（农业生物环境与能源工程专业论文）炭粉阴燃过程分析与实验.pdf

山东理丁大学硕十学位论文 捅要 摘要 阴燃是一种基本的燃烧方式，是指氧气直接接触固体燃料表面发生异相氧化反 应，释放热量，进行自维持的缓慢、低温( 5 2 3 1 1 7 3 k ) 无焰燃烧方式。由于火焰 不能存在于大颗粒( 直径大于5 r a m ) 固体燃料内部或堆积状粉体物料床层内。阴燃 广泛存在于固体块状可燃物( 煤块，生物质燃料块，生物质挤压成型颗粒，城市固 体垃圾) 的燃烧过程和一些仓储燃料( 各种粉状可燃物) 的火灾过程中。研究阴燃 过程机理，无论对于固体燃料的应用，还是火灾的预防，都具有重要意义。 阴燃过程机理包括化学机理和物理机理。阴燃过程的化学机理包括热解、氧化 降解、碳氧化等化学反应特性，过去三十年在这方面有大量的文献。与之相比，阴 燃过程物理机理的研究较少。本研究侧重阴燃过程物理机理的研究，为减少化学特 性的影响，选用炭粉为对象进行研究。 首先，建立炭粉一维向下阴燃的理论模型，确定了影响阴燃过程的物理因素主 要有：环境温度、阴燃炉壁保温层保温效果、点火温度和点火位置、燃料的堆积密 度、床层收缩率、导热系数、空隙率、固体发射率、炭和灰的比热容等等。应用阴 燃过程计算程序，得出常见范围内，床层收缩率、炭堆积密度、燃料床孔隙尺寸、 氧气在多孔灰层中的扩散率对阴燃传播速度、床层内部温度和阴燃持续时间影响显 著；而初始条件、环境条件及燃料和灰的比热容、导热系数等物性参数的影响可忽 略不计。 在此基础上，设计了炭粉阴燃实验台。该实验台主要包括阴燃炉，电控系统和 数据采集系统三部分，能对炭粉的阴燃特性进行研究。确定实验因素为含碳量和粒 径大小，选取了不同粒径的热解炭和木炭粉的进行实验。实验结果表明：1 ) 在燃 料床层炭粉的阴燃过程中，既没有因剧烈燃烧而出现火焰，也没有因燃烧不能自维 持而熄灭：床层中的温度变化可以明显地区分为加热、燃烧和保温三个过程；炭粉 阴燃过程比秸秆阴燃过程有更好的可重复性。2 ) 阴燃床层中的最高温度随着炭粉 粒径增大而降低，随着含碳量的增加而增高。3 ) 阴燃燃烧时间随炭粉粒径的增大 而变短，随含碳量的增加而变长；4 ) 与其他实验物料的阴燃过程相比，尾气中的 c 0 含量明显升高，在阴燃前期的较长时间内c o 与c 0 2 含量之比大于1 。这些研究为 炭粉阴燃的深入研究提供了参考。 关键词：炭；阴燃；自然对流：正向阴燃；特性 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t s m o l d e r i n gi st h ef a s to x i d a t i o no fs o l i df u e lw i t h o u tf l a m e t ob em o r es p e c i f i c ，i ti st h es l o w , l o w - t e m p e r a t u r e ( 5 2 3 - 11 7 3 9 ) , f i a m e l e s sf o r mo fc o m b u s t i o n , s u s t a i n e db yt h eh e a te v o l v e dw h e n o x y g e nd i r e c t l ya t t a c k st h es u r f a c eo fac o n d e n s e d - p h a s ef u e l b e c a u s et h ef l a m ei si m p o s s i b l ei n s i d e t h ep o w d e rp i l e so ri n s i d et h ep a r t i c l e ( w h e nt h ed i a m e t e ro ft h ep a r t i c l ei sm o r et h a n5 r a m ) , s m o l d e r i n ge x i s t sn o to n l yi nf hf r o ms o l i dm a t e r i a l s ，e i t h e rf u e lo ri n d u s t r i a lm a t e r i a l s ，b u ta l s oi n m a n yt h e r m oc o n v e r s i o na p p l i c a t i o n so fs o l i dm a t e r i a l s , s u c ha sb i o m a s s ，u r b a ns o l i dw a s t e m e c h a n i s mo fs m o l d e r i n gi sv e r yc o m p l e xa n dm a n yc h e m i c a lf a c t o r sa n dp h y s i c a lf a c t o r sa g e i n v o l v e di nt h ep r o c e s s c o m p a r e dt ot h el a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nc h e m i c a l m e c h a n i s m ( k i n e t i c so f p y r o l y s i s ，o x i d a t i v ep o l y m e rd e g r a d a t i o n , c h a ro x i d a t i o n ) o f t h ep r o c e s si nt h e l a s tt w od e c a d e s ，e x p e r i m e n t so np h y s i c a lm e c h a n i s ma r em u c hl e s s h o w e v e rp h y s i c a lm e c h a n i s mo f t h ep r o c e s si so fg r e a ti m p o r t a n c ei nd a n g e rp r e v e n t i o na n di nu t i l i z a t i o na n dt r e a t m e n to fb i o m a s s a sa t y p i c a ls o l i df u e l c h a ri sc h o s e na st h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a lb e c a u s ei ti sm u c he a s i e rt o d e t e c tt h eg a sc o m p o n e n ti nt h ep r o d u c t i o no ft h ep r o c e s st h a nt h a to fh i g hm o l e c u l a rm a t e r i a l s a n d t h u st h em e c h a n i s mo f t h ep r o c e s si sm u c he a s i e r t ob ee v a l u a t e do rt e s t i f i e db ye x p e r i m e n t s f i r s t l y , as i m p l i f i e dl - dm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dd e s c r i b i n gn a t u r a ld o w n w a r ds m o l d e r i n go f c h a r f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep r o c e s st u r n so u tt ob et h ef o l l o w i n g ：a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，i n s u l a t i o no f t h ef u e lb e d ，i g n i t i o nt e m p e r a t u r ea n dp o s i t i o n , b u l kd e n s i t yo ff u e l ，s h r i n k a g eo ff u e lb e dd u r i n gt h e p r o c e s s ，h e a tc o n d u c t i v i t y , v o i df r a c t i o no ft h ef u e lb e d ，h e a te m i s s i o no ft h ef u e l ，s p e c i f i ch e a to f s o l i d u s i n gt h ep r o g r a m ，e f f e c t so ff u e lb e dp r o p e r t i e so ns m o l d e r i n go fc h a ra tt y p i c a lc o n d i t i o n h a v eb e e np r e d i c t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tp r o p a g a t i o nv e l o c i t yo ft h ep r o c e s s ，t e m p e r a t u r ei n s i d et h e w h o l eb e da n dt i m es m o l d e r i n gs u s t a i n e dw e r ea f f e c t e db ys h r i n k a g eo fb e d ，b u l kd e n s i t yo fc a r b o n , v o i ds i z ei nf u e lb e d ，o x y g e nd i f f n s i v i t yi na s hb e ds i g n i f i c a n t l y w h i l et h ee f f e c t so fi n i t i a lc o n d i t i o n , e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no rf u e lb e dp r o p e r t i e ss u c ha ss p e c i f i ch e a ta n dh e a tc o n d u c t i v i t y 、e 他 i g n o r a b l e b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e dw o r k , a ne x p e r i m e n t a ls e t u pf o rc h a rs m o l d e r i n gh a sb e e nd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d i tc o n s i s t so fs m o l d e r i n gs t o v e , e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fc a r b o nc o n t e n ta n dp a r t i c l ed i a m e t e ro fc h a ro n s m o l d e r i n gp r o c e s s ，d i f f e r e n ts i z eo fc h a rf r o mf a s tp y r o l y s i sa n dc a r b o n i z a t i o nw e r ec h o s e nf o r e x p e r i m e n t s r e s u l ts h o w e dt h a t ：1 ) t h e r ei s n or a p i dc h a n g ef r o ms m o l d e r i n gt of l a m eo rt o e x t i n g u i s hd u r i n gs m o l d e r i n go ft h ea b o v ec h a r t e m p e r a t u r ei n s i d et h eb e ds h o w e dt h a tt h ep r o c e s s c a nb ed i v i d e di n t oh e a t i n g , r e a c t i o na n d l i g ht e m p e r a t u r er e m a i n i n g t h er e p r o d u c i b i l i t yo ft h e p r o c e s si sb e t t e rt h a ns m o l d e r i n go fa g r o - s t a l k s 2 ) m a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h eb e da n ds m o l d e r i n g t i m ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fp a r t i c l ed i a m e t e ra n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ec a r b o nc o n t e n ti n t h ec h a r 3 ) mm o l er a t i oo fc ot oc 0 2i nc h a rs m o l d e r i n gi ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to f a g r o - s t a l k ss m o l d e r i n g i tk e e p sm o r et h a n1 0f o ral o n gt i m ea tt h ef o r m e rp a r to fs m o l d e r i n g t i l i s c a l lb eu s e da sr e f e r e n c 2f o rt h ed e e pi n v e s t i g a t i o no f t h ep r o c e s s k e y w o r d s ：c h a r ；s m o l d e r i n g ；n a t u r a lc o n v e c t i o n ；f o r w a r ds m o l d e r i n g ；p r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间：2 0 0 9 年4 月1 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：时间：2 0 0 9 年4 月1 0 日 导师签名： 时间：2 0 0 9 年4 月1 0 日 ：毒害；：奋：譬：茎堡耋耋耋：耋耋耋 第一章绪论 11 阴燃的概念、现象和分类 1 1 1 阴燃的概念 阴燃是一种基本的燃烧方式，是指氧气直接接触固体燃料表面发生异相氧化反 应，释放热量，进行自维持的缓慢、低温( 5 2 3 - 1 1 7 3 k ) 无焰燃烧方式。1 。这个定义 是同有焰燃烧进行对比的，其特点主要有：1 ) 无焰。火焰是气体燃烧的体现，阴 燃被定义为固体燃料的快速氧化，不包括火焰的产生和传播。2 ) 自维持传播。也 就是指依靠燃料自身氧化放出的热量推动阴燃不断向前传播的过程。大部分阴燃现 象都是以产生，发展到熄灭的非稳态过程。由于阴燃的反应速度比较慢，在向外界 存在热损失的情况下，如果反应区域很小，依靠自身热量将不能使阴燃持续燃烧就 会导致熄灭。这种情况常发生在反应初期，从而需要外热源持续加热。3 ) 异相反 应。指多孔阴燃材料的固体与氧气之间的直接反应，区别于固体热解产生的热解气 与氧气之间的同相反应。异相反应是发生于固体表面的反应，因此又称为表面反应。 11 2 阴燃的常见现象 由于火焰不能存在于固体颗粒燃料内部或粉体堆积物内部“，阴燃广泛存在于 固体( 颗粒直径d 5 m m 的煤、炭、 木块、挤压成型材料、城市固体垃 圾等) 的燃烧或焚烧过程，以及各 种火灾，特别是垃圾填埋场火灾、 森林火灾、煤矿废矿渣火灾、仓库 粉体堆积物火灾过程中。图1 1 是 典型碳颗粒内部阴燃照片。生话中 最典世的有关阴燃的例子就是香 烟和蚊香的燃烧。近年来，在新开 发的生物质能利用技术，如生物质 气化、炭化技术，生物质阴燃技术 以及燃池技术中也广有涉及。 图l _ 1 炭的阴燃 ：銮：i 銮：薹：三二耋兰鲨 1 1 3 阴燃的分类 阴燃按其传播特性常被分为正向阴燃和逆向阴燃“1 。正向阴燃是指在阴燃的传 播中，氧气供应的流动方向同阴燃的传播方向一致过程。在实际的阴燃过程中，进 入反应区的氧气往往来自多个方向，但是与传播方向一致的氧气供应占据主导，那 么也可以称其为正向阴燃。由于参加反应的氧气和固体材料是迎面接触后才发生 的，因此也称为相对流反应。逆向阴燃是指在阴燃的传播中，氧气供应的流动方向 同阴燃的传播方向相反的过程。但是与传播方向相反的氧气供应占据主导，那么也 可以称为逆向阴燃。这一过程中，由于氧气和耒燃燃料是从相同方向进入反应发生 面，因此这一过程又称为同流过程，类似于气相的预混燃烧。例子：堆积物料从内 部向外缓慢自燃是为逆向阴燃，挤压成型燃料最后碳燃烧阶段向内阴燃为正向阴 燃。 按气体在物料床层中的流动特性分为自然条件下的阴燃和强迫阴燃。强迫阴燃 可以定义为氧化剂气体在固体燃料内部的流动是由于风机或强外力( 如强风，抽吸 作用) 引起的阴燃。香烟在被抽吸过程中的阴燃即为强迫阴燃。一些明燃实验研究 也采用强迫阴燃方式，如图1 - 2 所示，是文献“”中的实验。与强迫阴燃相反，自然 阴燃是指氧化剂气体在固体燃料内部的传输是由自然对流和扩散引起的。一般来 说，由于物料内部阻力极大，自然界中发生的阴燃多为自然阴燃。需要注意的是， 不能将物料外部具有强迫流动的阴燃过程称为强迫阴燃。 传 1 1 挂气口2 嘞电臀组：3 出气口：4 加热电炉 5 计算机：6 真空保蕾层7 心敷据采榘仪 图1 2 术屑强迫阴燃试验原理图 按传播方向，还可以分为水平和竖直阴燃。研究阴燃过程，还必须注意气体产 物和氧化剂的流动方向。阴燃分类的简单汇总见幽l - 3 。 省耋詈王奋：翟吉茎耋兰：乏：茎堑兰 阴 燃 方 式 分 类 苎鎏童量套曼竺登f 自目燃f o r w w d i 生垫查! ! 塑堕薹墨， 盏裂器燃o p p o s 日 。 重力和浮 p 纠勰谶。竺体i 水平方向出如h l【 l 三竺兰竺! f 自然对流n z 。u r a j 。，。 i强迫对流f 御c c d a i r f b w ，c 删6 叫 1 2 研究阴燃过程的意义 图i - 3 阴燃方式分类 1 2 1 在生物质能利用技术中的意义 阴燃存在于许多生物质热化学转换过程( 如燃烧，气化等) 中，对其进行研究， 对生物质能的应用具有重要的意义。仅阴燃的直接应用，在我国就有长期的历史。 如早在我国商周时期就有了青铜取暖炉：后来，在柬朝时代人们发明了手脚炉、火 钵等( 见图i - 4 ) ，并在我国部分农村地区一直沿用至今；在我国东北地区，火炕取 暖应用十分广泛；蒙古人还利用牛羊粪的阴燃来取暖的鸭型熏炉。阴燃广泛存在于 颗粒状物料内部燃烧过程，特别是最后阶段炭颗粒的燃烧( 见图l - 1 ) 。其中有很多 图l - 4火钵照片 山东理工大学硕十学位论文 第一覃绪论 l i i 曼量皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼舅舅鼍曼鼍曼曼量量量暑鼍量量量曼鼍鼍量量皇皇鲁曼曼曹皇曼皇皇曼曼曼皇皇曼曹曼量寡曼皇曼皇曼皇皇曼置皇曼曼鼍置量鼍 取暖方式采用的物料是木炭，因为木炭阴燃释放的气体浓度相对较低，但尾气中有 很大部分是c o ，这是经常听到木炭取暖导致人员窒息甚至死亡报道的直接原因。 在二十世纪八十年代，燃池技术在我国东北地区逐渐兴起，广泛应用于农业设 施，农村校舍以及农村住户的取暖。燃池是一种利用生物质阴燃所释放的能量来加 温的新型方法。所谓燃池就是在供热室内地面下挖一个燃料燃烧池。池的面积一般 占房间面积的1 7 左右，池身高1 3 1 1 1 左右。池周围用砖或毛石砌成，池上盖为钢筋 混凝土实心板，作为散热板。将一些低等级的燃料，如锯末、碎草、稻壳、牛马粪 等混合一定比例的水，投入池中使其阴燃，通过盖板向室内散热【1 1 】。燃池结构如图 2 1 所示。在燃烧过程中不需要任何助燃措施即可自行燃烧，放出热量，提高地温、 室温，降低湿度，而且热量均匀，持续稳定。因此燃池采暖拓宽了农村能源的范围， 并使能源的利用更趋合理。 随着燃池技术的不断发展，同其他设施综合利用是一个不错的选择，如燃池与 日光温室或沼气池的结合。沈阳农大的王铁良等h 1 对燃池在日光温室中的加热进 行了实验研究，结果表明应用燃池对日光温室进行加热可显著提高地温、气温，并 可降低温室内湿度，而且燃池加热系 统具有初投资低、运行费用少、使用 年限长的优点。另外，辽宁地区将沼 气池与燃池相结合n 2 1 ，保障高寒地区 沼气池正常运转和充分利用，使沼气 池更多的获取效益，这是北方高寒地 区沼气技术的又一大进步和发展。燃 池取暖亦可用于养蝎、养猪n 引。除此 之外，燃池取暖也适用于黄粉虫、黑 粉虫、土元、娱蚣、水蛭等其它特种 养殖业。 图1 5 燃池结构示意图 在燃池技术的启发下，山东理工大学清洁能源中心提出了农作物阴燃室内取暖 器的概念，为农村住户或农业设施提供经济、方便的供暖方式，并为农作物秸秆的 处理和应用提供新途径乜嘲。在对农作物秸秆的应用进行了一系列研究之后发现，农 作物秸秆含氧量高( 约占总重量的4 0 ) ，比表面积大，自然堆积呈多孔介质状， 空气容易渗入内部，因而容易实现并维持阴燃。实验表明，室内阴燃取暖炉有三个 优点：第一是热效率高，因为取暖炉放于室内，使阴燃产生的热量全部释放于室内： 二是炉体大小根据需要设计生产，制作和搬运方便；三是可根据天气情况或实际需 要决定是否应用取暖炉，应用灵活方便。 阴燃技术在生物质热利用领域中的作用日益突出，如只有清楚掌握了阴燃的发 生机理才能更好地解决燃池热效率等问题。因此对阴燃机理的研究的要求就越来越 4 固匣z。-_。-_-_-_l 当耋鼍王盔茎筌圭茎堡鎏考茎；耋堑耋 紧迫。 22 在火灾预防中的意义 火灾是人类面临的频发的剧烈的灾害之一。火灾不仅造成巨大的生命和财产损 失，还要毁坏自然资源，破坏生态环境。在我国，重大恶性火灾频繁发生例如大 兴安岭火灾过火林地面积1 3 3 万公顷，损失2 0 多亿元：河南洛阳东都商厦大火灾 一次死亡3 0 9 人，数十人受伤。火灾年平均损失2 0 0 余万元，仅2 0 0 8 年一年，我 我国发生火灾超过1 3 3 万起，造成1 3 8 5 死亡，6 8 4 人受伤，火灾直接经济损失1 5 亿元。 1 4 - 1 8 1 图1 6 香烟的阴燃过程与火灾 阴燃在火灾防治的相关研究中一直受到广泛关注这是因为阴燃的特点使其在 火灾中既具有现实的危害性又具有潜在的危险性。阴燃的现实危害性主要表现在两 个方面：首先，阴燃本身会造成严重的损失，如我国地下煤矿每年因为阴燃而损失 的优质煤矿高达1 0 0 0 万吨【】”，堆积如山的垃圾悄无声息的阴燃数月之久，居室中 的床上用品，沙发，坐垫和纤维类用品等物品的阴燃会造成损失并进一步引发大火。 另外阴燃是一种不完全的氧化过程，将产生比明火燃烧更为大量的有毒气体，这将 引起中毒甚至死亡。阴燃还具有更为严重的潜在危险性，如阴燃的烟头在适合的条 件下会造成一场火灾：扑灭的森林大火可能因为阴燃的存在而又“死灰复燃”：在 高瓦斯井中，如果存在煤的阴燃就会形成一个很大的高温区，在开采煤层时一旦瓦 斯和空气进入阴燃的高温区就会发生瓦斯爆炸；另外据统计，在美国6 0 的城市火 灾都是由于材料的阴燃引起的”“。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 燃烧理论的意义 理论燃烧科学的研究主要分为燃烧理论和燃烧技术两方面。燃烧科学发展最重 要的形式是理论的更替。从燃烧学发展的筒史可以看出，仅有实验并不能完全决定 理论的正确与否，如燃素说的基础也是实验，但得到的却是错误的理论。因此，与 一般的科学研究的方法一致，燃烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。由于 燃烧过程的复杂性，到目前为止，燃烧科学的研究，仍然以实验研究为主，但理论 和数学模型的方法显得越来越重要。如前所述，阴燃广泛存在于固体燃料燃烧过程 中。和气体、液体燃料燃烧过程相比，近些年来，固体燃料燃烧理论和实验研究较 少。对阴燃的研究，将会为这一领域提供资料。 1 3 研究现状 早期对阴燃的研究可以追溯到1 9 5 5 年c o h e n & 和l u i t 对煤粉和锯末的对比实 验研究。由于国外对阴燃过程的研究比较早，因此大致可以分为探索实验、理论 分析和数值模拟三个阶段。 1 3 1 国内外研究现状 图1 7 阴燃研究概况 ( 1 ) 探索试验阶段：这个阶段从2 0 世纪五十年代持续到七十年代末，以观察 实验和定性结论为主，主要应用热电偶和计时器等仪器仪表，测量阴燃区温度、阴 燃时间，观察阴燃特性和一些因素对阴燃过程的影响。其间对阴燃研究涉及到以下 几个方面： 阴燃物料的种类( 香烟、锯屑、秸秆、泡沫、纤维质等) ； 阴燃传播的方向( 正向、反向、水平、垂直) ； 氧化剂供给( 空气、不同浓度的气体) ； 6 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 | i r a i 曼量皇量曼曼鼍曼曼皇曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇量曼曼曼曼曼 物料式样的结构( 不同尺寸、不同形状、不同堆积密度) 。 如1 9 5 7 年p a l m e r 2 0j 对锯末、草屑，纸箱壳碎料进行的实验。他记录了堆积物 料上表面空气静止或流动时阴燃在物料中传播的情况。定性地研究了颗粒尺寸、燃 料堆积尺寸、堆积密度、含水率、燃料底部物料导热系数、强迫对流时风速对阴燃 传播速度、阴燃区温度、能维持阴燃的最小物料层厚度等的影响。他还将粉状燃料 装入不同尺寸纸箱，从底部点燃，实验阴燃波传到燃料表面需要时间，并得出这个 时间和燃料厚度的平方近似呈正比关系。 随后的有关阴燃的实验研究多以火灾预防为背景，侧重于研究阴燃的传播以及 向明火转变的规律。如m e l i s s ak 1 2 l j 在研究向下传播阴燃形成过程中发现，聚氨酯 泡沫产生自维持有一个临界热流q ，并得到发生阴燃的临界时间随q 的增大而降低， 当q 增大到一定的程度，发生阴燃的临界时间与热流无关的结论。t j o h l e m i l l e r t g 测量了引起纤维质绝缘材料阴燃的8 种不同形状热源的最小温度。其结果表明，不 同的加热源形状引起阴燃的最小温度竟然有1 5 0 的差别。t o r e r o 和f e r n a n d e z l 2 2 1 对 聚氨酯泡沫的同向阴燃进行了实验研究，空气作为氧化剂，流动方向和阴燃的传播 方向一致。通过阴燃传播的温度曲线来了解阴燃过程的特性和阴燃的传播速度随氧 化剂流速的变化情况。其研究结果表明：随着空气流速的增加，阴燃过程从单一的 放热氧化过程控制到由两个反应过程控制，这两个反应过程为氧化过程和热解过 程。 ( 2 ) 理论分析阶段：这个阶段从八十年代初到九十年代中期，以从理论上分 析实验现象为主。理论分析方法可分为两类，一类是以美国普林斯顿大学的 o h l e m i l l e r 9 】等人提出的阴燃过程通用模型为代表，他们的模型较全面考虑阴燃过程 涉及的各种因素。用“总括动力学 ( g l o b a lk i n e t i c s ) 的方法来表示其化学反应过程。 在阴燃的传播过程中，用以下的一些可能存在的反应进行描述： ( 1 ) 有氧参与的材料降解反应，放出热量： ( 2 ) 无氧气参与的材料热解反应，吸收热量； ( 3 ) 氧气与残留炭反应，放出热量( 残留炭由( 1 ) ( 2 ) 生成) ； ( 4 ) 氧气与热解气体反应，放出热量。 在该阴燃反应模型中，一般都把反应( 4 ) 的气体氧化反应过程忽略。根据阴 燃的具体情形会认为只发生( 1 ) ，或者发生( 2 ) ( 3 ) ，或者是( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 。由于 模型的复杂性，他们只通过对模型的无量纲化分析，讨论方程中各项的影响，并没 有对其进行求解。 另一类侧重于建立简化模型，对其求解，并利用结果分析实验现象。如 b u c h m a s t e r 旧】等人对受迫流动正向、逆向阴燃的简化分析。针对正向阴燃过程同样 认为发生了热解反应和紧跟着炭的氧化反应，提出了一个氧化反应只在很薄层内发 生的阴燃传播模型，示意图如图1 8 所示。 7 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 匿霉f ；套霉一 束篓尊磅孝乏誊i 客兰瑗 一气凌 空气和袭区域 图1 - 8b u c h m a s t c r 正向阴燃模型示意图 s c h u l tc ta 1 1 2 4 】提出把阴燃高温反应区分为反应层和温度层，如果把反应区拉长， 反应区也可以分为反应前导结构和反应后随结构，两者的区别在于氧化反应是否主 要发生在高温区的最前端。示意图如图1 - 9 所示。 羞墨湮褰 l + 反立襞葱导结饕季枣蚕 一 e 4 - 反应屡后篷鳕篱示意蚕 图1 9s c h u l t 的阴燃反应层结构模型示意图 l e a c h 2 5 】理论研究了对流、热解和d a m k o h l e r 数等因素对反向阴燃熄灭过程的 影响，建立了一维物理和数学模型，给出了固相、气相以及氧气的输运控制方程和 边界以及初始条件、分析了传递系数，化学反应动力学因素以及燃料的物理性质对 阴燃过程的影响。s c y i 2 6 】建立了炭粒多孔介质的阴燃燃烧模型，即将圆筒尺寸下阴 燃过程分为两个不同的反应区：热解区和氧化区，建立了对应于二维平稳发展模型， 探讨了此状态下的阴燃机制，还就模型的诸多参数对阴燃的敏感性进行了分析研 究。 f e r n a n d e z - p o l i o t z 7 1 对正向阴燃的理论分析等。由于阴燃过程理论分析涉及高分 子燃料的热解和氧化动力学特性，在热重分析仪和差热分析仪上相应的分析实验在 这一时期也大量的涌现。 ( 3 ) 数值模拟阶段：这个阶段从九十年代末期到现在，主要以o h l e m i l l e r 提出 的模型为基础，用数值方法预测各种阴燃条件下的结果。当然，随研究目的的不同， 研究对象和实验条件也各不相同。如美国加利福利亚大学伯克利分校的 8 卜i一 山东理工大学硕士学位论文第一荦绪论 暑_ _ l ! j u 一i 曼i 皇曼曼 f e r n a n d e z p e l l o 2 7 - 2 8 】教授工作组为了预防航空器中发生火灾，对高分子材料( 聚氨脂 泡沫) 失重条件下受迫阴燃过程进行的实验和理论研究。在理论上对正向和逆向阴 燃过程采用同样的控制方程、不同的边界条件建立模型。美国p h i l i pm o m s 烟草公 司的h a j a l i g o l 2 ”1 】教授工作组为了研究香烟的燃烧过程，对纤维状生物质原料棒的 阴燃过程进行了理论分析，建立了从一维到三维的理论模型，并应用c f d 软件对 其进行求解，预测了阴燃传播速度，气体、固体温度分布，气体产物成分及流速等。 m o a l l e m ie ta l 3 2 】建立了一个二维的数值模型来分析垂直碳棒的阴燃过程，在碳棒内 部考虑了空隙透过率和惯性系数对动量的影响。德国材料研究测试研究所( b a m ) 的k r a u s e l 3 3 删教授从仓储物料火灾安全出发，对堆积状粉体物料的阴燃的引燃和 传播进行了实验和理论分析。 国内的研究从九十年代中期开始，实验、理论分析基本同步，同时也采用数值 模拟方法。如大连理工大学【3 5 4 0 】的郭晓平，解茂昭，孙文策，贾宝山等人对炭粒、 纤维质燃料阴燃点燃过程和强迫对流阴燃传播过程进行了深入的理论研究，并对锯 末等在自然对流条件下水平和竖直阴燃进行了许多实验。如孙文策等h h 阳围绕着应 用对于阴燃进行了较为全面的研究，先后对应用阴燃进行取暖的燃池的工作特点和 热能利用，纤维颗粒燃料阴燃引燃过程，燃池内的阴燃过程的实验分析，水平燃料 床、竖直阴燃的传播和气体成分多方面进行了实验和理论研究。 中国科学技术大学f m 9 】的路长，周建军，林其钊对聚氨脂泡沫材料阴燃出现有 焰火的条件，阴燃床内部温度变化过程进行了实验研究和简化理论分析。浙江大学 【2 0 】的马增益等对锯末强迫对流逆向阴燃过程进行了实验研究，检测了阴燃温度，传 播速度，气体产物成分。 针对国内外秸杆的阴燃研究比较少的情况，山东理工大学近几年对农作物秸杆 的阴燃进行了研究。何芳等心1 用农作物秸秆进行阴燃实验表明，3 6 k g 高羊茅草、麦 秸均能阴燃缓慢放热6 5 h 以上，平均热释放速率约为1 2 k w ，可基本满足山东农村 单个房间冬季供暖。热分析实验表明1 麦秸、玉米秸、谷秸和棉秆的理论阴燃热效 率分别在6 3 9 ，5 8 7 ，7 0 9 ，5 8 2 以上。矫常命h 1 对山东省典型农作物秸秆特 性进行了研究，实验检测了各秸秆的堆密度、含水率、热值和元素含量，设计制作 了室内农作物秸秆阴燃取暖炉，对麦秸、玉米秸、豆秸和高粱秸的实验表明：装料 容积为4 6 0 m m 3 3 0 m m x 4 5 0 m m 的阴燃炉中，约3 6 k g 的麦秸、玉米秸和高粱秸均 能稳定的阴燃，炉腔中心点温度维持在4 0 0 。c 以上分别达4 1 6 m i n 、1 6 8 m i n 和1 6 5 m i n 。 窦沙1 对麦秸，玉米秸和高羊茅草进行了三种堆积密度( 4 0 、5 0 和6 0 k g m 3 ) 和不同进 风量的单因素实验和部分重复实验。 9 山东理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 1i i 皇曼曼曼毫曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼舅蔓皇曼量曼皇曼皇曼曼曼量鼍曼舅量皇皇曼量曼曼量皇皇暑鼍量皇曼量量皇量曼曼曼量曼鼍量曼冀邑曼鼍量皇皇曼曼鼍曼鼍舅皇曼曼鼍鼍 1 3 2 阴燃研究的物料 在阴燃研究的初期，研究者通过火灾统计发现很多火灾的案例是因为烟头掉在 床上、沙发上经过较长时间的孕育后突然发生的，于是对不同材料的阴燃过程进行 研究成为阴燃研究的重点。后来研究者们发现除了香烟外，其他的丝状、纤维状物 品在受到加热后也会像香烟一样进行无焰燃烧，这些物品包括一些的民用物品和保 温材料，其引火源也不只有烟头或明火，还包括灯具在内的各种发热量加大的家用 电器。煤粉、锯末、植物纤维、塑料泡沫、谷物以及其他一些粉状、粒状材料也易 发生阴燃。这些材料的共同特点是存在空隙，即为多孔介质固体燃料。该多孔结构 一是有利于氧化性气体反应物渗透进固体内部达到反应区，不断供给阴燃所需的氧 气量；二是其表面积与体积之比很大，易于在表面发生剧烈的化学反应；三是有利 于热量的积聚可使燃料形成稳定的阴燃波，有利于于阴燃反应继续维持下去。 各种物料自身的物理和化学性质共同决定其阴燃过程的特性，通常这些物料的 热物性参数包括：密度、空隙率、含水率、热值、比热、渗透性、导热系数和导温 系数等。表1 1 列出了在阴燃实验中所选用的典型物料的阴燃特性。 表1 - 1 典型物料的阴燃特性 然而以炭粉为燃料进行阴燃实验还是比较少的。本实验在选用的炭粉进行的阴 燃实验中主要有生物质热解炭炭粉和机制木炭粉两种。其中机制木炭粉是以生物质 为原料，工艺上主要是把各种生物质经机器高温、高压成再送入炭化炉内炭化后磨 细而成。机制木炭炭粉生产工艺流程图：原料_ 粉碎_ 干燥_ 制棒成型_ + 炭 化_ 冷却一磨细_ 包装。关于用来制备炭粉的木炭的性质在这里做一个简要说 明。木炭是木质材料在缺氧状态下，加热分解后的产物。它具有以下的性质。 1 0 山东理工大学硕十学位论文第一荦绪论 一般不同的温度下烧制的木炭，它外表的颜色是不同的。在2 5 0 烧制的木 炭，其表面呈褐色，不易折断；在3 0 0 4 5 0 烧制的木炭，其表面呈黑色；当烧制 温度达7 0 0 以上时，其表面不但显黑色，而且有黑色光泽，敲打时，发出响亮的 金属响声。 木炭的机械强度沿纵向较高，径向较低，而弦向最低。当烧制的闭火温度 相同时，木炭的强度随烧制时间的增加而增强。 木炭的密度一般在0 8 - 1 2 9 c m 3 之间。它会随原料的质量，品种，烧制时的 闭火温度和温度的上升速度的不同而有所不同。一般说来，用比重大的硬木烧制的 木炭比重也大。 木炭有较大的比表面和较强的吸附能力，每克炭的总表面积可高达5 0 0 m 2 。 木炭的发热量：一般在6 5 0 0 8 0 0 0 大卡 喑，炭化温度越高，木炭含炭量越 大，发热量也高。 木炭的灰分：木炭燃烧后留下的灰分随炭化温度、原材料种类、树皮所含 的比例，炭化方式等的不同而不同。炭化温度越高，灰分含量越大，阔叶林炭化的 木炭灰分比针叶林高，树皮含灰分比木材大。 木炭的可燃性：木炭在空气中完全燃烧，可放出热量，生成c 0 2 ，不完全 燃烧可放出c o ，反应方程式为： c + 0 2 = c 0 2 + 热量 2 c + 0 2 = 2 c 0 + 热量 木炭在我们的生产生活中具有重要的作用，其实木炭的很多神奇功效和多样用 途鲜为人知，在韩国姜在允著的 v c o p + v c 0 2 , p ( c c e ) + p ( h 2 0 ) + v n c p + p 鼢曲 ( 2 - 2 ) ，4 ，乓，耳 屹q j 口，v c 0 2 , p ，v h 2 0 , p ，k p ，p ( 3 ) 氧化降解 害= 嗉严驴咖x p ( - 急+ i - i o , s 口m p l e - - v c o , o , , ( c o ) + 似( c 回+ v m o , o a , ( h 2 0 ) + k 似+ 屹哪( 鳓口痧( 2 3 ) 杈似，如，露，玩 l ，锄n x ，v c o l o x ，2 d 似，k 似，名 舵似 1 6 山东理t 大学硕七学位论文第二荦理论分析 ( 4 ) 炭的氧化 警= 絮卜驴扎钆e x p ( _ 鲁) + a m p l e - - - v c o p ( c o ) + v c m p ( c 0 2 ) + v m o p ( h 2 0 ) + v h c ，( + p ( a s h ) ( 2 - 4 ) 跏妒冯驴疋拗月o v c o , p v c 0 2 ，p ，v m o , p ，y 岷p v 砒p 2 1 2 各守恒方程( 以一维为例) ( 1 ) 质量组分守恒 控制体内固体的量由化学反应速度确定，气体的量如下： 掣= 知c + 丢c 叫肇+ 舳 协5 ， 左侧是气体，固体的量随时间的变化，右侧第一项是对流入控制体气体带入的 量，第二项是扩散入控制体气体带入的量，第三项是化学反应产生物质的量，由化毒 学反应方程和动力学方程确定。 ( 2 ) 动量守恒 动量守恒一般用达西定律表示，及流动中的阻力压降和速度成正比， a p 0 。 达西( d a r c y1 8 5 6 ) 定律：i 云= 一i c v p 为压强，d 为动力黏度，c 为渗透系数，v 为速度 对于高速流动，用e r g e n 方程表示 跏方程罢= - a v - a ，b 为系数 对于缓慢阴燃，由于流速极低，许多文献假设物料内压强降为零，即压强为常 压。 ( 3 ) 能量守恒 塑掣= 瓦0 ( 锄寻c 3 t + 昙( 厅，柏+ 昙( 叫掣办。) 协6 ， 左侧是气体，固体的焓随时间的变化，右侧第一项是传入控制体的热量，第二项 是对流入控制体气体带入的焓，第三项是扩散入控制体气体带入的焓。 1 7 山东理丁大学硕：t 学位论文第二章理论分析 2 2 研究对象 本研究以自然条件下，堆积炭粉一维向下传播这一阴燃过程为研究对象。通过 合理假设简化，建立物理模型，进行理论分析。 2 3 物理模型 阴燃形式很多，按气体流动方式分为自然对流条件下和强迫对流条件下阴燃； 按反应前燃料是否与空气混合分为正向( 不混合) 和逆向( 混合) 阴燃；按空间传 播方向分为水平传播和竖直传播阴燃；按传播特点分为一维、二维和三维传播等。 本研究以自然对流条件下炭粉床竖直向下阴燃为研究对象。简化物理模型如图1 所 示，假设条件有：1 ) 多孔介质炭粉床层仅由碳和灰组成。2 ) 阴燃一维竖直向下传 播，并有一个无限薄的碳氧化前锋，前锋以上的碳全部被消耗，只剩下灰，前锋以 下为炭粉床层。3 ) 整个过程准稳态。4 ) 忽略炭粉颗粒内部( 一般直径小于3 毫米) 温差。5 ) 忽略动能。6 ) 忽略床层内同一位置气固间的温差。