本文關(guān)鍵詞： 泥炭地 熱解動(dòng)力學(xué) 陰燃火災(zāi) 陰燃傳播 煙氣分析 數(shù)值模型　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：森林中含有豐富的天然燃料,其中腐爛的枯枝落葉、動(dòng)物殘骸,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉淀,會(huì)形成腐殖質(zhì)或泥炭層。這些有機(jī)質(zhì)在雷擊或人為焚燒時(shí)易被點(diǎn)燃從而引發(fā)火災(zāi)。森林腐殖質(zhì)或泥炭形成的地下陰燃火災(zāi)是森林中危害極為嚴(yán)重的地下火災(zāi)。泥炭地儲(chǔ)存著大量的土壤碳,一旦發(fā)生陰燃,會(huì)釋放出大量的溫室氣體和有害氣體,對(duì)全球大氣平衡以及人類(lèi)健康造成嚴(yán)重威脅。隨著全球氣候的變暖,世界大面積的泥炭陰燃火災(zāi)頻繁發(fā)生,泥炭陰燃研究已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前有關(guān)泥炭陰燃過(guò)程氣體生成規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究很少,主要建立在TG-FTIR,TG-MS,TG-GC等聯(lián)用技術(shù)上的定性分析,主要關(guān)注點(diǎn)只在C02,CO,CH_4三種氣體產(chǎn)物。理論研究方面,主要通過(guò)數(shù)值模型研究陰燃點(diǎn)燃的臨界含水率和無(wú)機(jī)物含量、臨界含水率和氧濃度之間的關(guān)系。目前還沒(méi)有數(shù)值模型去揭示陰燃橫向傳播機(jī)理,特別是在有環(huán)境風(fēng)作用下泥炭的多維橫向傳播結(jié)構(gòu)需要深入研究。本文的具體安排如下:利用TG-FTIR-MS聯(lián)用技術(shù)研究研究泥炭在惰性氣氛下的熱解行為,建立相應(yīng)的熱解動(dòng)力學(xué)模型,假定泥炭熱解為三個(gè)偽組分半纖維素、纖維素、木質(zhì)素?zé)峤饪偤?利用基因遺傳算法優(yōu)化得到相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和每個(gè)組分熱解的溫度區(qū)間,利用FTIR和MS分析法辨別出熱解主要的生成氣體,找到各氣體組分相應(yīng)的生成溫度區(qū)間,結(jié)合TG中固體組分熱解的溫度區(qū)間判斷氣體的生成來(lái)源。同樣利用TG-FTIR聯(lián)用技術(shù)研究泥炭在空氣氣氛下的燃燒行為,建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型,假定泥炭燃燒分為水分蒸發(fā)、泥炭熱解、泥炭氧化和炭氧化階段,優(yōu)化得到每步反應(yīng)的溫度區(qū)間,利用FTIR分析主要?dú)怏w組分的溫度生成區(qū)間,然后結(jié)合TG得到的固相熱解氧化溫度區(qū)間,從而得到氣體組分的來(lái)源。利用惰性和空氣下的TG/DTG數(shù)據(jù),建立更優(yōu)的五步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制(包括水分蒸發(fā)、泥炭熱解,泥炭氧化,a-char,β-char氧化),利用基因遺傳算法逆向模擬得到相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),為后續(xù)章節(jié)陰燃數(shù)值模型提供參數(shù)輸入。利用泥炭豎向陰燃實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究無(wú)機(jī)物含量和泥炭床初始高度對(duì)陰燃峰值溫度,陰燃熱解反應(yīng)峰和氧化反應(yīng)峰的傳播速度,陰燃床形變的影響,同時(shí)通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件建立一維陰燃數(shù)值模型,并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬上表面的收縮特性擴(kuò)展泥炭陰燃模型到二維,且利用COMSOL-Multiphysics中的移動(dòng)網(wǎng)格技對(duì)上邊界的移動(dòng)位移進(jìn)行計(jì)算,獲取了泥炭陰燃的二維結(jié)構(gòu),研究無(wú)機(jī)物含量和邊界熱損失對(duì)陰燃二維結(jié)構(gòu),陰燃傳播速度和陰燃時(shí)間的影響,同時(shí)利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證了提出的數(shù)值模型,模型預(yù)測(cè)的結(jié)果可以為我們提供對(duì)高無(wú)機(jī)物含量的泥炭陰燃火災(zāi)更深一步的認(rèn)識(shí)。利用一小尺寸風(fēng)洞研究橫向環(huán)境風(fēng)風(fēng)速,環(huán)境氧濃度對(duì)淺層泥炭陰燃傳播機(jī)理的影響。同時(shí)利用NOVAPLUS多功能煙氣分析儀來(lái)測(cè)生成的CO_2,CO,CH_4,研究了氧氣濃度對(duì)泥炭橫向陰燃傳播機(jī)理和生成氣體的影響。然后建立相應(yīng)的二維橫向陰燃傳播的數(shù)值模型,揭示了實(shí)驗(yàn)中高氧濃度下表面"glowing"灼熱燃燒,即"overhang"消失的根本原因是表面層發(fā)生了二次炭氧化反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法可以使我們對(duì)泥炭橫向陰燃傳播機(jī)理有更進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)。
[Abstract]:Contains natural fuel rich forest, including decaying litter, animal remains, after a long time of precipitation, formation of humus or peat layer. The organic matter in the lightning or artificially burned easily ignited causing the fire. The underground smoldering fire form forest humus or peat forest in the underground fire hazard is very serious the peat soil carbon storage. The event of smoldering, releases large amounts of greenhouse gases and harmful gas, the global atmospheric balance and human health caused a serious threat. As the global climate warming, peat smoldering fire large areas of the world occur frequently, peat smoldering research has attracted more and more attention at present. Experimental study on the formation of the peat smoldering process gas are mainly based on TG-FTIR, TG-MS, TG-GC combined qualitative analysis technology, the main concern Only in C02, CO, gas product three CH_4. The theoretical research, mainly through the study of smoldering numerical model ignited the critical moisture content and inorganic content, the relationship between the critical moisture content and oxygen concentration. There is no numerical model to reveal the mechanism of smoldering transverse propagation, especially when there is a need to study further the multidimensional transverse propagation the structure of cross wind conditions of peat. The paper is organized as follows: the pyrolysis behavior by peat research technique under inert atmosphere using TG-FTIR-MS combination, establish corresponding pyrolysis kinetic model, assuming three peat pyrolysis pseudo component of hemicellulose, cellulose, lignin pyrolysis combined, using genetic algorithm to optimize the temperature range the kinetic parameters of each group and the corresponding points of pyrolysis, using FTIR and MS analysis to identify the main pyrolysis gas generated, for generating temperature of each gas component corresponding Interval judgment by the generation source gas temperature interval of solid component of pyrolysis TG. The combustion behavior also use TG-FTIR technology of peat in air atmosphere, establish the corresponding dynamics model, assuming that the peat is divided into water evaporation and burning of peat peat pyrolysis, oxidation and carbon oxidation stage, optimal temperature range of each reaction is obtained the FTIR analysis of the use of temperature interval to generate the main gas components, and then combined with the solid phase oxidation temperature interval TG, so as to get the source of gas components. The number of TG/DTG inert and air condition according to the five step reaction mechanism, establish better (including water evaporation, peat peat pyrolysis, oxidation, a-char -char, beta oxidation), using genetic algorithm for inverse simulation to obtain the corresponding kinetic parameters, provide input parameters for the following chapters. The numerical model of the use of peat smoldering vertical smoldering. The test bench of inorganic content and peat bed height on the initial peak temperature of smoldering, smoldering pyrolysis and oxidation peak peak velocity, bed deformation and smoldering effect, by COMSOL multiphysics simulation software to establish the numerical model of one-dimensional smoldering, and extended to two-dimensional model peat smoldering by moving grid method on the contraction characteristics of the surface the use of mobile technology and grid COMSOL-Multiphysics in displacement on the upper boundary of the calculation, obtain a two-dimensional structure of peat smoldering, inorganic content and boundary heat loss on the smoldering two dimensional structure, influence of smoldering propagation velocity and combustion time, and use related experiments to verify the proposed numerical model, prediction model the results can provide the high mineral content of peat smoldering fire a deeper knowledge for us. With a small size of horizontal wind tunnel The ambient wind speed, influence of environmental oxygen concentration on shallow peat smoldering propagation mechanism. At the same time using the NOVAPLUS multi function flue gas analyzer to measure the generated CO_2, CO, CH_4, studied the influence of oxygen concentration on the peat smoldering propagation mechanism and horizontal gas production. The numerical model is then established the corresponding two-dimensional transverse smoldering propagation, reveals high oxygen concentration in the experiment under the surface "glowing" hot burning, "the main reason for the overhang" disappear is the surface layer occurred two times of carbon oxidation method. By combining experiments and numerical modeling can help us further understanding of the mechanism of lateral peat smoldering propagation.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O643.21

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本文編號(hào)：1549798