利用单颗粒反应器、X射线计算机断层扫描和计算建模来量化生物质颗粒化对快速热解过程的影响

《Energy & Fuels》：Quantifying Impacts of Biomass Pelletization on Fast Pyrolysis Using a Single-Particle Reactor, X-ray Computed Tomography, and Computational Modeling

生物质热解过程中，松木切割与压片预处理显著影响孔隙结构、密度及热解动力学。通过单粒子反应器实验、XCT成像和三维建模，发现压片松因高密度和低渗透性导致更慢的质量损失和更高残炭率。模型验证表明，考虑各向异性热与质量传输的粒子尺度模型能有效预测实验结果，而忽略微观结构特性会导致显著偏差。研究结果为生物质预处理优化和热解过程设计提供了理论依据。

　　在生物质转化领域，研究者们持续关注如何优化工艺以提高生物燃料和化学品的生产效率。其中，快速热解技术因其高效能和对环境的友好性，成为一种重要的方法。本研究通过一系列实验和建模分析，深入探讨了木材预处理技术对热解过程的影响，特别是通过比较原始木材与木屑材料的热解行为，揭示了材料微观结构在热解过程中的关键作用。

快速热解过程中的物质传输现象，如热量和质量的传递，直接受到生物质微观结构的影响。这种结构的差异来源于不同种类的生物质以及预处理方法，如切割和压缩成型。在热解过程中，材料的形态变化进一步导致了不同的孔隙结构和行为，这直接影响了热解所需的时间和产物分布。为了深入理解这些变化，本研究结合了单粒子实验、建模以及X射线计算机断层扫描（XCT）等高精度成像技术，从而能够全面分析材料在热解前后的结构变化。

在建模方面，本研究采用了基于CRECK机制的热解反应模型，并考虑了颗粒在热解过程中的各向异性热和质量传输特性。该模型的边界条件来源于单粒子反应器的模拟结果，以确保模型能够准确反映实际反应环境。通过将XCT图像数据输入到Mesoflow这样的开源流体动力学求解器中，研究者们计算了不同方向上的渗透率，这些数据被用来构建详细的颗粒模型，从而能够模拟热解过程中的复杂传输行为。模型的预测结果与实验数据进行了比较，验证了其准确性。

研究还发现，经过压缩成型的木材比原始木材更密集、渗透性更低。这导致其在热解过程中转化速度更慢，残留的炭化产物更多。这一结果表明，预处理技术对热解过程的影响是显著的，而这些影响又与材料的微观结构密切相关。因此，准确捕捉这些微观结构特征对于开发可靠的计算模型至关重要，这有助于指导特定生物质原料的热解工艺设计和优化。

为了确保模型的有效性，研究者们还进行了详细的参数敏感性分析。这种分析帮助他们评估了质量传输和热传导特性对单个颗粒热解行为的影响。通过比较不同场景下的模型预测结果，他们发现各向异性传输特性在热解过程中起到了关键作用。例如，在考虑径向质量传输的情况下，模型能够更准确地预测热解后的残留质量，而在忽略径向传输的情况下，模型则倾向于低估热解效率，从而导致较高的残留炭产量。这表明，热传导和质量传输的各向异性在热解过程中具有重要的影响。

此外，研究还展示了不同方向上的渗透率和各向异性如何影响热解过程。在热解过程中，材料的孔隙结构和各向异性特征会随着反应的进行发生变化，从而影响热和质量的传输。例如，原始木材在热解后表现出较高的孔隙率和渗透性，而压缩成型的木材则由于其高密度和低渗透性，在热解过程中形成了更多的残留炭。这些发现不仅揭示了材料微观结构在热解过程中的重要性，还强调了在模型中考虑这些特性对于预测热解行为的重要性。

通过结合实验和建模，研究者们还观察到热解温度对转化率和产物分布的影响。较高的热解温度能够加快转化过程，减少残留炭，但同时也可能促进气体裂解反应，从而降低生物油的产量。这一现象在工业应用中具有重要意义，因为生物油通常是快速热解的主要产物之一。因此，选择合适的热解温度对于优化产物分布至关重要。

综上所述，本研究不仅揭示了木材预处理对热解行为的显著影响，还强调了在模型中准确表示各向异性传输特性的重要性。这些发现为快速热解工艺的设计和优化提供了重要的理论依据，有助于提升生物燃料和化学品的生产效率。同时，本研究还展示了如何通过实验和计算模型的结合，深入理解生物质转化过程中的复杂现象，为未来的相关研究和应用奠定了基础。