,本文提出了 DAEM 的 近似计算方法以使其能够合并在 CFD 程序的计算中。 简化后的模型能够较精确预测热解产物产率和生成速率;此 外,改进后的模型的计算量大大减少,可适用于较宽泛的加热环境下,且模型预测结果与生物质或煤粒热解实验得 到的结果能够很好的吻合。 关键词: 生物质; 煤粒; 热解; 分布活化能模型 中图分类号: TQ530郾 2;TK6 收稿日期: 2015-04-13 基金项目: 国家“973冶计划(2011CB201306) 第一作者: 女,1989 年生,硕士生 *通讯联系人 E鄄mail: hliu@ mail. buct. edu. cn 引 言 煤是人类社会重要的能源资源,占世界能源总 量的 22% ,但同时煤也是不可再生资源。 因此在倡 导低碳环保的背景下,生物质无疑是一种较好的替 代能源。 因热解过程是生物质转化的第一步,之后 还要经历如气化、液化、干馏及燃烧等过程,故研究 生物质热解对生物质能源的发展有很大的帮助。 如今,模拟计算已成为研究煤和生物质热解及 燃烧的必不可少的方法之一。 例如计算流体力学 (CFD)商业软件已经包含了大量的用于计算化石燃 料的燃烧模型。 通过程序模拟复杂的热解过程可以 更好地分析、设计及优化生物质及煤粒的燃烧和转 化过程。 Eaton 等[1]运用 CFD 软件模拟了煤燃烧过 程,并与实验数据对比,有很好的一致性;此外,作者 也强调了要简化计算模型来节省计算时间。 Wil鄄 liams 等[2]通过类比煤燃烧过程,论证了煤燃烧的研 究方法也适用于生物质的燃烧,其中,脱挥发分也即 热解过程,是燃烧过程中最重要的过程。 Jones 等[3] 对小麦秸秆的燃烧特性进行了模拟,将模拟得到的 产物产率作为模型参数输入至 CFD 模型中,用以模 拟管式沉降炉中小麦秸秆的燃烧,从而得到了小麦 秸秆燃烧也可用 CFD 进行模拟的结论。 分布活化能模型(DAEM)也称为多重反应模型 (MRM),已成为热解过程研究中应用最广泛的模 型。 在分布活化能模型提出后,Donskoi 等[4]对求解 分布活化能模型进行了进一步的探索,并基于高斯- 埃尔米特求积公式(Gauss - Hermite Quadrature) 提 出了改进的积分公式(MGHQ);通过将此方法与其 他近似方法进行对比,验证了此方法具有更高的精 度。 但是通过此方法近似后,仍存在复杂的温度积 分,耦合在 CFD 中时计算量仍然很大。 本文在文献[4]求解 DAEM 的基础上引入了温 度积分和广义温度积分形式的近似[5] ,在保证精度 的前提下简化了复杂的二重积分。 此方法适用于模 拟计算线性和简单非线性升温条件下煤或生物质的 热解过程。 通过与已有文献结果和实验数据对比, 进一步验证了本文方法的可靠性。 1 DAEM 的建立及近似优化 1郾 1 DAEM 的建立 分布活化能模型假设热解过程包含了无限多个 独立的一级不可逆化学反应。 这些化学反应的热解 速率可以用以下方程表示 dVi dt = ki(V * i - Vi) (1) 式中 i 表示某个独立的化学反应或某个反应物,Vi 表示对于第 i 个化学反应或某个反应物,从零时刻 http://www.journal.buct.edu.cn