常压和低压下水含量对液体燃料火灾危险性影响机理研究

发布时间：2020-04-05 05:41

【摘要】：为了研究低压和水含量对可燃液体火灾危险性的影响,本文首先建立了水含量和环境压力影响下的闪点预测模型,之后基于高低温低压实验舱开展了 35kPa,45kPa,55kPa,65kPa,75kPa,85kPa,95kPa 和 1O1kPa 下的不同摩尔分数的甲醇、乙醇和正癸烷的闪点测定实验,并与预测模型进行对比。为了进一步加深关于水含量对可燃液体火灾危险性影响规律的认识,并加强现实应用意义。本文以乙醇水溶液和洋河酒厂旗下的白酒作为研究对象,开展了常压下不同乙醇体积分数闪点测定和锥量燃烧测试的研究,之后结合国家标准对火灾危险等级展开讨论。最后开展了常压和低压环境下柴油和航空煤油的扬沸实验研究,以加深低压环境下水含量导致的工业扬沸灾害的理解,同时提出了预测扬沸前兆与扬沸的发生时间的理论模型。本文的主要研究工作及结论具体如下:(1)通过理论分析的方法建立了多个闪点预测模型。其中包括常压环境下可燃液体闪点理论预测模型,基于标准压力环境下沸点值建立的低压下闪点预测模型,基于标准压力环境下闪点值建立的低压下闪点预测模型,不同水含量下可燃液体水溶液闪点预测模型以及在低气压条件下可燃液体水溶液不同水含量的闪点模型。(2)基于第三章的理论分析,开展了不同压力,不同水含量甲醇、乙醇和正癸烷的闭口杯和开口杯闪点影响规律的实验研究。随着压力的下降,对于给定摩尔分数的甲醇、乙醇和正癸烷水溶液的闭口杯闪点和开口杯闪点均下降。而且当大气压力开始降低之后,该物质水溶液的闪点也开始降低,同时降低的成都也逐渐增大,其中开口杯闪点表现的更为明显。实验测定的闪点与压力之间的拟合结果与第三章中所建立的预测模型一致。水含量对正癸烷的闪点没有任何影响,但是对于甲醇和乙醇,当水溶液中摩尔分数降低的同时,它们的闪点值会升高。而且水含量与甲醇和乙醇的闪点之间的关系也是非线性的,分析过程中根据理论预测模型对实验结果进行了拟合,验证了理论推导的正确性。(3)随着压力的降低,甲醇、乙醇和正癸烷纯物质及其水溶液的火灾危险等级均会升高。对于甲醇和乙醇水溶液,它们的摩尔分数越高,在相同压力下火灾危险性也越高。本文提出了火灾危险性临界压力的概念,并推导出了适用于可燃液体纯物质和可燃液体水溶液的临界压力预测公式。对海拔较高地区或高空工作条件下的可燃液体防火救援提供了指导。同时,该临界压力模型可应用于所有以闪点作为火灾危险等级确定分类依据的规范。(4)以乙醇水溶液和洋河酒厂旗下的白酒作为研究对象,开展了锥量燃烧测试,结果表明无论是白酒还是乙醇水溶液,它们的单位面积质量损失速率、热释放速率、火焰高度、燃烧效率和火灾危险等级都随着乙醇体积分数的增大而升高,闪点相反。另外对于燃烧时间,最大单位热释放速率,单位面积总热释放和平均有效燃烧热等宏观火灾参数,两者数值具有很大的相近性。由于白酒中含有1%左右的酸类、酯类等富氧有机物,导致在相同的体积分数下,白酒的闪点低于乙醇水溶液闪点,白酒的火焰高度低于乙醇水溶液的火焰高度,白酒的燃烧效率高于乙醇的燃烧效率。在文中提出了适用于各国以闪点作为火灾危险等级分类指标的,针对白酒和乙醇水溶液的临界体积分数计算拟合公式。根据GB50016-2014,乙醇水溶液Ⅰ级与Ⅱ级之间的临界体积分数为38.9vol.%,白酒级Ⅰ与Ⅱ级之间的临界体积分数为34.8vol.%。(5)以柴油和航空煤油为实验样品,分别在合肥和拉萨两个不同海拔高度的城市,进行了 15cm油盘和18cm油盘扬沸实验。在标准压力环境和低压环境,均可以将扬沸划分为四个时期。除了通过火焰形态的变化分析扬沸外,也可以通过油水交界面处气泡的变化过程来表征扬沸的各阶段。常压标准环境中,扬沸前兆阶段的临界油水交界面处温度为100℃,扬沸的临界油水交界面处温度为120℃。在拉萨,该临界温度发生变化,分别降低为87.6℃和110℃。实验进一步表明,沸点是扬沸前兆发生的临界温度,随着压力变化而变化。对于扬沸临界温度,本章基于池沸腾理论对其进行了分析,并解释了压力降低后,扬沸临界温度降低的原因。(6)提出了扬沸前兆发生时间与扬沸发生时间的预测模型,当PL10κPα的时候,扬沸前兆起始时间tp与环境压力PL之间为增函数关系。当PL10κPα的时候,扬沸前兆起始时间tp与环境压力PL之间为减函数关系。在相同环境压力下,扬沸前兆起始时间tp α 扬沸起始时间tb α,tg与PL为负相关。
【图文】：

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演讲援引一个古老的格言“Ｆｉｒｅ邋ｉｓ邋ａ邋ｇｏｏｄ邋ｓｅｒｖａｎｔ邋ｂｕｔ邋ａ邋ｂａｄ邋ｍａｓｔｅｒ”丨Ｕ。在合理使用逡逑的时候，火是服务于人类的，但一旦失控，火将成为恶魔。根据ＮＡＳＡ的Ｔｅｒｒａ逡逑号卫星传回的２０１６年１０月？２０１７年９月期间数据图１．１，可以看出在地球上，逡逑火灾无时无刻不在发生［２］。逡逑遘修、z1」哪逡逑丨＿逦Ｏｃｔ．２０１６逦＂逦＼ｗ．２０１６逦ｎ邋丨丨＿「邋Ｉ）ｃｃ邋Ｊ０１６逦．２０１７逡逑ｋｒ？邋ａｔＭＢ＊邋？0００邋ｗｗ邋＜？？逡逑—Ｅｆ邋■邋ｒ：逡逑ｅｔ邋？ｃ－邋＊0邋ｘ逡逑图１．１邋ＮＡＳＡ邋Ｔｅｒｒａ号卫星所采集的全球火灾形势数据口逡逑纵观人类历史世界级重大火灾事故，如日本江户“振袖”大火造成城镇２／３民逡逑居化为灰烬，１／３的居民，约合１０７０００人丧生［３］。英国伦敦被称为“ＧｒｅａｔＨｒｅ”的逡逑大火造成伦敦丨３０００所民居建筑烧毁｜４］。美国Ｓａｎ邋Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ大火造成３０００人丧逡逑生，将近８０％的城区被毁，在此之前，人类现代历史上从没有一个国际化都市因逡逑一场大火而毁灭［５］。芝加哥Ｉｒｏｑｕｏｉｓ剧院火灾造成６０２人死亡中国大兴安岭逡逑火灾是建国以来最严重的一次特大森林火灾事故，林木被损毁达到８５３邋ｋｍ３，民逡逑居建筑被毁６１４邋ｋｍ２［７］。逡逑根据公安部消防局和其他相关部门的２００９－２０１６年度公报中全国火灾情况，逡逑统计结果如下图１．２所示［￣。２００９￣２０〗２年之间火灾发生数量、直接经济损失和逡逑死亡人数三个指标均与２０１３－２０１６年之间存在较大的差异

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ｒｉ公ｕｔ邋＾逦ｂｒｅ逡逑图１．３各国家火灾导致一人死亡的时间间隔［９］逡逑全球严峻的火灾形势推动了全球各个国家对火灾科学技术的研宄投入以及逡逑消防救援组织建立和国家火灾规范标准的制定。火灾科学作为一个新兴的多学科逡逑交叉学科，，己经成为全球的研宄热点之一，也成为公共安全科学的重要组成部分。逡逑火的本质实际上是燃料在大于其燃烧极限下限的气氛下，与氧化物燃烧时发逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ517.4

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