固体可燃物热解气化及热解气对冲流场点燃过程模型与实验研究

摘要

对于固体可燃物热解着火的研究，将其分为气相着火过程以及固相中的热解气化过程进行单独的研究将会更有效率，而这两个过程可通过固体表面上的能量守恒和质量守恒关系相互联系起来。
　　 对固体表面上方的气相着火过程的研究，可以人为的将气体燃料（如甲烷）通过一个多孔介质平板后射向空气后，由此形成的对冲流场来模拟热解气析出固体表面过后与固体表面上方的空气相混合这样一个过程。基于此，本文将在对冲流场中展开对固体表面上方气相着火过程的研究，以此来分析点火源能量、点火源位置以及Damk(o)hler数对临界着火质量流率的影响。为了进一步简化固体可燃物表面上方的气体着火模型，本文采用一步二级全局的阿累尼乌斯化学反应动力学假设。同时由于气体中的化学反应特征时间远远小于气体输运的特征时间，所以可采用准稳态的研究手段来研究不同燃料质量流率条件下气相中的温度、浓度以及化学反应速率的分布特征。点火源特性和Damk(o)hler数对气相点燃过程和熄火过程的影响，以及在这两个参数共同影响下的着火点与熄火点的关系，都将通过计算所得的S曲线的变化规律进行深入的研究。从研究结果中我们可以发现：(1)随着Damk(o)hler数和点火源能量的增加，相应的临界着火质量流率也随之减少，并逐渐靠近熄火点所对应的临界熄火质量流率；(2)点火源位置对临界着火质量流率的影响不再呈现出一个单调的变化趋势，而是一个U型的变化规律；(3)环境压力对临界着火质量流率的影响主要通过Damkohler数、点火源能量以及点火源位置等三个参数的无量纲形式来进行分析，本文将细致讨论这三个参数与环境压力间相互的耦合关系。
　　 为验证上述理论模型的正确性，一方面以有机玻璃(PMMA)作为实验样件，测试不同实验工况下的临界着火质量流率。其实验工况主要为：点火源位置在固体表面上方6～70mm的范围内进行变化；点火源能量从30～240W的范围内变化；外部入射热流则为21.2和25.4kW/m2。另一方面，选用榆木作为实验样件，分别在西藏拉萨地区（环境压力0.67atm）以及合肥地区(环境压力1.0atm)进行了对比实验（热流范围为10～40kW/m2），测试了不同实验工况下的临界着火质量流率以及样件的热解失重随时间的变化关系。从实验结果可以看出：榆木在0.67atm的低压环境中临界着火质量流率只有标准大气压1.0atm条件下的60％，这与我们的模型计算结果保持一致。同时利用前人关于压力对固体可燃物临界着火质量流率影响的实验结果也很好的验证了本文模型的正确性。另外，实验结果显示，榆木在外部辐射热流作用下随时间变化的热解质量损失速率在低压环境中更大，其相应的着火时间也更短暂，这与模型计算结果有比较好的符合。
　　 针对可炭化固体可燃物固相内的热解气化过程的研究，本文发展出一个考虑多孔介质中传热传质过程以及环境压力影响的综合模型，来模拟固体可燃物热解失重随时间的变化关系。模型对于0.6-1.0atm环境压力，18-50kW/m2外部辐射热流的工况下，木材的热解失重速率随时间的变化关系进行了模拟。可以看出随着压力的增加，木材的热解失重速率会提前发生，并在相同时间点上，大于环境压力较高的情况。而随着外部辐射热流的增加，木材的热解失重速率会相应增加。通过实验研究，验证了我们理论模型的正确性。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究历史及现状

1.2.1 固体可燃物的热解过程

1.2.2 固体着火临界判据

1.3 研究目的和主要内容

1.4 本文的章节安排

参考文献

第二章 固体可燃物着火熄火及燃烧过程

2.1 引言

2.2 固体燃烧模型

2.2.1 固体燃烧模型描述

2.2.2 模型计算结果

2.3 固体可燃物熄火过程

2.4 固体可燃物着火过程

2.5 本章小结

参考文献

第三章 固体可燃物热解气着火模型

3.1 引言

3.2 均匀搅拌反应器点燃理论

3.3 固体可燃物热解气点燃模型

3.3.1 固体可燃物热解气挥发过程

3.3.2 Counter-flow中引入点火源

3.3.3 Counter-flow中引入点火源及化学反应

3.4 模型计算结果

3.4.1 点火源能量对着火点的影响

3.4.2 Damk(ǒ)hler数对着火点的影响

3.4.3 点火源能量与Damk(ǒ)hler数的耦合影响

3.4.4 点火源位置对点燃过程的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 固体可燃物临界着火质量流率的实验研究

4.1 引言

4.2 实验装置介绍

4.2.1 热辐射源

4.2.2 辐射热流计、电子天平和采集模块

4.3 点火源对固体点燃过程的影响

4.3.1 实验设计与实验数据处理

4.3.2 点火源位置对固体点燃过程的影响

4.3.3 点火源能量对固体点燃过程的影响

4.4 环境压力对固体点燃过程的影响

4.4.1 借助固体稳定燃烧理论开展环境压力影响的研究

4.4.2 模拟结果分析及讨论

4.4.3 实验结果分析及讨论

4.5 环境氧浓度对固体点燃过程的影响

4.6 本章小结

参考文献

第五章 固体可燃物内部热解过程研究

5.1 引言

5.2 固体可燃物热解综合模型

5.2.1 固体可燃物内部热解气化模型

5.2.2 模型计算结果

5.3 环境压力对于固体可燃物临界着火热流的影响

5.3.1 临界着火热流

5.3.2 实验结果分析与讨论

5.3.3 压力对临界着火条件的影响

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 本文工作创新点

6.3 进一步工作展望

致谢

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