用于生物质气化热传递应用的颗粒的红外热辐射和光学特性

《Fuel》：Infrared thermal radiation and optical characteristics of particles for heat transfer applications in biomass gasification

生物质气化过程中稻秆和竹材在不同反应阶段的红外辐射与光学特性研究。通过实验测量红外波段（2.5-15μm）光谱透射率，结合Kramers-Kronig关系与米氏理论反演折射率与消光系数，建立考虑粒子性质和路径长度的发射率模型。研究揭示了反应阶段对材料红外辐射特性的影响规律，为气化炉热传递分析与工程计算提供理论支撑。

　　

刘世忠|单世全|余金红|张桂家|周志军

中国浙江大学清洁能源利用国家重点实验室，杭州，310027

摘要

辐射传热是生物质气化过程中的一个关键传热机制，对反应器设计和优化具有重要意义。生物质颗粒的热辐射和光学特性对气化器内部的辐射传热特性有着重要影响。本研究通过实验研究了小麦秸秆和竹子的红外热辐射和光学特性。制备了不同反应阶段的样品，并测量了颗粒的光谱透射率。基于Kramers-Kronig色散关系和Mie理论，计算了光谱折射率和消光系数。进一步计算了颗粒系统的辐射特性，并总结了颗粒属性和路径长度对颗粒系统发射率的影响。根据实验数据，构建了不同反应阶段样品的发射率模型。本研究揭示了气化过程中不同反应阶段样品的红外热辐射和光学特性的变化，并建立了一个通用发射率模型，为生物质气化的传热分析和工程计算提供了理论基础。

引言

生物质燃料的利用方法主要包括直接燃烧、生物转化和热化学转化，其中生物质气化在热化学转化中受到了最多的关注[1]。在厌氧或缺氧条件下，低品质的固体生物质被转化为高品质的可燃合成气。最终，通过费托合成和合成气发酵等过程，合成气被转化为生物燃料[2]。生物质气化具有实现碳中和和提供燃料原料的潜力[3]，是构建可再生燃料产品链的重要途径之一。另一方面，生物质气化是一个吸热反应，需要外部热源。传统的气化过程需要燃烧25–40%的生物质原料来提供化学反应所需的能量[4]。此外，它还可以与其他可再生能源（如太阳能）结合，利用热能获得更高质量的合成气，从而实现更清洁、更高效的燃料原料生产[5]。在工业应用中，实现高质量合成气的稳定生产和供应是满足下游燃料合成需求的重要保障。因此，生物质气化技术的发展在很大程度上取决于合成气的质量[6]，其研究和应用具有明确的工程意义。

关于生物质气化技术，各国学者进行了广泛的研究，涉及反应器设计、反应条件及反应机理等方面。在气化器设计方面，Pedroso等人[7]开发了一种底部进料的上升式固定床气化器。实验结果表明，与传统上升式气化器相比，该气化器能够提高CH₄和CO的浓度，降低H₂浓度，并显著减少焦油含量。Li等人[8]通过CFD模拟优化了气化剂入口直径、整体直径和喷射流气化器高度等关键结构参数，并确定了最佳气化性能下的参数值。在气化剂选择方面，Islam[9]研究了不同气化剂对合成气质量的影响。蒸汽气化具有最高的H₂含量和H₂/CO摩尔比；CO₂气化具有最高的CH₄含量和合成气热值；氧气气化具有最高的CO₂含量；而空气气化则具有最高的产气率。Shayan等人[10]从能量角度分析了气化性能，发现空气气化具有最高的表观能量效率，但最低的熵效率；而蒸汽气化具有最高的熵效率。在反应条件方面，Quentin等人[11]在太阳辐射下进行了生物质气化的实验研究，探讨了温度、气化剂流量、颗粒大小和进料速率对合成气组成和产量的影响。研究发现，直接辐射下的加热速率较快，但产气和碳转化率较低。由此可见，生物质气化是一个受多种因素影响的复杂反应过程。本质上，生物质气化炉是一个高温反应系统，其中辐射传热是能量传递的重要组成部分。因此，辐射传热模型的准确性将直接影响温度场和反应过程的预测精度，这也是本研究的主要动机之一。

在生物质气化器中，热量主要通过多种传热方式传递，包括热传导、对流、热辐射和反应热[12]，这些共同决定了温度分布和反应速率。特别是在高温环境下，辐射传热尤为显著，值得特别关注。Tinaut等人[13]指出，在木材气化过程中，热传导的热传递远低于热辐射。Ruiz等人[14]发现，在1000 K以上的高温环境下，辐射传热是主要的传热方式。Li等人[8]指出，气化器内的热传递主要以辐射形式进行，占总传热能力的90%以上。Wang等人[15]研究了鼓泡流化床中的传热模式比例，结果表明碳颗粒的热传递主要由热辐射和反应热主导，而沙粒的热传递则主要由热辐射和对流主导。Liu等人[16]通过CFD建模比较了有无辐射模型的气化器内温度分布预测结果，发现无辐射模型的预测峰值温度远高于使用辐射模型和实验数据的温度。Yu等人[17]发现，在太阳能驱动的生物质气化过程中，颗粒的热辐射特性对反应器内的热传递行为有显著影响，因为它们直接决定了颗粒对太阳辐射的吸收，从而影响气化器内的温度分布和能量传递。由此可见，热辐射是主导生物质气化传热行为的关键因素之一，直接影响温度场分布和反应器的运行可靠性。因此，在气化器内准确建立辐射传热模型尤为重要，确定热辐射特性参数是构建辐射模型的关键步骤。

在理论设计和数值计算中，准确预测辐射传热和温度分布对于评估反应动力学速率和进行最优设计至关重要，这取决于发射率、折射率和吸收系数等热辐射特性的准确性和可靠性[18]。Schiemann等人[19]利用Mie理论研究了焦炭发射率与温度之间的相关性，发现其发射率随温度降低。Zhong等人[20]研究了柳木颗粒在太阳热解过程中产生的焦炭的表面反射率变化，发现反射率先降至最低7.3%，然后回升至15.3%。Yu等人[21]发现生物质反射率与固定碳含量负相关，与灰分含量正相关。选择固定碳含量高、灰分含量低的生物质原料可以减少反射热损失。然而，在现有研究中，大多数学者将热辐射特性简化为灰体模型，即假设热辐射特性参数是恒定的，甚至直接忽略了辐射传热和相应的热损失。Bellan等人[22]将碳质颗粒视为灰体和漫反射材料，假设散射因子为0.9。Boujjat等人[23]假设焦炭的表面发射率为0.9，气体为半透明且不散射。Pozzobon等人[24]假设生物质和焦炭为灰体和漫反射材料，其吸收率分别为0.37和0.88。Yu等人[25]假设颗粒为等温的，气体为透明的，辐射引起的热损失可以忽略不计。Murgia等人[26]在其能量平衡方程中未考虑辐射传热。显然，这些关于热辐射特性的简化和假设会对建模和预测结果的准确性产生不同程度的影响。因此，需要更深入的研究来准确描述生物质气化的热辐射特性。

鉴于上述背景，本研究对典型生物质样品在不同反应阶段的光谱辐射和光学特性进行了实验和数值研究。主要工作如下：(1) 制备了不同反应阶段的小麦秸秆和竹子样品，并测量了样品颗粒在红外波段（2.5–15 μm）的光谱透射率；(2) 基于Kramers-Kronig理论和Mie理论，反算了不同反应阶段样品颗粒的光谱光学参数（折射率和消光系数）；(3) 计算了颗粒系统的发射率，并探讨了颗粒属性和路径长度对发射率的影响；(4) 构建了挥发分样品、气化样品、灰分和纯碳的发射率模型，为生物质气化的工程传热计算应用提供参考。

实验材料与装置

本研究选择了两种典型的生物质——小麦秸秆和竹子作为实验原料。它们的初步分析和最终分析结果见表1。初步分析用于确定主要成分的含量，主要包括水分（M）、挥发分（V）、固定碳（FC）和灰分（A）。最终分析用于确定化学元素组成，主要包括C、H、N、S和O元素。

小麦秸秆的透射率

图2(a)显示了小麦秸秆在四个挥发分阶段的颗粒光谱透射率${\tau }_{\lambda }$的变化。在30°C升至600°C的加热过程中，挥发分程度逐渐增加，光谱透射率逐渐降低，吸收特性也逐渐增强。不同挥发分阶段的样品在2.5–7.5 μm波段的透射率变化趋势较为一致。

结论

本研究重点关注生物质气化过程中颗粒的热辐射和光学特性，特别是反应阶段和波长的影响。主要结论如下：

(1) 不同反应阶段的小麦秸秆的光谱透射率在整个光谱范围内表现出相似的趋势，而竹子的光谱透射率变化较大；挥发分样品的光谱透射率变化相对一致；

CRediT作者贡献声明

刘世忠：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、实验研究、数据分析。单世全：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、实验研究、资金获取、概念构思。余金红：软件、方法论、实验研究、数据分析。张桂家：软件、方法论、数据分析。周志军：资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（编号226–2025-00236；2022ZFJH04）和浙江省自然科学基金（编号LZ25E060001）的支持。