金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)法預(yù)測(cè)煙草的臨界自燃條件

康 濤,李云濤,劉乃安＊

(1.福建省泉州市消防支隊(duì),福建泉州,362000;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥,230026)

金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)法預(yù)測(cè)煙草的臨界自燃條件

康 濤1,李云濤2,劉乃安2＊

(1.福建省泉州市消防支隊(duì),福建泉州,362000;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥,230026)

使用金屬網(wǎng)籃模擬了小尺寸的煙草熱自燃實(shí)驗(yàn),利用交叉點(diǎn)法測(cè)量自熱過(guò)程煙草內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)并求解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),根據(jù)求解所得動(dòng)力學(xué)參數(shù)成功預(yù)測(cè)了大尺寸情況下堆積煙草的熱自燃臨界條件,得到煙草貯存的臨界堆積厚度與臨界環(huán)境溫度之間的函數(shù)關(guān)系,為煙草的安全存貯提供方法指導(dǎo)。

煙草貯存;熱自燃;動(dòng)力學(xué)參數(shù);交叉點(diǎn)法

0 引言

煙草是一種季節(jié)性生產(chǎn)、集中收購(gòu)、常年銷售、用途單一的特殊商品,因受豐年、歉年影響,產(chǎn)量波動(dòng)較大,加之煙草經(jīng)過(guò)一定時(shí)間儲(chǔ)存,會(huì)自然醇化,其色澤變佳,香味變純,所以必須儲(chǔ)備一定數(shù)量的貨源,以保證常年市場(chǎng)和卷煙工業(yè)生產(chǎn)需要。各地?zé)煵莸拇尜A方式不盡相同,且因煙草成分復(fù)雜,影響煙草燃燒的因素十分多樣,如果存貯措施不當(dāng),極易造成堆積煙草自燃火災(zāi)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煙草燃燒的研究多集中于討論煙草燃燒產(chǎn)物和影響煙草燃燒特性因素的經(jīng)驗(yàn)性分析[1-3],對(duì)導(dǎo)致堆積中煙草發(fā)生自發(fā)著火的臨界條件與特性研究并沒(méi)有太多的定性分析。本文采用小尺寸的金屬網(wǎng)籃盛放煙草,通過(guò)改變堆積煙草所處的環(huán)境溫度獲得多組熱自燃實(shí)驗(yàn)過(guò)程的溫度數(shù)據(jù),利用金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)法求解煙草自熱反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù),進(jìn)而研究煙草自發(fā)著火過(guò)程,并根據(jù)實(shí)際尺度燃料的堆積狀態(tài),預(yù)測(cè)煙草的自燃傾向性,為煙草的安全存貯提供方法指導(dǎo)。

1 基本理論

堆積煙草發(fā)生熱自燃是由于氧化反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)熱速率大于對(duì)外的散熱速率。Frank-Kamenetskii模型描述了固體可燃物熱自燃過(guò)程的能量平衡方程:

對(duì)式(2)取對(duì)數(shù)并調(diào)整,得:

金屬網(wǎng)籃法是一種基于Frank-Kamenetskii模型的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解方法,為按比例增大的計(jì)算提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但由于每次改變幾何尺寸或幾何形狀,都需要反復(fù)測(cè)量自燃臨界溫度,由此而造成實(shí)驗(yàn)工作量大,實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)。Chen X.D.在20世紀(jì)末提出了一種新的金屬網(wǎng)籃測(cè)試方法-非穩(wěn)態(tài)測(cè)試法。他通過(guò)在實(shí)驗(yàn)樣品幾何中心和偏離幾何中心不遠(yuǎn)的位置各放置一個(gè)熱電偶來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)這兩個(gè)熱電偶所測(cè)得的溫度相等時(shí),則認(rèn)為能量平衡方程式(1)中的導(dǎo)熱項(xiàng)為零[6]。后來(lái),Jones提出了一種和Chen’s Method類似的方法。Jones假定當(dāng)中心點(diǎn)溫度等于環(huán)境溫度時(shí),系統(tǒng)與環(huán)境之間無(wú)傳熱,能量平衡方程式(1)中的導(dǎo)熱項(xiàng)也為零[7]。得到方程式(4):

對(duì)上式取對(duì)數(shù)得:

如果煙草發(fā)生熱自燃,說(shuō)明此時(shí)的 F-K參數(shù)δ已經(jīng)大于其臨界值δc。

而由 F-K參數(shù)的定義式(2)可知,對(duì)于同一種材料,其燃燒熱 Q、化學(xué)反應(yīng)置前因子 A、熱傳導(dǎo)系數(shù)k以及活化能E均可以看作定值,此時(shí)的δ受到堆積密度ρ、環(huán)境溫度 Ta和堆積厚度r這三個(gè)參數(shù)的影響。

將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)際工況下的各項(xiàng)參數(shù)分別代入式(2),并相比可得下式:

式中下標(biāo)1代表模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,下標(biāo)2代表實(shí)際情況。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱、金屬網(wǎng)籃和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 堆積煙草熱自燃模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖(1-控制面板;2-金屬網(wǎng)籃;3-測(cè)溫元件)Fig.1 Schematic Diagram of Apparatus for Experiment

電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱為不銹鋼內(nèi)膽,正前方開(kāi)門(mén),用于放置金屬網(wǎng)籃。多孔的金屬網(wǎng)籃可保證置于其中的煙草在烘箱中能均勻受熱,并始終處于相同的溫度環(huán)境,其尺寸為5 cm×5 cm×5 cm,測(cè)溫元件為鎧裝 K型熱電偶。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí),將煙草樣品稱重后置入金屬網(wǎng)籃,隨后將熱電偶分別植入樣品幾何中心、偏離幾何中心上下各1cm處和網(wǎng)籃表面,如圖2所示。把盛有樣品的金屬網(wǎng)籃平穩(wěn)地放置在烘箱中,設(shè)置一個(gè)初始環(huán)境溫度,用數(shù)據(jù)采集器每隔1秒鐘采集一次數(shù)據(jù)并記錄。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)可利用中心差值的方法改變烘箱溫度以確定煙草在該堆積狀態(tài)下的熱自燃臨界溫度,同時(shí)記錄該多組實(shí)驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù),用于求解煙草自熱反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

圖2 金屬網(wǎng)籃內(nèi)置熱電偶示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Thermal-couple in Metal B asket

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3是電熱恒溫烘箱顯示溫度為164℃時(shí)的樣品溫升曲線圖。此時(shí)的網(wǎng)籃尺寸是5cm×5cm×5cm,煙草質(zhì)量是86.8g(擠壓密度為0.694g/cm3)。圖中以時(shí)間 t(s)為橫坐標(biāo),以溫度 Temperature(℃)為縱坐標(biāo),T1表示環(huán)境溫度,T2表示金屬網(wǎng)籃中心點(diǎn)上方1cm處溫度,T3表示中心點(diǎn)溫度,T4表示中心點(diǎn)下方1cm米處溫度,T5表示金屬網(wǎng)籃表面溫度(本文若不再具體說(shuō)明,下文所舉圖例內(nèi)的溫度都按此方法表示)。圖3顯示,用于測(cè)量煙草中心點(diǎn)和偏離中心點(diǎn)附近的熱電偶都有明顯的溫度躍升,表明煙草在164℃的環(huán)境溫度作用下,通過(guò)一段時(shí)間的熱分解,積聚的熱量達(dá)到了煙草的自燃點(diǎn),引起煙草的自發(fā)著火。現(xiàn)場(chǎng)觀察到的現(xiàn)象是電熱恒溫烘箱排風(fēng)口出現(xiàn)大量的白色煙霧,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)伴有濃郁的煙草燃燒時(shí)的氣味。

圖3 環(huán)境溫度164℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Temperature Data of Sample at 164℃

圖4是電熱恒溫烘箱顯示溫度為163℃時(shí)的樣品溫升曲線圖。此時(shí)的網(wǎng)籃尺寸是5cm×5cm×5cm,煙草質(zhì)量是86.6g(擠壓密度為0.693g/cm3)。由圖3和圖4對(duì)比可以看到,當(dāng)環(huán)境溫度為163℃時(shí),煙草中心點(diǎn)和偏離中心點(diǎn)附近的溫度雖然經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積聚后已經(jīng)超過(guò)了環(huán)境溫度,但仍然沒(méi)有達(dá)到煙草的自燃點(diǎn),因此,溫度曲線趨于平緩,沒(méi)有出現(xiàn)躍升。而環(huán)境溫度為164℃時(shí)煙草中心點(diǎn)和偏離中心點(diǎn)附近的熱電偶也都出現(xiàn)了明顯的溫度躍升,發(fā)生熱自燃。由此可判斷,煙草發(fā)生熱自燃的熱臨界溫度應(yīng)在163℃至164℃之間。取其平均溫度作為熱自燃臨界溫度,即163.5℃。

圖4 環(huán)境溫度163℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Temperature Data of Sample at 163℃

3.3 數(shù)據(jù)處理

由圖3可知,煙草在環(huán)境溫度為164℃時(shí)發(fā)生了熱自燃,根據(jù)Jones的方法,中心點(diǎn)溫度(T3)和環(huán)境溫度(T1)相交時(shí)的溫度即為交叉點(diǎn)溫度 Ta,將圖3的圖像在8000s～12000s區(qū)間作局部放大,如圖5。

圖5 環(huán)境溫度164℃時(shí)溫度數(shù)據(jù)在8000～12000s區(qū)間的局部放大圖Fig.5 Enlarged Partial Viewof Fig 3 within 8000～12000s

由上圖可知,中心點(diǎn)溫度(T3)和環(huán)境溫度(T1)相交于8748秒,求得此時(shí)刻溫度隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為0.01614k/s

表1 不同環(huán)境溫度下的交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of cross point at different temperature

4 應(yīng)用與分析

實(shí)驗(yàn)中使用的是立方體網(wǎng)籃,其臨界 F-K參數(shù)δ1=2.569。實(shí)際中煙草在倉(cāng)庫(kù)中堆放的橫向距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其堆積厚度,可將其視為無(wú)限長(zhǎng)水平板,其臨界 F-K參數(shù)δ1=0.857[8]。

以某倉(cāng)庫(kù)為例,若煙草包裝袋每包重量30kg,每包體積0.06m3,得其密度約為500kg/m3。由模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果:

在實(shí)際自然條件下,T2的取值范圍可以設(shè)定在10℃～40℃的范圍內(nèi),若每隔5攝氏度取一次值,由7式可得其對(duì)應(yīng)的臨界堆積厚度,如表2所示:

表2 環(huán)境溫度10℃～40℃范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的臨界堆積厚度Table 2 Maximum thickness related to temperature within 10℃～40℃

由式7可以得到臨界堆積厚度隨環(huán)境溫度變化曲線,如圖6所示。

圖6 實(shí)際工況下臨界堆積厚度隨環(huán)境溫度變化曲線Fig.6 Curve of Maximum Thickness Related to T emperature

由圖6可知,在現(xiàn)實(shí)工況中,煙草在倉(cāng)庫(kù)中的堆積厚度應(yīng)該有所限制。為了防止倉(cāng)庫(kù)中的堆積煙草發(fā)生自發(fā)著火現(xiàn)象,在不同的環(huán)境溫度條件下,要嚴(yán)格控制煙草的堆積厚度。若倉(cāng)庫(kù)中煙草已經(jīng)堆積成垛,且進(jìn)行翻堆清垛所需的工作量較大時(shí),也可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度,采取通風(fēng)換氣等措施,控制其溫度低于該堆積厚度所對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度值,即可有效地抑制煙草的自發(fā)著火,確保倉(cāng)庫(kù)內(nèi)堆積煙草的安全。

5 結(jié)論

本文使用金屬網(wǎng)籃對(duì)堆積煙草進(jìn)行了小尺寸的熱自燃模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變環(huán)境溫度進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn),測(cè)量了自熱過(guò)程煙草內(nèi)部特定點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),并采用金屬網(wǎng)籃交叉點(diǎn)法求解獲得了煙草樣品自熱過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。依據(jù)所得動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)實(shí)際工況下的堆積煙草熱自燃臨界環(huán)境溫度和臨界堆積厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果證明,可以通過(guò)控制堆積厚度和環(huán)境溫度兩種途徑確保貯存煙草安全。本文給出了兩個(gè)臨界量之間的函數(shù)關(guān)系,為煙草貯存提供了定量的安全標(biāo)準(zhǔn)。

[1]王正州,袁宏永,范維澄,蘇國(guó)峰.煙葉的燃燒和著火特性的研究[J].火災(zāi)科學(xué),2000,9(1):44-48.

[2]黃維斐,王云芳.煙葉燃燒性的測(cè)定方法[J].煙草科技,1992(2):30-31,47.

[3]顧正鑄.煙草的燃燒與熱解特性[J].煙草科技,1997(3):8-9,19.

[4]孫金華.化學(xué)物質(zhì)熱危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[M],科學(xué)出版社,2005.

[5]Martin Wheatley,Thermal Ignition Tutorial[R],http://www.leeds.ac.uk/fuel/tutorial/,1998.

[6]Chen X D,and Chong L V.Some characteristics of transient self-heating inside an exothermically reactive porous solid slab[J],Trans IChemE 1995,73(B):101-7.

[7]Jones J C,Chiz P S,Koh R,Matthew J.Continuity of kinetics between sub-and super-critical regimes in the oxidation of a high-volatile solid substrate[J].Fuel 1996,75:1733-6.

[8]Bowes P C.Self-heating:Evaluating and controlling the hazards[M],New York,Elsevier,1984.

Prediction on critical conditions of spontaneous ignition of storage tobacco using CPT method

KANG Tao1,LI Yun-tao2,LIU Nai-an2

(1.Fire brigade detachment,Quanzhou,Fujian Quanzhou,362000,China;2.State Key Laboratory of Fire Science,USTC,Anhui Hefei,230026,China)

This paper is aimed at revealing quantitative relation between maximum thickness of storage tobacco and its critical temperature of spontaneous ignition.Micro-scale experiments were conducted by metal basket filled with tobacco sample in oven of different temperature.Self-ignition kinetic parameters of tobacco were calculated by temperature data measured at given points,using the method of Cross Point Temperature(CPT).Critical conditions of thickness and temperature for spontaneous ignition in industrial situation were predicted,with parameters of micro-scale experiments and self-ignition kinetics extracted.

Tobacco;Self-ignition;Kinetics;CPT

TD75

A

1004-5309(2010)-0171-05

2010-06-21;修改日期:2010-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51076148);霍英東青年教師基金資助

康濤,男,江西南昌人,福建省泉州市消防支隊(duì)工程師,武警少校。

劉乃安,研究員,liunai@ustc.edu.cn。