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点火之后的物理:氘氚聚变燃烧 博客记事 7月15日
等离子体科学 2019-7-17 17:11
点火之后的物理:氘氚聚变燃烧 博客记事 2017年7月15日 北京 云 轻霾 和做惯性约束的同行谈,得知他们已经开始部署“点火(ignition)之后”的物理研究。 “点火”之后,自然就是“燃烧”。国内外磁约束聚变界谈“燃烧等离子体物理”(burning plasma physics)已经有十几年了。但是基本上还是只有“燃烧产物”(alpha粒子),避而不谈“燃料”(氘氚离子)—— 所用模型,背景等离子体仍然是单一种类的离子(一般是质子,即氢离子)和电子组成。目前未来聚变堆的物理和工程设计,也是基于利用这种“无聚变”等离子体模型发展起来的大规模数值模拟code。 这种模型设计出来的托卡马克运行模式,对于燃烧率比较低(~0.3%)的ITER等离子体来说,还是可接受的近似:毕竟运行模式是基于等离子体平衡,而低燃烧率氘氚聚变过程则可以作为扰动来处理。但是对于目标为氚自持的高燃烧率(3%)等离子体来说,这种近似就太粗糙了。 特别是在聚变燃烧阶段,粒子的轫致辐射、回旋辐射引起的能量损失不可忽略(Lawson判据里用来计算加热功率的依据就是平衡这些辐射损失)。这一效应对能量约束和平衡的稳定性都会产生重要影响,甚至会直接诱发快速发展的磁流体不稳定性。 补充燃料的大规模加料过程,不仅会产生粒子分布剖面的畸变,而且这种大规模向芯部运动的、温度很低的粒子如果在“路上”没有被加热到背景等离子体温度,会直接导致破裂。 这种极其重要的基本问题,在聚变堆设计过程中必须解决。至少也要做到心中有数。 经常听人说聚变的“30年魔咒”、“50年魔咒”,不走,怎么打破? 这一步必须迈出去!
个人分类: 学海无涯|2875 次阅读|0 个评论
实验室镁粉燃烧爆炸起因推测及防范
热度 15 Taylorwang 2018-12-26 21:44
手机微信上收到警情通报: 2018 年 12 月 26 日 9 时 33 分,北京交通大学东校区 2 号楼发生火情,经核实现场为高梁桥斜街 44 号,北京交通大学东校区东教 2 楼,实验室内学生进行垃圾渗滤液污水处理实验时发生爆炸,导致镁粉桶起火,过火面积 60 平米,现场发现 3 名死者。我为这 3 名年轻生命逝去感到惋惜和痛心。 我们做垃圾渗滤液处理研究已有十多年时间,在这十多年时间里,年年都有研究生做相关的渗滤液处理研究。 垃圾渗滤液的处理,差不多可以算是最难处理的废水,因为它存在二大处理难点:一是氨氮浓度特别高,另一个是存在许多不可生物降解的 COD 。 由于它的处理难度,不少朋友也都知道我做这项研究,并且开发的处理技术,已在全国近五十个垃圾渗滤液处理工厂应用。看到垃圾渗滤液处理实验时发生如此严重爆炸,很自然就会想到我,电话、微信等咨询及慰问挺多。 我们的垃圾渗滤液处理工艺中没有使用镁粉,所以我的实验室,及使用我们技术处理垃圾渗滤液的工厂也都没有购买和存放镁粉,故我可以肯定地答复,我们不可能存在这种镁粉剧烈燃烧爆炸的风险。但 从安全的角度,举一反三,认真核查,给研究生们,给工厂的操作员工,也给我自己再做一次安全教育,防范一切可能的安全风险也是必须的。 具体的事故原因调查,可能还要等一段时间,但从专业技术的角度,还是能做一些推测。 为什么垃圾渗滤液处理要用镁粉?我估计采用镁粉脱除垃圾渗滤液中的高氨氮。 脱除垃圾渗滤液中的高氨氮,目前主要有三种方法,吹脱法、生化法鸟粪石沉淀法。 第一种吹脱法,是一种物理处理方法。它通过投加碱,再鼓入空气,将水中的氨氮转移到空气中来。这种方法要加碱,加热,且有将污染物氨氮从水中向空气中转移的风险,目前已基本没有应用。 第二种是生化法,生化法又分三种:完全硝化反硝化、短程硝化反硝化和厌氧氨氧化法。这三种生物脱氮法, 厌氧氨氧化是最节能,低碳的处理工艺,也是目前理论研究多,而工程应用少的工艺,俗称脱氮红菌。 我们课题组一直选用生化法脱除氮垃圾渗滤液中的氨氮,厌氧氨氧化的工程化应用是我们目前整个课题组研究及应用的重点。 还有一种高氨氮的脱除方法是 鸟粪石沉淀法,该法采用镁粉或镁盐,再投加磷酸或磷酸根,与垃圾渗滤液中的氨氮,形成微溶的磷酸铵镁 ——鸟粪石,从而脱除垃圾渗滤液中比较麻烦的氨氮。 鸟粪石沉淀法必须使用镁或镁盐,这也是我推测实验室中的镁粉是用于脱除渗滤液中的氨氮的关键原因。 在这个实验过程中,镁与水,或磷酸极有可能生成氢气,氢气遇火发生爆炸燃烧,从而引燃了镁粉。 当然垃圾渗滤液的厌氧发酵也有可能生成另一种爆炸性的气体 ——甲烷。无论是甲烷或氢气的爆炸,在实验过程中,难以大量积累,且气体的能量密度较低,故爆炸的威力有限,这些气体燃烧或爆炸,只能是镁粉燃烧爆炸的引子。而这次北京交通大学发生研究生死伤的爆炸威力巨大,从一些照片中可以看出,它应是由高能量密度的镁粉燃烧爆炸引起的。 最核心的问题是:在工作的现场,贮存了大量的易燃,易爆,且含有高能量的危险品 ——镁粉。虽然目前没有报导一桶镁粉的重量是多少,但一桶的量应远远大于日常每天的使用量,这应是这次事故的核心关键点! 由于高氨氮带来的高生物毒性,用一般的生化工艺,往往难以稳定运行,有可能北京交通大学的研究课程组决定采用鸟粪石法来脱除大部分的氨氮,且氨氮浓度越高,鸟粪石的脱除效率越高,若副产品鸟粪石也能销售,这也许是一条变废为宝的方法。镁粉作为易燃,易爆的危险品,申请、采购、贮存等都有不少手续要做,有可能为了减少这些手续的麻烦,就一次性采购了整桶镁粉;且为了减免进,出危险化学品仓库的手续,竟然将这么多的危险化学品都堆放在正在工作的实验室中。这才是引起这起重大安全事故的致命错误! 所有的安全规程,都是受害者的血和泪写成的 ,为了防止这类似的恶性事故再次发生,我们都要自己再认真地核查一次,有没有过量存放易燃,易爆的危险化学品,再给大家,给我自己上一次安全课。
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“沙子”也能促进含能材料燃烧?(一)
热度 3 crazyocean 2018-12-22 11:10
你是风儿,我是沙,风风火火闯天涯。 大家都知道在烧煤或者木柴的时候,加上鼓风机可以帮助燃烧。这是因为鼓风机能够将氧气源源不断的输送到燃烧中心,从而帮助燃料燃烧。 而沙子,主成分为二氧化硅,则彻彻底底的是属于“不可燃”的物质,甚至有专门的“消防沙”用于灭火。 而固体推进剂则主要包括燃料(如铝粉,Al)、氧化剂(如高氯酸铵,AP)和粘合剂(如端羟基聚丁二烯,HTPB;硝化纤维,NC)和一些添加剂。这些添加剂如氧化铁等用来催化高氯酸铵的分解,被称为燃速调节剂(Burn rate modifier)。来自俄罗斯的研究人员发现【1】,将二氧化硅加入到Al/AP的体系中,对体系燃速的提高比传统的燃速调节剂Fe2O3还要好。 最近,又有日本的科研人员发现,向固体推进剂的配方中添加硅藻土(约9成为二氧化硅),发现也能够显著提高其燃烧速度。图中的百分比是指添加硅藻土的质量分数。75%FAP请忽视,感兴趣的读者可以阅读原文。【2】 【1】L. D. Romodanova, P. K. Pokhil. Action of silica on the burning rates of ammonium perchlorate compositions. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1970 Jul 4;6(3):258-61. 【2】S. Shioya, M. Kohga, T. Naya, Burning characteristics of ammonium perchlorate-based composite propellant supplemented with diatomaceous earth. Combustion and Flame 2 (2014) 620-630. 这里,博主利用喷雾干燥技术制备了一些介孔的二氧化硅球形颗粒,其形貌请看下图a。如果利用投射电镜看(图b),发现里面是多孔结构,其比表面积大概在140 m2/g,平均孔大小约15nm。 我们将这些固体介孔颗粒添加到固体含能体系中,看它们对燃烧性能有何影响。 (一)首先,我们测试了铝/聚偏二氟乙烯(Al/PVDF)的体系。Al/PVDF是一新型的含能体系,Al可以和PVDF中释放的HF反应,产生大量的热。PVDF一方面提供氧化剂HF,另一方面还具有优异的粘合性,可以以较少的质量大量装载(粘合)固体颗粒,是一种较为理想的含能粘合剂。图c和图e是我们利用静电喷雾的方法制备的Al/PVDF薄膜。我们将制备的介孔二氧化硅小球加入到制备的前驱液中,制备出来的含二氧化硅的Al/PVDF薄膜如图d和图f所示。可见,加入二氧化硅小球之后,由密实的基本无孔隙无裂缝的薄膜转变成了多孔多层的薄膜。还发现了一点是PVDF的晶形结构发生了转变,添加了二氧化硅的晶体更偏向于β相,而之前更多的是α相。β相的PVDF有更强的压电效应,这点可能对PVDF的压电效应及其对燃烧有影响,但是此处与本文无关,在此不表。 接下来来到了我们的重头戏,看看二氧化硅的添加对燃烧速度有着什么影响 由上图可以看出,同样是在氩气中燃烧,加了二氧化硅的燃速比不加的快4倍,而且火焰的更大,更亮。那么究竟是因为什么呢? 因为Al/PVDF的反应本质上是Al和HF的反应,而HF则来自于PVDF的分解。首先我们制备了一些无铝的二氧化硅与PVDF的复合物,并测试了他们的热分解特性。图a的热重曲线显示PVDF自己是多步分解反应,而加了二氧化硅的都出现了不同程度的分解加速。这一点从对应的图b的DSC曲线更好了解。可以看出,加了多孔二氧化硅的PVDF分解放热峰最早,意味着对PVDF的分解有最强的促进作用。 有了这个信息之后,我们把铝粉也加入进去,发现加了5%二氧化硅的Al/PVDF放热量更大,于此对应发现释放的HF气体更多。 由此我们认为,(1)二氧化硅能够催化PVDF的热分解,从而更快的释放更多的HF与铝粉发生反应。(2)而且,二氧化硅本身导热差,火焰经过这些微米的热不良导体的时候,会绕过它们从而在其周围形成热点。(3)此外,多层的Al/PVDF薄膜还会有较强的热对流效应(heat convection)以及热颗粒的抛射效应(Hot particle throwing)从而使燃烧更快。 二氧化硅之所以能够促进PVDF的热分解,是因为PVDF热分解释放的HF能够与二氧化硅发生一定的反应,这一点在产物的EDS得到了证实。 敬请参考: 【1】Wang, H., DeLisio, J.B., Holdren, S., Wu, T., Yang, Y., Hu, J. and Zachariah, M.R., 2018. Mesoporous Silica Spheres Incorporated Aluminum/Poly (Vinylidene Fluoride) for Enhanced Burning Propellants. Advanced Engineering Materials, 20(2), p.1700547. 原文请移步至Researchgate查看,欢迎分享转发评论批评。 【1】 https://www.researchgate.net/publication/321056369_Mesoporous_Silica_Spheres_Incorporated_AluminumPoly_Vinylidene_Fluoride_for_Enhanced_Burning_Propellants
个人分类: 含能材料与安全|8401 次阅读|6 个评论
新书《极度燃烧》出版!
gmy 2018-9-10 11:11
本书通过实验 、 数值计算和理论分析,论述气相系统的超燃 、 爆燃和爆轰等极度燃烧现象。 第一部分(第 1 和第 2 章)为理想流(或称无粘流),简单介绍等熵波、激波和两者的相互作用。第二部分(第 3 和第 4 章)为粘性流,介绍层流和湍流,讨论流场的涡结构。第三部分为反应流(第 5 和第 6 章),介绍超声速和亚声速燃烧,层流和湍流燃烧以及对流和输运预混火焰。第四部分(第 7 ,第 8 和第 9 章)为激波 - 燃烧复合波。 其中, 第 7 章,基于一维理论模型,讨论爆燃、爆轰和燃烧转爆轰现象。第 8 章,讨论爆轰的稳定性以及 CJ 爆轰和临界爆轰的多维结构。第 9 章,介绍用于推进的爆轰,包括驻定爆轰、脉冲爆轰和旋转爆轰,讨论受限程度、边界条件以及波前流场对爆轰传播的影响。 本书可作为相关专业科研人员的参考书,也可作为大学本科和研究生的参考教材。 \0 \0
个人分类: 科研随笔|4638 次阅读|0 个评论
燃烧转爆轰的发展过程
热度 1 gmy 2016-8-3 18:08
该过程依次经历以下步骤(针对气相预混气体): 1、弱点火 2、火焰失稳 3、湍流猝发 4、火焰加速 5、诱导激波(爆燃,Deflagration) 6、局部爆炸 7、爆炸放大 8、形成爆轰 阐述该过程需要准确描述其中涉及的所有细节,其中涉及到湍流和湍流燃烧,迄今尚未解决。 下图是Lee于1966年拍摄的直管中典型的燃烧转爆轰过程的狭缝扫描照片,该照片是利用火焰自发光拍摄的,采用的可燃气体是C2H2+O2。
个人分类: 科研随笔|6104 次阅读|2 个评论
爆燃与爆轰
热度 1 gmy 2016-7-7 15:38
预混可燃介质中的弱点火,产生火焰的传播,其 燃烧产物的膨胀,会压缩火焰前面的未燃介质,可能会出现激波。而激波在可燃介质中的传播,也可能直接诱导燃烧。这两种情况都是激波-火焰的复合波,区别在于,前者是火焰占据主导地位,称为爆燃(deflagration);后者是激波占据主导地位,称为爆轰(detonation)。
个人分类: 科研随笔|11071 次阅读|4 个评论
独创的射流水中沉浸式燃烧发动机--水与火的贴面热舞!
热度 5 kiwaho 2015-7-16 22:24
提到燃烧,人们自然会想到燃料与空气中的氧气,发生激烈反应形成火焰,并释放大量热能。 那么,以水或其它液体作为惰性背景,还能发生燃烧吗? 水火不相容是众所周知的,但人们往往知其然,而不知其所以然。 水之所以能灭火,一方面因为它能阻隔氧气的源源不断流入,但更重要的是它抢夺了过多光子能量,削弱了双 原子氧气分子离解为单原子氧的 能力。 氧气双键的离解能为 498kj/mol ,不大也不小。之所以氧气与燃料混合后,需要点火才能启动燃烧,是因为需要外部触发能量,拆出第一批游离单原子氧参与反应。一旦点火完成,点火器即刻就可以收起它的神通了,因为后续反应需要的原子氧,由上一时刻反应释放的高能光子,充当可持续的“虚拟点火器”。因而燃烧本质上是一个链式反应。可喜的是整个燃烧过程,产出的能量大于点火拆解氧气所需的内部能耗,因而仍能向外部供应大量热能。 当大量水浇到火焰上,水的高热容可贪婪地吸收所有燃烧释放的光子,使得后续燃烧需要的原子氧断供,因为没有多余高能光子用于离解双原子氧气分子。 设想在冰封的气穴内充满燃料和氧气,且按完全燃烧调配混合比。用高压放电点火后,肯定燃烧不会受影响,且反应生成物水气会快速凝结成液态水,如果冰块足够冷的话,生成的液态水也会很快冻结到冰壁上面。 显然,如果改用静态水液,形成大的气穴比冰难得多。但如果让水高速流动起来,把按比例混合好的燃气裹挟进来,形成大量微气泡,在流程沿途越裹越紧,直到气泡直径至少压缩 3 倍以上,想想看会发生什么? 我们知道柴油机的气缸体积压缩倍率,即行话所说的压缩比,约为 20 倍。压缩冲程完毕时,气缸内温度至少 400 度以上,超过柴油的引燃温度,因而柴油的点火不象汽油那样需要火花塞,而是靠简单的压燃。 再回过头看前面提到的气液两相流。直径压缩 3 倍,意味着体积压缩了 3*3*3=27 倍,显然这时气泡内温可以自燃任何常规化石燃料。 能点燃是一回事,能否持续燃烧就是另外一回事。如果气泡直径压缩比维持在 3 倍,因周围水对光子的贪婪吸收,蚕食了链式持续离解出氧原子的能量,有可能导致熄火。 所幸在射流器非平衡工况下,气泡可以被持续压缩,且比用活塞压缩轻松多了,轻易压缩百倍千倍。流体力学的观测实验早就证实:空化泡溃灭引起的局部极限温度可达 5000 度以上,压力可达 1000 个大气压以上! 有些科学家甚至基于此特性,研究超声空化声致发光。例如刘岩教授就是这方面的专家。 因而,不似通常以水毯覆盖火苗那样的灭火效果,这里描述的射流沉浸式燃烧是可以持续的。尽管微穴被水围得水泄不通,但燃烧过程绝大部分能完全进行。水气生成物就地凝结吸收,二氧化碳基本不溶于水,该咋地就咋地,最后随射流逸出排放。 沉浸式燃烧将在射流器的混合区产生强劲的超声激波,喷出后撒野奔向水轮机,将燃烧释放的能量转化为动力扭矩。 排气管消音器排出的只有干净的二氧化碳和氮气,其它燃烧产物:水气和二氧化氮被水体吸收。因而系统水箱总量会随射流引擎运行时间而增长,且逐渐趋于酸性:因为 NOx 吸收后生成了硝酸。 伴随而来的问题是:这种发动机的水箱、缓冲池、水轮叶片需要考虑耐酸腐蚀。 如果用纯氧和纯氢气1:2摩尔数混合当燃气,因仅有唯一的水气产物,直接凝于水体得了,因而不再要排气管,且开放式水轮机可换成体积紧凑的液压马达,酸腐蚀的烦恼也一扫而光。 基于这一前沿技术开发的引擎,其另一重要特点就是不挑食:汽油、柴油、液化气等一股脑通吃,仅需要改变空然比和化油器参数(如果液体燃料的话)。这是现有四冲程发动机望尘莫及的。 总之,这种焕然一新的燃烧新技术堪称 水与火的贴面热舞! 申请专利后,目前我正寻求发动机生产厂家的协作,希望将此类发动机尽快用到家用轿车。它的另一个受用户欢迎的特点是汽油柴油通吃,转换时仅需适当调整燃气比等参数。 下图为原理示意图:
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NOx Emissions: Reduction Strategies
热度 1 jianhuihong 2015-5-29 03:40
NOx Emissions: Reduction Strategies Published May 2015 “Today's Boiler The article, written by Dr. Jianhui Hong,begins on page 10 . 点击这里,可以看到整本彩色杂志,我的文章从第十页开始: Click here: http://digital.bnpmedia.com/publication/?i=256332 Dr. Jianhui Hong If you operate stationary fired equipment (such as a boiler) and you are concerned about compliance to emission regulations, you may find this article useful. It provides a basic primer on a class of regulated pollutants called Nox and methods for controlling and minimizing their emissions. WHAT IS NOX? Nox is a term used to include two important air pollutants: NO (nitric oxide) and NO2 (nitrogen dioxide). These pollutants are sometimes called mono-nitrogen oxides. In contrast, the generic term nitrogen oxides includes a family of seven different chemical compounds (NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4, N2O5). Nox should not be confused with N2O (laughing gas), an analgesic commonly used in dental operations. Nox is formed and emitted in nearly all combustion processes. WHY IS NOX BAD FOR HUMAN HEALTH AND THE ENVIRONMENT? NO and NO2 are harmful to human health in their own rights. But they also play some indirect roles in harming human health and the environment. NO is a colorless, poisonous, oxidizing gas with an irritating odor. NO is toxic by inhalation, and symptoms of overexposure may not become apparent for up to 72 hours. Exposure to NO gas in low concentrations produces an irritating effect on the mucous membranes of the eyes, nose, throat and lungs, which can include choking, coughing, headache, nausea, and fatigue. NO2 is a reddish brown, poisonous gas with a slightly irritating odor. Because it is relatively insoluble in water, there is little irritation to the mucous membranes of the eyes, nose, and throat. Therefore, people who inhale even high concentrations may not be aware of their exposure. This allows NO2 to penetrate well into the lungs, where it causes oxidizing damage to the tissues. Acid rain. Nox can react with water or water vapor to form nitrous acid (HNO2) and nitric acid (HNO3). These acids in the rain can make acid rain. Acid rain can damage plants and man-made structures such as buildings, bridges, and outdoor sculptures. Smog/Ground level ozone. Nox emissions from combustion processes are primarily in the form of NO. In the air,NO reacts with oxygen to produce NO2. In the presence of sunlight, Nox can react with hydrocarbons, especially VOC (volatile organic compounds) in the air to form ground-level ozone, which is an important ingredient of smog. The reddish brown color of the hazes hanging over the skies of some major cities comes from NO2 gas. Ground level ozone is also a health hazard. It can cause irritation to eyes, noses, throats, and lungs. It can even cause asthma and other chronic lung diseases such as emphysema and chronic bronchitis. In the air, nitrous acid (HNO2) and nitric acid (HNO3) from the combination of Nox and water vapor can react with ammonia to form nitrite and nitrate salt crystals (NH4NO2 and NH4NO3). Together with sulfates, sulfites and organic particles, these nitrites and nitrates can make up 90% of Particulate Matter less than 2.5 microns in aerodynamic diameter (PM2.5). The PM2.5 interferes with the transmission of sunlight in the air, and causes visibility issues in the form of a haze that, unlike a fog, does not clear when the air warms up. Water Quality - Nutrient Overload. Nox can form nitrates in the air as we discussed. These nitrates can then come down with rain and snow. Nutrient overload problems occur in the bodies of water when the availability of nitrites and nitrates become too abundant. This nutrient overload induces changes in phytoplankton, and produces toxic brown or red algal blooms (i. E. red tides). The algal blooms can cause the death of other plants and marine animals in the water. HOW IS NOX FORMED? Nox can be formed through three different mechanisms: thermal Nox, prompt Nox, and fuel Nox. Thermal Nox. Thermal Nox is produced when nitrogen (N2) and oxygen (O2) in the air reacts to form Nox. Elemental nitrogen (N2) is typically a stable and inert gas due to its strong triple bonds, but under the high temperature conditions of a flame, it can start reacting with oxygen. Dry air is comprised of 21% oxygen and 78% nitrogen by volume. Since air is the most commonly used oxidant in combustion, thermal Nox is present in most combustion processes. Thermal Nox is very sensitive to temperature. Reducing peak flame temperature (especially below 1,300°C or 2,370°F) is very effective in reducing thermal Nox production. Many of the measures used to reduce peak flame temperature also help reduce Nox because of oxygen concentration dilution. Fuel Nox. Fuel Nox is produced when the organically bound nitrogen in some fuels (such as coal, and to a lesser degree fuel oils) react with oxygen in the flame to produce Nox. The nitrogen in these fuels are often referred to as fuel bound nitrogen. The formation of fuel Nox is very complex, but typically involves formation of HCN and NH3 as intermediates, and the subsequent oxidation to form Nox. Fuel Nox can be most effectively minimized by staged combustion, which implies delayed mixing between the fuel and air. Prompt Nox. Prompt Nox is produced when hydrocarbon radicals react with atmospheric nitrogen (N2) to form HCN, which is subsequently oxidized to form Nox. Prompt Nox is important under fuel rich conditions due to the abundance of hydrocarbon radicals. Reducing the fuel rich zone is effective in suppressing prompt Nox. HOW CAN NOX BE REDUCED? Nox abatement techniques can be divided into pre-treatment, combustion modifications, and post-treatment options. Pre-treatment. Pretreatment often means use of better fuel sources, such as switching between types of coals; switch-ing from coal to fuel oils; switching from #6 oil to #4 or #2 oil; switching from fuel oils to natural gas. Combustion Modifications. These include flue gas recirculation and various techniques. Flue Gas Recirculation (FGR). FGR is a commonly used Nox abatement technique. It targets the thermal Nox by reducing the peak flame temperature and also oxygen concentration. FGR can come in two forms: external FGR and internal FGR. Figure 1 illustrates the use of external FGR for Nox reduction. This is the most common Nox abatement technique. The use of external FGR increases the requirements for the combustion fan in terms of flow capacity and electricity consumption. Some burner designs require up to 40% FGR by mass, to achieve ultra-low Nox levels, and the combustion fans become a significant factor in the overall costs of the burners (including fixed costs and operating costs). Internal FGR is induced often by sophisticated burner designs and in-depth understanding of fluid dynamics around the burner head (Figure 2). The state-ofthe- art burner designs use no external FGR to achieve 30 ppm Nox, and use little (15%) external FGR to achieve 9 ppm Nox, while maintaining 3% oxygen (dry volume based) in the flue gas over a wide turndown range (5:1 or even 10:1). .Steam/water injection works similarly to external FGR. It targets thermal Nox by reducing peak flame temperature and oxygen concentration. The downside of this technique is the loss of efficiency compared to FGR due to the increased heat loss through the flue gas. Ultra Lean Premixing. The adiabatic flame temperature is a function of the equivalence ratio (normalized fuel/air ratio), and peaks near the point where equivalence ratio is 1 (stoichiometric condition). Ultra lean premixing aims to reduce the flame temperature by staying away from stoichiometric condition. Ultra Lean Premixing, if used alone, has the downside of high oxygen level (up to 9%) in the flue gas, and the loss of fuel efficiency due to the very high excess air. Fiber mesh burners use this technique. Air Staging. In this technique, combustion air is supplied in two or more stages. The general goal is to reduce flame temperature, and create fuel rich conditions in the early stages, before the final stage of air is supplied. This technique is very effective against fuel Nox. Under fuel rich conditions, the fuel bound nitrogen can be largely converted to elemental nitrogen instead of Nox. Fuel Staging. In this technique, fuel is supplied in two or more stages. The general goal again is to reduce peak flame temperature. This technique is often combined with Ultra Lean Premixing to overcome the efficiency issue of the latter. The excess oxygen left behind from the ultra-lean premixed flame is consumed by the later stages of the fuel supply, thus avoiding the efficiency loss associated with ultra-lean premixing. Post combustion treatment. This includes two primary options. The Selective Catalytic Reduction (SCR) process reduces Nox in the flue gas into nitrogen by injecting a nitrogen- based reagent (ammonia or urea) into the flue gas, and allowing the resulting mixture to flow through a reactor with catalysts. To be effective the mixture temperature needs to be within the working range of the catalysts. Optimum temperature for SCR varies between 480 and 800°F. SCR allows high degree of Nox reductions up to 90%. But the benefits come with increased costs in terms of catalyst installation and replacement, reagent, and electricity. The catalysts gradually lose activity over time, accompanied by an increase in ammonia slip. When ammonia slip reaches a maximum allowable threshold, at least part of the catalysts needs to be replaced. The Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR) process reduces Nox in the flue gas into nitrogen by injecting a nitrogen-based reagent (ammonia or urea) into the flue gas. Optimum temperature for SNCR varies between 1,600 and 2,100°F. SNCR is effective when the initial Nox level is relatively high (200- 400 ppm), and is not effective at low Nox levels. For boilers firing natural gas, SNCR is not effective. SNCR alone allows Nox reductions up to 50%, and when applied in conjunction with low Nox burners allows Nox reductions up to 75%. CONCLUSION Nox is a regulated air pollutant formed in nearly all combustion processes. Its emissions can be controlled by various techniques, but the most cost-effective methods tend to be combustion modifications, especially using low Nox and ultra-low Nox burners.
个人分类: 环保|2813 次阅读|2 个评论
治理雾霾的误区和火焰化学
热度 1 jianhuihong 2015-3-30 09:33
关于雾霾, 最大的误解是“导致雾霾的污染物和能耗成正比,要消灭雾霾只能减少能耗”。导致雾霾的污染物,除了SO2是主要物种(major species)外,大多 是燃烧过程的次要物种( minor species, 比如一次 PM2.5, NOx, CO , 挥发性有机化合物 VOC )和工业过程的逃逸物( 挥发性有机化合物 VOC )。次要物种排放和工业过程的逃逸物排放是可以避免或者降到极低的。所有化石燃料 , 主要成分都是 C 和 H ,还有少量的其他元素( S, N , O 等)。 煤炭含有较多的 S 和 N , 所以烧煤污染比较严重 . 天然气基本上就是 C 和 H , 其他元素只有很少量, 所以烧天然气污染比较轻, 但也产生 NOx, 除非采用低氮燃烧器或超低氮燃烧器。科学网人才济济,但不是每个人都是化学化工专业,火焰化学就更别提了。 限于篇幅,我对火焰化学极度简化。 主要物种( Major Species ) 主要物种( CO2, H2O, O2, N2, SO2 )是完全燃烧不可避免的产物,可以按照物料平衡的原则计算出产量,通常 产 量也比较大, 常用体积百分比( % )来表达。 1.1 碳和氢的氧化 化石燃料的燃烧, C 和 H的 氧化可以概括为以下几个反应: C + O2 = CO2 H2 + ½ O2 = H2O CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O (天然气) 。。。 但是 干燥 空气里有 21% 氧气, 78% 氮气, 1% 左右别的气体( Ar , He , CO2 等)。为了简化,就说 21% 氧气, 79% 氮气吧 . 就是说,每一体积的氧气,要带着 3.762 个体积的氮气。 C + O2 +3.762 N2 =CO2 + 3.762 N2 H2 + ½ ( O2+3.762 N2 ) = H2O+ 1.881 N2 CH4 + 2 ( O2+3.762 N2 ) = CO2+ 2 H2O + 7.524N2 (甲烷完全燃烧)。 二氧化碳( CO2 )和雾霾的产生没有直接关系。 1.2 硫的氧化 S+ O2 +3.762 N2 = SO2 +3.762 N2 要避免二氧化硫, 只能对燃料脱硫, 或者对燃烧产生的尾气脱硫。 2. 次要物种( Minor Species ) 次要物种是燃烧过程中不一定要产生的物种, 包括黑炭( soot ) PM2.5 , NOx, SO3 , VOC. 次要物种不能按照物料平衡的原则计算出产量, 通常产生量也比较小, 常用百万分之一 ( ppm )来表达。 燃烧机理极其复杂,简单的甲烷燃烧,可以涉及 53 个物种和 325 个反应, 请看附录。 2.1 黑炭 soot 颗粒 黑炭 soot 颗粒通常在局部缺氧的情况下由乙炔交联成苯环,苯环再交联成稠环芳香烃,稠环芳香烃再交联脱氢形成。 在火焰中容易被氧化烧掉。可以说,黑炭 soot 颗粒要从火焰中逃出,变成一次 PM2.5 进入大气,不是必然的, 而是九死一生的机会。控制得当, 可以把一次 PM2.5 降到很低。 2.2 三氧化硫 SO2 + ½ O2 = SO3 要避免三氧化硫的排放,可以通过燃料脱硫, 或者对燃烧产生的尾气脱硫。 2.3 一氧化碳 C + ½ O2 = CO ( 碳不完全燃烧,燃烧中间产物 ) 。 燃烧控制得当, 可以把 CO 降到 0.1ppm 。 2.4 挥发性有机化合物 VOC 导致雾霾的 VOC ( volatile organic compounds )部分来自燃烧中间产物, 由不完全燃烧产生。但是,导致雾霾的 VOC 还有别的来源,如加油站,产品上漆过程,高架火 炬 不完全燃烧等。 VOC 排放是可以避免或通过技术减到很低的( 1 ppm )。 2.5 氮氧化物 NOx N2+ O2 = 2 NO NO + ½ O2 = NO2 空气中氮气很稳定,要氧化成氮氧化物一定要较高温(thermal NOx 和 prompt NOx)。通过低氮和超低氮燃烧技术,可以把 NOx 降到很低。 燃料(煤, 油)中固有的氮(Fuel-bound nitrogen)比较麻烦,在燃烧过程中通常都转化为 NOx. 但采用分级燃烧或者 SCR/SNCR 也可以变为无害的氮气。 氮氧化物控制技术,是当今燃烧技术的皇冠上的明珠。西方燃烧技术的研发投入,绝大部分用在氮氧化物控制上。 一般而言,导致雾霾的次要物种,在控制不当的情况下可以高于 10,000 ppm (上不封顶), 控制得当也可以 5 ppm , 甚至有些污染物可以 0.01ppm (可以说等于零) . 关键在于燃烧技术和燃烧过程控制。采用先进技术,对一些 次要物种 污染物可以减排超过 90% , 甚至超过 99% 。相比之下,在相同的燃烧技术条件下减少能耗 50% ,只能减烧污染物排放 50% 。 所以说,关于雾霾,最大的误解是“导致雾霾的污染物和能耗成正比,消灭雾霾只能减少能耗”。 以中国现在的经济发展阶段,总能耗恐怕还要增长 15 年。到 2030 年总能耗能下降就算乐观的了。所以,治理雾霾, 要从控制导致雾霾的次要物种污染物开始。导致雾霾的次要物种 本来就没有出生证, 乃是不必要出生的怪物,为何不扼杀于污染源呢?
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究竟谁更高明?
热度 4 fdc1947 2014-10-27 11:31
究竟谁更高明? 东汉人张仲景是中国历史上有名的医生,被称为医圣。但是,他毕竟是生活在一千八百多年前,他的有些“药方”也可能是很好笑的。比如,一个 烧裈散方,就是把内裤(裈就是裤)的裤裆剪下来烧成灰服用。这个方子很有名,汤显祖在《牡丹亭》里就用到了它。把今天一些“医生”的态度与汤显祖的态度作比较,也是一件很有趣的事情。 先看看张仲景《伤寒论》里的方子: “ 伤寒,阴阳易之为病,其人身体重,少气,少腹里急,或引阴中拘挛,热上冲胸,头重不欲举,眼中生花。膝胫拘急者,烧裈散主之。 烧裈散方:妇人中裈,近隐处,取烧作灰。上一味,水服方寸匕,日三服,小便即利,阴头微肿,此为愈矣。妇人病取男子裈烧服。” 在张仲景生活的1400年后,汤显祖把它写进了名垂青史的剧作《牡丹亭》中,而且用了整整一出戏:第三十四出,诇药。这出戏倒不复杂,只有两个人物。一个是当初杜丽娘的老师,一位酸腐不堪的落第老文人陈最良。另一个是帮着柳梦梅从墓里挖出杜丽娘的老道姑。这出戏很短,他们的对话非常风趣。我把这出戏全文抄录如下,为了让不熟悉古典戏文的朋友容易看懂,本人用红色字加了一点说明。 〔末上〕 (末就是陈最良,上场) “积年儒学理粗通,书箧成精变药笼。家童唤俺老员外,街坊唤俺老郎中。” (四句定场诗,接着说:) 俺陈最良失馆,依然开药铺。看今日有甚人来? 【女冠子】 (曲牌名) 〔净上〕 (净就是老道姑,上场唱:) 人间天上,道理都难讲。梦中虚诳,更有人儿思量泉壤。 (接着说:) 陈先生利市哩。 〔末〕老姑姑到来。 〔净〕好铺面!这“儒医”二字杜太爷赠的。好“道地药材”!这两块土中甚用? 〔末〕是寡妇床头土。男子汉有鬼怪之疾,清水调服良。 〔净〕这布片儿何用? 〔末〕是壮男子的裤裆。妇人有鬼怪之病,烧灰吃了效。 〔净〕这等,俺贫道床头三尺土,敢换先生五寸裆? 〔末〕怕你不十分寡。 〔净〕啐,你敢也不十分壮。 〔末〕罢了,来意何事? 〔净〕不瞒你说,前日小道姑呵! (小道姑系一位游方来的小女道士,陈最良曾经见过) 【黄莺儿】 (曲牌名,净即老道姑唱,中间有末即陈最良的插话) 年少不堤防,赛江神,归夜忙。〔末〕着手了?〔净〕知他着甚闲空旷?被凶神煞党。年灾月殃,瞑然一去无回向。〔末〕欠老成哩!〔净〕细端详,你医王手段敢对的住活阎王。 〔末〕是活的,死的? 〔净〕死几日了。 〔末〕死人有口吃药。也罢,便是这烧裆散,用热酒调服下。 【前腔】 (仍然是黄莺儿曲牌,陈最良唱,老道姑插话) 海上有仙方,这伟男儿深裤裆。〔净〕则这种药,俺那里自有。〔末〕则怕姑姑记不起谁阳壮。翦裁寸方,烧灰酒娘,敲开齿缝把些儿放。不寻常,安魂定魄,赛过反精香。 〔净〕谢了。 (下,这出戏结束) 这是戏曲,都借着剧中人物在说话,不过,听话听声、锣鼓听音,剧作者的态度还是很清楚的。 事情又过了四百年。我们的国医仍然用此方治病救人,而且颇见神效。以下的报道见 《陕西中医学院学报》1983年第一期: 患者张某,女,28岁。面色苍白,恶寒汗出,盖被后又加盖皮大衣仍抖动不止,每间隔2-3分钟即发出恐惧凄惨的尖叫声。询言阴中拘引,有一股热气直冲心下,自感欲死而发叫,两腿酸困,项软头重不欲举,气短不续,双目紧闭,睁目则眩晕,小便三日未解,阴中流出霉腐样粘液。舌质淡,苔薄白,脉弦细稍数。因病情怪异,……令其夫如法烧服烧裈散,药后约30分钟,阴中拘引感消失,心神渐安而入睡。3小时后,于病室畅尿一次,病症若失,……坚持服药3天,未再复发。 而且还有人对此进行理论研究: “李时珍《本草纲目》裈裆附方中又特别着重提出要‘用久污溺衣烧灰’,从而更进一步说明裈裆散的药效不在其裈裆本身.关键在其附着的残留物上。分析其残留物的组成,无非是男子的精液、女子的阴道分泌液以及小便的残留物。现代研究证实:男子精液是包含多种氨基酸离子、脂质、碳水化合物、蛋白质、果糖、前列腺素等重要物质的高能聚合液; 女子阴道分泌液中也含有血清、蛋白酶、溶酶体、转珠蛋白、白蛋白、淀粉酶、抗糜蛋白酶.其浓度相当于血清浓度。”   ( 《国医论坛》 1998 年第三期)   据说,《国医论坛》属于中医基础理论核心期刊,发表这样的文章是可以晋升职称的。但是文章中提到裤裆布沾上的的这些有机物却好像是“真金不怕火炼”,或者说,既然是有机物,大概也是有魂灵的,虽然烧成了灰,其魂灵依然不死,仍然可以当药治病救人。 今天的这些人与四百年前的汤显祖相比,究竟谁更高明一点?
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从狗肉说起
热度 9 fdc1947 2014-6-10 06:45
从狗肉说起 本文题为“从狗肉说起”,但是与现在人们争论的是否应当爱狗、残狗、吃狗肉以及保护动物之类的事情一点也没有关系,只说文字。今人称“狗”,古人称“犬”,一般地说,犬就是狗。但是,中国的古人要分得细一点,犬是总名,狗是小犬,现在就不分了。从狗肉说起,就是从犬肉说起,本文 只是从犬和肉两个字说起 。 我们现在所用的汉字,是所谓“楷书”(印刷的宋体、仿宋体等都属于楷书的范畴),它是在隶书的基础上发展起来的,而篆书则是隶书的基础。从篆书到隶书,是一个很大的飞跃,从此,汉字脱离了象形。我们讨论字形的变化,往往从篆字开始。 肉字的篆字见图 1. ,这是一个象形字。隶化以后,肉字旁与月字旁就差不多了,现在的楷书就一模一样了。一个肉字,旁边放一个犬字,就是一个 肰 ( ran2 ) 。 肰就是狗肉 (图 1 )。 古人很喜欢吃狗肉,大概除了猪肉之外,就是吃狗肉了。《礼记·王制》“ 诸侯无故不杀牛,大夫无故不杀羊,士无故不杀犬、豕 ”。这说明牛羊是比较高级的东西,并非一般人可以 顺便 享用。《孟子·梁惠王上》“ 鸡豚狗彘之畜,无失其时,七十者可以食肉矣 ”(彘,猪;豚,小猪;这句话的意思是:及时地饲养鸡、狗、猪,七十岁以上的老人就有肉吃了——博主注),《国语·勾践灭吴》“ 生丈夫,二壶酒,一犬;生女子,二壶酒,一豚 ”(丈夫,指男子,男孩;这是勾践奖励生育,多生孩子,长大报仇——博主注)。孟子说的七十岁老人可以有肉吃了,吃的是鸡犬猪,勾践奖励百姓生育用的是猪和狗。因为吃狗肉的人多,杀狗的便成了一项专门的职业。战国时有名的刺客聂政以及刘邦的连襟樊哙等不少名人都是从事这个行当的。 图1. 肉、犬、甘、厂 等 狗肉好吃不好吃呢?当然是好吃的。于是在 肰字上面加一个甘, 就成了 猒 ( yan4 )(图 1 )。《说文解字》: 甘,美也。就是味道好 。这个甘,在隶化的时候,简写成“曰”字的模样。 猒字 的 意思是满足,引申为吃饱 。有美味的狗肉吃,还不该满足吗?还不吃个饱吗?《孟子》中说过一位 齐人,有一妻一妾。他自己每天出去,“ 必猒酒肉而后反 ”。但他实际上吃的是别人祭祀的酒肉,很不光彩。《千字文》中有一句“ 饥猒糟糠 ”,是说肚子饿的人,有“糟糠”吃也就满足了。 但是什么事情满足过了头就厌烦了,于是 猒字又引申为厌烦、厌倦、讨厌的意思 。 后来人们又造出一个 厭 字, 上面是 山崖 (厂 han4 ),底下是 很好吃的狗肉 (猒) 。这个 字的意思是压 ,把猒压在山崖下。《说文解字》“ 厭, 笮也。从厂, 猒 声 ”。这个“ 笮 ”,说文上的解释是“ 迫也 ”,徐铉的注解是“ 镇也、压也 ”。所以, 厭 字的意思就是压。 人过于受压,晚上睡觉就成问题,就会做噩梦,这就引伸出厭字的另一种意思。《山海经》里有这样一句:“ 服之使人不厭 ”,郭璞注:“ 不厭,不厭梦也 ”。厭梦,就是梦厭。在这个意义下,后来新造了一个“ 魘 ”字。把 这个意义上的厭 写为 梦魘的魘 。总之, 厭 字的两种主要的意思: 一种已经 分了出去,写为 “ 魘 ”;而在 “镇也、压也”的意义下,还派生出好多字 ,我们仅例举如下六个: 懕、 厴、 靨、 擪 、嚈、壓 。 第一个是 懕 ( yan1 )。《说文》:懕,安也。 把心按压住,岂不是安稳了 。《诗经·小雅》:“ 懕懕 夜飮 ”,就是很安逸的喝酒。后来这个字也把心写成竖心旁, 懨 ,又简化为 恹 。 懕懕原来是很安逸的样子。安逸就是慢腾腾,以后转化成了病怏怏的样子了。王实甫《西厢记》:“ 恹恹瘦损,早是伤神 ”。 第二个, 厴 ( yan3 )。甲,就是甲壳,压住甲壳。这个字出现略晚,表示螃蟹身子底下的那片甲壳。现在, 厴 简化为 厣 。 第三个, 靨 ( ye4 )。 面就是面孔、脸面。 在脸面上压一下 ,当然出来一个窝, 嘴两旁的小圆窝儿,人称 酒窝儿 。妇女在脸上点搽一些装饰,也称 靨 。 靨 现在简化为 靥 。杜甫有诗句:“ 野花留宝靥,蔓草见罗裙 ”。 第四个, 擪 net 典 】 ( ye4 )。这个字也可以写成提手旁, 擫。擫 就是 用手指按压 。欧阳修《洛阳牡丹记》:“ 如人以手指擫之 ”。 第五个, 嚈 ( ye4 )。把 口(嘴)按压住了,人就呜呼哀哉 了。《红楼梦》十三回,贾宝玉听说秦可卿死了,要过去看,贾母不让,说:“ 才嚈气的人,那里不干净 ”。 第六个, 壓 (ya4) 。 土坷垃一压就坏了 ,所以这个字的原意是坏了。《说文》:“ 壓, 壞(坏)也。 ” 类似的字,还有一些,我们不一一列举了。 古人写字喜欢“假借”,假借就是用一个同音字来代替,实际上就是写一个“别字” 。上面我们说过的 猒 字,就被写成了 厭 。您要问为什么写成 厭, 不写成别的?除了同音以外,我们现在当然不可能再说出什么道理,反正古人就是这样“假借”了。而且, 时间一长,猒字反而没有什么人用了,甚至许多人都不认识这个字 了。于是 厭 就 又有了吃饱和讨厌这两个意思。吃饱和讨厌虽然从根上说有相同的地方,但两个字的意思毕竟还是有些不同。于是,在满足、吃饱这个意义上的厭,人们又造出来一个新字—— 饜 。这样, 厭字 主要 就只用来表示讨厭、厭烦等意思 了。人们总是喜欢偷懒,少写一点笔画。这样, 厭 就被人们写成了 厌 。由于 厭 简化为 厌 ,饜也就顺理成章地被简化成了 餍 , 魘 简化成 魇 ,如此等等 。 如上所述, 厭 字已经被 猒字的意思所“入侵”,成了满足或讨厌的意思 ,这真是鸠占鹊巢啊。 但是, 我们千万不要忘了, 厭 是一个原来就有的字,它的本意是镇、压 ,既然鸠占了鹊巢, 鹊只有再去找一个窝里。而 这个鹊又去占了别人的窝 。占了谁的窝呢? 壓 字的窝。时间一长,壓字原来的意思(“ 坏也 ”)人们已经不用了,而且简化成了现在的 压 。我们现在所用的 压 字,原来就是这样一个字替代另一个字的依次替代出来的。费了这么大的劲,真不容易。 我们先把上面这一大段所说的字做一个小结: ( 1 )原来的 猒 字,现在不大用了。它的意思,转给了两个字, 厭 和 饜。 厭 字的意思,成了讨厌、厌烦,而且简化为 厌 。 饜 字的意思是吃饱,满足,简化成 餍 。 ( 2 ) 厭 字的本意,也 转给了两个字,一个是 梦魘的魘 ,简化为 魇 ;另一个 为 壓 ,简化为 压 。 ( 3 ) 懕(恹)、 厴(厣)、 靨(靥)、擫、嚈 ,这些字现在看上去都像 “ 形声字 ” ,其中厭似乎是表音的音符,但实际上都有 “ 会意 ” 的成分,而且其 “ 意 ” 都是厭字的本意 —— 压。 图2. 肰 、火、然 现在,重新回到一开始所说的狗肉,就是那个 肰 ( ran )字。上面已经说过 肰就是狗肉 ,狗肉可不好生的就吃,这不符合我们中国人的习惯。要烧着吃。烧要用火,肰字下面加个火字,凡火写在字的底部,楷书就写成四点,这个字就成了 然 (图 2 )。 然 ,最早的意思就是 烧狗肉 ,以后就引申为 烧 。烧什么都叫然。《说文解字》: 然,烧也 。 造汉字最原始的方式是象形,日、月,都是象形。有的抽象一点,可以“指事”,就是指示一个大概,如上、下,在一横之上的便是“上”,在一横之下的便是“下”。用得最多的是形声,如江、河之类的。有些实在不好用上面的办法,就只好借一个字来表示,例如,一些感叹词,语气词等等。 “ 然 ”这个字就被假借来表示“ 这样、如此 ”等等意思。 同意别人的说法,说“ 然 ”、“ 然也 ”。西面怎么样怎么样,东面也是如此,说东面“ 亦然 ”。很大的样子,说“ 庞然 ”。很惊慌不安的样子,说“ 惶惶然 ”。用“ 然后 ”表示“如此以后 …… ”。用“ 然而 ”表示“是这样,但是 …… ”(仔细分析这种转折,也可以体会古人说话的委婉)。用得多了, “然”字差不多都是这类意思了 。 而 然 字的原意是“ 烧 ”,却被人新造了一个字“ 燃 ”来替代。很多文人批评这个燃字,说有了一个火在下面,又加一个火在边上,实在是重复了,不合理。但是。批评归批评,文字是老百姓使用的,你说“俗字”也罢,“非是”也好,大家还是这样用,用的人多了,最后只有承认,现在大家都不写“然”而写“ 燃烧 ”了。这就是约定俗成。 好了,一个犬,一个肉,引出了这么一大堆的字。看来,在中国古人那里,狗肉还真是个好东西。 说文字好像有点枯燥,最后说一段我小时候说的儿歌轻松一下吧。 吴方言有古老的儿歌曰:“ ‘ 共隆共隆 ’烧狗肉,狗肉香,请先生,先生吃仔(了,音 zi )烂肚肠 ”。儿歌并没有什么特殊的含义,就是让小孩子听着顺耳, 合辙押韵 ,跟着学说话而已。“ 共隆共隆 ”即轰隆轰隆,是火烧的声音。先生,塾师。旧儿歌中多有揶揄塾师者。
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煤田火灾(Coal Fires)博文系列(1)概述
热度 3 IIblue 2014-1-5 07:27
煤田火灾( Coal Fires )博文系列( 1 )概述 煤田火灾(简称煤火)是世界性的灾害。其危害主要包括烧毁大量的煤炭资源、排放大量的温室气体、有毒有害气体、导致地表塌陷和破坏生态环境等。以中国为例,中国北方煤火每年吞噬 2000w 吨的煤量,是德国年总煤产量的三分之二;排放的温室气体占人类化学燃料 CO 2 总排放量的 0.1%~0.3% 。它分布范围广,主要分布在中国、印度、美国、澳大利亚、南非、俄罗斯和印度尼西亚等。煤火古已有之。我国北魏地理学家郦道元在《水经注》中对新疆煤田大火也有记载:“屈词二百里有山,夜则火光,昼则但烟。”“屈词”即龟兹,在今天的新疆库车县至拜城县一带。如从《水经注》成书时算起,新疆煤田大火至今已有 1600 多年历史了。宋朝官员王延德在出使西域的笔记中写道:“北庭山中出硇砂。山中尝有烟气涌起,无云雾。至夕,光焰若炬,照见禽畜皆赤。”文中所说“硇砂”是煤田大火的特有产物,“北庭”即现今的新疆吉木萨尔县和奇台县一带,这里至今仍有煤田火区。 煤火不仅分布广、危害大、年代久,而且成因复杂,涉及到地质学、煤岩学、煤化学、燃烧学、遥感等多学科,是一道科学难题。本博文系列将对煤火的机理、探测、监测、防治等进行简单介绍。 1、 定义 煤田火灾( Coalfield Fires )(简称煤火, Coal Fires )是指在自然条件下或受人类活动影响,地下煤层或煤层露头与氧气接触后,从低温氧化自燃到剧烈燃烧后形成一定的规模,并产生系列环境、生态影响的煤层燃烧现象 。根据此定义可知,煤火一般不包括煤堆、煤矸石堆等自燃形成的煤火。但国外同行一般将煤田火灾和煤堆、煤矸石堆形成的煤火统称煤火( Coal Fires )。国际煤火专家 Dr. Kuenzer 将煤火定义为发生在煤体内的火灾,但通常发生在地下煤层中( Coal fires are fires in coal volumes, most frequently occurring inunderground coal seams . ) . ( a ) (b) (c) (d) 图 1 煤火 (a) 印度 Jharia 煤火; (b) 印度 Jharia 煤火; (c) 煤火宾夕法尼亚州 Centralia 地下煤火; (d) 南非 Witbank coalfield 煤堆煤火 2、 煤火起因 2.1 直接原因 产生煤火的直接原因是煤的自热、自燃特性。宏观而言,煤体与氧气发生放热的物理、化学作用过程,当氧气充足而放热速率大于煤体向外部环境散热速率时,煤体逐步升温。当煤体升温至 80-120 ℃ 时,煤体升温速率迅速加快,直至煤体燃烧。煤体升温速率(氧化反应速率)开始迅速加快时的温度被称为临界点温度( CriticalTemperature )、自热温度( Self-heatingTemperature, SHT )或交叉点温度( CrossPoint Temperature, CPT )。临界点温度在某种程度上可以反应煤体的自燃特性,是煤低温氧化实验研究的重要参数之一。然而,微观而言,多孔介质的煤体与氧气分子的作用过程却是十分复杂的。煤氧化过程示意图如图 2 所示,微观图如图 3 所示。 图 2 煤氧化过程示意图(参考文献 ) 图 3 煤氧化微观图(参考文献 ) 煤氧化的标志是氧气的消耗,这主要包括物理吸附和化学吸附 ;伴随化学吸附作用过程的就是气体、固体氧化物的产生。物理吸附过程类似于凝聚,气体分子与煤体表面的吸附力很小,因此很容易从煤体表面移除。而化学吸附作用力是分子间的范德华力( Valence Force ),远大于物理吸附作用力。值得注意的是由于物理吸附作用,煤体表明可形成单层或多层氧气分子,而化学吸附作用只能使煤体表明形成单层氧气分子。影响煤氧化的因素很多,包括煤的孔隙率、粒径、水分、氧化时间、外部温度等因素。不同的条件下,煤氧化反应机制和产物都不同。 2.2 间接原因 煤火的间接原因很多,包括闪电、强的太阳辐射、森林火灾以及人为因素。其中人为因素是导致煤火的主要原因,特别是小煤窑的非法、乱采、滥采。 3、 分类 根据煤火的形成原因、时间等,煤火可分为自然形成的煤火、人为作用形成的煤火;近代煤火、古代煤火;煤堆煤火、煤矸石煤火、地表煤火和地下煤火。 Dr. Kuenzer 根据煤火的发生、发展规律,将煤火分为初始燃烧煤火、加速燃烧煤火、持续燃烧煤火、缓慢燃尽煤火和熄灭了的煤火 。煤火分类示意图如图 4 所示。 图 4 煤火分类图(参考文献 ) 4、 分布 煤火产生的主要原因是采煤活动。因此煤火主要分布在世界主要产煤大国,如中国、美国、印度、南非、澳大利亚、俄罗斯、印尼等。 2012 年其产煤两如表 1 所示。 世界煤火分布如图5所示。 表 1 世界主要产煤国家及产量(由 British Petroleum 统计,参考自维基百科) 国家 产量( Mt ) 百分比( % ) 中国 3520 49.5 美国 992.8 14.1 印度 588.5 5.6 欧盟 576.1 4.2 澳大利亚 415.5 5.8 俄罗斯 333.5 4.0 印度尼西亚 324.9 5.1 南非 255.1 3.6 图 5 世界煤火分布(参考自Prof. Prakash个人主页:http://www2.gi.alaska.edu/~prakash/coalfires/global_distribution.html) 而中国主要分布在北方,具体省份包括新疆、内蒙、宁夏等。中国煤火分布如图 6 所示。世界煤火分布的具体位置、成因及特点将在后面作详细介绍。 图 6 中国煤火分布图(参考文献 ) 参考文献 管海晏,冯·亨特伦,谭永杰等 . 中国北方煤田自燃环境调查与研究 . 北京 : 煤炭工业出版社 , 1998. 张建民 . 中国地下煤火研究与治理 . 北京 : 煤炭工业出版社 , 2008. 武建军,刘晓晨,蒋卫国,等 . 新疆地下煤火风险分析分布格局探析 . 煤炭学报 , 2010 , 35 ( 7 ): 1164-1171. Kuenzer C and Stracher GB. Geomorphologyof coal seam fires . Geomorphology , 2012 , 138 ( 1 ): 209-222. Wang H, Dlugogorski BZ andKennedy EM. Coal oxidation at low temperatures: oxygen consumption, oxidationproducts, reaction mechanism and kinetic modelling . Progress in Energy andCombustion Science , 2003 , 29 : 487-513. Stracher GB and Taylor TP. Coalfires burning out of control around the world: thermodynamic recipe forenvironmental catastrophe . International Journal of Coal Geology , 2004 , 59 ( 1-2 ): 7-17.
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[转载]国际燃烧学会网站列出的燃烧国际期刊
alick1 2012-2-2 23:54
The Proceedings of The Combustion Institute Combustion Institute Combustion and Flame Combustion Institute Combustion Theory and Modelling Combustion Science Technology https://www.combustioninstitute.org/pages/page35.php
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黑色的鹿
yurongming 2011-6-15 01:02
我骑上黑色的鹿, 托住天上的云, 却不敢张望你的眼睛。 我抚摸哀怨的雨, 听到它燃烧的声音! 悠然的旷野的风, 拥抱着无声的岁月的痛。 我轻轻地走过, 走过蓦回首的笑容 ……
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燃烧传热国际国内权威期刊
ldzd 2011-1-4 20:30
下面是一些燃烧传热国际国内权威专业期刊(包括一些光学诊断) ProgressinEnergyandCombustionScience; CombustionandFlame; InternationalJournalofHeatandMassTransfer; InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer; ASMEJournalofHeatTransfer; JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer; HeatandMassTransfer; NumericalHeatTransfer,PartA:Applications; NumericalHeatTransfer,PartB:Fundamentals; Fuel; Energy&Fuels; CombustionScienceandTechnology; InternationalJournalofThermalScience; JournalofThermophysicsandHeatTransfer; OpticsLetters; AppliedOptics; AppliedPhysicsB:LasersandOptics; 中国电机工程学报; 燃烧科学与技术。
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燃烧及火焰的颜色
yaoronggui 2010-8-4 01:36
一、燃烧的一般条件 1 、温度达到该可燃物的着火点; 2 、有强氧化剂如氧气、氯气、高锰酸钾等存在; 3 、爆炸物一般自身具备氧化性条件,如硝化甘油、三硝基甲苯、火药等,只要达到温度条件,可以在封闭状态下急速燃烧而爆炸。 二、镁在下列气体中可以燃烧 1 、空气或氧气 2 、氯气 3 、氮气 4 、二氧化碳 三、火焰的颜色及生成物表现的的现象 1 、氢气在空气中燃烧:淡蓝色火焰 2 、氢气在氯气中能够燃烧:苍白色火焰,瓶口有白雾; 3 、甲烷在空气中燃烧:淡蓝色火焰 4 、酒精在空气中燃烧:淡蓝色火焰 5 、硫在空气中燃烧:微弱的淡蓝色火焰,生成强烈刺激性气味的气体 6 、硫在纯氧中燃烧:明亮的蓝紫色火焰,生成强烈刺激性气味的气体 7 、硫化氢在空气中燃烧:淡蓝色火焰,生成强烈刺激性气味的气体 8 、一氧化碳在空气中燃烧:蓝色火焰 9 、乙烯在空气中燃烧:火焰明亮,有黑烟 10 、乙炔在空气中燃烧,火焰很亮,有浓厚黑烟 11 、镁在空气中燃烧,发出耀眼白光 12 、钠在空气中燃烧,火焰黄色 13 、铁在氧气中燃烧,火星四射(没有火焰),生成的四氧化三铁熔融而滴下 四、焰色反应 1 、钠或钠的化合物在无色火焰上灼烧,火焰为黄色; 2 、钾或钾的化合物焰色反应为紫色(要隔着蓝色钴玻璃观察)
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燃烧与火焰的区别
yaoronggui 2010-6-1 18:17
高中化学中涉及到氯气的化学性质:钠在氯气中点燃的现象:黄色火焰、白烟;铜在氯气中点燃的现象:燃烧、棕黄色的烟;铁在氯气中点燃的现象:燃烧、棕褐色的烟;氢气在氯气中点燃的现象:安静的燃烧、苍白色的火焰。 为什么有些物质燃烧时会产生火焰,而有些物质燃烧时却没有火焰产生?物质燃烧时有无火焰产生,不能根据物质的易燃和不易燃来判断,只有气态物质燃烧时,才能形成火焰(如氢气、一氧化碳、甲烷等气体的燃烧),因此,凡是气体燃烧都会产生火焰。液体燃烧时如果是先转化为蒸气后再燃烧的,也有火焰产生(如酒精的燃烧)。固体燃烧时,如果它们的熔沸点比较低(如硫、磷等),它们也会先转化成蒸气后再燃烧而产生火焰,如果它们的熔沸点很高(如铁丝等),燃烧时不能转化成蒸气,那就见不到火焰,只能见到火星四射而发光。 生活常识 蜡烛刚开始点燃的时候很亮,但慢慢地又变暗了,隔了一段时间又重新亮了起来,这是为什么呢? 原因就在于刚刚点燃蜡烛的时候,蜡烛芯上的石蜡会先熔化,然后气化了,我们能看到火焰,而且比较亮。但要注意,这时下面的蜡烛没有熔化,更没有气化,所以,等到蜡烛芯上的石蜡燃烧完以后,气化的石蜡减少了,光线便暗了下来。随着时间的推移,蜡烛燃烧放出的热量又使蜡烛熔化了,又慢慢地气化了。那些气化的气体转移到芯上燃烧了,我们又能感觉到蜡烛变亮了。
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借《无需标记的激光特技》的东风
zhiwei 2010-5-26 04:46
最近出版的《自然 方法学》刊登特写文章 《无需标记的激光特技》( Laser tricks without labels ), 介绍 非线性光学显微术看到活体细胞和组织中的化学组成 ( http://www.nature.com/nmeth/journal/v7/n4/abs/nmeth0410-261.html 和 科学网 http://news.sciencenet.cn//htmlnews/2010/5/232523.shtm ) 该技术的对探测对象的非干扰特性是其一大优点。虽然我不是做生物成像研究,但我们的研究领域也是应用光学技术的非干扰( non-intrusive )等特性对燃烧过程进行测量诊断,相对于一些其他方法,也算上一种不干扰不标记的技术,所以想借此东风,介绍一下我们的研究领域激光探测在燃烧中的应用,希望有朋友感兴趣。 若一位朋友把点燃的蜡烛和酒精灯放到你的面前,让你告诉他哪种火焰的温度更高,我想很少人会把自己的手放到火焰里,像检查宝宝是否发烧那样慢悠悠地说:嗯,好像酒精灯的温度更高一点,不过不太确定,还是拿热电偶测一下吧。哈哈,当然不会,这么高的温度,我想多数人的第一选择就是求助测温常用的热电偶,而不是自己的血肉之手。但是呢,用热电偶放大火焰里有一点小小的问题热电偶对火焰的干扰。很明显,当你把热电偶放入火焰测温的同时,你改变了火焰的真正状态,包括测量点的温度场,粒子场和流场。到底改变了多少呢?我也不太知道。 所以在燃烧领域(抱歉,我知道的太少,所以就局限于此了),人们就在寻求一种无干扰的测量技术,在不影响火焰真实状态的前提下,更准确的测量火焰(或其他一些燃烧过程,比如点火,爆炸等等)状态,更精确地描述燃烧过程。果然有一个东东,可以满足这种需求,神奇的光!为什么是光呢?简单地很,一句名言说的好啊,看你一眼怎么了,你又没少啥。是的,我们在街头欣赏美女之所以不违法,恰恰是应用了光学技术的非干扰特性,不信你去摸摸试试。 当然了,如果单纯地检测火焰自己的发光,亦所谓的自发辐射光谱,能得到的信息是有限的,因为我们是在被动地接受信息,不能为所欲为,随心所欲。怎么能变被动为主动呢?我们要人为地去制造光,制造携带燃烧信息的光。与前一样,为了不对燃烧过程制造干扰,我们还是选择光作为我们的制造工具。最好的光工具是什么,当然是激光了(今年都50岁了,大家关注一下啊),所以有了我们的小领域激光技术在燃烧诊断中的应用。 好的,接下来我就会介绍一些在我们领域最最常用的基于激光技术的测量方法,包括激光诱导激光( laser-induced fluorescence ) , CARS 等等,其实呢,跟 《无需标记的激光特技》的激光技术中涉及的很多技术特别想象,这也是我来借东风的原因了。 不过呢,太晚了,我要睡觉了,明天或者哪一天再说。
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[转载]美科学家宣称盐水在无线电作用下可燃烧
jimmydz2005 2010-4-29 20:58
据国外媒体报道,美国的科学家日前表示,他们发现普通盐水在无线电波的照射下可以燃烧,这很可能是21世纪人类最伟大的发现之一,未来将有望解决人类的能源危机。 这个发现是约翰-坎祖斯在研制癌症治疗法的时候偶然发现的,当时他在尝试用一个射频发生器给海水脱盐,结果发现处于无线电频率下的盐水会燃烧。这一发现令科学家们为之兴奋,如此一来,科学家们将可以利用地球上最富足的资源--海水来作为燃料。 美宾夕法尼亚州的化学家罗斯坦姆-罗伊在实验室中证实了他的观测,他表示,无线电频率可以降低盐水中所含元素之间的结合力,释放出氢原子,一旦点火,氢原子就会在这种频率下持续燃烧。 罗斯坦姆-罗伊说:这个发现绝对是100年来最神奇的水科学。世界上最丰富的资源就是海水,它无处不在。看着盐水燃烧不禁让我有些寒意。本周,罗伊将会见美国能源部和国防部官员,以争取获得一些科研资助。 科学家们目前希望了解氢燃烧所释放的能量――燃烧时温度高达3000多华氏度――可以为一辆汽车或者其它重型机械提供足够的能量。罗伊说:我们将集思广议,看看研究的结果到底如何。可以肯定,它的发展潜力将会是巨大的。 来源于:新浪科技
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第一篇博文
xumysky 2009-6-15 14:48
第一篇博文,当然得介绍自己的基本情况: 本人目前从事湍流研究,着重关心湍流的混合特性,比如射流,尾流的混合行为,目的是研发高效的燃烧技术。除此之外,对于力学思想及其工程应用比较感兴趣。自本科以来,学习力学六年时间,越发觉得力学是数学与实际工程问题的桥梁。本人一直以为,唯有以扎实的数学为基础,以解决实际问题为目的,才是学好用好力学的关键。 目前,国家很重视节能减排工作,这里面也有大量的力学问题,比如湍流混合问题,就是提高燃烧效率的关键。所以本人目前致力于尾流和射流的混合行为研究,以实验为主,计算为辅。 本博客的开通,就是为了介绍自己的研究结果与心得,若能遇到几位同仁,交流合作,或者前辈的指点,那是本人的荣幸。
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