木材等生物质的燃烧过程包括挥发分的明火燃烧（flaming combustion）和残留焦炭（残炭）的炽燃（glowing combustion）（如图1所示）。相对于明火燃烧，残炭的炽燃能够在极度欠氧条件下维持，有反应温和、持续时间长的特点，通风条件良好时能够再次引发剧烈的明火燃烧。所以残炭炽燃机理的研究对于生物质的高效清洁燃烧以及森林火灾、木质建筑火灾的预警和扑救有重要的指导意义。
图1 木材燃烧过程中的明火与炽燃
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近年来，青岛能源所热能工程研究组与澳大利亚西澳大学能源研究中心（Centre for Energy, The University of Western Australia）、日本丰桥技术科学大学能源工程实验室（Energy Conversion Engineering Laboratory, Toyohashi University of Technology）紧密合作，针对上述问题开展了系列研究工作。研究人员选取活性炭颗粒作为生物质残炭的模型物，利用固定床反应器在可控边界条件下开展实验，成功捕捉了炽燃锋面的准稳态蔓延过程（如图2a所示），考察了残炭物性参数和环境参数对于炽燃特性的影响规律。此外，通过开展计算流体力学模拟，对炽燃过程中的传热传质现象和化学反应过程进行了数学解析，成功再现了炽燃锋面的蔓延过程（如图2b所示），预测了炽燃锋面的热化学结构，从而揭示了生物质残炭的炽燃机理。该研究表明，一氧化碳等气相组分的氧化释热在一些条件下已经超越固定碳的表面氧化成为主导因素，这一发现完善和发展了前人关于炽燃过程由异相表面氧化反应主导的论断。
图2 炽燃锋面的蔓延：（a）实验现象；（b）模拟结果。
近日，该研究相关成果被第38届国际燃烧会议（38th International Symposium on Combustion）接收为口头报告，论文被燃烧领域顶尖期刊Proceedings of the Combustion Institute收录。此外，基于上述研究成果，香港理工大学黄鑫炎博士邀请热能工程研究组高健博士共同撰写的综述文章以“A review of near-limit opposed fire spread”为题发表于火灾科学领域权威期刊Fire Safety Journal，文章对炽燃现象的燃烧机理做了进一步阐述，对明火、炽燃、阴燃等燃烧现象做了较为明确的区分。
该工作得到了国家自然科学基金委和青岛能源所研究组启动经费的支持。
相关论文：
[1] Propagation of Glowing Combustion Front in A Packed Bed of Activated Carbon Particles and the Role of CO Oxidation, Jian Gao*, Xiaobin Qi, Dongke Zhang, Tsuneyoshi Matsuoka, Yuji Nakamura, Proceedings of the Combustion Institute 38 (2020), in press, https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.05.041.
[2] A Review of Near-limit Opposed Fire Spread, Xinyan Huang*, Jian Gao*, Fire Safety Journal (2020), in press, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2020.103141.
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