考虑水分蒸发与气体压力的生物质颗粒二维热解模型构建与各向异性特性研究

本研究针对生物质热解过程中能量传递机制被简化的现状，开发了集成水分蒸发、气体压力计算和木材各向异性结构的二维瞬态热解模型。通过显式数值方法求解质量守恒方程（含Arrhenius反应速率）和能量平衡方程，揭示了纤维取向（纵向导热系数达径向2.5倍）和初始含水量（10%湿度使分解时间从110秒增至200秒）对热解动力学的关键影响，为生物质能源转化设备优化提供理论支撑。

　　

在追求碳中和的全球背景下，生物质能作为可再生资源备受关注。然而，木材热解这一关键转化过程仍存在诸多未解之谜——传统研究往往将复杂的能量传递简化为加热速率参数，忽视了热能在引发和调控热解反应中的核心作用。更棘手的是，木材天然的各向异性结构（anisotropy）导致其在不同方向上展现出截然不同的导热特性（纵向导热系数可达径向2.5倍），加之内部水分蒸发与热解气体压力的动态耦合，使得精确预测热解行为变得异常困难。这些认知空白严重制约着生物质能源转化设备的效率提升和产物调控。

针对这些挑战，研究人员在《Renewable Energy》发表的最新研究中，构建了一个突破性的二维瞬态热解模型。该模型首次实现了对单颗粒木材热解过程中多重物理场的耦合模拟：既包含标准形式的固体质量守恒方程（采用Arrhenius方程描述反应速率常数），又创新性地整合了水分质量平衡方程；能量平衡方程不仅考虑传导热传递，还引入释放气体的源项；更通过双导热系数设置精确刻画木材非均匀结构，并计算热解气体与蒸汽压力动态。关键技术包括显式数值方法降低计算负荷、双导热系数参数化各向异性结构、以及耦合求解质量-能量-压力方程组。

【温度与质量损失】
模拟结果显示温度梯度与分解进程显著受纤维取向影响。纵向排列样本因较高导热性呈现更快热传播，但蒸汽对流会延缓加热；而径向样本则表现出更均匀的分解前沿。10%含水量使总分解时间延长82%，证实水分蒸发消耗大量潜热。

【气体压力动态】
压力场模拟揭示两个峰值阶段：初期由水分蒸发形成蒸汽压力峰（约120-150秒），后期出现热解气体压力峰（170-190秒）。纵向样本因孔隙连通性更佳，压力释放速率较径向样本快23%。

【各向异性影响】
通过对比两种纤维取向样本，发现纵向导热加速中心区热解启动，但径向样本的分解完成时间差异不足5%，表明各向异性主要影响过程动力学而非最终转化率。X射线断层扫描数据验证了孔隙沿轴向优先扩展的模拟结果。

这项研究通过多物理场耦合建模，首次量化了木材各向异性对热解过程的双重影响：既通过导热差异改变热传播路径，又经由孔隙结构调控气体输运。模型预测的分解时间（干料110秒vs湿料200秒）与实验误差小于8%，为工业热解反应器设计提供了关键参数。特别值得注意的是，水分蒸发能耗的精确量化将帮助优化预处理干燥工艺，而压力场模拟则为防止颗粒爆裂的安全操作窗口设定提供依据。该模型的轻量化特性（显式算法）使其可扩展应用于包含数百万颗粒的系统级模拟，标志着生物质热解模拟从单颗粒研究迈向工业装置优化的关键一步。研究结果对开发生物质分级热解技术、提高生物油（bio-oil）和合成气（syngas）产率具有直接指导价值，也为后续研究木质素（lignin）与纤维素（cellulose）的定向转化奠定了方法学基础。