5.3　Fluent耦合模型敏感性分析

为了探索产物收益最大化，假设反应区的壁面处于绝热状态，即在反应区没有散热损失。下面主要分析N2流量、进料速率和模型化合物比例对模拟结果的影响，以得到模型的最佳反应条件和基本反应规律。

5.3.1　条件解释

模型具体的边界条件是：等离子体区壁面选取恒定温度1500K，壁厚为0，即表明内壁面温度；反应区壁面选取恒定的热流量为0，即表明此壁面为绝热条件。

在本节中，为方便叙述，定义100%N2表示1.737g/s N2质量流量，该值是通过实验测得的最佳N2等离子体条件下对应的N2质量流量。然后定义100%进料速率表示1.075g/s总反应物质量流量（包含C7H8、C10H8和H2O，其中C7H8/C10H8摩尔比为1，H2O/C摩尔比也为1），该值则是通过反应物的比热和气化反应焓计算得到的在反应区处于绝热条件下最大化利用所提供能量所对应的进料速率。反应式为

对于模型中的进料器，选取分散相模型中的鼓风雾化器模型，该模型同实际台架中所用到的进料器类型相似，具体的参数见表5-2。由于鼓风雾化器利用辅助的空气加速液膜的撕裂，因此能够快速得到更小尺寸的液滴［63］，有利于高黏度生物油的分裂、扩散以及同气化剂的混合。

生物油转化率τ生物油的含义是已转化的生物油的量同原生物油的量的比值，CO转化率τCO表示生成的CO中的碳含量同原生物油中碳含量的比值，能量利用率η表示生成合成气的热值同生物油原料热值和所提供能量和的比值。

5.3.2　不同进料速率对模拟结果的影响

图5-4～图5-7是不同进料速率对反应器温度场的影响，N2的质量流量为100%。从图中可以看到，随着进料速率的增加，反应区内的温度整体呈下降趋势，这是因为从进料器射入的反应物的温度相比于N2等离子体流的温度低了十多倍，因此低温物料越多，反应区内的温度越低。当进料速率为25%时，反应器出口温度在3000 K左右，对于前四种情况，低温部分在反应区为封闭的，但对于进料速率100%，其低温部分呈开口状，由此间接说明100%的进料速率过高。

图5-8和图5-9分别为不同进料速率下沿反应器中心线分布的温度和速度。在进料器之前，4条沿中心线分布的温度曲线几乎重合，然后随着进料速率的增大而下降。而对于速度曲线，除了进料器附近的区域，其他部分几乎都是重合的，因此将进料器附近区域扩大，可以看到最小的进料速率对应着最大的速度，这是因为动量守恒使越小的进料速率对整体的速度影响越小。在进料器之后4条速度曲线迅速区域重合。

图5-10和图5-11分别为不同进料速率对气体产物和生物油转化率和CO转化率的影响。随着进料速率的增加，CO呈下降趋势，而H2先上升后下降，在进料速率为50%时达到最高，这主要是因为对于25%进料速率，其反应器出口温度依然很高，此时存在很多H自由基导致H2含量减少。对于25%、50%和75%进料速率的三种情况，生物油转化率都达到100%，而CO转化率也随着进料速率的增加而下降，其同温度的变化趋势相同。

表5-3和表5-4分别为不同进料速率下反应器各部分热通量和总能量利用率的情况。表5-3中的负值表明能量的损失或需求，而反应区壁面的热通量为0表示此处为绝热壁面。从表中可以看到随着进料速率的增加，出口热通量减少，且反应所需热焓增加。尽管100%进料速率的出口热通量最低，表明热利用率最高，但是从表5-4中可以看到其能量利用率并不是最高的，这主要是因为在100%进料速率的条件下，其反应区的温度最低。而50%和75%进料速率下的能量利用率最高。

综上所述，在100%N2质量流量下，结合生物油转化率、CO转化率和能量利用率三者考虑，50%进料速率为最佳。

5.3.3　不同N2流量对模拟结果的影响

图5-12和图5-13分别是不同N2流量对沿反应器中心线分布的温度和速度的影响，选取进料速率为50%。从图中可以看到随着N2流量的增加，等离子体区的温度依次降低，可是50%N2流量情况下的沿中心线的最高温度达到1 1000 K，比另外两种情况要高出许多，这显然不利于延长反应器的寿命，同时也会加大等离子体区的散热，增加等离子体区外壳的保温成本。而在反应区，100%N2流量下的温度最高，对于50%N2流量，由于其在等离子体区散热过多以及载气流量较小受进料温度影响较大，导致其在反应区的温度下降；而对于200%N2流量，其温度整体都较低，主要是因为N2流量较大使得流速变大（见图5-13），导致其在等离子体区的能量交换时间缩短。

图5-14和图5-15分别是不同N2流量对产气特性（剔除N2）、生物油转化率和CO转化率的影响。从图中可以看到50%N2流量下的H2含量最高，但是仅比100%N2流量下的H2含量量高出3.49%，而且两者相同条件下的CO产量几乎相同。同样在图5-15中可以看到，从生物油转化率和CO转化率来看50%N2流量和100%N2流量的情况基本相同，反而后者的CO转化率还要略高一点。尽管降低N2流量能够增加反应物在反应区的停留时间（见表5-5），50%N2流量下的反应停留时间比100%N2流量量多出将近0.3s，但是其结果并不优越很多，这主要是因为降低N2流量会增加等离子体区的温度，使反应区的温度下降，影响了气化反应。所以通过降低N2流量以增加反应停留时间的效果并不明显，甚至会增加等离子体区的工作负担。

表5-6和表5-7分别为不同N2流量对反应器各部分热通量和能量利用率的影响。对于50%N2流量，可以看到60%的能量都损失在等离子体区的散热上。在能量利用率方面，50%N2和100%N2流量都优于200%N2流量，且两者之间相差不大。综上所述，尽管50%和100%N2流量的各项反应指标都相差不大，但是50%N2流量下的等离子体区的最高温度过大，会对等离子体反应系统造成过大的负担，且散热损失过大，因此在50%进料速率的条件下，100%N2流量为最佳。

5.3.4　不同C7H8/C10H8摩尔比对模拟结果的影响

由于不同的生物质原料和不同的热解技术对生物油中单环和双环芳香族化合物含量影响较大［64］，因此本节主要分析不同模型化合物比例对模拟结果的影响。选取进料速率为50%、N2流量为100%，主要改变C7H8在模型化合物中的摩尔比。图5-16和图5-17分别为不同C7H8含量对产气特性、生物油转化率、CO转化率和能量利用率的影响，从图中可以看到，在该模拟条件下，C7H8/C10H8摩尔比对各产气特性以及各反应指标的影响都非常的小，仅CO含量随着C7H8含量的增加而下降，这主要是由式（5-8）和式（5-9）反应平衡系数导致的。