泥炭陰燃及陰燃氣體生成規(guī)律的實驗與機理研究.pdf

1、森林中含有豐富的天然燃料，其中腐爛的枯枝落葉、動物殘骸，經(jīng)過長時間的沉淀，會形成腐殖質(zhì)或泥炭層。這些有機質(zhì)在雷擊或人為焚燒時易被點燃從而引發(fā)火災。森林腐殖質(zhì)或泥炭形成的地下陰燃火災是森林中危害極為嚴重的地下火災。
　　泥炭地儲存著大量的土壤碳，一旦發(fā)生陰燃，會釋放出大量的溫室氣體和有害氣體，對全球大氣平衡以及人類健康造成嚴重威脅。隨著全球氣候的變暖，世界大面積的泥炭陰燃火災頻繁發(fā)生，泥炭陰燃研究已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。
　　

2、目前有關(guān)泥炭陰燃過程氣體生成規(guī)律的實驗研究很少，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)注點只在CO2，CO，CH4三種氣體產(chǎn)物。理論研究方面，主要通過數(shù)值模型研究陰燃點燃的臨界含水率和無機物含量、臨界含水率和氧濃度之間的關(guān)系。目前還沒有數(shù)值模型去揭示陰燃橫向傳播機理，特別是在有環(huán)境風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

3、術(shù)研究研究泥炭在惰性氣氛下的熱解行為，建立相應的熱解動力學模型，假定泥炭熱解為三個偽組分半纖維素、纖維素、木質(zhì)素熱解總和，利用基因遺傳算法優(yōu)化得到相應的動力學參數(shù)和每個組分熱解的溫度區(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，建立相應的動力學模型，假定泥炭燃燒分為水分

4、蒸發(fā)、泥炭熱解、泥炭氧化和炭氧化階段，優(yōu)化得到每步反應的溫度區(qū)間，利用FTIR分析主要氣體組分的溫度生成區(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)的五步反應動力學機制（包括水分蒸發(fā)、泥炭熱解，泥炭氧化，α-char，β-char氧化），利用基因遺傳算法逆向模擬得到相應的動力學參數(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驗臺研究無機物含量和

5、泥炭床初始高度對陰燃峰值溫度，陰燃熱解反應峰和氧化反應峰的傳播速度，陰燃床形變的影響，同時通過COMSOL多物理場仿真軟件建立一維陰燃數(shù)值模型，并通過移動網(wǎng)格技術(shù)模擬上表面的收縮特性
　　擴展泥炭陰燃模型到二維，且利用COMSOL-Multiphysics中的移動網(wǎng)格技對上邊界的移動位移進行計算，獲取了泥炭陰燃的二維結(jié)構(gòu)，研究無機物含量和邊界熱損失對陰燃二維結(jié)構(gòu)，陰燃傳播速度和陰燃時間的影響，同時利用相關(guān)實驗去驗證了提出的數(shù)值模型

6、，模型預測的結(jié)果可以為我們提供對高無機物含量的泥炭陰燃火災更深一步的認識。
　　利用一小尺寸風洞研究橫向環(huán)境風風速，環(huán)境氧濃度對淺層泥炭陰燃傳播機理的影響。同時利用NOVA PLUS多功能煙氣分析儀來測生成的CO2，CO，CH4，研究了氧氣濃度對泥炭橫向陰燃傳播機理和生成氣體的影響。然后建立相應的二維橫向陰燃傳播的數(shù)值模型，揭示了實驗中高氧濃度下表面“glowing”灼熱燃燒，即“overhang”消失的根本原因是表面層發(fā)生了二次