基于短圆柱外传热传质新关联式与适宜CO/CO2比的生物质焦颗粒氧化精确建模

《Combustion and Flame》：Accurate modelling of biomass char particle oxidation with a novel external heat and mass transfer correlation and an appropriate CO/CO 2 ratio

　　

本工作通过改进有限圆柱颗粒周围外部传热传质（external heat and mass transfer）与CO/CO₂产物比（CO/CO₂ product ratio）的联合描述，解决生物质焦氧化模型中的一个关键不确定性问题。当前方法通常依赖针对球体或无限圆柱建立的关联式（correlation），并结合由其他碳质材料得到的CO/CO₂比。此类组合虽可重现失重曲线（mass-loss curves），却可能产生非物理的（non-physical）颗粒温度和气体产物分布（gas product distribution）。本研究推导的新传热传质关联式展示了其适用于短圆柱（short cylinders），也可能用于其他颗粒尺度反应系统（particle scale reacting systems）。总体而言，本工作为焦转化建模（char conversion modelling）提供了更具物理一致性的框架。

研究背景方面，生物质作为可再生原料用于热、电、燃料和化学品生产受到关注，而生物质气化与燃烧的高效运行需要理解跨尺度物理化学现象。颗粒尺度上，焦（char）转化尤其重要，因为非均相反应强烈影响总体转化时间；热厚和化学厚颗粒内部梯度会影响失重、温度演化与焦形成，焦尺寸、形貌和孔隙率演化也影响非均相反应描述。控制焦氧化的参数中，CO/CO₂比尤为关键，它影响产物分布、氧消耗和颗粒温度；该比值依赖温度、氧可用性和焦来源，采用煤焦等其他碳质材料的关联式可能对生物质焦产生不准确预测。已有研究表明煤焦关联式会高估CO/CO₂比，因此需要来自生物质焦的比值。焦组成也是关键建模输入，但模型预测还取决于反应颗粒与周围气体之间的传热传质及多孔固体内部传递。现有外部传热传质关联式多针对球或无限圆柱，短圆柱专用关联式有限，且经典关联式可能使短圆柱努塞尔数（Nusselt number, Nu）被低估或高估。因此，研究人员开展本研究的目的是评估CO/CO₂比和颗粒外部传热传质描述如何影响焦氧化模型预测，并建立更物理一致的建模框架。研究采用计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟空气绕流加热短圆柱，推导Nu与舍伍德数（Sherwood number, Sh）新关联式，再将其用于体积单颗粒模型（volumetric single particle model）分析焦转化，并与文献实验比较。结论表明，外部传热传质关联式和CO/CO₂比是主导建模参数；短圆柱新关联式改善转化和温度结果；相似转化曲线可能由非物理参数补偿产生。其意义在于为生物质焦转化提供更一致的颗粒尺度建模方法，并可用于其他颗粒尺度反应系统。

关键技术方法方面，研究人员序贯应用两个数值模型：先用ANSYS Fluent对空气绕流加热短圆柱进行三维稳态层流CFD模拟，圆柱直径5.5 mm、长径比（aspect ratio, L/D）1–10、雷诺数（Reynolds number, Re）至约50，并考察流动角0–90°，由表面平均热流求Nu并拟合新关联式；再按热质类比得到Sh关联式。体积单颗粒模型基于Anca-Couce等模型，求解一维质量、能量和动量守恒，采用Darcy定律、Fick定律、Chapman–Enskog扩散系数、局部收缩和20个控制体，仅考虑焦氧化。实验验证数据来源于Van de steene et al.和Steiner et al.的焦氧化实验；前者为1173 K、0.14 m/s、O₂分压0.03–0.12 atm，后者为973–1273 K、0.416–0.544 m/s、O₂分压0.13和0.21 atm。

研究结果如下。3.1.1 数值模型验证（Numerical model validation）：通过CFD计算球与无限圆柱Nu并与经典关联式比较，无限圆柱结果与Churchill–Bernstein吻合、Hilpert略高，球结果位于Whitaker与Ranz–Marshall之间；短圆柱Nu介于球与无限圆柱之间，L/D=1靠近球、L/D=3趋近无限圆柱，从而确认数值方法可靠。3.1.2 新关联式推导（Derivation of new correlation）：对L/D=1–10及Re 0–50共14个Re进行CFD，分析Re=0时Nu₀随L/D的幂律，拟合得到Nu₀≈1/17(L/D)^?1/3，R²=0.9966；结合Hilpert的Re依赖和Churchill–Usagi的Pr插值，得到含Re^7/12与Pr项的短圆柱Nu关联式，R²=0.9977。3.1.3 所提短圆柱传热关联式的有效性（Validity of the proposed heat transfer correlation for short cylinders）：通过L/D=3、Pr=0.1–5及流动角0–90°的补充CFD评估，预测与CFD偏差在±10%内；低Re时角度影响小，高Re时流动与圆柱轴对齐使Nu下降；有效域为1≤L/D≤10、0.1≤Pr≤5、Re≤50且Re·(θ?40)≤50，θ≤40°时全Re有效，θ>40°时允许Re随角度降低，固定床条件仍需进一步修正。3.1.4 短圆柱传质关联式（Mass transfer correlation for short cylinders）：依据层流热质类比，将Nu=f(Re,Pr)直接转换为Sh=f(Re,Sc)，得到短圆柱Sh关联式，用于计算外部传质系数。3.2.1 焦转化分析（Analysis of char conversion）：以Van de steene et al.的1173 K、3% O₂参考条件比较关联式、CO/CO₂比、扩散因子（diffusion factor, DF）和焦组成；新短圆柱关联式与实验吻合，Whitaker关联式使转化偏快，Churchill–Bernstein关联式使转化偏慢；Pedersen关联式给出合理CO/CO₂比，Arthur关联式因高CO使转化偏快，Evans and Emmons关联式稍慢；DF由1增至3使转化略慢但影响小；纯碳假设相较CH_αO_β典型组成略加速但差异小；参考组合为新短圆柱关联式、Pedersen关联式、DF=2和CH_αO_β组成。3.2.2 所提建模方法在不同实验装置中的有效性（Validity of the proposed modeling methodology for different experimental facilities）：通过Van de steene et al.的3%、6%、12% O₂和Steiner et al.的973–1273 K、13%与21% O₂数据验证，新模型能描述氧浓度升高加速转化，慢转化条件下与实验重合，无限圆柱关联式低估转化；中心温度预测与新模型吻合，转化末端偏差归因于颗粒收缩或破碎导致热电偶位移或失接触，无限圆柱关联式低估中心温度。3.2.3 所提模型与既有方法比较（Comparison of the proposed model with previous approaches）：通过比较“proposed model”（短圆柱关联式、Pedersen关联式、DF=2、CH_αO_β）与“adapted model”（Churchill–Bernstein无限圆柱关联式联合Arthur煤焦关联式），二者均可描述转化曲线，但adapted model在Van de steene et al.条件预测CO约高2倍、CO₂约低7倍，在Steiner et al.条件CO约高2.2倍、CO₂约低4.6倍，并低估中心温度；说明相似转化曲线可由相反偏差的非物理参数补偿产生，虽可拟合转化但气体组成和温度不合理，新模型更可靠。

讨论部分总结：外部传热传质和CO/CO₂比是焦氧化预测的主导因素，DF和焦元素组成影响较小；采用短圆柱专用关联式和适合生物质焦的CO/CO₂比可更可靠预测转化、颗粒温度和气体产物分布。Stefan流未修正，因为最受限条件下颗粒表面最大气体速度约0.008 m/s，远小于外部气速0.14 m/s，且焦氧化净气体摩尔变化有限；对气化等净摩尔变化更大的反应，Stefan流可能更相关。研究结论翻译：本工作结果证实，生物质焦氧化单颗粒模型的预测能力强烈取决于外部传热传质和氧化反应中CO/CO₂比的表述方式。基于加热短圆柱绕流数值模拟，研究人员专门针对横流短圆柱建立了Nu和Sh新关联式，相比常规使用球或无限圆柱关联式，能更适当地描述外部传热传质。将这些关联式用于体积单颗粒模型，可在较宽氧化条件下满意重现焦转化和颗粒内部温度实验趋势。分析表明，准确预测转化的最关键因素一方面是用专门为短圆柱开发的关联式得到的传热传质系数，另一方面是采用适合生物质焦的CO/CO₂比，如Pedersen关联式，而非煤焦关联式。相比之下，扩散因子和焦元素组成对转化预测影响较小。总体而言，本工作证明，外部传递的物理一致描述以及对所考虑焦采用适宜CO/CO₂比，是可靠预测生物质焦氧化过程中转化、颗粒温度和气体产物分布的必要条件。