研究揭示生物質殘炭燃燒機理

2020-09-05 中科院之聲

木材等生物質的燃燒過程包括揮發分的明火燃燒和殘留焦炭（殘炭）的熾燃。相對於明火燃燒，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，且在通風條件良好時能夠再次引發劇烈的明火燃燒。殘炭熾燃機理的研究對生物質的高效清潔燃燒，以及森林火災、木質建築火災的預警和撲救有指導意義。

近年來，中國科學院青島生物能源與過程研究所熱能工程研究組與澳大利亞西澳大學能源研究中心、日本豐橋技術科學大學能源工程實驗室合作，針對上述問題開展系列研究工作。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，成功捕捉熾燃鋒面的準穩態蔓延過程，考察殘炭物性參數和環境參數對於熾燃特性的影響規律。通過計算流體力學模擬，研究人員對熾燃過程中的傳熱傳質現象和化學反應過程進行數學解析，再現熾燃鋒面的蔓延過程，預測熾燃鋒面的熱化學結構，揭示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超越固定碳的表面氧化成為主導因素。該發現完善和發展了關於熾燃過程由異相表面氧化反應主導的論斷。

相關成果發表在燃燒領域期刊Proceedings of the Combustion Institute上，並被第38屆國際燃燒會議接收為口頭報告。基於上述成果，香港理工大學博士黃鑫炎、青島能源所博士高健在Fire Safety Journal上發表綜述文章A review of near-limit opposed fire spread，進一步闡述熾燃現象的燃燒機理，並對明火、熾燃、陰燃等燃燒現象進行較為明確的區分。研究得到國家自然科學基金委、青島能源所研究組啟動經費的支持。

熾燃鋒面的蔓延：（a）實驗現象、（b）模擬結果

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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