可燃固體顆粒堆中的逆向火焰?zhèn)鞑?/h1>
2022-03-02 12:54:48周碩碩齊曉賓黃鑫炎張東柯
燃燒科學(xué)與技術(shù) 2022年1期
周碩碩，齊曉賓，高?健，黃鑫炎，張東柯, 5
可燃固體顆粒堆中的逆向火焰?zhèn)鞑?/p>
周碩碩1, 2，齊曉賓1, 3，高?健1，黃鑫炎4，張東柯1, 5
(1. 中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，青島 266100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100089；4. 香港理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源工程學(xué)系，香港 999077；5. 西澳大學(xué)能源中心(M473)，Crawley，WA6009，澳大利亞)
本研究考察了火焰在可燃固體顆粒堆中的傳播過程．選取5mm直徑PMMA小球作為特征可燃物，以氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚庾鳛檠趸瘎诓煌鯘舛群土魉贄l件下對火焰?zhèn)鞑ニ俣群凸腆w質(zhì)量消耗速率進(jìn)行了測量．研究表明，氧通量是影響火焰?zhèn)鞑ズ唾|(zhì)量消耗的主導(dǎo)因素．氧通量保持不變時，增大流速會縮短火焰前鋒的氣相預(yù)熱長度，使其傳播速度降低；同時，固相預(yù)熱長度拉長導(dǎo)致質(zhì)量消耗速率升高，使火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c質(zhì)量消耗速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢．
PMMA；火焰?zhèn)鞑?；預(yù)熱長度；質(zhì)量消耗速率
可燃固體顆粒堆(如糧倉、煤堆和固廢堆)的火災(zāi)風(fēng)險是燃料運(yùn)輸和儲存中重要的安全問題．這些可燃固體顆粒堆可能發(fā)生熱自燃，即內(nèi)部形成陰燃并向外傳播，而火焰在多孔燃料床中的傳播風(fēng)險則鮮有研究．根據(jù)氧化劑的流動方向，固體的火傳播分為順向和逆向兩種基本模式，順向火傳播是指火傳播方向與氧化劑流動方向一致，而逆向火傳播是指火逆著氧化劑傳播．需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這里的“火”既可以是氣相氧化放熱主導(dǎo)的明火，也可以是異相表面氧化反應(yīng)主導(dǎo)的陰燃前鋒．近來，筆者團(tuán)隊對這兩種火傳播模式進(jìn)行了較為系統(tǒng)的討論[1]，分析表明，相對于順向火傳播，逆向火傳播能夠在極度欠氧的條件下發(fā)生，所形成的小火焰或者陰燃前鋒能夠在顆粒間的狹縫中蔓延，而狹縫的尺度可能接近甚至小于層流預(yù)混火焰的淬熄極限．因此，深入研究固體顆粒堆中的火傳播特性對于能源系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)防有重要的實(shí)際意義.
前人針對逆向火傳播過程進(jìn)行了大量研究. Saastamoinen等[2]研究了木材顆粒固定床中的逆向火傳播行為．研究發(fā)現(xiàn)，隨著空氣供給流量的增大，火焰溫度和傳播速度呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢．Yang等[3]在生物質(zhì)和城市垃圾的固定床燃燒實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢．路長等[4]和賈寶山等[5]分別對聚氨酯泡沫的逆向火傳播進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計算，再次驗(yàn)證了火傳播速度隨空氣流量先增大后降低的趨勢．Shin等[6]構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型也成功預(yù)測了這一變化趨勢，依次將逆向火傳播過程劃分為3個不同的階段，即氧供給限制階段、反應(yīng)限制階段和對流冷卻階段，火傳播速度在反應(yīng)限制階段向?qū)α骼鋮s階段過渡的臨界工況條件下達(dá)到最大值．近年來，這一結(jié)論在Porteiro等[7]針對多種生物質(zhì)顆粒的固定床燃燒實(shí)驗(yàn)中得到了再次驗(yàn)證．此外，Ryu等[8]針對生物質(zhì)顆粒的研究表明，逆向火傳播過程不能將燃料完全消耗，因此，逆向火傳播之后會轉(zhuǎn)入殘?zhí)嫉木徛趸^程．Thunman等[9]的數(shù)值模擬工作也是針對生物質(zhì)顆粒開展的，他們認(rèn)為，逆向火傳播過程中氧氣的消耗主要?dú)w因于揮發(fā)分的氣相燃燒過程，而氣相燃燒限制了氧氣與固定碳的異相氧化反應(yīng)．
在極度欠氧狀態(tài)下時，火傳播通常由陰燃主導(dǎo)．He等[10-11]對木炭顆粒的逆向和順向陰燃過程進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明，相對于順向陰燃，逆向陰燃過程的溫度較低、傳播速度較快、碳轉(zhuǎn)化率較低．此外，他們也觀察到了逆向陰燃向順向陰燃轉(zhuǎn)變的兩階段燃燒過程．這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在泥炭陰燃的實(shí)驗(yàn)研究中[12]，實(shí)驗(yàn)中逆向陰燃前鋒的溫度為600～900K．馬增益等[13]在木屑的逆向陰燃實(shí)驗(yàn)中測到的燃燒溫度不高于800K．以上這些逆向陰燃過程由固定碳的異相氧化反應(yīng)維持，在如此低的燃燒溫度下，氣相氧化反應(yīng)的影響被認(rèn)為是極其微弱的．Nakamura等[14]以活性炭顆粒為燃料，在透明的石英材質(zhì)固定床反應(yīng)器中清晰地捕捉了逆向和順向火傳播過程，實(shí)驗(yàn)中測得的燃燒前鋒溫度已達(dá)1000K以上，處在燃燒前鋒處的活性炭顆粒呈現(xiàn)為熾紅態(tài)．相對于前述陰燃現(xiàn)象，較高的燃燒前鋒溫度預(yù)示著氣相氧化反應(yīng)可能已經(jīng)愈發(fā)顯著．為了證實(shí)這一推測，近期筆者團(tuán)隊對活性炭顆粒固定床中的逆向火傳播過程進(jìn)行了更為深入的研究[15]，結(jié)果表明，在這一火傳播過程中，一氧化碳的氣相氧化所釋放出的熱量在一些工況條件下已經(jīng)超過異相氧化放熱，因此，所觀察到的活性炭顆粒的火傳播現(xiàn)象是一種強(qiáng)化陰燃現(xiàn)象或者稱之為熾燃現(xiàn)象．此外，通過活性炭吸附不同的揮發(fā)性有機(jī)化合物(乙醇、異辛烷等)[16]，筆者團(tuán)隊證實(shí)了異相氧化和均相氧化的競爭是影響熾燃前鋒傳播速度和床體質(zhì)量消耗速率的重要因素．
綜上所述，過往研究主要是圍繞生物質(zhì)、焦炭、泥炭和活性炭等固體可燃物開展的，在這些可燃物的逆向火傳播過程中，燃燒放熱同時來自固定碳的異相氧化和揮發(fā)分的均相氧化．而生產(chǎn)生活中另一類常見的可燃固體——熱塑料(有機(jī)玻璃等)的燃燒特性是顯著不同的，熱塑料在較低溫度(200～500℃)下即發(fā)生熱解反應(yīng)，但熱解中不生產(chǎn)炭，即無炭化反應(yīng)，因此其燃燒過程中表面異相氧化較弱，決定這類可燃物燃燒過程的是較低溫度下的熱解過程和劇烈的高溫氣相氧化過程．目前，針對熱塑料這類可燃固體顆粒堆的火傳播特性的研究是較為欠缺的．
鑒于此，筆者在本研究中選取有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，簡稱PMMA)小球作為實(shí)驗(yàn)樣品，針對PMMA小球堆中的逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了氧化劑流速、氧濃度及氧通量等控制參數(shù)對逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程的火焰?zhèn)鞑ニ俣取①|(zhì)量消耗速率等燃燒特性參數(shù)的影響規(guī)律．本文所提供的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)討論對于全面了解可燃固體顆粒堆中的火傳播特性有重要的參考價值和指導(dǎo)意義．
1?實(shí)驗(yàn)方法
1.1?實(shí)驗(yàn)裝置
圖1所示為本研究的實(shí)驗(yàn)裝置示意．該實(shí)驗(yàn)裝置由內(nèi)徑25mm、壁厚1mm的石英管制成．由直徑5.0mm(±0.02mm)的PMMA小球堆砌成一個具有多孔結(jié)構(gòu)的床體．PMMA的熱物性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[17]見表1.對于所有實(shí)驗(yàn)工況，床體高度均設(shè)定為200mm.氧化劑為氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，流量由質(zhì)量流量計(D07-19B 七星華創(chuàng))精確控制．混合氣經(jīng)由直徑2.0～2.2mm的陶瓷小球堆積而成的整流氣室后，再通過一層鈦金屬多孔板后由底部通入床體．需要說明的是，對于5.0mm直徑的PMMA小球，預(yù)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)石英管直徑大于25mm時火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉匐S石英管直徑發(fā)生變化，說明壁面對于流場和溫度場的邊界效應(yīng)已經(jīng)十分微弱．因此，本研究中設(shè)定床體直徑為25mm是合理的．鑒于PMMA不溶于水的特性，利用灌水法得到了床體的空隙率為44.5%．
圖1?實(shí)驗(yàn)裝置示意
表1?PMMA的熱物性
Tab.1?Thermophysical properties of PMMA
實(shí)驗(yàn)中，待氧化劑氣流穩(wěn)定后，將一個點(diǎn)燃的PMMA小球放置于床體頂部實(shí)施點(diǎn)火．預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火對于后續(xù)火焰?zhèn)鞑ミ^程并無顯著的影響．究其原因，一是由于床體的多孔結(jié)構(gòu)具有整流作用，二是床體高度遠(yuǎn)大于床體直徑．當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ酱搀w底部時，立即停止氧化劑供應(yīng)，使火焰熄滅．實(shí)驗(yàn)過程中，整個裝置放置于精度為0.001g的電子天平(JA 2003舜宇恒平)上，通過實(shí)時記錄床體的質(zhì)量變化測定床體質(zhì)量消耗速率．與此同時，通過一臺數(shù)碼相機(jī)(HDR-CX680 SONY)以24幀/s的幀頻實(shí)時記錄火焰位置的變化來測定火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>
1.2?火焰位置確定
裁剪所得火焰圖片(圖2(a))的物理尺寸為28mm×130mm，共分布有220×1000個像素點(diǎn)．為了確定火焰位置，將拍攝到的火焰圖片利用Matlab軟件進(jìn)行灰度化處理，得到灰度圖(圖2(b))中每一個像素點(diǎn)的灰度值．在每一個軸向位置處，取徑向灰度值的平均值作為該軸向位置的平均灰度值，將最大平均灰度值所對應(yīng)的軸向位置定義為火焰位置??(圖2(c)).
圖2?火焰圖片處理以及火焰位置的確定
1.3?實(shí)驗(yàn)工況
本研究中實(shí)驗(yàn)工況的氧化劑參數(shù)設(shè)定如表2所示．其中，工況1、2和3的氧濃度固定為100%，流速以及氧通量由工況1向工況3逐漸增大；工況1、4和5中氧通量固定為1.29g/min，由工況1到工況4再到工況5氧濃度逐漸降低而氧化劑流速逐漸增大．實(shí)驗(yàn)中，筆者對以上5工況的火焰?zhèn)鞑ニ俣群痛搀w質(zhì)量消耗速率進(jìn)行測定．實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差通過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到．
表2?實(shí)驗(yàn)條件
Tab.2?Experimental conditions
2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1?逆向火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象
圖3(a)所示為逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程中不同時刻的火焰圖片，在此，將其與筆者團(tuán)隊近期研究[15]中活性炭顆粒的逆向熾燃前鋒傳播圖片(圖3(b))進(jìn)行了對比．床層被點(diǎn)燃后，火焰?zhèn)鞑サ姆较蚨际悄嬷趸瘎┝鲃臃较蛳蛳聜鞑サ模捎谘跬枯^低，待燃燒前鋒傳播至床層底部后，床體的高度均沒有明顯變化．不同的是，圖3(a)中PMMA的火焰呈現(xiàn)為亮藍(lán)色，而活性炭的熾燃前鋒呈現(xiàn)為熾紅色．兩種燃燒前鋒的發(fā)光有著本質(zhì)區(qū)別：PMMA的藍(lán)色火焰事實(shí)上是顆粒間狹縫中蔓延的諸多小火焰的合集，藍(lán)色是PMMA的熱解氣中的碳?xì)浠衔锶紵龝r激發(fā)態(tài)的自由基(如CH*)從電子激發(fā)態(tài)躍遷回電子基態(tài)時發(fā)出的藍(lán)色熒光，維持火焰的熱釋放主要來自熱解氣的氣相氧化反應(yīng)；活性炭的熾紅光則是由于固體表面溫度達(dá)到900K以上時發(fā)出的熾光，維持熾燃前鋒的熱釋放主要來自活性炭的表面異相氧化反應(yīng)和一氧化碳的氣相氧化反應(yīng)．另外，PMMA的火焰?zhèn)鞑ミ^程貫穿20cm高的床層大約歷經(jīng)30s，而活性炭的熾燃前鋒貫穿約6cm高的床層用時約96s，前者的傳播速度較后者高出至少一個量級．
圖3?逆向火傳播現(xiàn)象
圖4所示為工況2條件下火焰位置和床體質(zhì)量隨時間的變化曲線．如圖所示，成功點(diǎn)火后經(jīng)過一個較為短暫的時間段(＜5s)，火焰高度和床體質(zhì)量開始隨時間線性降低，因此，可以認(rèn)為該火焰?zhèn)鞑ミ^程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)．根據(jù)圖4(a)中圖線的斜率推算火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.68cm/s，這一火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cMatsuoka?等[18]所測的PMMA平板之間逆向火焰?zhèn)鞑ニ俣?約0.6cm/s)在同一個量級．本研究中的小火焰本質(zhì)上是在PMMA小球間的狹縫中傳播的，小球與Matsuoka等[18]研究中的平板材質(zhì)同為PMMA，小球之間狹縫的特征尺寸應(yīng)該略小于小球直徑，在0.1～1.0mm，這與Matsuoka等[18]研究中的兩平板間距相近，這可能是導(dǎo)致兩種實(shí)驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ニ俣攘考壪嗤脑颍硗猓蓤D4(b)可知，整個逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程歷時約30s，床體質(zhì)量消耗約為0.74g，僅占床體總質(zhì)量的1.1%，床體的質(zhì)量消耗速率僅為0.027g/s，即逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程可以在相對較低的燃料消耗條件下維持，床層結(jié)構(gòu)也基本不變．
圖4?工況2時火焰位置和床體質(zhì)量隨時間的變化曲線
2.2?火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
圖5對不同工況條件下的火焰圖片進(jìn)行了比較．對比工況1、2和3可知，當(dāng)氧濃度不變時，隨著流速的增大，氧通量逐漸增大，燃燒變得更為劇烈，火焰亮度顯著增強(qiáng)．另一方面，工況1、4和5具有相同的氧通量，盡管流速和氧濃度不同，火焰亮度和燃燒前鋒的形態(tài)似乎沒有顯著的變化．由此可見，相對于氧濃度和流速，氧通量可能是較為主導(dǎo)的影響因素，這同時說明本研究中設(shè)定的工況尚處于氧通量較低的氧供給限制階段，尚未進(jìn)入較高氧通量工況的反應(yīng)限制和對流冷卻階段．
圖6所示為不同工況條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?如前所述，由于燃燒處于氧供給限制階段，由工況1～3，氧通量的增大顯著強(qiáng)化了燃燒，加速了火焰?zhèn)鞑ィr1、4和5在具有相同氧通量的條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S流速的增大和氧濃度的降低而變慢，下面筆者將對此進(jìn)行詳細(xì)的分析．
圖5?不同工況條件下的火焰圖片
圖6?不同工況條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
此外，氧濃度的降低也有可能降低氣相氧化反應(yīng)速率，從而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但這一點(diǎn)還需在后續(xù)的研究中通過尾氣組分濃度分析或開展考慮有限速率模型的數(shù)值模擬來進(jìn)行驗(yàn)證．
需要再次強(qiáng)調(diào)的是，如圖6(a)所示，對于工況1～3，在氧濃度不變的條件下，氧通量和氧化劑流速同時增大的結(jié)果是火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛欤@說明氧通量增大加速火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懻紦?jù)主導(dǎo)地位，抵消了流速增大(預(yù)熱長度縮短)帶來的負(fù)面影響．
2.3?質(zhì)量消耗速率
圖7所示為不同工況條件下的質(zhì)量消耗速率．在圖7(a)中，對于工況1～3，在氧濃度保持不變的條件下，提高氧通量顯著提高了燃燒強(qiáng)度，進(jìn)而加快了PMMA小球的熱解，此時床體質(zhì)量消耗速率與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔菔且恢碌?圖6(a)和7(a))，二者都隨氧通量的增大而增大．與此不同的是，圖7(b)中從工況1到4再到5，質(zhì)量消耗速率是逐漸升高的，這與圖6(b)中火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低的趨勢是相反的．由此可見，在逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢未必是一致的．
單位時間內(nèi)向PMMA小球傳遞熱量的多少決定了小球熱解速率，即床體質(zhì)量消耗速率．這里的熱量傳遞有兩個主要途徑：對流換熱和導(dǎo)熱(由于火焰呈現(xiàn)藍(lán)色，碳煙含量較低，因此暫時不考慮熱輻射的影響)．PMMA小球間氣體流動的雷諾數(shù)為
式中：為小球間空隙的特征尺寸，m，本文取為水力直徑；為床體空隙率；為氣體運(yùn)動黏度，m2/s．
3?結(jié)?論
本研究以5mm直徑PMMA小球作為特征可燃物，對可燃固體顆粒堆砌成的多孔床體中的逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了氧通量和氧化劑流速等參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣群痛搀w質(zhì)量消耗速率的影響．實(shí)驗(yàn)觀察到，燃燒前鋒由諸多藍(lán)色小火焰組成，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牧考壴?.1～1.0cm/s，相對于活性炭等可燃固體的陰燃或熾燃前鋒傳播速度較高.在較低氧通量條件下，火焰?zhèn)鞑ミ^程中固體顆粒的質(zhì)量消耗較少，燃料的質(zhì)量消耗速率的量級為0.01g/s，床體高度和結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，因此，從火災(zāi)安全角度來講，逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程具有一定的隱蔽性．
研究結(jié)果表明，氧通量可能是影響逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程的主導(dǎo)因素．氧通量的增加能夠顯著加快火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒓铀貾MMA小球的熱解，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢是一致的．而當(dāng)氧通量不變時，降低氧濃度、提高氧化劑流速減緩了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但床體質(zhì)量消耗速率仍然顯著上升，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢是相反的，分析表明，這是由于火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档蛯?dǎo)致固相預(yù)熱長度增加，從而促進(jìn)了PMMA小球的熱解造成的．
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Counter-Current Flame Propagation in a Pile of Combustible Particles
Zhou Shuoshuo1, 2，Qi Xiaobin1, 3，Gao Jian1，Huang Xinyan4，Zhang Dongke1, 5
(1. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266100，China；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100089，China；4. Department of Building Environment and Energy Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；5. Centre for Energy(M473)，The University of Western Australia，Crawley，WA6009，Australia)
The flame propagation process in a pile of combustible particles was investigated in this study. The polymethyl methacrylate(PMMA)beads of 5mm in diameter were used as combustibles and O2/N2mixtures as oxidant. The flame propagation velocity and mass loss rate were measured under conditions with varying oxidant flow rate and oxygen concentration. It was found that oxygen flux was the dominant factor affecting flame propagation and mass loss. For a constant oxygen flux，increasing the flow velocity shortened the gas-phase preheating length of flame front，thereby reducing the flame propagation velocity. Meanwhile，the elongation of solid-phase preheating length led to an increase in mass loss rate. As a result，the flame propagation velocity and mass loss rate showed opposite change trends.
PMMA；flame propagation；preheating length；mass loss rate
TK16
A
1006-8740(2022)01-0063-07
2021-03-19．
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51906251)；中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所熱能工程研究組啟動基金資助項(xiàng)目.
周碩碩（1995—??），男，博士研究生，zhouss@qibebt.ac.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn
高?健，男，博士，副研究員，gaojian@qibebt.ac.cn.
(責(zé)任編輯：隋韶穎)
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周碩碩，齊曉賓，高?健，黃鑫炎，張東柯, 5
可燃固體顆粒堆中的逆向火焰?zhèn)鞑?/p>
周碩碩1, 2，齊曉賓1, 3，高?健1，黃鑫炎4，張東柯1, 5
(1. 中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所，青島 266100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100089；4. 香港理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源工程學(xué)系，香港 999077；5. 西澳大學(xué)能源中心(M473)，Crawley，WA6009，澳大利亞)
本研究考察了火焰在可燃固體顆粒堆中的傳播過程．選取5mm直徑PMMA小球作為特征可燃物，以氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚庾鳛檠趸瘎诓煌鯘舛群土魉贄l件下對火焰?zhèn)鞑ニ俣群凸腆w質(zhì)量消耗速率進(jìn)行了測量．研究表明，氧通量是影響火焰?zhèn)鞑ズ唾|(zhì)量消耗的主導(dǎo)因素．氧通量保持不變時，增大流速會縮短火焰前鋒的氣相預(yù)熱長度，使其傳播速度降低；同時，固相預(yù)熱長度拉長導(dǎo)致質(zhì)量消耗速率升高，使火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c質(zhì)量消耗速率呈現(xiàn)相反的變化趨勢．
PMMA；火焰?zhèn)鞑?；預(yù)熱長度；質(zhì)量消耗速率
可燃固體顆粒堆(如糧倉、煤堆和固廢堆)的火災(zāi)風(fēng)險是燃料運(yùn)輸和儲存中重要的安全問題．這些可燃固體顆粒堆可能發(fā)生熱自燃，即內(nèi)部形成陰燃并向外傳播，而火焰在多孔燃料床中的傳播風(fēng)險則鮮有研究．根據(jù)氧化劑的流動方向，固體的火傳播分為順向和逆向兩種基本模式，順向火傳播是指火傳播方向與氧化劑流動方向一致，而逆向火傳播是指火逆著氧化劑傳播．需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這里的“火”既可以是氣相氧化放熱主導(dǎo)的明火，也可以是異相表面氧化反應(yīng)主導(dǎo)的陰燃前鋒．近來，筆者團(tuán)隊對這兩種火傳播模式進(jìn)行了較為系統(tǒng)的討論[1]，分析表明，相對于順向火傳播，逆向火傳播能夠在極度欠氧的條件下發(fā)生，所形成的小火焰或者陰燃前鋒能夠在顆粒間的狹縫中蔓延，而狹縫的尺度可能接近甚至小于層流預(yù)混火焰的淬熄極限．因此，深入研究固體顆粒堆中的火傳播特性對于能源系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)防有重要的實(shí)際意義.
前人針對逆向火傳播過程進(jìn)行了大量研究. Saastamoinen等[2]研究了木材顆粒固定床中的逆向火傳播行為．研究發(fā)現(xiàn)，隨著空氣供給流量的增大，火焰溫度和傳播速度呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢．Yang等[3]在生物質(zhì)和城市垃圾的固定床燃燒實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了相同的趨勢．路長等[4]和賈寶山等[5]分別對聚氨酯泡沫的逆向火傳播進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計算，再次驗(yàn)證了火傳播速度隨空氣流量先增大后降低的趨勢．Shin等[6]構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型也成功預(yù)測了這一變化趨勢，依次將逆向火傳播過程劃分為3個不同的階段，即氧供給限制階段、反應(yīng)限制階段和對流冷卻階段，火傳播速度在反應(yīng)限制階段向?qū)α骼鋮s階段過渡的臨界工況條件下達(dá)到最大值．近年來，這一結(jié)論在Porteiro等[7]針對多種生物質(zhì)顆粒的固定床燃燒實(shí)驗(yàn)中得到了再次驗(yàn)證．此外，Ryu等[8]針對生物質(zhì)顆粒的研究表明，逆向火傳播過程不能將燃料完全消耗，因此，逆向火傳播之后會轉(zhuǎn)入殘?zhí)嫉木徛趸^程．Thunman等[9]的數(shù)值模擬工作也是針對生物質(zhì)顆粒開展的，他們認(rèn)為，逆向火傳播過程中氧氣的消耗主要?dú)w因于揮發(fā)分的氣相燃燒過程，而氣相燃燒限制了氧氣與固定碳的異相氧化反應(yīng)．
在極度欠氧狀態(tài)下時，火傳播通常由陰燃主導(dǎo)．He等[10-11]對木炭顆粒的逆向和順向陰燃過程進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明，相對于順向陰燃，逆向陰燃過程的溫度較低、傳播速度較快、碳轉(zhuǎn)化率較低．此外，他們也觀察到了逆向陰燃向順向陰燃轉(zhuǎn)變的兩階段燃燒過程．這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在泥炭陰燃的實(shí)驗(yàn)研究中[12]，實(shí)驗(yàn)中逆向陰燃前鋒的溫度為600～900K．馬增益等[13]在木屑的逆向陰燃實(shí)驗(yàn)中測到的燃燒溫度不高于800K．以上這些逆向陰燃過程由固定碳的異相氧化反應(yīng)維持，在如此低的燃燒溫度下，氣相氧化反應(yīng)的影響被認(rèn)為是極其微弱的．Nakamura等[14]以活性炭顆粒為燃料，在透明的石英材質(zhì)固定床反應(yīng)器中清晰地捕捉了逆向和順向火傳播過程，實(shí)驗(yàn)中測得的燃燒前鋒溫度已達(dá)1000K以上，處在燃燒前鋒處的活性炭顆粒呈現(xiàn)為熾紅態(tài)．相對于前述陰燃現(xiàn)象，較高的燃燒前鋒溫度預(yù)示著氣相氧化反應(yīng)可能已經(jīng)愈發(fā)顯著．為了證實(shí)這一推測，近期筆者團(tuán)隊對活性炭顆粒固定床中的逆向火傳播過程進(jìn)行了更為深入的研究[15]，結(jié)果表明，在這一火傳播過程中，一氧化碳的氣相氧化所釋放出的熱量在一些工況條件下已經(jīng)超過異相氧化放熱，因此，所觀察到的活性炭顆粒的火傳播現(xiàn)象是一種強(qiáng)化陰燃現(xiàn)象或者稱之為熾燃現(xiàn)象．此外，通過活性炭吸附不同的揮發(fā)性有機(jī)化合物(乙醇、異辛烷等)[16]，筆者團(tuán)隊證實(shí)了異相氧化和均相氧化的競爭是影響熾燃前鋒傳播速度和床體質(zhì)量消耗速率的重要因素．
綜上所述，過往研究主要是圍繞生物質(zhì)、焦炭、泥炭和活性炭等固體可燃物開展的，在這些可燃物的逆向火傳播過程中，燃燒放熱同時來自固定碳的異相氧化和揮發(fā)分的均相氧化．而生產(chǎn)生活中另一類常見的可燃固體——熱塑料(有機(jī)玻璃等)的燃燒特性是顯著不同的，熱塑料在較低溫度(200～500℃)下即發(fā)生熱解反應(yīng)，但熱解中不生產(chǎn)炭，即無炭化反應(yīng)，因此其燃燒過程中表面異相氧化較弱，決定這類可燃物燃燒過程的是較低溫度下的熱解過程和劇烈的高溫氣相氧化過程．目前，針對熱塑料這類可燃固體顆粒堆的火傳播特性的研究是較為欠缺的．
鑒于此，筆者在本研究中選取有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，簡稱PMMA)小球作為實(shí)驗(yàn)樣品，針對PMMA小球堆中的逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了氧化劑流速、氧濃度及氧通量等控制參數(shù)對逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程的火焰?zhèn)鞑ニ俣取①|(zhì)量消耗速率等燃燒特性參數(shù)的影響規(guī)律．本文所提供的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)討論對于全面了解可燃固體顆粒堆中的火傳播特性有重要的參考價值和指導(dǎo)意義．
1?實(shí)驗(yàn)方法
1.1?實(shí)驗(yàn)裝置
圖1所示為本研究的實(shí)驗(yàn)裝置示意．該實(shí)驗(yàn)裝置由內(nèi)徑25mm、壁厚1mm的石英管制成．由直徑5.0mm(±0.02mm)的PMMA小球堆砌成一個具有多孔結(jié)構(gòu)的床體．PMMA的熱物性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[17]見表1.對于所有實(shí)驗(yàn)工況，床體高度均設(shè)定為200mm.氧化劑為氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，流量由質(zhì)量流量計(D07-19B 七星華創(chuàng))精確控制．混合氣經(jīng)由直徑2.0～2.2mm的陶瓷小球堆積而成的整流氣室后，再通過一層鈦金屬多孔板后由底部通入床體．需要說明的是，對于5.0mm直徑的PMMA小球，預(yù)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)石英管直徑大于25mm時火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉匐S石英管直徑發(fā)生變化，說明壁面對于流場和溫度場的邊界效應(yīng)已經(jīng)十分微弱．因此，本研究中設(shè)定床體直徑為25mm是合理的．鑒于PMMA不溶于水的特性，利用灌水法得到了床體的空隙率為44.5%．
圖1?實(shí)驗(yàn)裝置示意
表1?PMMA的熱物性
Tab.1?Thermophysical properties of PMMA
實(shí)驗(yàn)中，待氧化劑氣流穩(wěn)定后，將一個點(diǎn)燃的PMMA小球放置于床體頂部實(shí)施點(diǎn)火．預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火對于后續(xù)火焰?zhèn)鞑ミ^程并無顯著的影響．究其原因，一是由于床體的多孔結(jié)構(gòu)具有整流作用，二是床體高度遠(yuǎn)大于床體直徑．當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ酱搀w底部時，立即停止氧化劑供應(yīng)，使火焰熄滅．實(shí)驗(yàn)過程中，整個裝置放置于精度為0.001g的電子天平(JA 2003舜宇恒平)上，通過實(shí)時記錄床體的質(zhì)量變化測定床體質(zhì)量消耗速率．與此同時，通過一臺數(shù)碼相機(jī)(HDR-CX680 SONY)以24幀/s的幀頻實(shí)時記錄火焰位置的變化來測定火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>
1.2?火焰位置確定
裁剪所得火焰圖片(圖2(a))的物理尺寸為28mm×130mm，共分布有220×1000個像素點(diǎn)．為了確定火焰位置，將拍攝到的火焰圖片利用Matlab軟件進(jìn)行灰度化處理，得到灰度圖(圖2(b))中每一個像素點(diǎn)的灰度值．在每一個軸向位置處，取徑向灰度值的平均值作為該軸向位置的平均灰度值，將最大平均灰度值所對應(yīng)的軸向位置定義為火焰位置??(圖2(c)).
圖2?火焰圖片處理以及火焰位置的確定
1.3?實(shí)驗(yàn)工況
本研究中實(shí)驗(yàn)工況的氧化劑參數(shù)設(shè)定如表2所示．其中，工況1、2和3的氧濃度固定為100%，流速以及氧通量由工況1向工況3逐漸增大；工況1、4和5中氧通量固定為1.29g/min，由工況1到工況4再到工況5氧濃度逐漸降低而氧化劑流速逐漸增大．實(shí)驗(yàn)中，筆者對以上5工況的火焰?zhèn)鞑ニ俣群痛搀w質(zhì)量消耗速率進(jìn)行測定．實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差通過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到．
表2?實(shí)驗(yàn)條件
Tab.2?Experimental conditions
2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1?逆向火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象
圖3(a)所示為逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程中不同時刻的火焰圖片，在此，將其與筆者團(tuán)隊近期研究[15]中活性炭顆粒的逆向熾燃前鋒傳播圖片(圖3(b))進(jìn)行了對比．床層被點(diǎn)燃后，火焰?zhèn)鞑サ姆较蚨际悄嬷趸瘎┝鲃臃较蛳蛳聜鞑サ模捎谘跬枯^低，待燃燒前鋒傳播至床層底部后，床體的高度均沒有明顯變化．不同的是，圖3(a)中PMMA的火焰呈現(xiàn)為亮藍(lán)色，而活性炭的熾燃前鋒呈現(xiàn)為熾紅色．兩種燃燒前鋒的發(fā)光有著本質(zhì)區(qū)別：PMMA的藍(lán)色火焰事實(shí)上是顆粒間狹縫中蔓延的諸多小火焰的合集，藍(lán)色是PMMA的熱解氣中的碳?xì)浠衔锶紵龝r激發(fā)態(tài)的自由基(如CH*)從電子激發(fā)態(tài)躍遷回電子基態(tài)時發(fā)出的藍(lán)色熒光，維持火焰的熱釋放主要來自熱解氣的氣相氧化反應(yīng)；活性炭的熾紅光則是由于固體表面溫度達(dá)到900K以上時發(fā)出的熾光，維持熾燃前鋒的熱釋放主要來自活性炭的表面異相氧化反應(yīng)和一氧化碳的氣相氧化反應(yīng)．另外，PMMA的火焰?zhèn)鞑ミ^程貫穿20cm高的床層大約歷經(jīng)30s，而活性炭的熾燃前鋒貫穿約6cm高的床層用時約96s，前者的傳播速度較后者高出至少一個量級．
圖3?逆向火傳播現(xiàn)象
圖4所示為工況2條件下火焰位置和床體質(zhì)量隨時間的變化曲線．如圖所示，成功點(diǎn)火后經(jīng)過一個較為短暫的時間段(＜5s)，火焰高度和床體質(zhì)量開始隨時間線性降低，因此，可以認(rèn)為該火焰?zhèn)鞑ミ^程為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)．根據(jù)圖4(a)中圖線的斜率推算火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.68cm/s，這一火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cMatsuoka?等[18]所測的PMMA平板之間逆向火焰?zhèn)鞑ニ俣?約0.6cm/s)在同一個量級．本研究中的小火焰本質(zhì)上是在PMMA小球間的狹縫中傳播的，小球與Matsuoka等[18]研究中的平板材質(zhì)同為PMMA，小球之間狹縫的特征尺寸應(yīng)該略小于小球直徑，在0.1～1.0mm，這與Matsuoka等[18]研究中的兩平板間距相近，這可能是導(dǎo)致兩種實(shí)驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ニ俣攘考壪嗤脑颍硗猓蓤D4(b)可知，整個逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程歷時約30s，床體質(zhì)量消耗約為0.74g，僅占床體總質(zhì)量的1.1%，床體的質(zhì)量消耗速率僅為0.027g/s，即逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程可以在相對較低的燃料消耗條件下維持，床層結(jié)構(gòu)也基本不變．
圖4?工況2時火焰位置和床體質(zhì)量隨時間的變化曲線
2.2?火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>
圖5對不同工況條件下的火焰圖片進(jìn)行了比較．對比工況1、2和3可知，當(dāng)氧濃度不變時，隨著流速的增大，氧通量逐漸增大，燃燒變得更為劇烈，火焰亮度顯著增強(qiáng)．另一方面，工況1、4和5具有相同的氧通量，盡管流速和氧濃度不同，火焰亮度和燃燒前鋒的形態(tài)似乎沒有顯著的變化．由此可見，相對于氧濃度和流速，氧通量可能是較為主導(dǎo)的影響因素，這同時說明本研究中設(shè)定的工況尚處于氧通量較低的氧供給限制階段，尚未進(jìn)入較高氧通量工況的反應(yīng)限制和對流冷卻階段．
圖6所示為不同工況條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?如前所述，由于燃燒處于氧供給限制階段，由工況1～3，氧通量的增大顯著強(qiáng)化了燃燒，加速了火焰?zhèn)鞑ィr1、4和5在具有相同氧通量的條件下，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S流速的增大和氧濃度的降低而變慢，下面筆者將對此進(jìn)行詳細(xì)的分析．
圖5?不同工況條件下的火焰圖片
圖6?不同工況條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>
此外，氧濃度的降低也有可能降低氣相氧化反應(yīng)速率，從而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但這一點(diǎn)還需在后續(xù)的研究中通過尾氣組分濃度分析或開展考慮有限速率模型的數(shù)值模擬來進(jìn)行驗(yàn)證．
需要再次強(qiáng)調(diào)的是，如圖6(a)所示，對于工況1～3，在氧濃度不變的條件下，氧通量和氧化劑流速同時增大的結(jié)果是火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兛欤@說明氧通量增大加速火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懻紦?jù)主導(dǎo)地位，抵消了流速增大(預(yù)熱長度縮短)帶來的負(fù)面影響．
2.3?質(zhì)量消耗速率
圖7所示為不同工況條件下的質(zhì)量消耗速率．在圖7(a)中，對于工況1～3，在氧濃度保持不變的條件下，提高氧通量顯著提高了燃燒強(qiáng)度，進(jìn)而加快了PMMA小球的熱解，此時床體質(zhì)量消耗速率與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔菔且恢碌?圖6(a)和7(a))，二者都隨氧通量的增大而增大．與此不同的是，圖7(b)中從工況1到4再到5，質(zhì)量消耗速率是逐漸升高的，這與圖6(b)中火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低的趨勢是相反的．由此可見，在逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢未必是一致的．
單位時間內(nèi)向PMMA小球傳遞熱量的多少決定了小球熱解速率，即床體質(zhì)量消耗速率．這里的熱量傳遞有兩個主要途徑：對流換熱和導(dǎo)熱(由于火焰呈現(xiàn)藍(lán)色，碳煙含量較低，因此暫時不考慮熱輻射的影響)．PMMA小球間氣體流動的雷諾數(shù)為
式中：為小球間空隙的特征尺寸，m，本文取為水力直徑；為床體空隙率；為氣體運(yùn)動黏度，m2/s．
3?結(jié)?論
本研究以5mm直徑PMMA小球作為特征可燃物，對可燃固體顆粒堆砌成的多孔床體中的逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了氧通量和氧化劑流速等參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣群痛搀w質(zhì)量消耗速率的影響．實(shí)驗(yàn)觀察到，燃燒前鋒由諸多藍(lán)色小火焰組成，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牧考壴?.1～1.0cm/s，相對于活性炭等可燃固體的陰燃或熾燃前鋒傳播速度較高.在較低氧通量條件下，火焰?zhèn)鞑ミ^程中固體顆粒的質(zhì)量消耗較少，燃料的質(zhì)量消耗速率的量級為0.01g/s，床體高度和結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，因此，從火災(zāi)安全角度來講，逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程具有一定的隱蔽性．
研究結(jié)果表明，氧通量可能是影響逆向火焰?zhèn)鞑ミ^程的主導(dǎo)因素．氧通量的增加能夠顯著加快火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒓铀貾MMA小球的熱解，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢是一致的．而當(dāng)氧通量不變時，降低氧濃度、提高氧化劑流速減緩了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，但床體質(zhì)量消耗速率仍然顯著上升，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c床體質(zhì)量消耗速率的變化趨勢是相反的，分析表明，這是由于火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档蛯?dǎo)致固相預(yù)熱長度增加，從而促進(jìn)了PMMA小球的熱解造成的．
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Counter-Current Flame Propagation in a Pile of Combustible Particles
Zhou Shuoshuo1, 2，Qi Xiaobin1, 3，Gao Jian1，Huang Xinyan4，Zhang Dongke1, 5
(1. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266100，China；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100089，China；4. Department of Building Environment and Energy Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；5. Centre for Energy(M473)，The University of Western Australia，Crawley，WA6009，Australia)
The flame propagation process in a pile of combustible particles was investigated in this study. The polymethyl methacrylate(PMMA)beads of 5mm in diameter were used as combustibles and O2/N2mixtures as oxidant. The flame propagation velocity and mass loss rate were measured under conditions with varying oxidant flow rate and oxygen concentration. It was found that oxygen flux was the dominant factor affecting flame propagation and mass loss. For a constant oxygen flux，increasing the flow velocity shortened the gas-phase preheating length of flame front，thereby reducing the flame propagation velocity. Meanwhile，the elongation of solid-phase preheating length led to an increase in mass loss rate. As a result，the flame propagation velocity and mass loss rate showed opposite change trends.
PMMA；flame propagation；preheating length；mass loss rate
TK16
A
1006-8740(2022)01-0063-07
2021-03-19．
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51906251)；中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所熱能工程研究組啟動基金資助項(xiàng)目.
周碩碩（1995—??），男，博士研究生，zhouss@qibebt.ac.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn
高?健，男，博士，副研究員，gaojian@qibebt.ac.cn.
(責(zé)任編輯：隋韶穎)
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