针叶树球果燃烧过程及热动力学研究

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针叶树是松柏目的一种植物。树叶呈针状,终年常绿,球状果实。在植物分类学上属于裸子植物的树木。针叶树的叶大多为常绿,叶形针状或鳞片状。针叶树球果成熟自然脱落后其鳞片的含水量很低,球果内部还带有一定量的种子和树脂,树脂为油性,易燃烧,而球果鳞片由于含水量低又容易被引燃,且球果在被点燃之后燃烧非常剧烈,由于此特点针叶树的球果在以前也曾被人们用作柴火,如此易燃的针叶树球果在干燥炎热的天气情况下有大概率造成森林火灾的危险,然而目前对于针叶树球果并没有系统的燃烧特性研究,尚未形成完备的燃烧特性数据库,缺乏对于针叶林火灾的预防和整治措施。本文针对中国东北林区常见的四种针叶树(红松、樟子松、落叶松、云杉)的球果进行热重分析和和燃烧实验。对针叶树球果进行热解实验探究不同实验对象的燃烧特性和不同的升温速率、粒径大小、气氛环境对实验对象燃烧特性的影响。热解实验可以获取到实验对象的热动力学参数,对实验对象进行动力学模型建立,通过Coats-Redfern动力学分析法获取其活化能E和频率因子A,为建立针叶树球果燃烧特性数据库提供依据。对针叶树球果进行燃烧实验可以获得其燃烧生成物、热释放速率等相关数据,为扑救针叶林火灾提供数据依据。结果表明:(1)红松、樟子松、落叶松、云杉的球果的热解过程均可以分为预加热和干燥阶段、预热解阶段、固体分解阶段和残炭分解阶段。其中,升温速率主要影响了热解过程(以失重率为表现)的快慢,且随着升温速率的增大,反应会向高温方向偏移,但残余量会增多;材料粒径主要影响热解的最大失重率,粒径越大,热解的最大失重率就越大,残余量也越大;实验气氛主要影响了热解反应过程中各阶段的反应过程以及反应彻底的程度,在高纯空气中热解反应相对于氮气进行得更彻底,残余量更少。(2)红松、落叶松、云杉的球果在氮气气氛环境下的最佳机理函数为[-ln(1-α]4,樟子松球果在氮气气氛环境下的最佳机理函数为α2,落叶松的活化能和频率因子最高,燃烧所需要的的热能最多。(3)针叶树球果的燃烧是一个快速且剧烈的燃烧过程,球果鳞片外部的油脂会加快鳞片的引燃过程,而干燥且富含木质素、纤维素和半纤维素的鳞片则使得球果的易燃且燃烧剧烈,若在干燥炎热的气候条件下,落地的针叶树球果会给针叶树林造成较大的火灾隐患。
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