水平燃料填充床反向阴燃传播及其熄灭分析

贾宝山,林立峰,解茂昭

(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,阜新,123000;2.大连理工大学能源与动力学院,大连,116024)

水平燃料填充床反向阴燃传播及其熄灭分析

贾宝山1,林立峰1,解茂昭2

(1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,阜新,123000;2.大连理工大学能源与动力学院,大连,116024)

根据单步反应机理(仅包括燃料的氧化),建立了一维非稳态燃料填充床反向阴燃的数学模型。通过简化模型参数及大活化能渐近分析,得出了定性描述燃料反向阴燃传播的两个方程。结果表明:随着空气流量的增大,阴燃温度是不断上升的,但由于受到反向空气风流的影响,阴燃温度的增长幅度是逐渐变小的;阴燃传播速度却呈现出先增大后减小直至熄灭的变化趋势。这种变化趋势与前人的实验结果相一致。通过定性分析得出:在气体流量为零的情况下,燃料仍然可以发生阴燃,而维持阴燃不断传播所需要的氧气量源于反应区域周围气体的扩散。此外,也分析了燃料特性参数(如密度、孔隙率、比热、导热系数及活化能)对燃料阴燃温度和阴燃速度传播的影响。

多孔介质;反向阴燃;熄灭;阴燃速度;阴燃温度

0 引言

阴燃是一种在多孔介质内发生异相反应并能自维持进行的无焰缓慢燃烧形式,它具有广泛的科技实用性,如控制多孔可燃材料和高温合成材料的燃烧速度、煤成气工程、城市垃圾焚烧、有害固体废物的燃烧处理以及生物质燃烧等等[1-3]。此外,阴燃也是诱发火灾的重要因素。在过去的二十多年中,Ohlemiller[4]、Kelley et al.[5]、Di Blasi C.[6]等学者对阴燃在实验和理论方面作了系统的研究。

阴燃燃烧能自维持传播的首要条件是多孔燃料具有充分的渗透性,利于氧气以对流和扩散的方式输运到燃烧面。阴燃一般分为正向阴燃和反向阴燃。对于正向阴燃,随着来流速度的增大,易转捩为明火燃烧;反向阴燃则随着来流速度的增大易发生熄灭现象[7]。阴燃的理论研究主要集中在对阴燃过程的特性研究,而对于阴燃中的熄火现象研究相对较少。

本文通过理论分析和数值模拟,对燃料的反向阴燃传播的熄灭进行了研究和探讨,定性地描述了阴燃中熄火的发生。

1 问题描述

图1给出了燃料反向阴燃的结构示意图。风流从填充床的右边界受迫进入,产生的气体及热风流从左边界流出,阴燃波的传播方向是自左向右,与来流方向相反。反应区的氧化放热能量用于维持燃料阴燃的稳定传播。此热量主要是通过辐射和热传导方式由燃烧区向未燃的固体燃料和来流进行传递的。

图1 填充床反向阴燃传播示意图Fig.1 Schematic diagram of reverse smoldering in packed bed

由于本文仅考察反向阴燃的熄灭现象,故采用简化的单步动力学模型,与 Dosanjh et al.[7]和Fatehi et al.[3]的相同 ,即:

1g Fuel+nOO2→nAAsh+ngpGasesΔh

其中,系数 ni指反应的化学计量系数,下标 i分别指氧气(O)、灰分(A)和气体产物(gp)。对于纤维质材料有 ngp/nO=1.4[7],且有 nO=1.25[3]。此外,Ohlemiller et al.[1,4]实验和理论中研究表明,单步反应可以描述纤维质燃料的反向阴燃。

对于燃料的反应速率,Ohlemiller[4]推导出,固体颗粒吸收的氧气量和固体反应所消耗的氧化量近似地满足准-稳态平衡。其中单步反应的反应速率以Arrhenius方式可以写为:

式中,K指指前频率因子;ρg为气流密度;ρs为固体然料的容积密度;YO2指气流中氧气的质量分数;E指燃料的活化能;R指通用气体常数;T指燃料阴燃温度。

为了简化计算,对模型引入如下假设:

(1)气体在多孔介质内的流动是层流,填充床无限长,所讨论的问题是一维的;

(2)固体相(包括燃料和灰分)与流体的热物理特性都是均质的、各向同性的,化学性质在阴燃过程中保持不变;

(3)采用减密度燃烧模式,阴燃中多孔介质的孔隙率不变,颗粒的体积不变[8];

(4)假定颗粒为球形,多孔介质中颗粒间的孔隙充满着流体,每一个小体积元内气固两相满足热平衡[9];

(5)除化学反应外,填充床内再无其它体积热源;

(6)对多孔燃料的点火加热仅通过边界条件和初始条件予以描述;

(7)气体混合物满足理想气体状态方程,各组分比热相等且为常数;

(8)假定气相和固相之间的热交换非常快,处于热平衡状态,可以采用单温度模式进行描述,即Tg=Ts=T。

2 控制方程

如图1所示,假设燃料阴燃波的位置为 x=X(t),靠近阴燃面的位置可以表示为 x＊=x-X(t)。将坐标系固定在阴燃锋面上,则在 x＊<0的区域有灰分和气体产物的产生,在 x＊>0的区域是未燃的燃料和新鲜的风流。燃料阴燃速度为:Vsmold=dx/dt.。则新鲜空气流将以-vg-Vsmold的速度从右边界流入多孔燃料填充床 (vg为气体流经多孔介质的速度)。为了简化计算,假定空气以恒定的质量通量φ ρgvg流入床内,则燃料床内的气体通量为:

其中,φ指多孔介质填充床的孔隙率;ρg指气流密度。从实验中所测得的数据来看[1],vg>>Vsmold,故 Mg可近似表示为:Mg≈φ ρgvg。但是在来流速度很低时,不可以忽略Vsmold的影响。

同样,固体燃料的质量通量可以表示为:

式中 ,ρs指固相容积密度 ,且ρs=ρF+ρA;ρF指燃料的容积密度;ρA指灰分的容积密度。

多孔可燃物的阴燃可视为伴有化学反应的气-固两相流过程,完整描述该阴燃过程的控制方程应包括气固质量守恒、能量守恒、动量守恒以及气体组分扩散等。但对于该燃烧系统,多孔燃料的孔隙率高达0.97,故气体在其中流动所产生的压降是很微弱的[10],可不考虑动量方程。此外,对于受氧气控制的反应系统,反应中燃料密度的变化对阴燃面的传播速度影响很小,可以忽略。为了考察燃料反向阴燃过程中的熄灭机理,可以设定ρ,λ,c为常数。事实上,这些量随着温度的变化会对燃料阴燃特性带来不同程度的改变,但是这些量的变化从本质上来说不是导致阴燃熄灭的原因[11]。所以,对于给定的气体流量Mg,该燃烧系统中的变量参数仅为阴燃温度 T和氧气的质量分数Yo2。

式中,c指一有效定压比热,且c=cF=cA=cg,即假定燃料、灰分和气体的比热相等;ρ为有效容积密度 ,且ρ=φ ρg+(1-φ)ρs;M 指气相和固相质量通量之和,且 M=Ms+Mg;As指颗粒填充床的形状因子,且 As=6(1-φ)/d[12],d为球形颗粒的平均直径;r指燃料氧化反应速率;D指气流在多孔介质内的扩散系数;λ为有效热传导系数,且λ=(1-φ)ks+φkg+16δd T3/3[13],其中δ为 Stefan-Boltzmann常数,ks为固体燃料的传导系数,kg为气体的传导系数,dp为孔隙直径;Δh为燃料氧化反应的放热量。

该燃烧系统的边界条件满足:

(1)在 x→+ ∞

T→T0=300K;Yo2→Yo20=0.2314。

(2)在 x→- ∞

假定燃料的阴燃反应发生在一个很小的区域内,而且阴燃波是稳定传播的,通过大活化能渐进法可以获得燃料阴燃的稳态解。反应区域之外的区域,可以通过对流和扩散平衡予以表示[9],即:

其中,Tr为燃料阴燃区域的温度。

在反应区域内,根据大活化能原则,可以引入一个很小的参数ε=RTr/E<<1.0,并将坐标展开:x=ε ξ。分别对变量 T和 YO2以ε为小参数作渐进展开:

T ～ Tr(1+ε τ)+···;YO2～εy+···由于ε很小,因此可以忽略高阶项,取零阶近似[14],则有:

T=Tr(1+ε τ);Yo2=εy

将以上参数和 x=ε ξ带入方程(4)和(5)中可以得到:

将 T=Tr(1+ε τ) 、Yo2=εy 和 x=ε ξ带入(8)式中则有:

对方程(7)积分则有:

将方程(8)再次积分而得到:

将(10)式带入(6)式中并积分则有:

而在反应区域之外的 x>0区域内,满足 M=Mg+Ms=Mg(Vsmold=0),将 YO2、T的表达式分别带入式(9)和(12)中,则有:

将 T=Tr(1+ε τ) 和 x=ε ξ带入上式中有 :

以上两个方程可以描述燃料反向阴燃中来流气体的流量(Mg)、反应区阴燃温度(Tr)和固体燃料的通量(Ms)之间的关系。

3 计算结果与分析

计算参数采用文献[3]和[7]中燃料的参数。燃料的特性参数如表1。计算方法是给定 Tr值,计算Mg和 Ms,其中取温度的变化范围为 300K～1000K,计算步长取1K。解的过程采用Matlab7.0.1求解。

3.1 反向阴燃的熄灭分析

根据方程(13)、(14),计算结果如图2所示。

图2给出了阴燃温度及燃料质量通量随着空气流量的变化曲线,可以看出:随着空气流量的增大,阴燃温度是不断上升的(627K～1000K),但由于受到反向空气风流的影响,阴燃温度的增长幅度是逐渐变小的。阴燃温度升高的原因是由于空气流量的增大,增加了氧气供给量,有利于氧化反应的进行。而燃料质量通量 (Ms)随着气体通量(Mg)的不断增加,Ms的数值由1e-7逐渐增大到2.022e-4 kg/(m2·s),而后又逐渐减小到0。这主要是由于开始增大空气流量即增大了供氧量,利于氧化反应的进行,从而加速了燃料的阴燃过程。但是,随后反向风流的对流冷却作用的增大,燃料的阴燃波的传播受到了抑制,从而逐渐减小到0,即反向阴燃停止。

此外,从图2中还可以看出:在风流处于静止状态时,既气体流量为0时,固体燃料的质量通量为1e-7 kg/(m2·s),阴燃温度为627K,说明燃料已发生了阴燃,且阴燃波传播速度很小。这主要是由于多孔介质体内本身存在着一定的氧气量,只要具备一定能量的点火源,是可以发生阴燃的,而维持阴燃进行的氧气量可通过反应区域周围气体的扩散而实现。其中 Torero et al.[15]在实验中也观察到:在没有风流供给的情况下,阴燃也可以进行。这也是 阴燃火灾难于停止的原因。

表1 燃料特性参数Table 1 Characteristic parameters of fuel

图2 燃料质量通量、阴燃温度与气体流量的关系Fig.2 Relationships between gaseous flux with fuel mass flux and smoldering temperature

3.2 燃料特性参数对阴燃及其熄灭的影响

(1)燃料密度的影响

本文分别选取了三种不同的固体燃料容积密度(20.0、34.5和50.0kg/m3)以考察其对燃料反向阴燃的影响,如图3所示。可以看出:在同样的气体质量流量下,燃料密度越小,燃料的阴燃波传播速度越大,阴燃温度也就越高。同时,燃料密度越小,越容易受到来流风速的影响,在高风流速度下易发生熄灭。而燃料密度越大,燃料阴燃受风流的影响越小,阴燃温度相对较低,阴燃速度较慢,且不容易发生熄火。

(2)燃料孔隙率的影响

图3 燃料密度对燃料反向阴燃的影响Fig.3 Effects of fuel density on the reverse smoldering

孔隙率的大小主要影响到燃料阴燃中对流和辐射换热的传递。增大孔隙率会有效的减少容积换热系数(主要是减少了面积与体积之比),同时也会增强辐射传热能力。如图4所示,考察了三种不同的孔隙率对燃料反向阴燃的影响。可以看出:燃料的孔隙率越大,燃料越容易发生阴燃,而且阴燃温度也相对较高,但易受到风流的影响,在高风流下由于反向风流的冷却作用而极易发生熄灭。这主要是由于孔隙率越大,氧气越容易扩散渗透到燃料颗粒表面而与燃料充分接触,利于氧化反应的进行。反之,孔隙率越小,氧气越不易渗透到达燃料颗粒表面,所以燃料阴燃需要更多的气体通量渗入到多孔介质内而维持阴燃波的转播,阴燃相对稳定而不易发生熄火。

(3)燃料比热的影响

图4 燃料孔隙率对燃料反向阴燃的影响Fig.4 Effects of fuel porosity on the reverse smoldering

图5给出了燃料比热对燃料阴燃温度和阴燃速度的影响。其中选取了三种不同的定压比热C:1.2kJ/(kg·k)、1.25kJ/(kg·k)和1.3kJ/(kg·k)。从图中可以看出:燃料比热对阴燃温度几乎没有什么影响,但对燃料阴燃的传播速度有着显著的影响。在同一气体流量下,比热越大,阴燃速度也越小。这主要是由于比热的增加会使燃料维持阴燃所需要吸收的热量也增大,从而会减缓阴燃波向前传播。而且随着风流的增大,由于反向对流冷却作用的增强,不利于热量积聚而使其易发生熄灭。反之亦然。

图5 燃料比热对燃料反向阴燃的影响Fig.5 Effects of fuel specific heat on the reverse smoldering

(4)燃料热传导系数的影响

如图6所示,燃料的导热系数越大,阴燃传播速度也越大,阴燃温度反而越小。这主要是由于热传导热系数的增加利于热量传递,会加速阴燃传播,同时也加速了反应区热量的散失,致使阴燃温度有所下降。

(5)燃料活化能的影响

图6 燃料热传导系数对燃料反向阴燃的影响Fig.6 Effects of fuel conductivity on the reverse smoldering

燃料的活化能对阴燃熄灭有着重要的影响。如图7所示,给出了活化能(E)为153kJ/mol、155kJ/mol、157kJ/mol的计算结果。可以看出:活化能越大,发生化学反应所需要的能量就增多,阴燃只能在温度较高的条件下进行,故阴燃温度较高。但是,阴燃传播速度会减小,且在较小的空气流速下,传播速度就可以达到其最大值,故燃料活化能越大,越容易发生熄灭。反之,活化能越小,燃料越容易发生燃烧,但阴燃温度会降低,阴燃速度加快,要达到最大值需要更多的空气流量,阴燃也不易发生熄灭。

图7 燃料活化能对燃料反向阴燃熄灭的影响Fig.7 Effects of fuel activation energy on the reverse smoldering

4 结论

(1)本文基于单步反应机理,建立了一维非稳态燃料填充床反向阴燃的数学模型,并通过渐进分析和参数简化得出了描述燃料反向阴燃传播的方程。

(2)燃料的阴燃温度随着气体流量的增大而增大,但随着反向气流对流冷却作用的加强,阴燃温度的增长幅度是逐渐减小的;阴燃传播速度却呈现出先增大后减小直至熄灭的变化趋势。

(3)通过分析反向阴燃得出:在气体流量为零的情况下,燃料仍然可以发生阴燃,这是由于多孔燃料内本身就充满着空气,而维持阴燃进一步传播所需要的氧气量则通过反应区域周围气体的扩散而获得。

(4)同时,也分析了燃料特性参数及活化能对反向阴燃传播及熄灭的影响。通过分析可知,无论哪一种参数或条件下的阴燃熄灭,基本都归结为:凡是使氧化反应能力得到加强的因素,相对来说,燃料阴燃就不易发生熄灭,且熄灭所需要的气体流量相对较大;反之,凡是削弱这种氧化反应能力的,在较小的气体流量下,燃料阴燃就可发生熄灭,即熄灭易发生。

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Analysis of reverse smoldering propagation and its quenching in a horizontally packed bed of fuel

J IA Bao-shan1,LIN Li-feng1,XIE Mao-zhao2

(1.College of Safety Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on a one-step kinetic mechanism(only including fuel oxidation),a one-dimensional,unsteady,numerical model is presented for reverse smoldering propagation in a horizontally packed beds of porous media.By simplifying the model parameters and using asymptotic methods,two simplified equations are obtained to qualitatively depict the reverse smoldering propagation.The results show that the smoldering temperature increases with increasing the gaseous mass flux,but the increasing amplitude is reduced due to the convective cooling of preheat zone.With increasing the gaseous mass flux,the smoldering velocity increases to a maximum and decreases until quenching occurs at the maximum inlet airflow velocity.The evolution behavior of reverse smoldering propagation is well consistent with the experimental observations by Ohlemiller et al.and Torero et al.The qualitative analysis shows that the smoldering wave is also sustained by the oxygen already present in the porous medium through the diffusion of gaseous species though the supplied airflow is zero,namely,Mg=0.Moreover,the effects of fuel properties(including density,porosity,specific heat,conductivity,activation energy)are studied on the reverse smoldering combustion.

Porous medium;Reverse smoldering;Extinguishing;Smoldering velocity;Smoldering temperature

O642.1

A

1004-5309(2010)-0191-07

2010-05-26;修改日期:2010-09-13

项目资助:中国博士后科学基金资助项目(No.20080441100);辽宁省教育厅基金资助(No.2008279)

贾宝山(1972-),男,河北阜平人,博士,在站博士后,副教授,现任辽宁工程技术大学国有资产管理处副处长。主要从事安全工程、热能工程等方面的教学与科研工作。