《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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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（128页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国科学技术大学 博士学位论文 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 作者姓名： 学科专业： 导师姓名n 完成时间： 戴佳昆 安全科学与工程 杨立中教授 二。一二年四月一十五日 f I I I I I l l l l lI I I IIl l l ll l l l lI I I I I II I I I I I l l l l l Y 2 12 6 0 2 9 U n i v e r s i t yo fS n dT e c h n o l ( j yo fChinaUO tc i e n c ea n de c h n o l o c l vS Adi s s e r
2、t a t i o nf o rD o c t o r Sd e gr e e M o d e l i n ga n dE x p e r i m e n t a lS t u d y o f G a si f i c a t i o nP r o c e s so fS o li dF u e l s C e s sO tOC lU e a n dP i l o t e dI g n i t i o ni nC o u n t e r F l o w o fP y r o l y si sV o l a t i l e s A u t h o r SN a m e ：J i a k u nD
3、 a i S p e c i a l i t y ：S a f e t yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r ：P r o f L i z h o n gY a n g F i n i s h e dt i m e ： A p r i l15 t h ，2 012 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的
4、说明。 作者签名： 签字日期：盈! 三二笸二星 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 屯么，开口保密i 年) 作者签名：丛趋& 新签名： 签字日期：丝! 三二二鳌 签字日期： Z 9 ，2 6 一、 摘要 摘要 对于固体可燃物热解着
5、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D a m k 6 h l e r 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
6、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D a m k O h l e r 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D a m k 6 h l e r 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
7、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D a m k 6 h l e r 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( P M M A ) 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 7 0 m m 的范围内进行变化；点火源能量从3 0 2 4 0 W 的范围内变化； 外部入射热流则为2 1 2 和2 5 4k W m 2 。另一方面，选用榆木作为
8、实验样件，分 别在西藏拉萨地区( 环境压力O 6 7a t m ) 以及合肥地区( 环境压力1 0a t m ) 进行 了对比实验( 热流范围为1 0 4 0k W m 2 ) ，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问的变化关系。从实验结果可以看出：榆木在 0 6 7a t m 的低压环境中临界着火质量流率只有标准大气压1 。0a t m 条件下的6 0 ， 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
9、中 T 摘要 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 0a t m 环境压力，1 8 5 0k W m 2 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。 关键字：固体
10、着火，对冲流场，D a m k 6 h l e r 数，气相点燃模型，点燃突变点，熄 火突变点，低压低氧，热解气化模型 A b s t r a c t A b s t r a c t I ti sp r o p o s e dt h a tp i l o t e di g n i t i o no ff l a m e sn e a rs o l i ds u r f a c e sc a nb ee f f e c t i v e l y i n v e s t i g a t e db ys e p a r a t i n gt h eg a s e o u sr e a c t i o
11、nf r o mt h ee n e r g ya n dm a s sb a l a n c ea t t h es u r f a c e P i l o t e di g n i t i o ni n g a sp h a s ea b o v es o l i d s u r f a c e si si n v e s t i g a t e db y s i m u l a t i n gt h et r a n s p o r ta n dc h e m i c a lr e a c t i o ni nac o u n t e rf l o wa r r a n g e m e
12、n tw h e r ea k n o w nf u e l ( m e t h a n e ) i ss u p p l i e dt h r o u g hap o r o u sb u r n e ra n dt h ep o w e ra n dt h e l o c a t i o no ft h ei g n i t e ra r ev a r i e d T h ep o r o u sb u m e ra r r a n g e m e n ts i m u l a t e sa p y r o l y s i n gs o l i df u e la tc o n s t a
13、 n tt e m p e r a t u r eb ys e p a r a t i n gt h eg a s e o u sp h a s ef r o mt h e s o l i dc o n d u c t i o na n dp y r o l y s i sp h e n o m e n a A nA r r h e n i u so n e s t e pg l o b a lr e a c t i o na n d as i m p l i f i e d t r a n s p o r tm o d e lw e r eu s e d i nt h e s i m u l
14、 a t i o n O n l yq u a s i - s t e a d y c o n d i t i o n sa r ec o n s i d e r e df o rt h eg a s e o u sp h a s ei n t h i sw o r kb e c a u s et h er e s p o n s e t i m ef o rt h es o l i dp h e n o m e n ai s ，i ng e n e r a l ，m u c hl a r g e rt h a nt h er e s p o n s ed i f f u s i o n t
15、i m ef o rt h eg a s e o u sp h e n o m e n a T h er e l a t i o no fp i l o t e di g n i t i o nt oe x t i n c t i o ni sa l s o i n v e s t i g a t e d T h ee f f e c to fD a m k 6 h l e rn u m b e ro ni g n i t i o na n de x t i n c t i o n ( w i t h o u t i g n i t e r ) a n dt h ee f f e c to f
16、 t h ei g n i t e ro ni g n i t i o na r ep r e s e n t e dt h r o u g hac h a r a c t e r i s t i cS c u r v eo b t a i n e db yp l o t t i n gt h ee v o l v i n gm a x i m u mt e m p e r a t u r ea saf u n c t i o no ff u e l m a s sf l u x B a s e do nt h eS s h a p e dc u r v e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i l o t e di g n i t i o n a n de x t i n c t i o nt u r n i n gp o i n t sa n dm a s sf l u x e sh a sb e e nd e m o n s t r a t
