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青島能源所揭示生物質殘炭的燃燒機理
2020-08-25 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:熱能工程研究組
    

  木材等生物質的燃燒過程包括揮發分的明火燃燒(flaming combustion)和殘留焦炭(殘炭)的熾燃(glowing combustion)(如圖1所示)。相對于明火燃燒,殘炭的熾燃能夠在極度欠氧條件下維持,有反應溫和、持續時間長的特點,通風條件良好時能夠再次引發劇烈的明火燃燒。所以殘炭熾燃機理的研究對于生物質的高效清潔燃燒以及森林火災、木質建筑火災的預警和撲救有重要的指導意義。

  圖1 木材燃燒過程中的明火與熾燃

(圖片來源于網絡)

  近年來,青島能源所熱能工程研究組與澳大利亞西澳大學能源研究中心(Centre for Energy, The University of Western Australia)、日本豐橋技術科學大學能源工程實驗室(Energy Conversion Engineering Laboratory, Toyohashi University of Technology)緊密合作,針對上述問題開展了系列研究工作。研究人員選取活性炭顆粒作為生物質殘炭的模型物,利用固定床反應器在可控邊界條件下開展實驗,成功捕捉了熾燃鋒面的準穩態蔓延過程(如圖2a所示),考察了殘炭物性參數和環境參數對于熾燃特性的影響規律。此外,通過開展計算流體力學模擬,對熾燃過程中的傳熱傳質現象和化學反應過程進行了數學解析,成功再現了熾燃鋒面的蔓延過程(如圖2b所示),預測了熾燃鋒面的熱化學結構,從而揭示了生物質殘炭的熾燃機理。該研究表明,一氧化碳等氣相組分的氧化釋熱在一些條件下已經超越固定碳的表面氧化成為主導因素,這一發現完善和發展了前人關于熾燃過程由異相表面氧化反應主導的論斷。

  圖2 熾燃鋒面的蔓延:(a)實驗現象;(b)模擬結果。

  近日,該研究相關成果被第38屆國際燃燒會議(38th International Symposium on Combustion)接收為口頭報告,論文被燃燒領域頂尖期刊Proceedings of the Combustion Institute收錄。此外,基于上述研究成果,香港理工大學黃鑫炎博士邀請熱能工程研究組高健博士共同撰寫的綜述文章以“A review of near-limit opposed fire spread”為題發表于火災科學領域權威期刊Fire Safety Journal,文章對熾燃現象的燃燒機理做了進一步闡述,對明火、熾燃、陰燃等燃燒現象做了較為明確的區分。

  該工作得到了國家自然科學基金委和青島能源所研究組啟動經費的支持。(文/圖 高健)

  相關論文: 

 [1] Propagation of Glowing Combustion Front in A Packed Bed of Activated Carbon Particles and the Role of CO Oxidation, Jian Gao*, Xiaobin Qi, Dongke Zhang, Tsuneyoshi Matsuoka, Yuji Nakamura, Proceedings of the Combustion Institute 38 (2020), in press, https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.05.041.

  [2] A Review of Near-limit Opposed Fire Spread, Xinyan Huang*, Jian Gao*, Fire Safety Journal (2020), in press, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2020.103141. 

  

 
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