裴 蓓,陳立偉,路 長

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作,454003)

典型陰燃物質燃燒特性實驗研究

裴 蓓,陳立偉,路 長

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作,454003)

采用錐形量熱儀對海綿、榆木屑、棉布和包裝箱紙板四種易發(fā)生陰燃導致火災的多孔材料的燃燒特性及其影響因素進行了比較研究。實驗結果表明:輻射強度是影響材料燃燒性能的首要因素,輻射強度越大,燃燒性能越好;含水量對多孔材料的燃燒特性有較大影響,增加一定含水量后,一方面可降低火災危險性,主要表現(xiàn)為:引燃時間明顯延長,燃燒強度降低,熱釋放速率第一峰值降低且延遲;但另一方面會產生更多煙氣和有毒有害氣體,不利于人員火場逃生;在同一輻射條件下,海綿的點燃時間最短,熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率遠遠大于其他材料,CO生成率最高,表明海綿火災危險性最大。

火災;陰燃物質;錐形量熱儀;燃燒特性;影響因素

0 引言

陰燃是一種多孔介質可燃物低溫度水平、無明火的自維持放熱燃燒過程[1]。與明火燃燒相比,陰燃燃燒具有反應速度緩慢、有毒氣體排放多、不易熄滅、隱蔽性強等特點,當在外界條件滿足時,其能迅速向明火轉化而常常造成火災。

陰燃過程所造成的安全危害,已引起眾多研究者的關注,但多數(shù)的研究工作都集中于陰燃的傳播規(guī)律及其向明火的轉變條件上。如國際上Bilbao[2-4]等對陰燃的點燃過程進行了研究,Schult[5,6]等通過開展實驗和理論模型來對陰燃的傳播過程進行研究;在國內,賈寶山、解茂昭[7]等通過建立陰燃模型、實驗以及數(shù)值模擬等手段對燃料填充床的陰燃傳播過程進行研究,路長、周建軍[8]等重點研究了陰燃的點燃、傳播及其向明火轉化。

本文以常見的因陰燃導致火災的多孔材料——海綿、榆木屑、棉布和包裝箱紙板為研究對象,采用錐形量熱儀對其燃燒特性及其影響因素進行分析探討,這不僅有利于全面認識多孔材料的燃燒特性,也可為陰燃火災的防控提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器簡介

錐形量熱儀(Cone Calorimeter,簡稱CONE),是原美國國家標準局(National Bureau of Standards,簡稱NBS)的V.Babrauskas等人于1982年研制的,是基于耗氧原理的材料燃燒性能測試儀器[9]。由于它的燃燒環(huán)境極相似于真實的燃燒環(huán)境,其試驗結果與大型燃燒試驗結果之間存在很好的相關性,能夠表征出材料的燃燒性能,在評價材料、材料設計和火災預防等方面具有重要的參考價值,目前錐形量熱儀已經成為研究材料燃燒性能最重要的試驗儀器之一。

利用錐形量熱儀測定的基本燃燒特性參數(shù)有:引燃時間(Time to Ignition,簡稱 TTI)、熱釋放速率(Heat Release Rate,簡稱 HRR)、質量損失速率(Mass Loss Rate,簡稱MLR)、比消光面積(SpecificExtinction Area,簡稱 SEA)以及 CO生成率(CO Yield,簡稱 COY)等。

1.2 實驗工況簡介

為模擬陰燃火災初期火災輻射強度低的火災場景,本文錐形量熱儀的熱輻射通量選取集中在低輻射區(qū),熱輻射強度為 20kW/m2、25kW/m2、30kW/m2;有水分工況時,材料與水分比例控制在2:1,具體工況設計參數(shù)如表1-6所示:

表1 工況1設計參數(shù)Table 1 Design parameters of operating condition 1

表2 工況2設計參數(shù)Table 2 Design parameters of operating condition 2

表3 工況3設計參數(shù)Table 3 Design parameters of operating condition 3

表4 工況4設計參數(shù)Table 4 Design parameters of operating condition 4

表5 工況5設計參數(shù)Table 5 Design parameters of operating condition 5

表6 工況6設計參數(shù)Table 6 Design parameters of operating condition 6

2 實驗結果與分析

2.1 引燃時間

引燃時間是評價材料燃燒性能的重要參數(shù)之一,在相同條件下,材料的引燃時間越短,說明材料越易被引燃,其火災危險越大。表7列出了不同條件下各樣品的引燃時間,從表中列出的數(shù)據(jù)可以看出,隨著輻射強度增加,材料就越容易被點燃,其中海綿的引燃時間最短,說明海綿更易被引燃;在材料加水之后,同一輻射強度條件下,實驗的四種材料的點燃時間明顯增加,說明加水能減小其火災危險性。

2.2 熱釋放速率

熱釋放速率是表征火災強度的重要性能參數(shù),熱釋放速率峰值表征材料燃燒時的最大熱釋放程度[10]。圖1至圖3為相同輻射強度條件下不同材料的熱釋放速率測試曲線,其中,海綿’、榆木屑’、棉布’和紙板’是指材料有一定含水量。由圖1至圖3可看出,隨著輻射強度的增加,HRR第一峰值增加且提前,材料加水后,HRR第一峰值降低且延遲;海綿的熱釋放速率峰值及其平均值最大,到達HRR第一峰值的時間也最短,說明其火災危險性最大。由表8可看出,四種材料加水后,熱釋放速率平均值降低明顯,說明燃燒強度降低。

表7 不同條件下各樣品的引燃時間Table 7 Time to Ignition of different samples under different conditions

表8 不同條件下各樣品的熱釋放速率Table 8 HRR of different samples under different conditions

圖1 20 kW/m2下各材料的熱釋放速率曲線Fig.1 HRRcurve of various materials under 20kW/m2heat flux

圖2 25 kW/m2下不同材料的熱釋放速率曲線Fig.2 HRRcurve of various materials under 25kW/m2heat flux

2.3 質量損失速率

質量損失速率實際上是試樣的熱分解燃燒速率[10]。圖4為不同輻射強度下各材料的質量損失速率峰值曲線?？煽闯?隨著輻射熱通量的增加,材料的質量損失速率峰值逐步增加;同時,當材料有一定含水量時質量損失速率峰值大約是不加水時的一半。

圖3 30 kW/m2下各材料的熱釋放速率曲線Fig.3 HRRcurve of various materials under 30kW/m2heat flux

圖4 不同輻射強度下各材料的質量損失速率峰值曲線Fig.4 Peak MLRcurve of various materials under different heat flux

2.4 比消光面積

比消光面積反映燃燒過程中煙氣產生大小。由圖5至圖7可看出,隨著輻射通量的增加,比消光面積減小,這說明燃燒越充分,產煙量減小;當材料含有一定水份時比消光面積普遍增大,且峰值出現(xiàn)的比較靠后,這說明含水量導致可燃物生煙滯后,生煙量明顯增大。

圖5 20 kW/m2下各材料的比消光面積曲線Fig.5 SEA curve of various materials under 20kW/m2heat flux

圖6 25 kW/m2下各材料的比消光面積曲線Fig.6 SEA curve of various materials under 25kW/m2heat flux

圖7 30 kW/m2下各材料的比消光面積曲線Fig.7 SEA curve of various materials under 30kW/m2heat flux

2.5 CO生產速率

由圖8至圖10可看出,隨著輻射熱通量的增加,各材料CO生成率逐漸降低,這說明輻射熱通量越大,燃燒越充分,煙氣的毒性降低;但材料含有一定水份時CO生成出現(xiàn)滯后,且CO生成量明顯增多;四種可燃物中海綿的CO生成率最高,這說明其煙氣毒性最強。

圖8 20 kW/m2下各材料的CO生成率曲線Fig.8 COY curve of various materials under 20kW/m2heat flux

圖9 25 kW/m2下各材料的CO生成率曲線Fig.9 COY curve of various materials under 25kW/m2heat flux

圖10 30 kW/m2下各材料的CO生成率曲線Fig.10 COY curve of various materials under 30kW/m2heat flux

3 結論

通過以上對實驗數(shù)據(jù)的分析討論,得出以下結論:

(1)輻射強度是影響材料燃燒特性的首要因素。

(2)含水量對多孔材料的燃燒特性有較大影響。主要表現(xiàn)為:一方面,引燃時間明顯延長,燃燒強度降低,熱釋放速率峰值降低且延遲;另一方面,比消光面積增大,且峰值出現(xiàn)滯后,CO生成率峰值出現(xiàn)滯后,且生成量增多。這說明多孔材料含水量增加后,一旦發(fā)生火災,會產生更多的煙氣和有毒有害氣體,這將使火災中人的逃生能力大大降低,造成更多的人員傷亡,因此應加強排煙。

(3)在同一輻射條件下,海綿的點燃時間最短,熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率遠遠大于其他材料,CO生成率最高,加上海綿特殊的多孔特性,熱量極易集聚,因此火災危害性也最大。

[1]黃星群,等.多孔纖維質顆粒陰燃特性及煙氣粒度[J].燃燒科學與技術,2004,10(6):563-566.

[2]Bilbao R,Mastral J F,Aldea ME,Ceamanos J and Betran M.Experimental and Theoretical Study of the Ignition and Smoldering ofWood Including Convective Effects[J]. Combustion and Flame,2001,126:1363-1372.

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[4]Anthenien RA,Fernandez-Pello AC.A study of forward smolder ignition of polyurethane foam[A],In:27th Symposium(International)on Combustion[C].The Combustion Institute,1998:2683-2690.

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[6]Fernando de Souza Costa,David Sandberg,Mathematical model of a smoldering log[J].Combust.Flame,2004,139:227-238.

[7]賈寶山,解茂昭,葛少成.纖維質燃料水平填充床反向陰燃傳播特性研究[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2007,22(2):43-47.

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Research on burning performance of typical smoldering materials

PEI Bei,CHEN Li-wei,LU Chang

(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechine University,HeNan Jiaozuo,454003,China)

In this work,burning performance and influencing factors of porous materials,such as sponge,elm slash,cotton and carton,were tested by cone calorimeter.The results indicated heat flux is the leading factor,and the higher heat flux is,the better burning performance is.Moisture content has a significant influence on the burning performance of smoldering materials:for one aspect,it can reduce the fire risk,but in another aspect,smoldering materials can produce more smoke and poisonous gases.Under the same heat flux,sponge holds the lowest ignition time and the highest CO yield,and its average HRR is higher than the other materials.The results indicate that the fire risk of sponge is the highest.

Fire;Smoldering materials;Cone calorimeter;Burning performance;Influencing factors

D631.6

A

1004-5309(2011)-0094-05

2010-12-15;修改日期:2011-01-15

國家自然基金(50906023);河南理工大學青年基金項目(Q2010-36)

裴蓓(1982-),女,河南湯陰人,碩士,現(xiàn)為河南理工大學安全科學與工程學院消防工程系講師,主要從事防火理論及技術研究。