微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法

摘要

本发明提供一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，包括：1）分别获得生物质及与生物质相对应的生物炭的介电性质‑温度曲线侧写；2）获得生物质及生物炭混合样品在热解过程中的介电性质‑温度曲线侧写；3）建立微波热解系统几何模型；4）建立微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型；5）建立混合样品模型在热解过程中的热分布模型；6）对电磁场和电磁损耗模型及热分布模型进行网格划分，利用分布式算法得到微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布。本发明的模拟方法，方法简单，易于操作，能够高度模拟生物质和生物炭混合样品在微波辐射下温度的3D分布图。

说明书

技术领域

本发明属于微波热解技术领域，涉及一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法。

背景技术

微波加热属于内部加热方式，是一种能量转换的过程。该工艺要求物料中至少有一种组分能够和微波发生强耦合，即作为微波吸收体，以高效的吸收微波，将电磁能转换为热能。与传统加热方式相比，它能够实现快速加热和选择性加热。但是这因为这个特点，并且因为物料内部会散热受限和外部与周围物体温度差导致的热量损失，使得内部温度高于外部，出现温度梯度。物料内部最快可在几秒钟之内即达到所需温度。但是因为不同材料对微波的介电损耗和损耗正切都是不同的，如稻草热解产生的生物炭是良好的微波吸收剂，能够被选择性加热，且生物碳的表面在微波辐照下能够生成稳定的微波等离子体区域，形成局部热点；而纯生物质吸收、转化微波的能力很差。所以微波加热可以对混合样品达到选择性加热的效果，使得容器和加热物质内部出现较大的温差，继而出现飞温和局部热点现象。因此，利用模拟方法获取微波热解生物质的3D温度侧写对分析和调控微波热解生物质工艺至关重要。

Arshad Adam Salema等人利用COMSOL软件建立数学模型研究了空果壳压缩成型物料在微波加热过程的热分布，获得了纯果壳物料在微波辐射条件下的热分布和热点。朱华丞等人在研究微波干燥土豆的案例中，利用COMSOL建立模型模拟了土豆利用微波辐射脱水过程中的热分布。Hussain等人利用计算流体力学(ANSYSTM CFX 13.0)对微波热解棕榈壳空果串纤维(EFB)的温度分布进行了三维模拟研究的实验参数包括热源方向、N₂流量、微波能量密度等。Di>

目前微波辅助加热工艺的模拟方法多采用MATLAB、CST和COMSOL等软件，建立的模型主要有2D和3D，模拟的对象主要为木质纤维素类生物质和食品等单一的物料，没有混合料。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，用于解决现有技术中的只有针对单一物料模拟方法，而没有对 混合样品模拟方法的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤：

1)分别获得生物质及与所述生物质相对应的生物炭的介电性质-温度曲线侧写；

2)将所述生物质及所述生物炭混合得到混合样品，依据所述混合样品中所述生物质与所述生物炭的质量比、所述生物质的介电性质-温度曲线侧写及所述生物炭的介电性质-温度曲线侧写得到所述混合样品在热解过程中的介电性质-温度曲线侧写；

3)建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；

4)依据所述微波热解系统几何模型及所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写，建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型；

5)将所述电磁场和电磁损耗模型内的电磁能转化为热能，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型；

6)利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，利用分布式算法对所述电磁场和电磁损耗模型中的电磁场和电磁损耗及所述热分布模型中的热场进行运算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤1)中，分别获得生物质及与所述生物质相对应的生物炭的介电性质-温度曲线侧写包括以下步骤：

11)提供生物质，将所述生物质粉碎后干燥；

12)将干燥后的所述生物质置于N₂气氛中热解，利用Hewlett>

13)将所述生物炭置于N₂气氛中热解，利用Hewlett>

作为本发明的微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优选方案，所述步骤1)中，所述生物质包括稻草秸秆、碎木屑或褐煤；所述生物炭为稻草碳或活性碳。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，依据所述混合样品中所述生物质与所述生物炭的质量比、所述生物质的介电性质-温度曲线侧写及所述生物炭的介电性质-温度曲线侧写，使用LLLE公式计算获得所述 混合样品在热解过程中的介电性质-温度曲线侧写，所述LLLE公式为：

${ϵ}^{\frac{1}{3}}=\Sigma v_i{ϵ}_i^{\frac{1}{3}}$

其中，ε为混合样品的介电性质，包括介电常数、介电损耗因子；v_i为混合样品中生物质或生物炭的质量分数；ε_i为混合样品中生物质或生物炭的介电性质，包括介电常数、介电损耗因子。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤3)中，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的GEO模块按照1：1的比例建立所述微波热解系统的几何模型。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤4)中，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的RF模块根据Maxwell方程建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤5)中，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的传热模块将所述电磁场和电磁损耗模型内的电磁能转化为热能。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤5)中)，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型的过程中，考虑所述反应器模型及所述混合样品模型与外部环境的热交换。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤5)中，所述热解过程中，实时监控所述微波热解系统几何模型中所述反应器模型及所述混合样品模型的最高热解温度，当最高热解温度达到预定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至低功率档，当最高热解温度低于设定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至高功率档。

作为本发明微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的一种优化的方案，所述步骤6)中，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的频域稳态求解器得到所述电磁场和电磁损耗模型的电磁场和电磁损耗，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的瞬态求解器得到所述热分布模型中的热场；利用MUMPS算法分别对所述电磁场和电磁损耗及所述热场进行计算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布图。

如上所述，本发明的微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，具有以下 有益效果：

1)本发明的模拟方法能够快速获取混合样品热解过程中的三维温度分布；

2)本发明的模拟方法得能实时获取全域的最高热解温度，快速获得热点所在位置，并美观清晰的显示温度梯度；

3)本发明的模拟方法能够实现在升温至指定温度后，有效的进行微波功率剪切，以防止热点和飞温现象的出现。

4)本发明的模拟方法，方法简单，易于操作，能够高度模拟生物质和生物炭混合样品在微波辐射下温度的3D分布图。

附图说明

图1为本发明的微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，如图1所示，所述模拟方法至少包括以下步骤：

S1：分别获得生物质及与所述生物质相对应的生物炭的介电性质-温度曲线侧写；

S2：将所述生物质及所述生物炭混合得到混合样品，依据所述混合样品中所述生物质与所述生物炭的质量比、所述生物质的介电性质-温度曲线侧写及所述生物炭的介电性质-温度曲线侧写得到所述混合样品在热解过程中的介电性质-温度曲线侧写；

S3：建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；

S4：依据所述微波热解系统几何模型及所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写，建立所 述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型；

S5：将所述电磁场和电磁损耗模型内的电磁能转化为热能，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型；

S6：利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，利用分布式算法对所述电磁场和电磁损耗模型中的电磁场和电磁损耗及所述热分布模型中的热场进行运算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布。

下面通过具体实施例结合附图详细介绍本发明的微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法。

实施例一

稻草秸秆原料预先用粉碎机粉碎为80目的颗粒，再送至鼓风干燥机，在105℃条件下加热下干燥至水分质量含量为0.4％。对干燥后的稻草秸秆置于N₂气氛中热解，并利用HewlettPackard>2气氛中热解，并利用Hewlett>

利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的GEO模块按照1：1比例建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；所述微波发生装置模型为双溃口微波反应装置模型，所述反应器模型为球形石英反应瓶模型。并以该几何模型为框架，以所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写为依据，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的RF模块，依据Maxwell方程建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型。接着，利用COMSOLMultiphysics 5.0多物理场有限元软件中的传热模块根据Poynting定理定量描述电磁能转化为热能，利用能量守恒原理建立所述混合样品热解过程中的热分布模型，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型的过程中，考虑所述反应器模型及所述混合样品模型与外部环境的热交换；并且，所述热解过程中，实时监控所述微波热解系统几何模型中所述反应器模型及所述混合样品模型的最高热解温度，当最高热解温度达到预定温度时，将 所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至低功率档，当最高热解温度低于设定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至高功率档，譬如，预定温度为600℃，先使用500W的功率档进行加热，当最高热解温度达到600℃时，将功率档返回0W；当最高热解温度低于600℃时，再讲功率档调回500W，如此反复。在所有模型建立完成后，利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，再利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的频域稳态求解器得到所述电磁场和电磁损耗模型的电磁场和电磁损耗，利用COMSOLMultiphysics 5.0多物理场有限元软件中的瞬态求解器得到所述热分布模型中的热场；利用MUMPS算法分别对所述电磁场和电磁损耗及所述热场进行计算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布图。

实施例二

碎木屑原料预先用粉碎机粉碎为80目的颗粒，再送至鼓风干燥机，在105℃条件下加热下干燥至水分质量含量为0.3％。对干燥后的碎木屑置于N₂气氛中热解，并利用Hewlett>2气氛中热解，并利用Hewlett>

利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件的GEO模块按照1：1比例建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；所述微波发生装置模型为双溃口微波反应装置模型，所述反应器模型为球形石英反应瓶模型。并以该几何模型为框架，以所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写为依据，COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的RF模块，依据Maxwell方程建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型。接着，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的传热模块根据Poynting定理定量描述电磁能转化为热能，利用能量守恒原理建立所述混合样品热解过程中的热分布模型，依据所述热能建立所述混合样品模型 在热解过程中的热分布模型的过程中，考虑所述反应器模型及所述混合样品模型与外部环境的热交换；并且，所述热解过程中，实时监控所述微波热解系统几何模型中所述反应器模型及所述混合样品模型的最高热解温度，当最高热解温度达到预定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至低功率档，当最高热解温度低于设定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至高功率档，譬如，预定温度为400℃，先使用300W的功率档进行加热，当最高热解温度达到400℃时，将功率档返回0W；当最高热解温度低于400℃时，再讲功率档调回300W，如此反复。在所有模型建立完成后，利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，再利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的频域稳态求解器得到所述电磁场和电磁损耗模型的电磁场和电磁损耗，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的瞬态求解器得到所述热分布模型中的热场；利用MUMPS算法分别对所述电磁场和电磁损耗及所述热场进行计算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布图。

实施例三

褐煤原料预先用粉碎机粉碎为60目的颗粒，再送至鼓风干燥机，在105℃条件下加热下干燥至水分质量含量为0.2％。对干燥后的褐煤置于N₂气氛中热解，并利用Hewlett>2气氛中热解，并利用Hewlett>

利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的GEO模块按照1：1比例建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；所述微波发生装置模型为单溃口微波反应装置模型，所述反应器模型为特制圆柱形石英反应瓶模型。并以该几何模型为框架，以所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写为依据，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的RF模块，依据Maxwell方程建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型。接着，利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的传热模块根据Poynting定理定量描述电磁能转化为热能，利用能量守恒原理建立所述混合样品热解过程中的热分布模型，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型的过程中，考虑所述反应器模型及所述混合样品模型与外部环境的热交换；并且，所述热解过程中，实时监控所述微波热解系统几何模型中所述反应器模型及所述混合样品模型的最高热解温度，当最高热解温度达到预定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至低功率档，当最高热解温度低于设定温度时，将所述微波热解系统几何模型中所述微波发生装置模型的微波功率切换至高功率档，譬如，预定温度为500℃，先使用300W的功率档进行加热，当最高热解温度达到500℃时，将功率档返回0W；当最高热解温度低于500℃时，再讲功率档调回300W，如此反复。在所有模型建立完成后，利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，再利用COMSOL Multiphysics 5.0多物理场有限元软件中的频域稳态求解器得到所述电磁场和电磁损耗模型的电磁场和电磁损耗，利用COMSOL Multiphysics5.0多物理场有限元软件中的瞬态求解器得到所述热分布模型中的热场；利用MUMPS算法分别对所述电磁场和电磁损耗及所述热场进行计算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布图。

综上所述，本发明提供一种微波热解生物质与生物炭混合样品瞬态温度的模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤：1)分别获得生物质及与所述生物质相对应的生物炭的介电性质-温度曲线侧写；2)将所述生物质及所述生物炭混合得到混合样品，依据所述混合样品中所述生物质与所述生物炭的质量比、所述生物质的介电性质-温度曲线侧写及所述生物炭的介电性质-温度曲线侧写得到所述混合样品在热解过程中的介电性质-温度曲线侧写；3)建立微波热解系统的几何模型，所述微波热解系统的几何模型中包括微波发生装置模型、反应器模型及所述混合样品的模型，所述反应器模型位于所述微波发生装置模型内，所述混合样品模型位于所述反应器模型内；4)依据所述微波热解系统几何模型及所述混合样品的介电性质-温度曲线侧写，建立所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗模型；5)将所述电磁场和电磁损耗模型内的电磁能转化为热能，依据所述热能建立所述混合样品模型在热解过程中的热分布模型；6)利用四面体网格画法对所述电磁场和电磁损耗模型及所述热分布模型进行网格划分，利用分布式算法对所述电磁场和电磁损耗模型中的电磁场和电磁损耗及所述热分布模型中的热场进行运算，得到所述微波热解系统几何模型的电磁场和电磁损耗的3D分布图及所述混合样品模型在微波辐射下温度的3D分布。本发明的模拟方法能够快速获取混合样品热解过程中的三维温度分布；本发明的模拟方法得能实时获取全域的最高热解温度，快速获 得热点所在位置，并美观清晰的显示温度梯度；本发明的模拟方法能够实现在升温至指定温度后，有效的进行微波功率剪切，以防止热点和飞温现象的出现；本发明的模拟方法，方法简单，易于操作，能够高度模拟生物质和生物炭混合样品在微波辐射下温度的3D分布图。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。