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生物质热解的物理化学模型与分析方法研究

2020-11-22阅读(827)

生物质热解的物理化学模型与分析方法研究

论文摘要

生物质燃烧是火灾安全科学领域的重要研究课题。热解是生物质着火、燃烧和火蔓延过程的基本先导过程，它在很大程度上决定了从生物质材料中可获得的用于支持燃烧过程的燃料的量，并在某种程度上也决定了热量，因为生物质燃烧中的热量释放速率可以由热解产生燃料的速率与燃料的燃烧热的乘积来模拟。因此，从物理和化学作用机制方面认识生物质热解过程的行为与规律并对其进行模拟，将有助于深刻认识生物质燃烧引发火灾过程的动力学机制，并为生物质燃烧和火蔓延的模化提供合理的燃烧动力学描述。 生物质热解过程不仅包含复杂的化学动力学过程，而且包含复杂的物理输运过程，如传导、对流等传热过程，及传质过程，以及这些过程的相互作用等。迄今描述生物质热解的传热传质等物理过程的模型已经有较大发展，但其中对化学动力学过程的描述则相对简化。因此，构建体现物理过程与化学动力学过程及其相互耦合作用的综合性物理化学模型，是生物质热解模型研究的发展方向。 本文的研究目标是，以森林可燃物为研究对象，面向小尺寸热解动力学发展热解数据预处理方法和热解动力学分析方法；在此基础上研究生物质材料的热解化学反应过程，建立具有一定普遍性和精确性的生物质材料全局表观热解动力学模型，为生物质着火与燃烧模拟提供可靠的热解化学动力学描述；进而研究物理传热传质过程和化学动力学过程的相互耦合作用规律，建立耦合型生物质热解模型，为生物质的着火与燃烧模拟提供科学合理的热解子模型。 本文首先对热分析动力学方法和热分析数据预处理方法进行了比较系统的研究，为分析生物质材料的热解动力学行为提供方法学指导。其次，对空气气氛下小样品生物质材料试样的热解动力学行为进行了实验研究，发现在空气气氛下生物质材料呈现的两步主要失重过程分别是生物质组分的热裂解和生成炭的氧化反应所致。基于此热解反应机理，本文构建了空气气氛下生物质热解的“两阶段连续反应模型”，并证明了几种动力学模型的一致性。本文还发现了动力学参数对机理函数的依赖关系，并研究了动力学参数的补偿效应，给出了理论解释。最后，依据“两阶段连续反应模型”，建立了物理过程与化学动力学过程相互耦合的生物质热解模型，分析了各个过程的重要程度。基于时间尺度分析，认为可以

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章:绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 生物质燃烧过程分析
  • §1.3 本文研究目标
  • §1.4 本文研究内容
  • 参考文献
  • 第二章:热分析技术及基础理论
  • §2.1 热分析技术介绍
  • §2.2 热分析实验
  • §2.3 热分析基础理论
  • §2.4 小结
  • 参考文献
  • 第三章:生物质热解实验数据平滑方法研究
  • §3.1 热解实验数据平滑的重要性
  • §3.2 数据平滑化的定义[12]
  • §3.3 离散平滑方法
  • §3.3.1 移动平均方法
  • §3.3.2 高斯平均方法
  • §3.3.3 Vondrak方法
  • §3.3.4 频域分析
  • §3.4 生物质热解数据的移动平均和高斯平滑算法性能研究
  • §3.4.1 热解数据平滑质量的刻划
  • §3.4.2 实验数据
  • §3.4.3 移动平均平滑和Savitzky-Golay平滑
  • §3.4.4.数学意义上的最佳高斯平滑参数
  • §3.4.5 动力学意义上的最佳高斯平滑参数
  • §3.4.6.基于频谱分析的高斯平滑参数选取方法
  • §3.4.7.双阶段高斯平滑策略
  • §3.5 生物质热解数据的Vondrak平滑算法性能初步研究
  • §3.6 根据平滑定义判断平滑算法的优劣
  • §3.7 平滑算法有效性的直接证实
  • §3.8 小结
  • 参考文献:
  • 第四章:积分型热解动力学分析方法的分类与误差分析
  • §4.1 引言
  • §4.2 理论分析
  • §4.2.1 A型积分法
  • §4.2.2 B型积分法
  • §4.3 积分法的误差分析
  • §4.3.1 A型积分法的误差分析
  • §4.3.2 B型积分法的误差分析
  • §4.4 积分型等转化率方法的误差分析
  • §4.5 理论误差表达式的数值验证
  • §4.6 小结
  • 参考文献
  • 第五章:空气气氛下生物质热解失重模型
  • §5.1 引言
  • §5.2 氮气和空气气氛下生物质热解失重曲线的特征和比较
  • §5.3 空气气氛下生物质的热解行为
  • §5.3.1 生物质热解失重过程分析
  • §5.3.2 用Model-free方法证实生物质热解失重过程的两步反应模式
  • §5.4 两步连续反应模型
  • §5.4.1 模型的计算方法和结果
  • §5.4.2 模型及其动力学参数的比较与讨论
  • §5.4.3 两步连续反应模型对DSC曲线的解释
  • §5.5 两步连续反应模型与其他主要反应模型的区别以及联系
  • §5.5.1 并行反应模型
  • §5.5.2 分阶段反应模型
  • §5.6 小结
  • 参考文献
  • 第六章:活化能对反应机理函数的依赖关系与动力学补偿效应
  • §6.1 引言
  • §6.2 相关研究背景
  • §6.3 动态热分析曲线的顶点参数估算动力学参数的方法PPM
  • §6.4.活化能对反应机理函数的依赖关系
  • §6.4.1.级数反应机理函数Fn
  • §6.4.2.Avrami-Erofeev反应机理函数AE
  • §6.4.3.两类反应机理函数的相关性
  • §6.5.表观动力学补偿效应的解释
  • §6.6.小结
  • 参考文献
  • 第七章:生物质颗粒热解的物理化学耦合模型
  • §7.1 引言
  • §7.2 生物质颗粒受热降解过程分析
  • §7.3 生物质颗粒热解的基本方程
  • §7.3.1 气相微观方程
  • §7.3.2 固相微观方程
  • §7.3.3 微观和宏观尺度下的总方程组
  • §7.4 模型的简化分析和相关文献综述
  • §7.4.1 内部气体对流换热重要性的分析
  • §7.4.2 其他主要速率控制因素的分析
  • §7.4.3 相关文献综述
  • §7.5 小颗粒生物质热解模型的数值解
  • §7.5.1 离散化方程
  • §7.5.2 实验验证
  • §7.6 大颗粒生物质热解模型的解结构分析与数值解
  • §7.6.1 大颗粒生物质热解模型的解结构分析
  • §7.6.2 大颗粒生物质热解模型的数值解
  • §7.6.3 实验验证
  • §7.7 小结
  • 参考文献
  • 第八章:结论与展望
  • §8.1 全文总结
  • §8.2 主要创新点
  • §8.3 下一步工作展望
  • 发表的学术论文

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