胡 宇，王志濱（中國人民武裝警察部隊學院，廊坊，065000）

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籽棉和皮棉陰燃特性的對比實驗研究

胡 宇＊，王志濱
（中國人民武裝警察部隊學院，廊坊，065000）

摘要：分別對具有相同尺寸、相同質量的籽棉和皮棉進行陰燃實驗并對實驗結果進行對比分析，得到在無外部輻射熱源的自然條件下，發(fā)生陰燃時皮棉的溫升速率較大、陰燃最高溫度較高、陰燃前期600s內(nèi)的CO生成速率和質量流量較大，但籽棉的陰燃時間較長，約為皮棉陰燃時間的4倍；同時將陰燃分為三個階段，在陰燃的緩慢發(fā)展階段和衰減階段，籽棉陰燃的火災危險性較大，在快速發(fā)展階段，皮棉陰燃的火災危險性較大。

關鍵詞：籽棉；皮棉；陰燃；對比；火災危險性

0　引言

棉花質地輕柔松軟，柔韌性強，是家居生活品的必備原材料。在日常生產(chǎn)中應用最廣泛的棉花主要是籽棉和皮棉，籽棉是指沒有經(jīng)過任何加工，棉籽還沒有被分離出來的棉纖維，皮棉是指把籽棉進行軋花，脫離了棉籽的棉纖維。棉花的纖維素占其組成的百分之九十以上，由于單位表面積大、熱值高，其表面火焰的蔓延速度是木材的15～26倍［1－3］，夏等［4］通過實驗得到在6KW的輻射強度下棉花會發(fā)生陰燃，裴等［5］對海綿、榆木屑、棉布和包裝箱紙板四種材料進行陰燃實驗發(fā)現(xiàn)海綿的火災危險性最大。對于打包和捆扎的棉包，由于陰燃發(fā)生的隱蔽性和發(fā)展的緩慢性，并且棉纖維表面存在的油脂增強了其憎水性，所以一旦遇火極易發(fā)生陰燃，且很難用水撲滅，常常造成大量的經(jīng)濟損失，例如2013年山西侯馬市的省棉麻公司直屬棉庫堆垛被雷電引燃發(fā)生大火，大雨過后火勢沒有被澆滅，相反其熱輻射還點燃了臨近的堆垛，導致火勢的進一步擴大。鑒于棉花倉儲量大以及陰燃危險性高等特點，本文就籽棉和皮棉的陰燃特性進行對比實驗，為棉花陰燃火災的數(shù)值模擬、預防和滅火救援提供基礎依據(jù)。

1　實驗部分

1．1 實驗儀器介紹

由于在現(xiàn)實火災中致人死亡和造成重大財產(chǎn)損失的往往是高溫和煙氣，所以將二者作為本實驗的主要測量參數(shù)。所用到的實驗儀器有燃燒箱、TMIII型數(shù)據(jù)采集儀、煙氣分析儀，K型鎧裝熱電偶和計算機。陰燃實驗在燃燒箱內(nèi)進行，利用熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀采集陰燃溫度數(shù)據(jù)，利用煙氣分析儀動態(tài)分析陰燃過程中煙氣濃度的變化，利用計算機運行溫度采集軟件和MRU＿ONLINE VIEW氣體數(shù)據(jù)采集軟件記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，測量系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1　測量系統(tǒng)組成圖Fig．1 The sketch of measuring system

燃燒箱是尺寸為600mm×600mm×900mm的長方形，箱體壁面為不銹鋼材料，壁厚10mm，除正面開口以外，其余面均封閉；在其頂面距開口水平距離為200mm處有一直徑為20mm預留洞口，用來連接煙氣采集管，采集管口距頂面50mm，距底面530mm，當煙氣采集管口距頂面較近時，由于煙氣在頂面處積累，不利于動態(tài)采集煙氣，當管口距頂面較遠時不易采集到煙氣，因此將煙氣采集管口安置在距頂面50mm處的位置；為更好地采集到煙氣的變化，樣品置于箱體底面，位于煙氣采集管口正下方；箱體底面距開口100mm處預設有一個直徑10mm的預留洞口，用來連接熱電偶，熱電偶為K型鎧裝熱電偶，其測量精度為±2℃，熱電偶尖端插入樣品內(nèi)部中心位置來測量樣品溫升情況；為保證采集數(shù)據(jù)的精確度，煙氣是每隔1秒記錄一次，溫度為2秒記錄一次；為驗證實驗的重復性和保證測量的準確性，每種樣品進行三次重復性實驗，溫度和煙氣濃度取三次實驗測量結果的均值。

1．2 實驗工況

目前棉花的儲備庫房有磚混倉和鋼板倉，儲棉區(qū)域主要劃分為籽棉貨區(qū)和皮棉貨區(qū)，由于籽棉和皮棉不完全相同，它們的陰燃特性也不盡相同，本文主要模擬在沒有外部輻射條件下，出現(xiàn)短暫高溫點火源接觸到棉纖維表面的情景下，籽棉和皮棉的陰燃情況；例如電器設備漏電或線路短路產(chǎn)生的電弧或其噴濺熔珠接觸到儲棉表面時其各自的陰燃情況。在沒有外部輻射的情況下，使棉花發(fā)生陰燃的外部點火方式有高溫物體點火源和短暫的明火點燃，本文選擇的是短暫的明火點燃，即利用點火器直接點燃樣品后迅速撤開，使樣品發(fā)生與氧氣擴散方向一致的一維正向陰燃。

1．3 樣品制備

按照棉包包裝規(guī)格［6］縮小10倍制作一個尺寸為140mm×53mm×70mm的模具，將籽棉和皮棉在里面軋勻，利用棉線將每一個樣品捆扎成長方形，質量為30g，每種樣品各3個；為更好地貼合實際的棉儲存狀況，將樣品在溫度為22℃，濕度為50%的環(huán)境中放置48h后取出，開展陰燃對比實驗。

2　實驗結果與分析

以下分析均采用三次測量數(shù)據(jù)的平均值。

為完整而直觀地顯示兩種原棉的陰燃過程，選擇了不同的時間梯度，得到圖2中的兩種原棉的陰燃溫度－時間曲線：

從圖2可看出兩種原棉的陰燃過程基本相同，均可分為三個階段，即緩慢陰燃階段、快速陰燃階段和衰減階段，其中的緩慢陰燃階段持續(xù)的時間均占陰燃全過程的1／6，快速陰燃階段占全過程時間的比例為1／3，衰減陰燃階段占全過程時間的比例為1／2；從圖2中的兩條曲線可得出皮棉和籽棉在緩慢陰燃階段所能達到的最高溫度均在100℃以下，表現(xiàn)出了一定的相似性。

2．1 陰燃時間對比分析

從圖2中可直接看出皮棉陰燃時間明顯低于籽棉的陰燃時間，且籽棉的陰燃時間約為皮棉的4倍。根據(jù)Palmer關于纖維材料的陰燃特性的研究得到陰燃時間的長短τ與纖維材料的堆積層厚度h成指數(shù)關系［7］，即：

τ∝hn（1）

實際的堆積層厚度h與材料自身厚度δ成正比，所以陰燃時間與材料自身厚度δ成一定的指數(shù)關系，即：

τ∝δp（2）

在本實驗中，如果將棉纖維看作是長柱形，籽棉中由于棉籽的存在，相當于間接性增大了籽棉中棉纖維的直徑，使得δ籽棉＞δ皮棉，延長了籽棉的陰燃時間，降低了陰燃傳播速度。

圖2　皮棉和籽棉的陰燃溫度特性的對比圖Fig．2 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s smoldering temperature

2．2 快速陰燃階段陰燃溫度對比分析

2．2．1 溫升速率

從本次實驗中觀察得到，在兩種原棉的陰燃過程中，前期緩慢陰燃階段的溫升曲線平緩且溫度較低，不具有代表性，因此選擇了兩種原棉的快速陰燃階段來對其溫升速率進行分析，得到圖3中兩者的溫升對比曲線圖。

圖3　皮棉和籽棉快速陰燃階段溫升速率特性的對比圖Fig．3 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s smoldering temperature rising rate

從圖3中可直接看出，皮棉和籽棉在進入快速增長階段的溫度均為100℃左右，且基本上按線性增長，利用SPSS數(shù)學統(tǒng)計分析軟件對其進行線性擬合得到皮棉快速陰燃階段溫度的線性增長率為0．531，籽棉為0．0847，此階段皮棉的陰燃溫升速率高于籽棉的溫升速率，約為籽棉的6倍。這是因為在籽棉中存在棉籽且棉纖維緊緊裹附在棉籽上，根據(jù)孔隙率［8］的關系式：其中ρ堆積為材料堆積的密度，ρ材料為材料本身的密度；棉籽的存在增大了籽棉的材料密度ρ材料，使得籽棉樣品的整體的孔隙率增大，但實際上，對于籽棉中棉籽周圍的局部區(qū)域，由于棉纖維緊緊貼附在棉籽表面使得這部分籽棉的孔隙率減小，低于皮棉材料的孔隙率，且棉籽的燃點較大，再加上在陰燃過程中產(chǎn)生和分離出來的甘油和水分附在棉纖維表面，使得氧氣不容易進入這部分區(qū)域，反應速度降低，溫升速率減慢，陰燃傳播速度降低。

2．2．2 陰燃的最高溫度

從圖3中可得到皮棉陰燃的最高溫度為409℃，籽棉陰燃的最高溫度為352℃，皮棉陰燃的最高溫度高于籽棉的最高溫度。由于棉纖維的滲透性和密度都很小，隔熱性能較好，所以在棉花陰燃過程中的熱量交換以熱傳導為主，熱輻射和熱對流很小，因此可將陰燃過程中的熱輻射和熱對流所產(chǎn)生的熱流密度以一定的比例換算成熱傳導的熱流密度：

其中ε＜1，由于試樣尺寸較小，可認為陰燃過程為一維正向傳播過程，根據(jù)能量守恒可得如下方程：

其中Q為燃燒熱釋放量，τ為時間，A為試樣面積，q為總熱流密度。將公式（4）代入（5）得：

其中T為溫度，x為陰燃傳播距離。又因為其中dT／dτ為溫升速率，由圖2得到其為線性常數(shù)k，可

將公式（6）進一步變形為：

對公式（7）進行積分得到：

其中T為最終溫度（K），T0為初始溫度（K），x為陰燃距離（m），ε為比例系數(shù)，k為溫升速率（K／s），c為材料的比熱容（J／Kg·K），ρ為材料密度（Kg／m3），λ為導熱系數(shù)（W／m·K）。

由公式（8）可看出，材料陰燃的最大溫升量與材料的基本屬性有很大關系，在本實驗中，由于材料的尺寸和質量相同，所以ρ籽棉＝ρ皮棉，x皮棉＝x籽棉；籽棉中由于有棉籽的存在，使得溫升速率k減小，導熱系數(shù)λ增大，在棉籽被引燃后，其作為一個點火源向四周輻射熱量，使得輻射換熱強度增強，增大了比例系數(shù)ε，雖然籽棉的比熱容c比皮棉的要大，但其增長的幅度沒有其他幾項的綜合增長幅度大，所以在溫升速率為線性增長的陰燃過程中，在相同的陰燃距離條件下，籽棉的最大陰燃溫升量小于皮棉的最大陰燃溫升量，最終導致籽棉的最大陰燃溫度小于皮棉的最大陰燃溫度。

2．3 CO生成速率和質量流量對比分析

在火災過程中，大多數(shù)情況下導致死亡的原因不是高溫火焰，而是火災煙氣，一氧化碳就是其中的典型代表氣體，人一旦吸入過多的CO后喪失行動能力；同時CO氣體作為典型煙氣成分可利用早期特殊火災探測器中的CO火災探測器來進行探測。

聯(lián)系到實際中CO火災探測報警發(fā)生在陰燃火災的早期階段，本次分析選擇兩種原棉的緩慢陰燃階段來進行分析，由于籽棉的緩慢陰燃階段過長，為突出對比結果的可靠性和針對性，以皮棉的緩慢陰燃階段所用的時間來進行CO生成速率對比分析，時間取600s，得到圖4。

從圖4中可直接看出，皮棉的CO生成量比籽棉的高，生成速率也比籽棉的大，對其進行線性擬合得到皮棉的CO的生成速率為0．0309，籽棉的為0．0099，皮棉的CO生成速率約為籽棉的3倍。

對棉纖維這種滲透率小的隔熱材料來說，其在陰燃時產(chǎn)生的CO質量流量可用以下公式來計算［9］：

圖4　皮棉和籽棉在前600s陰燃時段CO生成速率的對比圖Fig．4 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s CO production rate in the early stage 600s

其中mco為CO的質量流量，YCO為CO在陰燃煙氣中所占的質量百分數(shù)，ρair為空氣密度，Vair為匯入煙氣的空氣體積，φ為孔隙率，Δρ為試樣密度的變化值，u為陰燃前沿的傳播速度。

由圖4可得在陰燃的前600s時間內(nèi)，皮棉產(chǎn)生的CO在煙氣中所占的質量百分數(shù)要比籽棉的大。由公式（3）可得籽棉的整體孔隙率比皮棉的大。因為籽棉的陰燃時間更長，所以其陰燃前沿的傳播速度更小。在本次實驗中，在每次實驗后對樣品進行稱重，最終得到籽棉的殘?zhí)柯蕿?9%，皮棉的殘?zhí)柯蕿?8．6%，且皮棉的溫升速率較大，所以皮棉的密度的變化值較大。根據(jù)公式（9）可得皮棉陰燃時產(chǎn)生的CO質量流量比籽棉的大。

2．4 危險性對比分析

在陰燃的緩慢發(fā)展階段，皮棉的CO生成速率和質量流量均大于籽棉的CO生成速率和質量流量。對于陰燃火災的早期探測來說，籽棉的陰燃更具有隱蔽性，CO火災探測器［10］對籽棉陰燃的反應時間會更長，其在早期發(fā)生陰燃時不易被探測到，這就使得在緩慢陰燃階段內(nèi)籽棉陰燃的火災危險性比皮棉的大。

在陰燃的快速發(fā)展階段，皮棉的溫升速率和所能達到的最大溫度均比籽棉的高，說明在進入此陰燃階段后，皮棉陰燃火災的蔓延速率和撲救難度均比籽棉的要大，火災危險性要比籽棉的大。

在陰燃的衰減階段，籽棉的溫降速率較小，降溫時間長，使得其在此階段內(nèi)發(fā)生復燃的概率增大，增加了火災撲救難度，在此階段內(nèi)其火災危險性要比皮棉的大。

3　結論

通過以上對籽棉和皮棉陰燃實驗的對比分析，得出以下結論：

（1）籽棉中的棉籽間接性地增大了棉纖維的材料厚度，使得其陰燃時間約為皮棉陰燃時間的4倍。

（2）受材料基本參數(shù)的影響，皮棉陰燃時的溫升速率較大；由理論推導公式和實驗結果均得到皮棉的最高溫度比籽棉的高，驗證了公式的適用性。

（3）在陰燃前期600s內(nèi)，皮棉的CO生成速率和質量流量均比籽棉的要大。

（4）在陰燃的緩慢發(fā)展階段和衰減階段，籽棉的火災危險性較大，而在快速發(fā)展階段，皮棉的火災危險性較大。

參考文獻

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Keyword：Unginned cotton；Lint cotton；Smolder；Contrast；Fire risk

Experimental study on the smoldering characteristics of lint cotton and unginned cotton

HU Yu，WANG Zhibin
（The Chinese People’s Armed Police Forces Academy，Langfang 065000，China）

Abstract：In this work，the smoldering of lint cotton and unginned cotton with the same size and mass has been studied by experimental means．The result showed that under the natural environment with no radiation，lint cotton held higher temperature rising rate，maximum temperature and CO production rate in the early stage 600s，however unginned cotton held four times as long as the smoldering time of lint cotton．The smoldering process was divided into three stages．It was found that in the slow developmental stage and decay stage，the smoldering fire risk of unginned cotton is higher，while in the rapid development stage，the lint cotton involves higher fire risk．

通訊作者：胡宇，E－mail：1174156946＠qq．com

作者簡介：胡宇（1990－），男，中國人名武裝警察部隊學院碩士研究生，主要從事火災理論和防火監(jiān)督管理方面的研究工作。

收稿日期：2014－11－10；修改日期：2015－01－06

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．07

文章編號：1004－5309（2015）(－)0047－07

文獻標識碼：A

中圖分類號：X915．5