火灾可燃物热解动力学及着火特性研究

论文摘要

可燃物的火行为一旦失去控制，将会发生灾害性的燃烧，严重危害人民的生命财产，火灾就是一种危害性极大的灾害性燃烧现象。可燃物燃烧第一步首先发生热解，因此热解是随后发生的着火及火蔓延的关键环节。对可燃物的热解与着火机理深入分析，是后续研究控制火蔓延和发展的关键。 本文首先对可燃物热分解研究现状进行了综述，从表观动力学研究、热解与着火特性研究、热解模型研究等几个方面，分别进行了系统的总结。在此基础上，从试验和理论研究两大方面对固体可燃物的热分解与着火特性进行研究。研究了可燃物火灾环境中的烟气组成规律。 利用热重分析仪(TGA)，选取典型的木材和人造板材为样品，在不同气氛下，对不同种类试样的热分解失重动力学特性进行了详细的分析比较。深入研究了影响样品热重分析试验的几个主要参数：样品粒径、试样量和升温速率对可燃物热解过程的影响，试验结果表明在选定的范围内，升温速率的影响较大，试样量和粒径的影响较小。针对实际火灾中可能出现的复杂环境变化，进行了热天平模拟实际火场变工况热解动力学研究，并对样品的热解动力学特性给出了合理性分析。基于上述试验研究，本文采用双组份分阶段一级反应动力学模型，分别计算了在空气和氮气两种气氛下固体可燃物的表观动力学参数。 在改进的火灾固体可燃物热解与着火早期特性试验台上，选取常用的软木类木材、硬木类木材和人造板材对其着火特性进行试验研究，对着火时间、着火表面温度、最大质量损失速率等可燃物的着火特性参数进行了试验测量。从外加辐射热流强度、木材含水率、木材纹理方向、材料种类差异、外界环境气氛等方面对可燃物热解与着火特性的影响进行了深入研究。试验表明，随着外加辐射热流增加，材料的着火时间缩短，着火表面温度降低；随着材料含水率的增加，材料着火时间明显延长；外加辐射热流垂直于和平行于木材的纹理方向，材料的着火特性也有差异；材料的尺寸尤其是材料的厚度对着火特性影响也很大，热薄性材料要比热厚性材料的着火时间短。此外，还测量了不同辐射热流下，不同材料的烟气组份随加热时间的变化规律，探讨了表面温度、质量损失速率与烟气组份之间的内在联系。 对火灾可燃物中典型木材的热解和着火过程进行了数值模拟。提出了一个考虑了固体内部瞬间热传导、热解反应的热效应以及边界对流与辐射热损失，水分蒸发等影响的木材热解模型，采用一阶阿累尼乌斯公式来描述模型中可燃物的热解反应过程。通过模型可以预测木材热解过程中其内部温度及表面温度的变化、材料的失重率和水分变化等一系列影响木材着火的重要特性。利用该模型模拟了

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 火灾产生简介
• 1.1.2 国内外火灾形势
• 1.1.3 国内外火灾科学的研究现状和存在的问题
• 1.2 研究背景和目的
• 1.3 本文内容
• 第二章 热分解动力学与着火特性研究文献综述
• 2.1 概述
• 2.2 可燃物热分解动力学与着火特性试验研究现状
• 2.2.1 可燃物热分解动力学研究现状
• 2.2.2 炭化型可燃物热解与着火试验研究现状
• 2.2.3 非炭化型可燃物热解与着火试验研究现状
• 2.3 火灾可燃物热解与着火特性模型研究现状
• 2.3.1 炭化型材料模型研究现状
• 2.3.2 非炭化型材料模型研究现状
• 2.4 章小节
• 第三章 可燃物热分解动力学试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验条件和方法
• 3.2.1 试验样品及试验设备
• 3.2.2 试验条件及方法
• 3.3 木材的构造与组成
• 3.4 不同气氛下木材的热失重特性及动力学研究
• 3.4.1 软木类木材的TG特性
• 3.4.2 硬木类木材的TG特性
• 3.5 几个主要参数对木材热失重特性的影响
• 3.5.1 试样升温速率对木材TG特性的影响
• 3.5.2 试样粒径对木材TG特性的影响
• 3.4.3 试样量对木材TG特性的影响
• 3.6 采用TG技术模拟实际火场变工况过程的研究
• 3.6.1 环境气氛变化下材料的热失重特性比较
• 3.6.2 可燃物加热分解至某一定温度冷却再升温
• 3.7 本材热解反应动力学参数的热分析研究
• 3.7.1 空气气氛下木材热解表观动力学参数
• 3.7.2 氮气气氛下木材热解表观动力学参数
• 3.8 本章小结
• 第四章 火灾固体可燃物热解与着火特性试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验系统简介
• 4.2.1 火灾可燃物热解与着火早期特性试验台简介
• 4.2.2 试样的制备
• 4.2.3 试验步骤
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 外加辐射热流强度对木材着火特性的影响
• 4.3.2 含水率对木材着火特性的影响
• 4.3.3 不同种类木材对着火特性的影响
• 4.3.4 木材的纹理方向对着火特性的影响
• 4.3.5 木材试样的尺寸对着火特性的影响
• 4.3.6 环境气氛对木材着火特性的影响
• 4.4 木材的着火温度和着火时间
• 4.4.1 着火温度
• 4.4.2 着火时间
• 4.5 木材着火时间预测模型
• 4.5.1 模型描述
• 4.5.2 试验值和预测值比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 可燃物燃烧烟气组成规律的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验系统
• 5.2.1 ROSEMONT NGA 2000在线烟气测量系统简介
• 5.2.2 试样制备
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 烟气中CO的变化
• 5.3.2 烟气中二氧化碳的变化
• 5.3.3 烟气中氧气的变化
• x、SO₂的变化'>5.3.4 烟气中NO_x、SO₂的变化
• 5.3.5 不同辐射热流对火灾固体可燃物烟气析出的影响
• 5.3.5 试验样品表面温度、失重和产生的烟气之间的相互关系
• 5.4 本章小结
• 第六章 木材热解与着火的数学模型
• 6.1 引言
• 6.2 木材热解数学模型
• 6.2.1 木材热解模型构建
• 6.2.2 模型的控制方程
• 6.2.3 相关参数的确定
• 6.2.4 计算方法
• 6.3 对模型计算结果的讨论
• 6.3.1 木材热解过程中温度的变化
• 6.3.2 木材热解过程中产生的半焦变化
• 3.6.3 木材热解过程中产生的挥发分变化
• 6.3.4 木材热解过程中水分的变化
• 6.3.4 木材热解过程中失重率的变化
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 1 本文研究主要结论
• 2 本文研究的创新之处
• 3 本文研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的学术论文
• 致谢