蘇 潔，牛 奕

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，克拉瑪依，834000；2.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，武漢，430070)

0 引言

碳黑是火災(zāi)中煙氣的主要成分，是碳氫類燃料燃燒不完全的產(chǎn)物，其主要成分是碳，是火災(zāi)中熱輻射的主要來源[1]；碳黑的比表面積較大，常常吸附有各種有毒的重金屬元素、二噁英類以及多環(huán)芳香烴類(PAHs)等有機污染物[2]；同時，碳黑顆粒對感煙探測器的響應(yīng)、火場能見度以及有毒氣體的生成[3]也具有重要影響，因此研究固體碳氫燃料的碳黑生成及氧化規(guī)律對建立火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測機制和火災(zāi)危險評估研究具有重大意義。

國內(nèi)外[4-6]對于碳氫燃料火焰中碳黑的研究工作主要集中在氣液燃料層流擴散火焰的實驗測量[7]以及數(shù)值模擬[8]方面。由于固體可燃物的燃燒過程十分復(fù)雜、熱解成分多樣，對建筑火災(zāi)主要的可燃物——固體碳氫燃料[8]的碳黑濃度分布及生成機理研究較少。Guo等[9]和Kailasanathan等[10]分別選取了三種森林燃料，將其破碎篩選后進行燃燒實驗，得到了非穩(wěn)定態(tài)的軸對稱非預(yù)混層流擴散火焰，并對火焰的溫度分布、質(zhì)量損失速率以及燃料熱解的氣體成分進行了測量，結(jié)果表明燃料的質(zhì)量損失速率及熱解氣體成分對火焰熱動力學(xué)參數(shù)有重要影響。Muoz-Feucht等[11]將1.5 g干枯馬尾松針破碎并堆放成圓柱形堆垛，用無水乙醇引燃形成層流火焰，然后對馬尾松針堆垛火中的碳黑濃度分布進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃燒主要分為兩個階段：酒精燃燒的湍流階段和馬尾松針穩(wěn)定燃燒的層流擴散火焰階段。

本文選取家居裝飾中常用的三種木材(馬尾松針、柚木、紅橡木)，通過激光消光法原理分別測量其層流擴散火焰的碳黑濃度以及相應(yīng)的燃燒速率，從而對這三種木材燃料的碳黑生成特性進行分析。

1 實驗原理及設(shè)備

1.1 消光法原理

消光法是一種基于路徑積分或視線的技術(shù)[7]，其原理是：當一束光通過火焰時，火焰中碳黑顆粒的存在會導(dǎo)致入射光衰減，其衰減的程度可以用Beer-Lambert定律描述：

(1)

式中，τ為透射率，I為透射光強度，I0為入射光強度，L為光通過火焰的距離，κλ為碳黑對波長為λ的光的吸收系數(shù)。

根據(jù)瑞利散射理論[12,13]，當碳顆粒直徑遠小于激光波長，散射作用可忽略不計，碳黑顆粒消光系數(shù)與濃度的關(guān)系為:

(2)

式中，fv為碳黑的體積分數(shù)，λ為光的波長，E(m)為碳黑的折射率函數(shù)，在可見光范圍內(nèi)一般假設(shè)E(m)為常數(shù)[14]，E(m)=0.26。

對于軸對稱擴散火焰，在某一高度截面內(nèi)，碳黑濃度為半徑r的函數(shù)，可以通過反演算法得到碳黑濃度分布的真實值[7]。如圖1所示，取火焰任一高度的橫截面，并將火焰截面沿半徑方向劃分為M個單元，第i條光路的投射率的離散化形式為：

(3)

式中，ΔSi,j為第i條光路在第j個單元內(nèi)經(jīng)過的光程。上式可以寫成矩陣形式：

lnτ=ΔS·κ

(4)

需要注意的是，如果視線沒有經(jīng)過網(wǎng)格，則對應(yīng)的光程ΔSi,j= 0，導(dǎo)致系數(shù)矩陣ΔS大多數(shù)元素為零，方程組的求解是一個典型的病態(tài)問題，廣泛用于最小二乘問題求解的正交化方法對該病態(tài)超定方程組的求解得不到令人滿意的結(jié)果[15]。因此，本文采用LSQR算法對上述線性方程組進行求解，得到了較好的結(jié)果。

圖1 層流擴散火焰橫截面劃分圖Fig. 1 Cross-section of laminar flow diffusion flame

1.2 實驗平臺

基于上述消光法原理，搭建軸對稱火焰碳黑濃度測量平臺，用于測量固體燃料層流擴散火焰中的碳黑濃度分布規(guī)律。實驗平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，該實驗平臺由燃料加熱及質(zhì)量損失測量系統(tǒng)、可調(diào)激光系統(tǒng)、激光光路傳播系統(tǒng)以及實驗圖像記錄系統(tǒng)組成。

1.激光器；2.可調(diào)電源；3.梅特勒天平；4.電熱絲加熱板；5.計算機1；6.燃料堆垛及火焰；7.凸透鏡；8.小孔光柵；9.高速攝影儀；10.計算機2；11.火焰記錄相機圖2 消光法實驗平臺示意圖Fig. 2 Schematic diagram of extinction experiment platform

1.2.1 燃料試樣及平臺

實驗選用馬尾松針、柚木、紅橡木三種燃料。試樣破碎后用干燥箱在60 ℃下烘干12 h并篩選，所用固體燃料試樣如圖3(a)所示。經(jīng)過多次實驗確定使用直徑0.7 mm～1.4 mm，長度5 mm左右的針狀燃料質(zhì)量為1.3 g，并將燃料試樣堆成直徑3.5 cm的圓臺狀燃料堆垛進行實驗時，試樣火焰達到穩(wěn)定層流狀態(tài)，實驗效果最佳。

實驗中，將0.5 mL無水乙醇均勻滴在固體燃料堆垛上，在引燃酒精的同時，開啟電熱絲加熱板電源進行持續(xù)加熱，以延長火焰的持續(xù)燃燒時間。電熱絲加熱板如圖3(b)所示，實驗中電熱絲工作電壓為25 V，加熱功率為110 W。

圖3 燃料試樣及電熱絲加熱板Fig. 3 Wood fuel sample and Electric heating wire heating plate

1.2.2 激光及圖像采集系統(tǒng)

實驗選用直徑40 mm、波長650 nm的紅光單色平行激光器作為光源。由于木材燃料的燃燒速率隨燃燒時間發(fā)生變化，所以實驗采用反復(fù)快速遮擋激光并撤出的方法，對火焰進行連續(xù)拍攝，再逐幀選取遮擋前和完全遮擋后的激光火焰圖及火焰圖。激光圖及背景圖在點火之前拍攝，以馬尾松針為例，如圖4所示。火焰透射率可通過公式(5)進行計算。

(5)

圖4 馬尾松針火焰圖像Fig. 4 Pine needle flame image

2 實驗結(jié)果分析及討論

2.1 燃料元素成分

采用CHNSO元素分析儀對馬尾松針、柚木、紅橡木這三種碳氫燃料進行元素分析，測得三種燃料的元素成分如表1所示。三種固體燃料測得的各元素含量基本一致，其中馬尾松針的N元素含量較高，而O元素含量較低，可能是由于馬尾松針屬于樹葉，而柚木和紅橡木屬于樹干。

根據(jù)三種燃料的元素組成,可以利用門捷列夫理論熱值計算公式[16]估算其完全燃燒時的熱值：

QH=4.18×[81C+300H-26(O-S)]

(6)

式中：QH為門捷列夫高位發(fā)熱量；C、H、O、S分別表示碳氫氧硫的質(zhì)量分數(shù)。

表1 固體燃料元素占比分析

2.2 層流火焰實驗結(jié)果分析

2.2.1 質(zhì)量損失速率

圖5給出電子天平測得的馬尾松針燃燒過程質(zhì)量損失曲線，對燃料質(zhì)量損失曲線進行4階多項式擬合并求導(dǎo)[17]，得到相應(yīng)的燃料質(zhì)量損失速率曲線。固體燃料堆垛的燃燒過程可分為三個階段：不穩(wěn)定湍流燃燒階段、層流穩(wěn)定燃燒階段和熄滅階段，圖5中同時給出三個階段的典型火焰圖像。Kailasanathan等[10]在類似實驗中對火焰進行了溫度曲線頻域分析，結(jié)果顯示不穩(wěn)定湍流燃燒階段主要是酒精燃燒，僅有少部分燃料參與燃燒，而層流穩(wěn)定燃燒階段酒精已燃燒完全。因此，本文以層流穩(wěn)定燃燒階段為研究對象分析木材火焰碳黑濃度特征。柚木和紅橡木的質(zhì)量變化和質(zhì)量損失速率曲線如圖6所示。

圖5 馬尾松針質(zhì)量損失速率及燃燒階段圖Fig. 5 Mass loss rate and combustion stage of pine needles

圖6 質(zhì)量變化及質(zhì)量損失速率變化圖Fig. 6 Mass change and mass loss rate

在層流穩(wěn)定燃燒階段，馬尾松針、柚木、紅橡木分別在60 s、47 s、52 s左右火焰燃燒最為穩(wěn)定，此時馬尾松針、柚木、紅橡木的質(zhì)量損失速率分別為10.2 mg/s、17.12 mg/s、13.3 mg/s。根據(jù)表1中得到的三種燃料熱值，計算可知相應(yīng)的熱釋放速率分別為0.207 7 kW、0.306 9 kW、0.240 5 kW。在本文所述工況下柚木在穩(wěn)定燃燒階段的熱釋放速率最大，紅橡木次之，馬尾松針最小。

2.2.2 火焰碳黑濃度

根據(jù)公式(5)，馬尾松針、柚木、紅橡木分別在60 s、47 s、52 s的火焰透射率如圖7所示。由于實驗平臺鏡片尺寸的限制，圖7中顯示的是燃料層流擴散火焰約2 cm～4.5 cm高度內(nèi)的區(qū)域。

圖7 三種燃料火焰透射率圖Fig. 7 Flame transmittance diagrams of three fuels

根據(jù)1.1節(jié)中所述消光法原理，對透射率數(shù)據(jù)進行均值濾波平滑處理后，沿高度方向逐層利用LSQR算法對公式(4)進行求解，得到三種燃料層流擴散火焰碳黑體積分數(shù)分布，如圖8所示。

圖8 三種燃料火焰碳黑濃度分布云圖Fig. 8 Flame carbon black concentration distribution cloud map of three fuels

圖9 三種燃料火焰碳黑濃度徑向分布圖Fig. 9 Radial distribution of carbon black concentration in the flames of three fuels

從圖8中可以看出，在本文所述工況下，馬尾松針火焰的碳黑濃度最高，柚木火焰碳黑濃度低于馬尾松針火焰，紅橡木火焰碳黑濃度最低。

圖9給出了三種燃料火焰在4個高度上的碳黑濃度徑向分布曲線。從圖9中可以看出：在不同高度上火焰的碳黑濃度均為馬尾松針>柚木>紅橡木；柚木火焰較寬，是由于在層流穩(wěn)定燃燒階段燃燒床面積最大；在穩(wěn)定燃燒階段，馬尾松針的質(zhì)量損失速率與熱釋放速率均小于柚木和紅橡木，而碳黑濃度卻大于柚木與紅橡木，說明馬尾松針發(fā)煙能力最強。對比馬尾松針與其他兩種燃料的元素含量可以發(fā)現(xiàn)，馬尾松針的碳含量最多，氧含量最少，可以推測燃料發(fā)煙能力與碳元素和氧元素含量有關(guān)。在本文工況下，根據(jù)已知條件，無法判定柚木與紅橡木發(fā)煙能力的大小。

3 結(jié)論

基于消光法原理，對典型木材燃料(馬尾松針、柚木、紅橡木)的堆垛燃燒層流擴散火焰的碳黑濃度進行了實驗研究。通過測量固體燃料堆垛燃燒過程的質(zhì)量損失速率和火焰碳黑體積分數(shù)，并結(jié)合三種燃料的元素分析，對馬尾松針、柚木、紅橡木的碳黑生成特性進行了對比分析，得出如下結(jié)論：

1)將固體碳氫燃料破碎成直徑0.7 mm～1.4 mm、長度約5 mm的針狀試樣，并堆成直徑3.5 cm的堆垛，利用酒精引燃后可形成穩(wěn)定的層流擴散火焰，同時可通過電熱絲輔助加熱延長穩(wěn)定燃燒的時間。

2)對比三種燃料的火焰碳黑濃度、質(zhì)量損失速率及元素組成，馬尾松針發(fā)煙能力最強；固體碳氫燃料的碳黑生成能力可能與其碳元素和氧元素的含量有關(guān)，燃料碳元素含量越多，氧含量越少，其碳黑生成能力越大。