通过木材热解实现生物质的热化学转化

通过木材热解实现生物质的热化学转化

热解技术是生物质能利用的重要途径之一，通过在惰性气氛中高温分解材料，可以将生物质转化为固体木炭等产物，进而提炼出氢气等能源物质。本文将探讨木材热解的热化学过程及其在生物质转化中的应用，并介绍如何使用COMSOL Multiphysics软件进行热解过程的模拟和优化。

热解的历史和使用

热解技术的历史可以追溯到古代，当时人们将木材放在坑中，用泥土覆盖以隔绝空气，使木材在缺氧条件下缓慢分解。这种方法可以产生焦油和木炭，其中焦油用于浸渍船用木材，而木炭则用于冶铁工艺。

使用坑式热解法生产木炭。图片通过Wikimedia Commons共享，获CC BY-SA 4.0。

在现代工业中，热解技术已经发展成为一种重要的生物质转化方法。通过在钢制反应器中制造惰性气氛，可以将生物质转化为各种形式的碳和其他化学品。此外，热解还是生物质气化的预处理步骤，可以将生物质转化为高能量密度的焦炭，从而减少气化过程中焦油的产生。

模拟热解

为了优化热解工艺，化学工程师可以使用仿真软件根据热解工艺条件预测产品产率。COMSOL Multiphysics软件的化学反应工程模块提供了构建热解模型所需的功能，包括参数估计、多目标函数定义以及一系列求解器。

模拟的生物质是一个球形的厘米大小的木材颗粒，具有各向异性的传热和传质特性。

建立多物理场模型

该模型分为两部分：第一部分描述了各向异性木球颗粒中的热解过程、动量传递和传热；第二部分展示了如何利用参数估计来优化模型。模型中需要估计的参数包括1个阿累尼乌斯常数、2个反应热和1个外部传热系数。

模型中使用的反应方案。

利用参数估计优化模型

参数估计问题由三部分组成：实验数据、模拟实验物理场的正演模型，以及优化算法。实验装置包括一个通过氮气流过炉腔实现惰性气氛的熔炉，炉温保持恒定。将木材样品放入高温炉中，在热解过程中记录样品的温度和质量。

实验系统，包括等温炉内的木材样品。

优化模型

在未进行优化的情况下，正演模型可以很好地描述温度的变化趋势，但完全无法捕获到实验中的最终质量。经过参数估计后，优化模型能够更准确地预测粒子中心温度峰值的时间和最终质量。

左图：模型对表面温度和中间温度的预测，将正演模型（用估计参数的初始值求解）和优化模型的结果与实验数据进行比较。右图：中心温度和归一化固体质量的模型预测，将正演模型和优化模型的结果与实验数据进行比较。

结果评估

从上图中可以看到木材颗粒的总固体质量与时间的函数关系。在反应过程的早期，主要是木材的变化。这些木材通过一级热解反应转化为气体和固体中间产物。在整个过程的后期，二次热解反应将这些物质进一步转化，其中大部分颗粒由木炭组成。

三个不同时刻的木材、中间体和木炭的归一化密度。

在一次热解过程的早期，木材会转化为中间体、气体和焦油。由于一次热解反应是吸热反应，因此会产生正质量源（形成气体）和负热源。在 270 s 左右的过程中期，形成焦炭的过程已经开始，气体产生较少，热源较高。最后，在整个过程的后期，只有二次热解反应发生，由于热量的蒸发，木材颗粒中心出现温度峰值。

150 s 时的热源、质量源和温度。

270 s 时的热源、质量源和温度。

433 s 时的热源、质量源和温度。

两种放热炭化反应使热源锋面向粒子中心移动。箭头表示总质量通量，沿纤维方向最大。

扩展阅读

• 阅读以下资源，了解有关热解及其应用的更多信息：
• 在 COMSOL 博客上阅读有关生物质仿真的更多信息：
• NREL 通过模拟改进生物燃料转化过程
• 研究生物反应器垃圾填埋场，解决日益严重的垃圾问题

本文介绍了木材热解的热化学过程及其在生物质转化中的应用，并详细描述了如何使用COMSOL Multiphysics软件进行热解过程的模拟和优化。这对于可再生能源和化学工程领域的研究者和工程师具有重要的参考价值。