Пиролиз лесных горючих материалов под воздействием

ПИРОЛИЗ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕ
ЛУЧИСТОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Исламова А.Г.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
г. Томск, Россия
e-mail: anastasya.Isl@gmail.com
Введение. Пиролиз – это термическое разложение вещества, которое также характерно
для одной из стадий возникновения лесных пожаров. В работах [1-4] исследованы
характеристики пиролиза древесной биомассы. Наличие информации о кинетике и
механизме пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ) является необходимым условием
для разработки адекватной математической модели зажигания ЛГМ [5].
Цель настоящей работы – математическое моделирование процессов пиролиза ЛГМ
под воздействием лучистого теплового потока. Математическая модель представлена
нелинейным нестационарным уравнением теплопроводности с соответствующими
начальными и граничными условиями.
1. Физическая постановка задачи. Рассматривается следующий механизм процесса:
на подстилающей поверхности расположен слой ЛГМ, состоящий из опада сосновой хвои, на
малом участке которого действует лучистый тепловой поток (например, сфокусированное
солнечное излучение). Слой ЛГМ нагревается и термически разлагается, образуя
газообразные продукты пиролиза.
Условия, при которых было выполнено математическое моделирование:
1) Рассматриваем одномерную однослойную задачу теплопроводности с химической
реакцией в материале (термическое разложение);
2) Конвективный перенос тепа и вещества не учитывается, так как в период зажигания
тепловая и диффузионная длины релаксации на несколько порядков больше конвективной
[5].
3) теплофизические характеристики не зависят от температуры;
4) решение задачи реализуем в декартовой системе координат.
2. Математическая постановка задачи. Процесс термического разложения слоя ЛГМ
при воздействии лучистого теплового потока описывается одномерным нестационарным
нелинейным уравнением теплопроводности с соответствующими начальными и граничными
условиями [5]:
Уравнение энергии для слоя ЛГМ:
T
 2T
 E 
c
  2  q p k p  exp  
(1)
 ,0  x  L;
t
x
 RT 
Граничные и начальные условия для уравнения (1):
t  0 : T  T0 ;
T
x  0 : 
 qS , t  0;
(2)
x
T
x  L:
  (Te  T ), t  0.
x
Кинетическое уравнение и начальное условие:

 E 

 k p  exp   1  ,  0  0 .
(3)
t
 RT 
3. Исходные данные и результаты. При моделировании используем следующие
исходные данные [5]: ρ1=500 кг/м3; c1=1400 Дж/(кг·К); λ1=0.102 Вт/(м·К); qp=1000 Дж/кг;
kp=3.63·104; E1/R=9400 К; 1н=1; α=20 Вт/(м2К), qs=40 кДж/кг, L=0.02 м.
На рисунке 1 приведено распределение температуры в слое ЛГМ, а на рисунке 2
представлено распределение объемной доли сухого органического вещества в ЛГМ для
времени воздействия лучистого теплового потока t=18 секунд.
T(X)
1100
1000
900
800
T
700
600
500
400
300
200
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
X, m
Рисунок 1. – Распределение температуры в слое ЛГМ.
1,0
0,8

0,6
0,4
0,2
0,0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
X
Рисунок 2. – Распределение объемной доли сухого органического вещества в слое.
Выводы
В результате исследования разработана математическая модель и проведено численное
моделирование процесса пиролиза ЛГМ. Получено распределение температуры и объемной
доли сухого органического вещества в слое ЛГМ. Анализ полученных результатов позволяет
сделать вывод об интенсивном термическом разложении ЛГМ в приповерхностном слое под
воздействие лучистого теплового потока. Полученные результаты могут быть использованы
для разработки более совершенных моделей пиролиза и зажигания ЛГМ.
1) Барановский Н.В., Гоман П.Н. Сравнительный анализ численного моделирования и
экспериментальных данных по зажиганию лесных горючих материалов лучистым теповым потоком
// Фундаментальные исследования. 2013. №10. С.747-751.
2) Wang W-L., Ren X-Y., Che Y-Z., Chang J-M., Gou J-S. Kinetics and FTIR characteristics of the
pyrolysis process of poplar wood // For. Sci. Pract. 2013. №15. P.70-75.
3) Yazykova N.A., Trachuka A.V., Dubinina Yu.V., Simonova A.D., Yakovleva V.A. Pyrolysis of Wood
in Vibro-Fluidized Beds of Catalysts and Inert Materials // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2013.
V.49, N.5. P.608-613.
4) Liu Q., Wang S., Wang K., Luo Z., Cen K. Pyrolysis of wood species based on the compositional
analysis // Korean J. Chem. Eng. 2009. V.26(2). P.548-553.
5) Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. оценка условий зажигания слоя лесного горючего материала
сфокусированным потоком солнечного излучения // Технологии техносферной безопасности. 2011.
№4 (38). С.1-9.