生物质焦分形维数计算

2011年第3期CARBON总第147文章编号:1001-8948(2011)03-0032-0生物质焦分形维数计算林晓芬,张军2,尹艳山2,盛昌栋2(1.福建交通职业技术学院,福建福州350007;2东南大学能源与环境学院江苏南京210096)摘要:釆用压汞法的实验数据,计算两种分形模型下生物质焦样的分形維数。其中棖据 Menger海綿模型计算得到的分形维数m的值在2.7~3.1之间,基于热力学关系的分形模型计算得到的分形維教Dr的值在2.72.9之间。分析认为第二种模型更好的描述了焦样的孔隙结构,Dr的值比Dm的值更为合理。实验结采表明,分形維数与生物质种类有关,树叶焦样的分形维数整体上大于稻壳焦样的分形維数。生物厦焦样的平均孔径与分形维数有关。总的来看,同一生物质焦样的分形維數随着平均孔径的增大而减小关键词:生物厦焦;分形维數doi:10.3969/jisn1001-8948.2011.03-007中图分类号:TQ424.29文献标识码:ACALCULATION OF FRACTAL DIMENSIONSOF BIOMASS CHARSLin Xiao-fen, Zhang Jun, Yin Yan-shan Sheng Chang-dongi(1. Fujian Communication Technology College, Fuzhou 350007, China2. College of Energy and Environment Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract: Based on the porosity structure measured by mercury porosimeter, the fractal dimensions of biomasschars have been calculated by two fractal models. The fractal dimensions based on Menger sponge model andthermodynamics are 2. 7-3. 1 and 2.7-2.9, respectively. The results show that the model based on thermo-dynamics depicts the porosity of biomass char more appropriate than the Menger sponge model. The resultsalso show that the kinds of the biomass chars have an effect on the fractal dimensions and totally the leafhars have bigger fractal dimensions than the rice shell chars. The average pore diameters have an effect onthe fractal dimensions And the fractal dimensions of one biomass char decrease while the average pore diam-eters increase generallyKey words: biomass char; fractal dimensions0前言构的几何特性对扩散和反应都起着重要的作用11分形是局部和整体以某种方式自相似的集合,吸附剂的孔隙特征是影响其吸附剂性能的重要是具有自相似对称性的几何对象。分形维数D是其因素。在多孔物质中,反应气体是通过孔通道进行不规则程度的定量表征参数。分形维数反映了多孔扩散,并与孔壁发生碰撞、吸附和反应的,所以孔结介质孔结构不规则的程度,其数值越大,则说明了孔收稿日期:2011-02-18基金项目:国家重点基础研究专项经费(2006CB200300),华中科技大学煤燃烧国家重点实验室开放基金(200502)通讯作者:张军(1963-),男,湖北黄石人,教授博土,研充方向为燃煤污染控制和作者简介:林晓芬(1981-),女,福建龙岩人,硕士研究生,研究方向为生物质炭的H中国煤化工CNMHGmail:IxI- lotus@sina. com第3期林晓芬等生物质焦分形维数计算33结构的不规则程度越大。目前,测定多孔物质分形体。其几何构造如图1所示。维数的方法主要是通过实验来测定,如吸附法、压汞法和SEM图像分析法等{2-4一般地,从分形维数的几何意义看,1~2之间的分形维数表征不规则的线或者是带孔的面,2-3之间的分形维数则表征了粗糙的面或带孔的体积,即多孔介质。1焦样的制取5-81本试验采用江苏南京地区生长的稻壳法国梧图1三維 Menger海绵体的分形几何构造桐树叶玉米秆、棉花秆。原料在使用前,进行干燥Fig. 1 The fractal geometrical construction of后破碎。将稻壳树叶、玉米秆、棉花秆等4种生物质three dimensional Menger spongy mass在不同温度(400℃、500℃、600℃、850℃)和不同热Menger海绵模型主要是通过几何方法建立如下解速度(快速慢速)的条件下对生物质进行热解制计算公式焦In(dVp/dp)=(Dm-4)Inp+C(1)快速热解是指先将马弗炉升温到热解温度,再其中,Dm-分形维数;vp-孔隙体积;p-压力;把生物质放入马弗炉中热解;慢速热解指把生物质c-常数。采用压汞法获得孔隙体积时,假定孔隙体放入马弗炉中随马弗炉一起升温至热解温度进行热积vp等于进汞体积Vv这样分形维数Dm可由ln(dvp/解。将制得的焦样筛分,选取1-3mm的焦样进行分dp)~lmp直线的斜率(Dm-4)得到。析。采用压汞法测量生物质焦的孔隙结构,压汞仪2,2基于热力学关系的分形模型为美国麦克仪器公司生产的9310型微孔结构分析基于热力学关系的分形模型计算基础是基于施仪,压力范围为0~207MPa,由南京师范大学提供。加于汞的压力与多孔物质孔径之间满足 Washburn方丧1焦样的制取程。采用压汞法测量多孔物质的孔隙体积和孔径的Table 1 Preparation of the samples关系时,外界环境对汞所做的功等于进入孔隙内汞热解温度热解速度热解时间液的表面能的增加,所施加于汞的压强p(Pa)和进汞/min量v(m3)满足#1稻壳#2树叶400pdv=- acosAds(2)稻壳通过量纲分析,可以将多孔物质的孔隙表面S玉米秆10棉花秆(m2)的分形标度与孔隙孔径r与进汞量V进行关联,#7稻壳快快快快快快快快慢慢得到孔隙分形维数Dr的表达式。对于进汞操作,可#8树叶稻壳将式(3)近似写为离散形式:#10树叶60010稻壳∑p1△V1=kr12(V-3/rn)Dr(3)#12稻壳#13树叶式中,P-第进汞操作的平均压力,Pa;△v#14600第次进汞操作的进汞量,m3;n-在进汞操作中施2分形模型的建立9-1加压力的间隔数;rn-第n次进汞所对应的孔隙半径,m;Vn-压力间隔1~n时的累计进汞量,m3;k-2.1 Menger海绵模型Menger海绵模型构造过程如下:取一个边长为R系数;D-分形维数。的立方体,将它的6个面均作9等分,得到27个小立方令W2=∑p1△V1(4)体,然后去掉中间位置的小块和每个表面中间的小立方体,剩下20个小立方。将剩下的每个小立方按Q,=Vl/3中国煤化工(5)CNMHG上述操作重复下去,直到无夯,就会得到 Menger海绵则可以得,m,y-+C(6)34炭素2011年其中,C-常数,WnQ2-过程变量,做出ln(W/rn2)~lnQn曲线就可以得到斜率Dr,即多孔物质的分形维数。为了比较,本研充采用了这两种模型分别对分形维数进行了计算。3实验结果3.1分形拟合曲线#9 In(Q)#3稻壳焦样Dr的分形拟合曲线3015百5#3稻壳焦样Dm的分形拟合曲线0586-4-20246810#10 In(Q)#4树叶焦样Dr的分形拟合曲线(10)#4树叶焦样Dm的分形拟合曲线#ll In(Q)#5玉米秆焦样Dr的分形拟合曲线#5玉米秆焦样Dm的分形拟合曲线#6棉花秆焦样Dr的分形拟合曲线图样分形维数Dm和冂r拟合曲线(#12)中国煤化工 fractal#6棉花秆焦样Dm的分形拟合曲线CNMHGe samples第3期林晓芬等生物质焦分形维数计算3.2分形维数的计算丧2焦样两种分形維数的计算结果Table 2 Calculation results based on different the fractal dimensions of the sample焦样Menger模型基于热力学关系的分形模型平均孔径/分形维数Dm置信度R分形维数Dr置信度RAm#1稻壳400℃快2.93824-0.978122.797120.999190.1152#2树叶400℃快2.961880.962682.757110.999190.2231#3稻壳600℃快2.92696-0.975742.78600.999110.1136#4树叶600℃快2.992080.975992.801150.99380.1809#5玉米秆600℃快2.74245.-0.923152.601070.998820.9641#6棉花秆600℃快2.823870.936822.6760.9990.4058#7稻壳850℃快0.978412.752690.999320.1675#8树叶850℃快3.048610.980712.828360,999410.1#9稻壳600℃慢2.93733-0.983742.802390.999320.0951#10树叶600℃慢2.999412.809540.999360.1673#11稻壳600℃快2.919790.976342.785190.999310.1232#12稻壳600℃快2.927680.976872.796530.999130.1188#13树叶600℃快2.99844-0.969442.802090.999260.1792#14树叶600℃快3.01852-0.971222.808110.999290.17833.3焦样的电镜扫描照片四种生物质焦的电镜扫描照片如图3。(a)稻壳焦样,快速热解(b)树叶焦样快速热解(c)玉米秆焦样,快速热解(d)棉花秆焦样,快速热解850℃400℃600t600℃图3四种生物质焦样的电镜扫描照片Fig 3 SEM images of different biomass chars4实验结果分析从表1中可以看到,两种分形模型下,计算得到的焦样的分形「V凵中国煤化工8模型计算采用两种分形模型计算生物质焦的分形维数,得到的分形维CNMHG3.1之间;基则分形拟合曲线如图2所示,计算结果如表2所示于热力学关系灯异到以丌形维数Dr较36·炭素2011年小,其值在2.6~2.9之间。从图1上看,根据第二种2.676。模型计算分形维数时,数据与拟合曲线的相关性较总的看来,稻壳和树叶焦样的分形维数随着平好,其置信度较高。由于Dm的值已经超出了2~3的均孔径的增大而减小。合理范围,所以认为第二种分形模型更好的反应了分形维数与焦样的种类有关。从表2中可以看焦样的实际孔隙结构。到树叶焦样的分形维数整体上大于稻壳焦样,其平分形维数与多孔物质本身的种类有关,如表中均孔径整体上也大于稻壳焦样的树叶焦样,其分形维数相比稻壳整体较大。参考文献[1]谬明烽,沈湘林.钙基脱硫剂分形孔结构的实验研充[J]能源研充与利用,2001,(1):28-30[2]张新铭,彭鹏,王金灿基于分形理论的石墨泡沫新材料导热系数[J].重庆大学学报,2004,27(9):109-111[3] Hu Song, Li Min, Zhang Jun, et al. 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Proceeding in Sino- Australia Symposiumaverage pore size/Hmon Advanced Coal Utilisation Technology, 12b树叶焦样14 July, Wuhan, China, 364-372图4焦样分形維数D与平均孔径的关系[冂]张军,林晓芬,印佳敏,等.生物质焦的孔隙结构Fig 4 Relationship of the fractal[D].中国工程热物理学会2004年学术会议论dimension of char with average pore size文,大连:200486-90图4是稻壳与树叶焦样的分形维数与平均孔径[8]林晓芬,尹艳山,李振全等压汞法分析生物质的关系,可以看到,总的来说焦样的平均孔径越小,焦孔隙结构[J].工程热物理学报,2006,(增刊分形维数越大。2):187-190[9]刘永忠,陈三强,孙皓冻干物料孔隙特性表征的5结论分形模型与分形维数[J].农业工程学报,2004采用海绵模型和基于热力学计算基础模型等两20(6):41-45种分形模型对生物质炭的分形维数进行了计算,结10张登峰曾向东鹿雯等热改活性炭纤维对甲果表明基于热力学计算基础模型比较恰当的反应了苯的吸附和分形分析[J].化学工业与工程,生物质炭样的孔隙结构。008,25(2):116-120.分形维数Dr与多孔物质的平均孔径有关。从表[111于富玲王毅力郭谨珑等颗粒活性炭吸附染2中可以看到,平均孔径最大的#5玉米秆焦样,具有料过程的分形特征研究[J].安全与环境学报,2005最小的分形维数Dr,为2.60107;平均孔径第二大的中国煤化工#6棉花秆焦样,具有倒数第二小的分形维数Dr,为CNMHG