程海濤， 鄒彪， 劉嵩， 李聰

(1.國(guó)網(wǎng)電力空間技術(shù)有限公司， 北京 102219； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院， 北京 100083)

秸稈是可能引燃山火的常見(jiàn)可燃物之一。焚燒秸稈的處理方法可能會(huì)造成不可控制的火焰蔓延擴(kuò)散，進(jìn)而引燃周邊其他可燃物，從而造成大規(guī)模的山火[1]。在實(shí)際情況中，當(dāng)秸稈開(kāi)始燃燒時(shí)，會(huì)出現(xiàn)火源以火線形式擴(kuò)散。因此研究線性秸稈火源的鋪展蔓延過(guò)程及燃燒特征有重要意義。

目前針對(duì)秸稈的研究，主要是將其作為一種典型生物有機(jī)材料，研究其熱屬性和熱解特性。龐赟佶等[2]開(kāi)展了玉米秸稈的慢速熱解實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)熱解終溫越高，秸稈熱解剩余的固體殘?jiān)吭缴佟８吲实萚3]通過(guò)元素分析、紅外線光譜分析儀(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)、熱重分析法(thermogarvimetric analysis，TGA)以及固定床熱解等方法研究了氣體加壓烘焙對(duì)生物質(zhì)燃料特性及熱轉(zhuǎn)化行為的影響，發(fā)現(xiàn)烘焙壓力對(duì)熱解過(guò)程具有明顯的影響。譚瑞虹等[4]研究了生物質(zhì)秸稈的熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱容等特性，研究發(fā)現(xiàn)秸稈種類、氣候環(huán)境對(duì)熱解特性有一定影響。司耀輝等[5]將秸稈的燃燒過(guò)程從宏觀上劃分為揮發(fā)分析出和固體焦炭燃燒兩個(gè)階段；張喜坤等[6]開(kāi)展了不同升溫速率下的秸稈燃燒試驗(yàn)，得到了不同溫度區(qū)間內(nèi)秸稈燃燒特征變化規(guī)律及機(jī)理。

盡管先有研究對(duì)秸稈的熱解過(guò)程及產(chǎn)物進(jìn)行了較為深入的研究，但是對(duì)于秸稈燃燒過(guò)程中的宏觀現(xiàn)象了解并不清楚。而這對(duì)于防治由秸稈引起的火災(zāi)具有重要的意義?，F(xiàn)將秸稈自然堆放成長(zhǎng)度為1 m、寬度0.1～0.6 m的矩形秸稈。將秸稈的一個(gè)寬邊點(diǎn)燃，形成一個(gè)初始火線。研究秸稈的火災(zāi)蔓延過(guò)程，包括蔓延速率、質(zhì)量損失速率、火焰溫度等燃燒特性。研究結(jié)論有助于加深對(duì)秸稈火災(zāi)的理解，并為由秸稈燃燒造成的山火預(yù)防工作提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)布置示意圖如圖1所示。秸稈采用的是均質(zhì)的水稻秸稈，在實(shí)驗(yàn)前將秸稈放入烘干箱，在80 ℃高溫以及持續(xù)通風(fēng)環(huán)境中連續(xù)烘干5 h以上，目的是盡可能清除秸稈內(nèi)部的水分，從而消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中秸稈水分帶來(lái)的影響。將秸稈按照表1中的參數(shù)，鋪設(shè)成厚度均勻的矩形，長(zhǎng)度均為1 m，寬度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m。由于秸稈是自然堆積的，認(rèn)為秸稈的密度是恒定值，本文經(jīng)過(guò)測(cè)量取18 kg/m3左右。經(jīng)計(jì)算，秸稈的厚度可以確定為5.56 cm。

圖1 矩形秸稈燃燒實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of rectangular straw combustion experimental setup

表1 秸稈燃燒實(shí)驗(yàn)具體設(shè)置參數(shù)Table 1 Specific parameters of the rectangular straw combustion experiments

將堆放好的矩形秸稈放置在一塊厚度為1 cm的防火板上。下方采用一個(gè)高精度電子天平記錄秸稈的質(zhì)量數(shù)據(jù)，測(cè)量精度是0.01 g，采樣頻率是1 Hz。在矩形秸稈的正上方設(shè)置一個(gè)熱電偶陣列，由9根2 mm的K型鎧裝鎳鉻熱電偶組成，用以測(cè)量秸稈中心線上的火焰溫度，測(cè)量精度是0.1 ℃，采樣頻率是1 Hz。熱電偶之間的間距是10 cm。在秸稈同一水平高度的側(cè)方和斜上方各布置一個(gè)高清視頻攝像機(jī)，頻率是25 Hz，分辨率是1 920×1 080 pixles，用以記錄燃燒過(guò)程中的火焰圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 火焰蔓延過(guò)程

通過(guò)觀察主視角拍攝到的圖像，可以看到火線被線性火源點(diǎn)燃之后從初始燃燒到熄滅過(guò)程中的火焰蔓延移動(dòng)情況。圖2展示了所有寬度條件下秸稈火焰前沿的蔓延情況截圖?？梢?jiàn)當(dāng)矩形秸稈的右側(cè)被線性火源點(diǎn)燃之后，火焰逐漸由右向左開(kāi)始蔓延擴(kuò)散?；鹧驿h面經(jīng)過(guò)的地方是燃燒之后剩余的碳煙灰燼，火焰根部是正在燃燒的秸稈，火焰鋒面蔓延的前方是未被燃燒的秸稈[7-8]?；鹧嫘螤钤谌紵跗诼晕⑾蛴覂A斜。寬度越大，從側(cè)面看起來(lái)火焰顏色越明亮，高度越高，寬度越寬。并且寬度越大，從右到左蔓延1 m長(zhǎng)度所需要的時(shí)間越短，0.1 m主要接近280 s才能燒完，0.6 m需要160 s左右即可傳遞完畢。

圖2 不同寬度條件下秸稈燃燒火焰蔓延正視圖Fig.2 Experimental screenshots of flame spreading of burning straw of varying widths from front view

隨后分別統(tǒng)計(jì)秸稈燃燒過(guò)程中每一幀圖片的火焰前鋒距離右側(cè)線性火源的距離，作為火焰蔓延距離，其與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。在同一寬度時(shí)，火焰蔓延距離基本上線性增加。秸稈寬度越寬，蔓延距離增加得越快。將蔓延距離對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)定義為秸稈蔓延速率。當(dāng)秸稈寬度為0.1 m時(shí)蔓延速率大約是3.5×10-3m/s，秸稈寬度為0.6 m時(shí)增大達(dá)到了5.4×10-3m/s。

圖3 不同寬度條件下火焰前鋒蔓延距離變化規(guī)律Fig.3 Evolution of spreading distance of flame of varying widths

圖4分別展示了寬度為0.1 m和0.6 m時(shí)火焰鋒面蔓延過(guò)程中的斜上方視角圖片。當(dāng)寬度為0.1 m時(shí)，火焰前鋒一開(kāi)始是平齊的，后面會(huì)變?yōu)橹虚g落后，兩邊靠前，呈現(xiàn)凹陷的形狀。當(dāng)寬度為0.6 m時(shí)，線性火焰一開(kāi)始是平齊的，后面會(huì)變?yōu)橹虚g更加靠前的一些的突起的曲線火線，中間靠前，兩邊落后?？梢?jiàn)，隨著寬度的增加，火焰蔓延過(guò)程中火線形狀出現(xiàn)了從凹形到凸形的轉(zhuǎn)變。

圖4 0.1 m和0.6 m寬度條件下火焰前鋒形狀Fig.4 Shape of flame front of widths of 0.1 m and 0.6 m from oblique view

圖5 凹形和凸形火焰前鋒的傳熱過(guò)程示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of concave and convex flame front of varying widths from top view

(1)

在這個(gè)傳熱過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，由于秸稈的均質(zhì)性，導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)、熱輻射系統(tǒng)等都可以認(rèn)為是常數(shù)。秸稈邊界溫度Tw也是一定的。因此秸稈中心到邊界呈現(xiàn)溫度勻速降低的趨勢(shì)。

當(dāng)秸稈寬度較窄時(shí)，小于臨界區(qū)間寬度，導(dǎo)致火焰熱反饋的熱量尚未在秸稈內(nèi)部積聚，即向側(cè)面損失。盡管溫度梯度依然存在，但是秸稈中心溫度始終處于較低水平，達(dá)不到促使秸稈充分熱解燃燒的高溫，導(dǎo)致中間區(qū)域熱量不容易集聚，尚未形成熱量穩(wěn)定區(qū)域，因此燃燒強(qiáng)度受到限制。而秸稈邊界區(qū)域能夠與新鮮空氣充分接觸，空氣卷吸作用更強(qiáng)，因而能夠更快地燃燒。導(dǎo)致火焰前鋒出現(xiàn)凹形的形狀。當(dāng)秸稈寬度較寬時(shí)，大于臨界區(qū)間寬度，導(dǎo)致秸稈中心區(qū)域的熱量能夠累積，導(dǎo)致中心火焰溫度很高，成為促使火焰前鋒推進(jìn)的主要因素。而秸稈邊界區(qū)域的溫度較低，燃燒速率要落后于中心區(qū)域，因此出現(xiàn)了凸形的火焰前鋒。

2.2 質(zhì)量損失速率

對(duì)于不同寬度的秸稈，其質(zhì)量都呈現(xiàn)勻速線性下降的趨勢(shì)，如圖6所示。考慮到秸稈在長(zhǎng)度方向上的蔓延傳播過(guò)程是勻速的，在沒(méi)有其他因素干擾的情況下，質(zhì)量數(shù)據(jù)也可以近似認(rèn)為是線性下降的趨勢(shì)。在該階段中，秸稈先是熱解處可燃?xì)怏w組分，進(jìn)而與空氣混合進(jìn)行燃燒，火焰鋒面持續(xù)穩(wěn)定推進(jìn)，質(zhì)量損失速率近似保持穩(wěn)定，第三階段中當(dāng)火焰鋒面接近末端時(shí)，燃燒結(jié)束，快速下降。第四階段，極緩慢降低階段，這是因?yàn)槿紵甑牟糠纸斩捥幱陉幦紶顟B(tài)，沒(méi)有明火，但是在氧化發(fā)熱，燃燒速率沒(méi)有完全降為零。

圖6 秸稈質(zhì)量損失下降曲線Fig.6 Total mass of burning straw at varying widths from 0.1 m to 0.6 m

(2)

表2 不同寬度秸稈的質(zhì)量損失速率和標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 MLR and standard deviation of burning straw with varying widths

圖7 質(zhì)量損失速率與秸稈寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correspondence between the MLR and width of straw

2.3 火焰溫度

將矩形秸稈中心位置正上方布置的熱電偶溫度變化情況進(jìn)行展示，所有工況如圖8所示?？梢钥吹交鹧鏈囟瘸尸F(xiàn)錐形趨勢(shì)先升高后降低。升高的原因是在燃燒開(kāi)始后隨著火線從火源點(diǎn)開(kāi)始推進(jìn)，火焰鋒面距離熱電偶越來(lái)越近，火焰溫度逐漸達(dá)到峰值[9-10]。當(dāng)火焰鋒面繼續(xù)向前推進(jìn)，火焰溫度又開(kāi)始逐漸下降。當(dāng)秸稈寬度為0.1 m時(shí)，火焰峰值僅為270 ℃左右。當(dāng)寬度為0.2 m時(shí)，溫度約為350 ℃。當(dāng)寬度為0.3 m甚至更寬時(shí)，火焰峰值都穩(wěn)定在500 ℃左右。

圖8 矩形秸稈中心線火焰溫度變化情況Fig.8 Evolution of flame temperature at the center of the straw

(3)

(4)

式(4)中：ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，J/(kg·K)；T∞為周圍環(huán)境溫度， ℃；g為重力加速度，m/s2。從實(shí)驗(yàn)視頻中可以估算秸稈燃燒區(qū)域的瞬時(shí)寬度Δd約為0.05 m，燃燒區(qū)域的瞬時(shí)長(zhǎng)度近似為實(shí)驗(yàn)設(shè)置的秸稈寬度W，那么在秸稈燃燒過(guò)程中的與燃燒區(qū)域周長(zhǎng)相等的等效圓直徑Deq[12]為

(5)

因此，秸稈燃燒過(guò)程中的虛擬火源點(diǎn)高度z0可以表示為

(6)

根據(jù)Heskestad[13]的研究，此時(shí)高度為z處的秸稈火焰溫度可以定量表示為無(wú)量綱火焰溫度的形式：

(7)

式(7)中：Tf為高度z處的火焰溫度， ℃；p為環(huán)境氣壓，kPa。式(7)就是衡量火焰溫度的定量公式，分別考慮到了環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、秸稈燃燒速率以及測(cè)點(diǎn)高度。將本文實(shí)驗(yàn)中所有工況中不同熱電偶測(cè)點(diǎn)處的峰值溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，代入式(7)計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。

圖9 秸稈無(wú)量綱火焰溫度隨的變化規(guī)律Fig.9 Evolution of dimensionless flame temperature with

當(dāng)高度較低時(shí)，無(wú)量綱火焰溫度與高度的關(guān)系不大。隨著高度的增加，兩者的關(guān)系逐漸明顯，火焰溫度呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)高度達(dá)到一定高度后，溫度變化趨勢(shì)又減弱，這是因?yàn)榛鹧嬉呀?jīng)達(dá)不到該處的高度。

3 結(jié)論

開(kāi)展了不同厚度的矩形秸稈初始線性火源燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)秸稈燃燒過(guò)程中的火焰蔓延、質(zhì)量損失速率、火焰溫度等燃燒特性進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)秸稈燃燒過(guò)程呈現(xiàn)勻速蔓延的特點(diǎn)，蔓延速率與秸稈寬度成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)秸稈寬度為0.1 m時(shí)蔓延速率大約是0.35 cm/s，秸稈寬度為0.6 m時(shí)增大達(dá)到了0.54 cm/s?；鹧媲颁h在寬度較窄時(shí)呈現(xiàn)凹形形狀，在寬度較寬時(shí)呈現(xiàn)凸形形狀。

(2)秸稈的質(zhì)量損失速率與火線的寬度呈現(xiàn)線性關(guān)系，寬度越大，秸稈燃燒速率越快。

(3)秸稈火焰軸心溫度呈現(xiàn)快速升高-緩慢降低的趨勢(shì)，秸稈表面溫度超過(guò)500 ℃。從秸稈表面豎直方向由低到高，火焰軸心溫度逐漸降低，并建立了無(wú)量綱火焰溫度的定量模型。