, 王雷2, 黄洪风21. 中国科学院沈阳自动化研究所, 沈阳 110016;
2. 东北大学机械工程与自动化学院, 沈阳 110819
2015年09月06日 收稿; 2015年10月08日 收修改稿
通信作者: 隋春平,E-mail:cpsui@sia.cn
摘要: 生物质是一种清洁的可再生能源,生物质快速热解技术对生物质的利用很重要.本文提出将红外加热应用于生物质热解反应.根据生物质及其热解过程中的大分子中间产物的红外光谱图分析确定生物质热解过程中的红外吸收带,选择红外涂料.设计出基于红外加热的生物质热解反应器的炉体结构,应用AnsysFluent对炉体燃烧室进行燃烧数值模拟,确定了最佳温度场分布.
关键词: 红外加热生物质热解反应燃烧模拟温度分布
Biomass pyrolysis technologies based on infrared heating and key parameters of reaction device
SUI Chunping1
, WANG Lei2, HUANG Hongfeng2 1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;
2. School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819,China
Abstract: Biomass pyrolysis technology is important for biomass utilization. In this paper, we auggest application of infrared heating in biomass pyrolysis reaction. According to the infrared spectra of biomass and its macromolecular intermediate product in the pyrolysis process we determine the infrared absorption bands in the pyrolysis process and select infrared coating. We have designed furnace body structure of biomass pyrolysis reactor based on infrared heating and performed combustion numerical simulation of the combustion chamber of furnace body, using ANSYS fluent software, to determine the optimal temperature field distribution.
Key words: infrared heatingbiomass pyrolysis reactioncombustion simulationtemperature distribution
生物质是一种清洁的可再生能源，快速热解液化技术是生物质利用的一种重要途径.该技术将产生液态产物，具有产率高、加工速度快、生物油利用价值高、易储备运输等优点.自20世纪80年代起，国内外就已开始对生物质热解技术的研究[1-2]，包括美国、日本、巴西、印度、丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等许多国家都制订了相应的开发研究计划，并形成了各自的开发体系和技术优势，目前已形成诸如流化床[3]、旋转锥[4]等快速热解液化技术.上述技术主要采用接触式加热方式，解热过程中往往需要传热介质，存在加热效率低、产物分离困难等缺陷.
因此，本文提出基于红外的非接触辐射式加热热解技术.红外加热技术是利用红外辐射器发出的射线辐照被加热物体，当二者的固有频率相匹配时，被加热物质会很好地吸收辐射能达到快速升温的目的.该技术发展已经相当成熟，广泛应用于油漆、塑料、食品、药品等行业，具有加热效率高、速度快、节电效果显著等优点[5].但是，由于红外加热应用的热源普遍也是电能，如果继续用电能为红外加热提供热源，显然就失去了研究意义.
目前尚未见将红外加热应用到生物质热解技术中.本文的红外加热热解技术拟采用焦炭和不可冷凝短链热解气等副产物作为燃料，实现自热式热解.这样既减少能源浪费，也使得副产物得到重新利用，并可实现野外移动式作业.
本文将首先分析生物质及中间产物的红外光谱吸收带；在此基础上选择红外涂料，并设计基于红外加热的生物质热解反应器的炉体结构；最终应用Ansys Fluent对炉体燃烧室进行燃烧数值模拟，确定最佳温度场分布.
1 生物质红外加热机理研究本研究的目的是要获知生物质在红外光线照射下有没有吸收峰，确定生物质对红外光线的吸收能力，以明确是否能将红外辐射加热应用到生物质热解反应中.
1.1 生物质红外吸收带的确定生物质的红外吸收带包括生物质各组分红外吸收带和生物质热解过程中产生的大分子中间产物的红外吸收带，包括纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、活性纤维素、左旋葡聚糖、纤维二糖、纤维三糖等的红外吸收带[6-7].
上述各物质对红外光线是否具有吸收带需根据其各自的红外光谱图得知.红外光谱图是由红外光谱仪测得的物质在不同波段下对红外光线吸收率或透过率的曲线图.本文基于中国科学院上海有机化学研究所红外光谱图[8]，分析各成分对红外光线的吸收能力，得到相关成分红外光线吸收波段，列于表 1中.
Table 1
 表 1 生物质各成分的红外吸收波段Table 1 Infrared absorption bands of components in biomass
| 表 1 生物质各成分的红外吸收波段Table 1 Infrared absorption bands of components in biomass |
从表 1可以看出，各物质对红外光都有强烈的吸收带，说明红外加热生物质热解反应是可行的；各物质的红外吸收带非常相似，可以将生物质的红外吸收带归纳为2.5～3.2、6～10 μm，属于短波吸收物质[9].
1.2 红外涂料的选择红外加热的原理是，当红外光线辐射源的辐射波长和生物质吸收波长相一致时，生物质开始吸收辐射能，从而改变或加剧其内部分子的运动，达到发热升温的作用[9].所以生物质热解过程中的红外吸收波带也就是其红外线辐射波带，不同红外涂料的辐射波带也不相同.辐射波带为2.5～3.2、6～10 μm的辐射涂料属于短波辐射涂料，主要包括沸石分子筛系、高硅氧和半导体氧化钛涂料等.通过参考短波辐射涂料的辐射特性[9]可以得出，半导体氧化钛涂料辐射率比较高，而且波动小，辐射率基本维持在0.85，所以，本课题选择的红外涂料为半导体氧化钛涂料，它的最佳辐射温度为577 ℃.
2 反应器结构设计2.1 反应器结构特点 反应器结构如图 1所示.主要由两大部分组成：一是反应腔部分，除生物质反应区以外，还包括生物质进料口、反应气体产物的收集口和反应固体产物的收集口；二是燃烧室部分，包括燃料和氧化剂的进口、保温系统、通风系统和燃烧残渣的收集口.
Fig. 1
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| 图 1 反应器结构Fig. 1 Structure of the reactor | |
反应腔部分和燃烧室部分是可拆卸的，反应一段时间后，反应腔从燃烧室内抽离，分别对反应腔和燃烧室内的残渣进行清理，如果反应腔内的红外涂层遭到破坏或者因使用时间太长而脱落，可以直接更换新的反应腔.
2.2 反应腔内径的确定反应腔内径与辐射距离有关.据一般资料推荐，辐射距离以100～400 mm为宜[9].由于反应腔为直筒形，属于四周环射布局，所以反应腔的直径应该在200～800 mm.因为本文设计的反应器结构为小型试验用结构，所以选择反应腔内径为200 mm.
2.3 反应腔辐射高度的确定生物质颗粒在反应腔内自由下落，一边下落，一边得到反应，所要达到的反应条件为1 s内升温到500 ℃.通过估算生物质1 s内在气体阻力下下落的高度，得到
| $s\left( 1 \right)=\frac{m}{b}\left[ \ln \left( {{\text{e}}^{\frac{2\sqrt{ab}}{m}}}-1 \right)-\frac{2\sqrt{ab}}{m} \right]+\sqrt{\frac{a}{b}},$ | (1) |
由式(1)可知生物质的下降距离与其质量有关，初步估算生物质颗粒的质量在10 g以内，故反应腔辐射高度在500 mm以内，为使生物质得到充分反应，取反应腔辐射高度h=500 mm.
2.4 生物质反应量的确定生物质反应量的计算公式如下：
| $生物质反应量=\frac{1\text{s}内辐射总热量{{Q}_{辐}}}{1\text{kg生物质}1\text{s}内所需辐射热量{{Q}_{需}}},$ | (2) |
| ${{Q}_{辐}}\text{=}{{C}_{\text{b}}}\varepsilon {{\left( \frac{T}{100} \right)}^{4}}\pi Dh,$ | (3) |
| ${{Q}_{需}}=C\cdot \Delta T\cdot \eta ,$ | (4) |
3 燃烧数值模拟本文采用炉体内燃料燃烧给红外加热提供热源，很可能造成燃烧室温度不均匀.那么涂料辐射也会不均匀，被加热物质吸热不均匀，升温速率不一致，使温度达不到要求.所以，保证燃烧室内温度均匀性很重要.被加热物质要求的反应温度为500 ℃，红外涂料的最佳辐射温度为577 ℃(即850 K)，燃烧室内的温度传递到涂料存在热量损失，本文将燃烧室内平均温度控制在580～620 ℃范围内，即853～893 K范围内.应用Ansys Fluent软件，通过改变燃料种类、燃料和氧化剂的入口布置或者入口速度，进行多组燃烧数值模拟，得到燃烧室内温度分布云图，通过数据处理得到最优结果.
3.1 物理模型燃烧数值模拟的物理模型即燃烧室的外形结构，本文设计的燃烧室是一个环形结构，如图 2所示.为模拟方便，定义入口①、入口②、入口③作为燃料和空气的入口.其中：入口③为焦炭入口，入口①、②为煤气和空气入口且可互换.在不同入口以不同速度加入燃料和空气，进行燃烧模拟，并对图中具有代表性的8个点处温度进行平均值和标准差计算，来分析燃烧室内的平均温度和温度均匀性.燃烧模拟的6种组合情况见表 2.
Fig. 2
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| 图 2 燃烧数值模拟物理模型Fig. 2 Physical model of the combustion simulation | |
Table 2
表 2 燃烧模拟的6种组合情况Table 2 Six cases of the combustion simulation
| 表 2 燃烧模拟的6种组合情况Table 2 Six cases of the combustion simulation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.2 求解方法本文采用压力基分离求解器；采用SIMPLE算法进行压力项和速度项的耦合；PDF非预混燃烧模型；k-ε湍流模型；P-1辐射换热模型；为加速收敛，控制方程采用一阶迎风格式离散，动量方程采用QUICK格式离散[10]；减小亚松弛因子的值使迭代曲线趋于稳定[11].
3.3 模拟结果对表 2中所列的入口组合和入口速度进行模拟，每个组合中相对较好的模拟结果的温度分布云图如图 3所示.对图 3中的模拟结果进行数据处理，分别得到它们的平均温度和温度标准差如表 3所示.
Fig. 3
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| 图 3 燃烧模拟结果的温度分布云图Fig. 3 Temperature distributions based on the combustion simulation results for the 6 cases | |
Table 3
表 3 平均温度和温度标准差Table 3 Average temperatures and their standard deviations
| 表 3 平均温度和温度标准差Table 3 Average temperatures and their standard deviations |
由模拟结果可知，不同的进料方式和速度，对燃烧温度及其均匀性影响明显.其中组合1、2采用周孔进空气、中心孔进燃气燃烧效率较差；而组合3—6采用中心孔进空气，燃烧效果较好.分析评判燃烧室内温度能否达到要求的标准为：平均温度在853～893 K温度范围内，标准差相对较低.从表 3看出，组合3和组合6可以达到温度要求，且温度均匀性相对较好.
4 结论1) 确定生物质的红外吸收带为2.5～3.2、6～10 μm，根据生物质的红外吸收带选择半导体氧化钛为本装置的红外涂料.
2) 设计基于红外加热的生物质热解反应器的炉体结构，计算得到反应器的关键参数，包括反应腔内径D=200 mm、反应腔辐射高度h=500 mm和生物质单位时间反应量47.43 kg/h.
3) 利用Ansys Fluent软件进行燃烧室内燃烧数值模拟，最终确定燃烧室的最佳设置：燃料不能只有焦炭；入口布置为①是空气入口，②是煤气入口，③是焦炭入口；速度设置为煤气5 m/s，焦炭1 m/s，空气3 m/s.
参考文献
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