生物燃料被认为是可再生能源的有价值来源，其应用从供暖建筑物到动力运输。增加这些燃料的可用性需要了解生物量转化背后的过程。在ComsolMultiphysics®仿真软件的帮助下，NREL的研究人员正在寻求优化此类流程，从而使生物燃料转换更加有效和成本效益。
推动未来
化石燃料是我们工业社会的核心，有助于产生蒸汽和电力以及运输方式。随着行业的不断增长和能源增加的需求，耗尽这些不可再生能源的关注以及它们对环境的影响也在增加。为了节省这种资源并减轻与大众消费相关的负面环境影响，许多行业正在寻求可再生能源（例如生物燃料）作为可行的替代方法。
以其用作运输燃料而被认可的最多生物燃料是主要由植物材料生产的烃液体的可再生能源，也称为生物质。第二代生物燃料避免了“食品VS燃料”困境，因为它们是由农业废物和多余的森林残留物产生的。使用生物质源特别有利，因为它是一种碳中性的过程，可减少温室气体的排放。但是，由于与生产过程本身相关的成本，可再生生物燃料尚未与化石燃料在经济上具有竞争力。
在优化生物燃料生产之前，Peter Ciesielski和NREL的研究人员知道，他们首先需要更好地了解转换过程背后的动态。为此，他们转向Comsol多物理学。
首先，让我们仔细研究研究人员分析的特定生物燃料转换过程 - 热解。
通过热解的生物量转化
热解是一个热化学过程，在没有氧气的情况下暴露于高温下，可以分解生物量。在此过程中，将生物量蒸发以形成一种称为的化合物的混合物生物油，以及其他气态产品和炭。乐动体育app无法登录通过进一步改进生物油，产生了烃生物燃料。
左：准备木质生物质进行热解。图片来源：沃伦·格雷茨（Warren Gretz），NREL05756。正确：在创建模型之前，在热解中考虑物理过程是重要的一步。图片来源：Phil Shepherd，NREL 03677。
快速热解将事情进一步迈进。这种热化学转换路线通常用于木质生物质，利用极高的传热速率分解生物质，内部温度在一秒钟内达到500ºC。在此过程中，确保有效的热量和传质是关键，因为这有助于最大程度地减少炭形成并加快有利的反应。
NREL的Peter Ciesielski获得了木材生物量的图像，以研究快速热解。
用COMSOL多物理分析和优化生物燃料转换
当Ciesielski和他的同事首次开始开发其生物量模型时，他们将内部微观结构考虑到了一个重点 - 这是先前研究中被忽略的元素。“由于Comsol®具有已经实施的几何工具，物理，网格链和求解器，因此我们可以花更多的时间使生物质模型的几何形状真正准确，” Ciesielski在A中指出comsol新闻2015年文章。
生物质粒子模型的特写。
借助其结构准确的模型，该团队着手在快速热解内模拟热量和传质。在此过程中，生物质的分解始于将非常高的温度（约500°C）施加到无氧反应容器中几秒钟。实施这些条件后，研究人员使用了共轭传热界面模拟外流体域之间的传热，包括氮气和生物质颗粒。通过此分析，他们可以确定给定尺寸，形状和结构的粒子达到最佳分解温度所需的时间。
模拟生物质颗粒中的传热。
进行了其他模拟，以评估硫酸的扩散，硫酸是一种用于在转化为生物燃料之前预处理生物量的化学物质。使用稀释物种的运输界面，研究人员在微结构和固体颗粒几何形状中进行了质量转运的瞬态模拟。两项研究的发现表明，详细或微观结构模型可用于评估和优化生物燃料转换过程，因为简化的实心模型可能无法充分捕获生物质原料之间的差异。
为未来的生物燃料模拟研究奠定基础
为了进一步了解和改善通过快速热解的生物燃料生产，Ciesielski及其同事们计划在未来的模拟中分析快速的相过渡和化学反应。在对生物质中的运输有基本的了解之后，该团队希望与低阶模型进行各种过程参数和生物质原料的有效相关性。这些结果可用于优化旨在生产工业量生物燃料的大型反应堆的性能。
更重要的是，NREL的研究团队渴望发现其生物量模型足够通用，可以应用于将生物量作为原料的任何过程。因此，该模型为建模各种转换过程并提高其效率提供了准确的基础。这为生物燃料开发的未来进步铺平了很多门。
进一步阅读
- 阅读有关NREL在第31页的模拟研究的完整故事comsol新闻2015
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