蔣 偉，林 瀟，劉家豪，汪 箭

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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不同疏密度條件下紙堆燃燒特性研究

蔣 偉，林 瀟，劉家豪，汪 箭*

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

利用熱釋放速率測量平臺，開展了紙堆燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究。其中紙堆體積為0.45 m×0.45 m×0.2 m～0.45 m×0.45 m×0.6 m，質(zhì)量為0.3 kg～2.7 kg，疏密度為7.4 kg/m3～22.2 kg/m3。結(jié)果表明，當(dāng)紙堆的密度變大時，紙堆的有效燃燒熱值下降，未燃盡部分增多。在t平方增長火模型中，紙堆也不再總是適用于快速增長火，當(dāng)紙堆疏密度變大，其火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)α減小，并擬合了疏密度與火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

熱釋放速率；有效燃燒熱值；t平方增長火；紙堆

0 引言

紙制品因?yàn)閬碓磸V泛，成本低，抗壓好，緩沖好，質(zhì)量輕，廢棄物可回收利用等特點(diǎn)在人們?nèi)粘Ｉ钪?，尤其是包裝運(yùn)輸、印刷等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。但是，紙無論是生產(chǎn)、運(yùn)輸，還是回收過程都需要堆積存放，其作為易燃的熱薄性材料，極易引發(fā)火災(zāi)。本文以紙堆作為研究對象，研究了疏密度這個因素對其燃燒過程的影響。

紀(jì)等[1]在研究不同木材表面火蔓延時，發(fā)現(xiàn)同寬度下密度大的試樣火焰高度高，且隨著寬度增大可達(dá)到的近似穩(wěn)定值也大。牛[2]研究了顆粒粒徑對森林可燃物熱解的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑不僅影響動力學(xué)參數(shù)，而且不同粒徑的燃料顆?？赡艽嬖诓煌幕瘜W(xué)組成。陳等[3]研究了木材熱解的影響因素，發(fā)現(xiàn)密度較小的木材熱解較快。Quintiere[4]在研究木材時也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，并提出隨著密度變大，木材的火蔓延速率減小。Bhattacharya[5]在研究秸稈等廢物壓縮處理的過程中發(fā)現(xiàn)如果可燃物的孔隙率越低、易揮發(fā)物質(zhì)越少、無法燃燒的灰燼越多，其易燃性越低，但是這些參數(shù)如何變化以達(dá)到最佳的易燃性是很難確定的。

熱釋放速率是火災(zāi)科學(xué)中量化研究的一個重要的參數(shù)[6,7]，本文選用矩形紙條(85 mm×297 mm)堆疊的紙堆作為研究對象，在基于氧耗法原理建立的小尺寸熱釋放速率平臺[8,9]上開展了不同疏密度紙堆的燃燒實(shí)驗(yàn)，分析了不同疏密度紙堆火災(zāi)發(fā)展的規(guī)律，為今后的火災(zāi)研究工作提供相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法

實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示，其中熱釋放速率平臺由艙室、排煙系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)組成。燃燒艙底部截面的尺寸為1.2 m×1.2 m，新鮮空氣通過艙室下方0.15 m高的縫隙卷吸進(jìn)入。艙室上方與排煙管道相連接，排煙管道直徑為0.16 m。排煙管的進(jìn)口有兩個折流板，用以充分混合煙氣。管道出口處裝有風(fēng)機(jī)，設(shè)計的排煙量為0.18 m3/s，在排煙管道中部采集樣本，通過氣體分析儀[10]和氧耗法原理計算得出熱釋放速率。艙室前方有一個0.6 m×0.4 m的門以供拍攝實(shí)驗(yàn)過程的視頻。

實(shí)驗(yàn)采用的紙條由80 g/m2的A4打印紙切割而成。之后將紙條充分松散、攪拌，使其蓬松后，放入尺寸為0.45 m×0.45 m×0.70 m燃燒器中。燃燒器由網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的鐵絲網(wǎng)制成。當(dāng)紙堆放入燃燒器后，上方加蓋尺寸為0.44 m×0.44 m的鐵絲網(wǎng)以固定紙堆。點(diǎn)火源由30 cm長的鎳鉻絲制成，通過燃燒器右下角開口(5 cm×5 cm)引燃紙堆。

圖1 熱釋放速率平臺及內(nèi)部布置示意圖Fig.1 Experimental apparatus for measuring heat release rate and paper-tapes setup

電子天平擺放于兩層隔熱板(0.60 m×0.60 m×0.03 m)上，置于艙室底部正中位置，兩層隔熱板之間有1 cm的間距以加強(qiáng)隔熱效果。本次實(shí)驗(yàn)一共9組工況，每個工況重復(fù)三次，周圍溫度為10±3℃， 濕度為 40±10%，具體工況如表1所示，其中疏密度定義為單位體積內(nèi)的質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 有效燃燒熱值

熱釋放速率(HRR)與質(zhì)量損失速率(MLR)滿足如下關(guān)系式：

(1)

其中Δhc為有效燃燒熱值，對于不同的材料，其有效燃燒熱一般不同。但對于不同密度的同種材料，其有效燃燒熱值是否一致，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。由于工況1，工況2，工況3的密度不同，分別對這三組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合用以探究密度對于燃燒效率的影響，得到熱釋放速率峰值和質(zhì)量損失速率峰值如圖2所示。

表1 不同工況的規(guī)格

圖2 熱釋放速率峰值與燃燒速率峰值關(guān)系Fig.2 The relation between HRR peak and MLR peak

可以看出，隨著密度增大，對應(yīng)的斜率減小(對應(yīng)的斜率即為有效燃燒熱)，即有效燃燒熱值降低，這符合直觀的一般規(guī)律。這三條線性擬合的具體結(jié)果如表2所示，可以看出擬合效果較好。

表2中的結(jié)果分別為16.4 kJ/g，15.6 kJ/g和13.0 kJ/g，均與典型紙張的燃燒熱值(12 kJ/g～18 kJ/g)吻合。隨密度增大，觀察到未燃盡可燃物增多，紙堆燃燒行為更類似于固體表面燃燒行為。有效燃燒熱值的差別表明，隨紙堆密度增大，空氣卷吸更加困難，導(dǎo)致未燃盡可燃物增多，同時可能未充分燃燒的可燃物熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w增多。從圖2可以看出，隨紙堆密度增加，直線斜率下降，表明燃燒熱值與密度成反向變化，且直線斜率下降速度加快，因?yàn)楣r1～工況3密度等值上升，表明隨紙堆密度增加，燃燒熱值下降趨勢增大。

表2 有效燃燒熱值線性擬合結(jié)果

2.2 t平方火增長模型

1972年，Heskestad提出在火災(zāi)的早期階段，火災(zāi)按照t的指數(shù)方增長[11,12]，即：

(2)

其中，Q=熱釋放速率(kW);α=火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)(kW/secn)；t=時間(sec)；n是常數(shù)，通常取1，2，3…

對于大多數(shù)的明火燃燒，實(shí)驗(yàn)表明n應(yīng)取2，所以又叫t平方增長火。根據(jù)火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)的不同，t平方火又分為慢速增長火、中速增長火、快速增長火和超快速增長火。

圖3為不同工況熱釋放速率原始數(shù)據(jù)。

圖3 不同工況的熱釋放速率對比Fig.3 Comparison for MLR for different configurations

由圖3可見：

1)紙堆密度越小，燃燒反應(yīng)時間越短，燃燒速率到達(dá)峰值的時間越短；

2)紙堆密度越高，紙條燃燒速率峰值越低；

3)紙堆密度越高，燃燒過程中的衰減時間越長，質(zhì)量損失速率曲線越平穩(wěn)，且在衰退后期呈現(xiàn)類似陰燃的狀態(tài)。

一般認(rèn)為紙張燃燒屬于快速增長火，但是從圖3可以看出，不同密度的紙堆其燃燒增長的速率不同。表3羅列了紙堆燃燒過程中從點(diǎn)火階段上升到峰值所需要用到的時間和對應(yīng)的熱釋放速率峰值，及對應(yīng)的火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)α。

表3 不同工況對應(yīng)的火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)

按照α的大小將火災(zāi)分為了四類：慢速、中速、快速和超快速增長 4 種類型，其劃分的依據(jù)如圖4[13]。

表4 不同類型火災(zāi)對應(yīng)的α值

對比表3中的數(shù)據(jù)，在工況1的情況下，紙堆孔隙密度大，發(fā)展速率快，平均α值為0.04321 kW/s2，屬于快速增長火范圍；而工況2的燃燒發(fā)展與工況1相比則相對較慢，平均α值為0.00956 kW/s2，與中速增長火類似；工況3因?yàn)榧垙埖拿芏群艽?，其對?yīng)的平均α值為0.00208 kW/s2，這一類燃燒可以認(rèn)為是慢速增長火， 其火焰蔓延形式主要是沿表面燃燒。

表5 不同工況的特征參數(shù)

通過上述度論述，可以看出密度變化能夠顯著影響紙堆燃燒強(qiáng)度，因此，下文中將就紙堆密度與其火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)之間關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步探究。如表5所示，表中列出了工況1～工況3的平均火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)，到達(dá)1055 kW所需要的時間與對應(yīng)的紙堆密度。

Drysdale[14]提出對于熱薄性材料，其火災(zāi)蔓延速率與以下參數(shù)相關(guān)：

(3)

其中k為熱導(dǎo)率，并提出對于固體而言，熱導(dǎo)率與燃料的密度成正比，而比熱容為常數(shù)，則上式轉(zhuǎn)化為：

(4)

(5)

根據(jù)式(5)對現(xiàn)有數(shù)據(jù)作線性擬合，結(jié)果如圖4所示，擬合效果較好。

由圖4，上述兩者的數(shù)值關(guān)系為：

(6)

圖4 熱釋放速率到達(dá)1055 kW所需時間與紙堆密度平方線性擬合Fig.4 Linear Fit of time for heat release rate reaching 1055 kW and the bulk density squares

(7)

上式對于該種實(shí)驗(yàn)條件下紙堆疏密度和火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，可以看出隨著紙堆疏密度變大，其火災(zāi)強(qiáng)度降低。利用可燃物疏密度可以計算火災(zāi)強(qiáng)度，此外，不同密度的紙張燃燒增長模式和現(xiàn)象有所不同，設(shè)計滅火設(shè)施時應(yīng)該區(qū)別對待。

本文所提出的經(jīng)驗(yàn)公式僅滿足于特定情況下的紙堆疏密度和火源功率的關(guān)系；另外，為了預(yù)測紙堆熱釋放速率峰值，則還需要研究到達(dá)熱釋放速率峰值所需要的時間，該參數(shù)不僅與可燃物的疏密度有關(guān)，也可能同可燃物形狀等參數(shù)有關(guān)。受限于實(shí)驗(yàn)條件，未來將以此展開進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過熱釋放速率平臺研究了不同疏密度紙堆的燃燒特性和規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

(1)紙堆疏密度越大，火焰高度越低，燃燒反應(yīng)劇烈程度越低，火焰熄滅后，紙堆未燃盡部分越多；

(2)紙堆疏密度越大燃燒時間越長且燃燒速率峰值越低，最終與快速增長的t平方火產(chǎn)生差別；

(3)紙堆疏密度越大，火災(zāi)強(qiáng)度越小，擬合了火災(zāi)強(qiáng)度系數(shù)與疏密度的經(jīng)驗(yàn)公式。

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Combustion characteristics of paper-tapes with different bulk densities

JIANG Wei， LIN Xiao， LIU Jiahao， WANG Jian

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, combustion experiments of paper tapes with different volumes and bulk densities were carried out on a heat release rate measurement platform. The sizes of the paper-tapes are 0.45 m×0.45 m×0.2 m～0.45 m×0.45 m×0.6 m, and weights of paper-tapes are 0.3 kg～2.7 kg. The bulk densities of the paper-tapes are 7.4 kg/m3～22.2 kg/m3. It was found that as the bulk density of piles made of shredded paper tapes increased, the effective heat of combustion decreased. In t-squared fire growth model, the parameter α decreases as the bulk density of paper-tapes increases. An empirical formula for the relation between the bulk density and the relevant α is developed.

Heat release rate; Effective heat of combustion;tSquared fire growth model; Paper-pile

1004-5309(2016)-00127-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.03.02

2016-05-14；修改日期：2016-06-06

國家自然科學(xué)基金(51376172)。

蔣偉 (1990-)，男，江蘇鹽城人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程系碩士，研究方向?yàn)楣腆w火災(zāi)。

汪箭，E-mail: wangj@ustc.edu.cn

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