森林泥炭熱解動力學特性和陰燃蔓延規(guī)律研究.pdf

1、森林地下火是森林地表腐殖質陰燃形成的一種火災，對森林生態(tài)系統(tǒng)和大氣循環(huán)有巨大破壞作用。前人的工作重點是研究森林地表可燃物的點燃概率經驗模型，缺乏對腐殖質陰燃規(guī)律的深入研究。隨著全球氣候的變化，世界各地森林地下火頻發(fā)，森林腐殖質陰燃機理的研究開始受到關注和重視，已逐漸成為陰燃研究的前沿熱點領域。
　　腐殖質類可燃物由森林凋落物質經過生物化學作用形成，有機成分種類繁多、結構復雜，水分含量、無機物含量不均勻，且陰燃過程受到腐殖質深度、風

2、速等條件影響，因而腐殖質陰燃過程復雜，研究面臨諸多挑戰(zhàn)。在陰燃過程中，腐殖質中有機物在高溫條件下與氧氣發(fā)生熱解氧化反應，釋放能量，維持陰燃傳播。有機物成分和含量將影響能量釋放的功率。腐殖質中水分在高溫下蒸發(fā)而吸收能量，延緩陰燃蔓延速度。腐殖質孔隙率則影響燃燒的能量密度、氧氣流通性及材料導熱性能。本文選擇與腐殖質材料熱解過程類似但結構和成分相對均勻的泥炭作為研究材料，研究各種參數(shù)對陰燃蔓延規(guī)律的影響，并從化學反應和能量方程出發(fā)，建立陰燃數(shù)

3、值模型，探討揭示泥炭陰燃蔓延的內在規(guī)律。
　　本文首先實驗研究了森林泥炭的元素組成、導熱系數(shù)、比熱容、顆粒真密度、灰燼表觀密度等重要參數(shù)，界定了孔隙率和無水無灰燼的研究標準，為后續(xù)實驗和模擬研究提供可靠數(shù)據支持。
　　進而，通過熱分析實驗研究了微觀尺度不同氧氣濃度下泥炭的化學反應機理，建立了化學反應模型。研究發(fā)現(xiàn)泥炭在氮氣條件下熱解過程由三個失重過程組成，從而建立了三組分疊加反應模型，這與有氧條件下熱解反應機理不同。對有氧但

4、不同氧氣濃度下，泥炭熱解呈現(xiàn)兩步失重過程，從而建立了兩步連續(xù)反應模型。應用Kissinger、FWO、Starink、 Friedman、Gyulai等五種不受機理函數(shù)影響的等轉化率方法求解了熱解過程的活化能，活化能隨氧氣濃度的變化規(guī)律與兩步反應模型的結果一致，驗證了兩步反應機理假設及模型的恰當性。發(fā)現(xiàn)并分析了DSC和DTG峰不重合現(xiàn)象，完成了兩種曲線的聯(lián)立模擬，從而建立了同時模擬化學組分質量和熱釋放速率的化學反應模型。
　　自呼

5、中保護區(qū)和加格達奇自然保護區(qū)采集了經歷過森林地表火和未經受森林地表火的不同深度處原始森林腐殖質和土壤，對五種腐殖質試樣進行在空氣氣氛下熱分析實驗。利用熱解階段（第一個失重峰）的失重質量作為基準進行數(shù)據標準化處理，發(fā)現(xiàn)了不同樣品在熱解階段表現(xiàn)一致的失重速率，但在氧化階段清晰分成了受地表火和未受地表火影響的兩種失重速率類型，進而提出了采用熱分析技術衡量火災消耗地表可燃物比例的計算方法。此方法可作為評估森林火災嚴重程度的一種方法。
　　

6、通過自行設計的垂直向下自然陰燃實驗裝置，研究了不同水分含量、不同孔隙率、不同粒徑的泥炭陰燃蔓延規(guī)律。實驗過程精確控制泥炭樣品粒徑、孔隙率、含水率等參數(shù)。對不同水分含量和粒徑的泥炭陰燃系列實驗，保證泥炭孔隙率相同，從而保證可燃有機物表觀密度一致。發(fā)現(xiàn)并解釋了陰燃熱解前鋒速度不變而焦炭氧化區(qū)域不斷增厚的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)并分析了水分含量和孔隙率對陰燃蔓延的強化和抑制的雙向影響效應，分析了陰燃點燃和熄滅過程中出現(xiàn)的炭黑掛壁、點燃明火、錐形熄滅、底部持

7、續(xù)高溫等現(xiàn)象，豐富了對陰燃現(xiàn)象及規(guī)律的認識。
　　通過對微觀尺度泥炭熱解DTG曲線和陰燃實驗中陰燃區(qū)域特征的對比分析，分析了陰燃前鋒的四個區(qū)域結構和陰燃蔓延速率。提出利用曲面插值平滑方法對陰燃過程中溫度-時間-位置三維數(shù)據進行處理的方法，并由此得到陰燃四個區(qū)域的前鋒速度和厚度。此方法減小了陰燃實驗中數(shù)據采集不均勻等因素產生的誤差，為后續(xù)陰燃蔓延實驗研究提供了更快速的解決方案。
　　依據微觀尺度化學反應模型和能量守恒方程，建立