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

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，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*

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，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驗研究。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，質量為0.3 kg～2.7 kg，疏密度為7.4 kg/m3～22.2 kg/m3。結果表明，當紙堆的密度變大時，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，當紙堆疏密度變大，其火災強度系數α減小，并擬合了疏密度與火災強度系數的經驗公式。

熱釋放速率；有效燃燒熱值；t平方增長火；紙堆

0 引言

紙制品因為來源廣泛，成本低，抗壓好，緩沖好，質量輕，廢棄物可回收利用等特點在人們日常生活中，尤其是包裝運輸、印刷等方面得到廣泛的應用[1]。但是，紙無論是生產、運輸，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。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。

紀等[1]在研究不同木材表面火蔓延時，發(fā)現同寬度下密度大的試樣火焰高度高，且隨著寬度增大可達到的近似穩(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)現顆粒粒徑不僅影響動力學參數，而且不同粒徑的燃料顆?？赡艽嬖诓煌幕瘜W組成。陳等[3]研究了木材熱解的影響因素，發(fā)現密度較小的木材熱解較快。Quintiere[4]在研究木材時也發(fā)現了類似的規(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)現如果可燃物的孔隙率越低、易揮發(fā)物質越少、無法燃燒的灰燼越多，其易燃性越低，但是這些參數如何變化以達到最佳的易燃性是很難確定的。

熱釋放速率是火災科學中量化研究的一個重要的參數[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驗，分析了不同疏密度紙堆火災發(fā)展的規(guī)律，為今后的火災研究工作提供相應的理論和實驗依據。

1 實驗裝置及測量方法

實驗布置如圖1所示，其中熱釋放速率平臺由艙室、排煙系統、氣體分析系統組成。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。排煙管的進口有兩個折流板，用以充分混合煙氣。管道出口處裝有風機，設計的排煙量為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的門以供拍攝實驗過程的視頻。

實驗采用的紙條由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。燃燒器由網格尺寸為5 mm×5 mm的鐵絲網制成。當紙堆放入燃燒器后，上方加蓋尺寸為0.44 m×0.44 m的鐵絲網以固定紙堆。點火源由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的間距以加強隔熱效果。本次實驗一共9組工況，每個工況重復三次，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的質量。

2 實驗結果與討論

2.1 有效燃燒熱值

熱釋放速率(HRR)與質量損失速率(MLR)滿足如下關系式：

(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，有待進一步驗證。由于工況1，工況2，工況3的密度不同，分別對這三組數據進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系Fig.2 The relation between HRR peak and MLR peak

可以看出，隨著密度增大，對應的斜率減小(對應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果如表2所示，可以看出擬合效果較好。

表2中的結果分別為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生的可燃氣體增多。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，因為工況1～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果

2.2 t平方火增長模型

1972年，Heskestad提出在火災的早期階段，火災按照t的指數方增長[11,12]，即：

(2)

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

對于大多數的明火燃燒，實驗表明n應取2，所以又叫t平方增長火。根據火災強度系數的不同，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據。

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，燃燒反應時間越短，燃燒速率到達峰值的時間越短；

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，質量損失速率曲線越平穩(wěn)，且在衰退后期呈現類似陰燃的狀態(tài)。

一般認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火階段上升到峰值所需要用到的時間和對應的熱釋放速率峰值，及對應的火災強度系數α。

表3 不同工況對應的火災強度系數

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

表4 不同類型火災對應的α值

對比表3中的數據，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因為紙張的密度很大，其對應的平均α值為0.00208 kW/s2，這一類燃燒可以認為是慢速增長火， 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

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度，因此，下文中將就紙堆密度與其火災強度系數之間關系進行進一步探究。如表5所示，表中列出了工況1～工況3的平均火災強度系數，到達1055 kW所需要的時間與對應的紙堆密度。

Drysdale[14]提出對于熱薄性材料，其火災蔓延速率與以下參數相關：

(3)

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

(4)

(5)

根據式(5)對現有數據作線性擬合，結果如圖4所示，擬合效果較好。

由圖4，上述兩者的數值關系為：

(6)

圖4 熱釋放速率到達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)

上式對于該種實驗條件下紙堆疏密度和火災強度系數的經驗公式，可以看出隨著紙堆疏密度變大，其火災強度降低。利用可燃物疏密度可以計算火災強度，此外，不同密度的紙張燃燒增長模式和現象有所不同，設計滅火設施時應該區(qū)別對待。

本文所提出的經驗公式僅滿足于特定情況下的紙堆疏密度和火源功率的關系；另外，為了預測紙堆熱釋放速率峰值，則還需要研究到達熱釋放速率峰值所需要的時間，該參數不僅與可燃物的疏密度有關，也可能同可燃物形狀等參數有關。受限于實驗條件，未來將以此展開進一步研究。

3 結論

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，可以得到以下結論：

(1)紙堆疏密度越大，火焰高度越低，燃燒反應劇烈程度越低，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平方火產生差別；

(3)紙堆疏密度越大，火災強度越小，擬合了火災強度系數與疏密度的經驗公式。

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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

國家自然科學基金(51376172)。

蔣偉 (1990-)，男，江蘇鹽城人，中國科學技術大學安全科學與工程系碩士，研究方向為固體火災。

汪箭，E-mail: wangj@ustc.edu.cn

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