木材等生物質(zhì)的燃燒過(guò)程包括揮發(fā)分的明火燃燒（flaming combustion）和殘留焦炭（殘?zhí)浚┑臒肴迹╣lowing combustion）（如圖1所示）。相對(duì)于明火燃燒，殘?zhí)康臒肴寄軌蛟跇O度欠氧條件下維持，有反應(yīng)溫和、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，通風(fēng)條件良好時(shí)能夠再次引發(fā)劇烈的明火燃燒。所以殘?zhí)繜肴紮C(jī)理的研究對(duì)于生物質(zhì)的高效清潔燃燒以及森林火災(zāi)、木質(zhì)建筑火災(zāi)的預(yù)警和撲救有重要的指導(dǎo)意義。
圖1 木材燃燒過(guò)程中的明火與熾燃
（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
近年來(lái)，青島能源所熱能工程研究組與澳大利亞西澳大學(xué)能源研究中心（Centre for Energy, The University of Western Australia）、日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)能源工程實(shí)驗(yàn)室（Energy Conversion Engineering Laboratory, Toyohashi University of Technology）緊密合作，針對(duì)上述問(wèn)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(zhì)殘?zhí)康哪Ｐ臀?，利用固定床反?yīng)器在可控邊界條件下開展實(shí)驗(yàn)，成功捕捉了熾燃鋒面的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)蔓延過(guò)程（如圖2a所示），考察了殘?zhí)课镄詤?shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)于熾燃特性的影響規(guī)律。此外，通過(guò)開展計(jì)算流體力學(xué)模擬，對(duì)熾燃過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)解析，成功再現(xiàn)了熾燃鋒面的蔓延過(guò)程（如圖2b所示），預(yù)測(cè)了熾燃鋒面的熱化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而揭示了生物質(zhì)殘?zhí)康臒肴紮C(jī)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(jīng)超越固定碳的表面氧化成為主導(dǎo)因素，這一發(fā)現(xiàn)完善和發(fā)展了前人關(guān)于熾燃過(guò)程由異相表面氧化反應(yīng)主導(dǎo)的論斷。
圖2 熾燃鋒面的蔓延：（a）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；（b）模擬結(jié)果。
近日，該研究相關(guān)成果被第38屆國(guó)際燃燒會(huì)議（38th International Symposium on Combustion）接收為口頭報(bào)告，論文被燃燒領(lǐng)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(xué)黃鑫炎博士邀請(qǐng)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(fā)表于火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Fire Safety Journal，文章對(duì)熾燃現(xiàn)象的燃燒機(jī)理做了進(jìn)一步闡述，對(duì)明火、熾燃、陰燃等燃燒現(xiàn)象做了較為明確的區(qū)分。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和青島能源所研究組啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。
相關(guān)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.
