为了描述生物质发电系统的数学操作的整体用于火花点火内燃机的模型而基于fueleair热力循环.doc

为了整体的描述生物质发电系统中数学操作关系,可以使用基于汽油混合气的火花点火内燃机而进行的热力循环作为模型，这样的热循环周期需要考虑到不同比例的混合气作为燃料时的情况，而且热损失周期也需考虑，这是由于热量传递到发动机气缸的壁发生泄漏。这在燃料的燃烧过程和燃料分解过程均有发生，燃烧气体通过活塞密封环之间的缝隙泄漏。压缩行程结束时汽缸内的残余气体占汽缸内吸气行程结束时的很少一部分。2. 实验装置图一图. 1为Itajuba联邦大学提出的一种30到50 kWh固定床的外观，通过它可以专门测试吸式气化。气化器是用于生产木块合成气而后被耦合到内燃发动机上的一种装置。内燃机气体（进一步称为发生炉煤气或合成气）应满足关于焦油发动机制造商的燃油质量要求和颗粒物的浓度应小于35 mg/Nm3at气化器的出口要求及小于10 mg/Nm3at的织物过滤器出口要求。该气化炉的设计规范列于表1中。气化器是由碳钢制成，具有内部耐火层。其总高度考虑生物质喂料斗和排灰系统即为2.2米。该所述壳体的内部和外部直径分别为300和500毫米。K型热电偶的安装应以沿气化炉的高度来测量温度水平反应器其不同的部分来作为根据。同时在里面的热状态信息电抗器是必需的，以保持最佳的操作条件有效地进行生物质转化的热化学工艺，通过控制和调节供给空气流。该反应器在一般情况下是垂直安放的，并且可以作为单链或双链空气供给反应器与独立的空气进气口来使用。表1气化器的设计规范火电 高达50千瓦预计发动机电功率 高达10千瓦特定的火电 1200 500 kW/m2生物质大量消耗率 12 kg/h（15水分湿基）生物质颗粒大小 26 cm空气系数 0.35为了避免窜和生物质的体积内桥在反应器内，一个由电动驱动电机驱动的被特别安装的定时振动机构装置可避免此事发生。该机制在固定的时间内产生内生的振动运动，这种振动可保持持续向下运动生物质在反应器中。另一个类似的振动机理安装在气化器的下部以提供篦晃动这可以排灰。图.2给出了系统的示意图，包括一个辅助设备。 如果气化器的工作原理与上述空气供给的单级气化器的中间部分相同。那么在第一阶段空气供给到反应器中时提供了一个热释放保持干燥和热解阶段的生物质部分燃烧的条件，该干燥部位位于气化器的顶部部分，其中生物质中的轻化合物的蒸馏过程发生的地方也在此部位。在热解区，其位于干燥区的正下方时，生物质的有机化合物的挥发，就会产生焦炭。这个过程会在后续过程气化。这是用于使用空气供给到反应器的第二阶段的主要目标 氧化区可有效转化焦油为合成气以这样的一个电平满足内燃机的应用要求。另外，第二级空气供给也有助于发生在反应器中的氧化和还原过程。 合成气通过在其下部的出口离开反应器穿过一层发光的栅和木炭，这提供一个附加的清洗效果。如上面所提到的，该格栅线上，床上移植振动以一定的时间间隔用于排出灰烬。合成气中的颗粒物分两个阶段被删除：第一合成气流动通过一个旋风分离器，它有一个内部绝缘层以保持高温合成气所必需的催化的高效运行，其改革者为Reactor E CRR 。在此反应器中的焦油，其热裂解在气化器中，被催化转化成氢和甲烷。 CCR是由放置在热敏镍丝线圈马利绝缘圆筒形钢制外壳组成和其工作在800900 温度范围内。通过CCR后，合成气冷却下来，然后被引导到织物过滤器，其中进一步的颗粒物净化过程发生。最后，该清洗和冷却的合成气被积累在特殊储，可以稳定其流量给发动机。热合成气的冷却过程中释放的热量用于送达到一个特制的空气预热器以供应到气化器中。气化器联接到修改的两汽缸。这示于图柴油机。发动机改装包括安装火花塞在气缸头（每一气缸）和应用程序的一组中的双重调节阀的发动机的合成气和空气进气系统。双阀系统提供更精细的调整合成气和空气的质量流量速率。该发动机具有气缸孔和活塞行程等于90 mm，其压缩比为12。同时在气缸内的点火正时可以调节。在实验研究反应器中弥漫着桉木块和在单级操作的气化器供气体系。空气被提供到的氧化区气化炉。火花点火发动机燃料所产生的合成气在气化器和下变loadeconstant速度条件下进行测试。在试验中的合成气和空气的质量流率逐渐增加，通过增加发动机的负荷同时发动机的速度保持在1800转。发动机的发电机产生电功率变化范围从1.45到大约5千瓦之间。专门的石油气可使原来的发动机产生高达10 kW，因此发动机的功率降额时以合成气为50左右。3. 气化炉的计算方案图4示出的下吸式气化器的计算方案在数学建模过程中使用了三个不同的区域过程。下吸式气化器是固定床反应器，在其中生物质是从顶部进料，而空气供给反应器在其中间部分，而合成气散发出来的出口处为电抗器底部位置。干燥和热解过程发生在顶部部分。增加的生物量温度的水分的被释放和生物质的热分解的发生导致产生焦炭，水蒸汽和一些挥发性物质的如CO，CO 2，H2，CH4和C2H2。子模型的这些描述方法描述的是气化器的顶部部分，该模型的提出是基于Ratnadhariya和dryingepyrolysis的建议-瓦拉5。该产品让干燥和热解进入第二部分，即氧化区。一个准确控制空气的量连续地供给到反应器中，即本节中的气化炉。在此区域中的可燃气体和固体与氧气发生反应产生的气体混合，产生炭，焦油和CO，CO2，H2，CH4，N2和水蒸汽的混合物。供给的空气中的氮气成分被认为是惰性建模过程的必需物质。子模型的化学过程在氧化区的描述方法的提出是基于Ratnadhariya和Channiwala的模型。5和Baxter6。在反应器的第三（底部）部分是降低区也被称为气化区。本节中的气化器即上述氧化区的产品的相互反应根据以下四个同时反应：在合成气，水煤气（主）中，甲烷化和蒸汽。在还原区的氮和焦油都被认为是惰性的。形成在该区域中的最终产品是CO，CO2，H2，CH4，N2和水蒸汽，其是具有相对高浓度的可燃气体。子模型的过程的说明在生物质气化器的还原区是基于GILTRAP等研究建议提出的。 1，巴克斯特6; GILTRAP7和巴布和谢斯8。4. 气化炉的数学模型如上所述，气化器的数学模型由三个独立的子模型组成，对应每一个区域的气化炉。根据化学分析的湿生物质，其可呈现为挥发性和非总和挥发成分和水：数学模型的主要假设如下： 氮，硫和氯的生物质材料被气化的量可以忽略不计; 在气化器工作在大气压力条件下; 在气化器中的所有气体可以被视为理想气体。4.1.干燥热解区的子模型 过程发生在干燥热解区，可以用符号表示为：（公式） 子模型的主要假设如下： （1）焦炭是按照里德建模为碳石墨（非挥发性碳）9和Channiwala10; （2）生物质只有挥发部分热解过程。非易失性碳和生物量的水分推进到氧化区，看到巴克斯特6; （3）五分之四供给氧的反应中包含的氢生物质以形成水（H2O），见莫特和勺11和Channiwala和帕瑞克12; （4）1/5供给的氧气的反应中包含的碳生物质以产生一氧化碳和二氧化碳，参见莫特和勺11和Channiwala和帕瑞克12; （5）CO和形成在该区域的二氧化碳的摩尔数之比等于其分子质量比，即NPCO= nPCO244=28，见Storm等。 13; BERENDS和BREM14; Mastral等。 15;瑞克等。 16范得Steene等。 17; （6）氢燃料可用的剩余50被释放CH4和 C2H2的形式，看到Storm等。13和瑞克等。 16; （7）CH4和 C2H2的摩尔比，形成在上述气化炉中，是其分子质量比倒数，在CH4= nPC2H226=16，见Storm等。 13; BERENDS和BREM14; Mastral等。 15;瑞克等。 16范得Steene等 17。在干燥区的热损失Q是计算得到的，使用对温度水平和墙壁的热物理性能及信息在较长的相应区域的绝缘。在热解过程Acetyleneformed被fullyoxidized氧化;如果提供足够的氧气量则h在热解过程ydrogenformed被完全氧化并转化成水，这是由于它的高燃烧率，见Channiwala10;思林18;阿蒙德森和阿莱19; SRINIVAS和阿蒙德森20; Cho和约瑟夫21和刘易斯和冯易北河22剩余的氧气被消耗在减少炭的过程中，见Channiwala10;思林18;刘易斯和冯易北河22; GUMZ23;埃文斯和埃蒙斯24和巴格特25。CO和CO2被认为是相应的反应的放热性的比率的倒数，即少是反应更大的放热将速率产物的形成，见Channiwala10;思林18;刘易斯和冯易北河22和GUMZ23。这表现在区域中的以下两个主要焦炭氧化反应：据推测，CO，H2O和CO2氧化过程中产生被添加到热解过程中产生的相同物质的相应值;假定N2在氧化区是惰性气体，不参与化学反应;在氧化区反应的产物是焦炭，CO，CO2，CH4，H2，H2O。，见GILTRAP7和GILTRAP等。 1。 焦炭反应性的因素CRF是由巴布和谢斯介绍8的模型GILTRAP7和GILTRAP等。 1。子模型的还原区呈还原区的圆筒形具有均匀的横截面，而忽略了在径向方向上气体性质的变化。大众（六气体种类）和能量平衡方程，理想气体定律和额尔古纳26，它考虑到了通过床层颗粒的流动压降方程，形成以下一整套具有未知参数的相应数字9微分方程：（公式） 表2： 频率因子和活化能反应 Ai(1/s) EI（千焦/摩尔） 1 3.616 10 77.39 2 1.517 10 121.623 4.189 10 19.214 7.30110 36.15 龙格 - 库塔方法适用于在Matlab软件来解决上述微分方程。获取信息为6种气体的浓度，分布的温度，速度和沿高度的压力还原带。5. 发动机的数学模型 燃料空气热力学模型被用来描述合成气在火花点火发动机上运行模式。这种模式的详细描述可以在教科书弗格森27中找到，下面的是这个模型的主要方程的计算程序。火花点火式发动机的运转燃料（合成气）的混合物，而空气通过入口阀引导到它的汽缸。为一个控制量，它表示其内容的气缸中，能量平衡方程可以写为其中m和u是质量与混合物的内能。分别在所述发动机的汽缸，q是发动机的曲柄角，Q，P，V是热传递到系统中的热量，压力和体积。在汽缸内的压力，分别的质量流率和吹塑的焓由气体表示; u是轴的角速度。气缸容积的变化被定义为其中V0is气缸容积的实例，当活塞处于其上死点（TDC）位置; Re是压缩比，XS/2l与S和L是活塞行程和连杆的长度。据推测，该系统的内能由相应的燃烧，未燃烧的混合物的内部能量如下：其中，C是被烧掉的温度，Tb是气缸内的质量分数; 合成气燃烧后气体的能量分别在相应的温度Tband下测量。在内燃机中失去的作为气缸壁和密封环之间的泄漏而产生的气体的量是相当大的，并考虑到气体混合物的质量的变化率可以作为其中C0is的来表达气缸密封环的程度。这其中的气体，表达的是考虑到未燃烧气体的比重较渗出时焓密封环比未燃烧气体的质量分数。引入到系统中的热量的大小将表达其热损失方面：这里h为平均传热系数;t是热转表面和沃利斯气缸壁温度。在计算中假定燃烧，未燃烧气体的压力是相等的。所用的模型也允许确定废气在发动机的组合物和在压缩冲程开始时残留在气缸中的残余气体的馏分的发动机性能的影响可不予考虑。易燃和不可燃气体的混合物的合成了反映在燃料具有的化学组成，其中系数a，b，g为描述所使用的合成气的化学成分的信息定义。一般燃烧方程可以再写成其中fF / F是燃料空气当量比与F和Fsbeing实际的和化学计量的燃料空气比。在计算过程中的气体（V，H，CP）的热性质，参与工作的过程中，随着温度变化而变化被考虑在内。6. 气化炉及发动机型号的确认 6.1 气化炉模型的校准 气体浓度在从气化器的干燥基础上，出口的预测是利用所提出的模型产生的，然后将这些理论结果进行了比较，通过Jayah等人进行的实验的测量结果。表3给出的近端和最终的分析结果，分别通过Jayah等人通过实验获得的生物量。在信息表3被用作在计算中使用该模型的输入数据。 表 3工业分析 80.1挥发性物质 19.2固定碳 0.7灰分含量元素分析（干基计）C 50.6H 6.5N 0灰分（A） 0.7 表4显示浓度由预测的比较对所测浓度所提出的模型实验通过Jayah等。 2中的水分不同的值内容和空气或汽油。对于所有测试的标准偏差计算为SD 代表各5种考虑（一氧化碳，二氧化碳气体，CH4 ，H2和N2）和实验和理论浓度。可以观察到，对于9次试验的平均标准偏差为1.12 ，这表明其是高精度的模型。作为一个例子，图5和6的实验和理论数据比较的结果组合物和合成气，温度分别沿在还原区中的测试数7的高度。它可以是见于图5是合成气的理论组成是非常接近实验1 。沿线的温度变化还原区的高度计算为50到150 K表准确度，见图 6 在这项工作中提出的模型的进一步校准是进行使用是由志28得到的实验数据和Senelwa 29和GILTRAP 7和夏尔马的理论模拟结果 4 。表5列出了一些在使用的参数实验和气化的理论模型过程和表6给出了接近的结果，并最后分析了作为生物质的道格拉斯冷杉树的树皮上述调查。得到的数值结果比较利用该模型由描述的理论成果GILTRAP 7和夏尔马4 ，并与实验结果由志28和Senelwa描述29示于图7 。它可以在该图中可以看出，结果在平均偏差建议模式从组成实验数据合成气是3.2 。该模型提供了更准确的CO和H2中合成气的预测相比的另外两个理论模型。总体而言，所提出的结果暗示该模型能够预测的组成合成气具有可接受的精确度。 表4 实验（Jayah等人，2003）和数值（NEST模型）数据在发生炉煤气的组成。试水 空气/燃料 N2 二氧化碳 CO CH4 H2 标准内容 比 （） （） （） （） （） 偏差瓦特湾1 18.5 2.03 51.9 9.9 19.6 1.4 17.2 1.280 53.9 11.1 18.9 1.0 15.12 16 2.2 50.7 9.7 20.2 1.1 18.3 1.972 54.5 10.8 19.2 0