高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法及其系统技术方案

本发明专利技术涉及有机粉尘领域，具体涉及一种高挥发性有机粉尘多步燃烧反应骨架的构建方法及其系统

【技术实现步骤摘要】
高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法及其系统


[0001]本专利技术涉及有机粉尘领域，具体涉及一种高挥发性有机粉尘多步燃烧反应骨架的构建方法及其系统
。

技术介绍

[0002]有机粉尘是一种可再生的
、
具有广泛应用前景的生物质燃料
。
研究有机粉尘的热解参数与气相挥发分的燃烧反应对能源的高效利用与低污染排放
、
化工流程的设计等方面均具有重要意义
。
目前针对粉尘燃烧方面的研究，多是从宏观角度分析粉尘颗粒的表观燃烧特性
。
对于微观层面的粉尘燃烧反应和动力学参数的研究仍存在诸多不足和难点
。
[0003]目前，针对气体燃烧已有较多详细的化学反应步骤，并在大量实验数据的基础上进行了补充完善，尤其是针对碳氢气体的化学反应已经得到了较为准确的详细反应步骤
。
与气体燃烧不同，有机粉尘热解产生的挥发分由多种气体组成，且热解产物中含有一定比例的固定碳组分，因此有机粉尘的燃烧过程是固相颗粒
、
气相挥发分和氧化剂共存的多相燃烧体系，是一种涉及到多相系统的动量
、
能量和质量耦合传输的复杂体系
。
目前，对有机粉尘热解挥发过程的动力学模型尚未有有效的建模方法
。
[0004]因此，需要构建适用于有机粉尘多步燃烧反应骨架，并对其进行有效的精度和有效性验证
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法，该方法准确实用，为有机粉尘燃烧反应的研究提供了新方向
。
[0006]本专利技术的一种高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法的技术方案如下：
[0007]一种高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法，包括以下步骤：
[0008]S1
，对有机粉尘进行工业分析和元素分析；
[0009]S2
，将有机粉尘在惰性气体气氛中连续升温，并对有机粉尘的质量
、
质量损失率
、
热释放速率进行采集，根据质量损失率曲线拐点将有机粉尘热解过程分为慢速热解阶段和快速热解阶段；
[0010]S3
，检测连续升温过程中不同分子量气体的平均离子电流强度并得到其随温度变化的曲线，然后对平均离子电流强度积分，得到不同分子量气体的相对含量，进而得到不同分子量气体的体积比；
[0011]S4
，根据
S1
中元素分析和
S3
中不同分子量气体的体积比，确定不同分子量气体的种类和质量百分比；
[0012]S5
，基于
S2
中的质量损失率曲线对慢速热解阶段和快速热解阶段的速率常数
k
分段拟合，分别获得慢速热解阶段和快速热解阶段的
E
和
A
值；
[0013]S6
，使用
Chemkin
‑
Pro
软件的零维定容爆炸模型和一维定压燃烧器模型，对有机粉尘气相挥发分的燃烧反应进行简化；
[0014]S7
，对比
S6
得到的简化燃烧反应与详细反应层流火焰速度和绝热火焰温度的预测效果，当两者的相对误差＜
10
％时，简化模型合理，否则需返回
S5
进一步优化简化反应
。
[0015]优选地，
S5
中，基于
S2
中的质量损失率曲线对慢速热解阶段和快速热解阶段的速率常数
k
分段拟合，速率常数
k
与温度
T
之间的关系如式
(1)
所示，
[0016][0017]式
(1)
中，
A
为指前因子；
E
为热解反应活化能，
J
·
mol
‑1；
R
为普适气体常数，
8.314J
·
mol
‑1·
K
‑1；
[0018]S2
中连续升温速率
β
和瞬时热解挥发率
α
之间的关系如式
(2)
所示，
[0019][0020]式
(2)
中，瞬时热解挥发率
α
＝
(M0‑
M)/(M0‑
M
∞
)
×
100
％，其中，
M0，
M
和
M
∞
分别为有机粉尘的初始质量，瞬时剩余质量和热解完成后剩余质量，单位为
g
；慢速热解阶段中
g(
α
)
＝
‑
ln(1
‑
α
)
，快速热解阶段中
g(
α
)
＝
(1
‑
α
)
‑1‑1；
[0021]对式
(2)
两端取对数，可得式
(3)
，
[0022][0023]式
(3)
中，假设
E/RT>>1
，则
(1
‑
2RT/E)≈1
，
ln(AR/
β
E)
为定值，因此
ln[g(
α
)/T2]与
1/T
近似满足式
(4)
所示的一次函数，线性拟合即可得到一次函数的斜率
‑
E/R
和截距
ln(AR/
β
E)
的最优解，进而分别获得慢速热解阶段和快速热解阶段的
E
和
A
值；
[0024][0025]进一步优选地，
S6
中，使用
Chemkin
‑
Pro
软件的零维定容爆炸模型和一维定压燃烧器模型，对有机粉尘气相挥发分的燃烧反应进行简化，其中气相单分子
/
复合衰减反应的反应速率常数
k
g
如公式
(5)
所示，
[0026][0027]式
(5)
中，
k0和
k
∞
分别为低压和高压工况下的反应速率常数，
E0和
E
∞
分别为低压和高压工况下的活化能，
[M]为气体的摩尔浓度，
n0和
n
∞
分别为低压和高压工况下的温度指数，
A0和
A
∞
分别为低压和高压工况下的指前因子
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，对有机粉尘进行工业分析和元素分析；
S2
，将有机粉尘在惰性气体气氛中连续升温，并对有机粉尘的质量
、
质量损失率
、
热释放速率进行采集，根据质量损失率曲线拐点将有机粉尘热解过程分为慢速热解阶段和快速热解阶段；
S3
，检测连续升温过程中不同分子量气体的平均离子电流强度并得到其随温度变化的曲线，然后对平均离子电流强度积分，得到不同分子量气体的相对含量，进而得到不同分子量气体的体积比；
S4
，根据
S1
中元素分析和
S3
中不同分子量气体的体积比，确定不同分子量气体的种类和质量百分比；
S5
，基于
S2
中的质量损失率曲线对慢速热解阶段和快速热解阶段的速率常数
k
分段拟合，分别获得慢速热解阶段和快速热解阶段的
E
和
A
值；
S6
，使用
Chemkin
‑
Pro
软件的零维定容爆炸模型和一维定压燃烧器模型，对有机粉尘气相挥发分的燃烧反应进行简化；
S7
，对比
S6
得到的简化燃烧反应与详细反应层流火焰速度和绝热火焰温度的预测效果，当两者的相对误差＜
10
％时，简化模型合理，否则需返回
S5
进一步优化简化反应
。2.
根据权利要求1所述的高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法，其特征在于，
S5
中，基于
S2
中的质量损失率曲线对慢速热解阶段和快速热解阶段的速率常数
k
分段拟合，速率常数
k
与温度
T
之间的关系如式
(1)
所示，式
(1)
中，
A
为指前因子；
E
为热解反应活化能，
J
·
mol
‑1；
R
为普适气体常数，
8.314J
·
mol
‑1·
K
‑1；
S2
中连续升温速率
β
和瞬时热解挥发率
α
之间的关系如式
(2)
所示，式
(2)
中，瞬时热解挥发率
α
＝
(M0‑
M)/(M0‑
M
∞
)
×
100
％，其中，
M0，
M
和
M
∞
分别为有机粉尘的初始质量，瞬时剩余质量和热解完成后剩余质量，单位为
g
；慢速热解阶段中
g(
α
)
＝
‑
ln(1
‑
α
)
，快速热解阶段中
g(
α
)
＝
(1
‑
α
)
‑1‑1；对式
(2)
两端取对数，可得式
(3)
，式
(3)
中，假设
E/RT>>1
，则
(1
‑
2RT/E)≈1
，
ln(AR/
β
E)
为定值，因此
ln[g(
α
)/T2]
与
1/T
近似满足式
(4)
所示的一次函数，线性拟合即可得到一次函数的斜率
‑
E/R
和截距
ln(AR/
β
E)
的最优解，进而分别获得慢速热解阶段和快速热解阶段的
E
和
A
值；
3.
根据权利要求2所述的高挥发性有机粉尘燃烧反应简化模型的构建方法，其特征在
于，
S6
中，使用
Chemkin
‑
Pro
软件的零维定容爆炸模型和一维定压燃烧器模型，对有机粉尘气相挥发分的燃烧反应进行简化，其中气相单分子
/
复合衰减反应的反应速率常数
k
g
如公式
(5)
所示，式
(5)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆琦，李云涛，张来斌，王丹，宋兴旺，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：