梁志榮，陳玉瑩，林少潤, 2，黃鑫炎, 2

泥炭陰燃過程氣體排放特征分析

梁志榮1，陳玉瑩1，林少潤1, 2，黃鑫炎1, 2

(1.香港理工大學(xué)消防安全工程研究中心，香港 999077；2. 香港理工大學(xué)深圳研究院，深圳 518057)

森林火災(zāi)中的泥炭陰燃是地球上尺度最大的燃燒現(xiàn)象，會產(chǎn)生可以影響全球氣候變化的超大規(guī)模的碳排放，以及大面積可以跨越國界的有毒霧霾．本文利用小尺度實(shí)驗(yàn)探究不同供氧速率對泥炭陰燃過程中一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)排放特性的影響．研究表明，CO和CO2在泥炭熱解主導(dǎo)階段的排放速率最大，而在炭氧化主導(dǎo)的階段顯著減小．當(dāng)截面供氧速率從8.5mm/s增長至28mm/s時(shí)，CO和CO2排放因子分別平均增長5倍和6倍．本項(xiàng)研究對理解陰燃林火的排放特性有著重要的科學(xué)指導(dǎo)，對改善陰燃林火的監(jiān)測和預(yù)報(bào)有著積極的現(xiàn)實(shí)意義．

泥炭陰燃；碳排放；供氧速率；排放因子

陰燃林火是地球上尺度最大、持續(xù)時(shí)間最長的燃燒與火災(zāi)現(xiàn)象，可導(dǎo)致跨國界的霧霾，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡．陰燃林火主要發(fā)生在熱帶雨林、溫帶和寒帶的泥炭土層，如北美洲南部、東南亞、亞馬遜雨林、歐亞大陸北部地區(qū)等[1]．陰燃泥潭泥炭由植物殘?bào)w經(jīng)過緩慢分解而形成，形成的速度約為每年1mm[2]．泥炭地雖然僅占地球陸地面積的2%～3%，卻儲存著約25%的土壤碳，接近甚至超過地球大氣或地表所有植被所儲存的碳[3]．分布在溫帶和寒帶地區(qū)的泥炭土層占泥炭總量的80%以上[4]，主要由泥炭苔或泥炭蘚在潮濕與偏酸性的環(huán)境無法完全腐敗分解而形成，通常土層較厚，可達(dá)數(shù)米．而熱帶泥炭土層主要是由樹木殘?bào)w形成，一般有機(jī)土層比較薄[5]．

一般而言，陰燃林火被點(diǎn)燃可能是自然因素(如閃電、熱自燃、火山爆發(fā)、地表明火等)，也可能是人為因素(如不良的林地和生態(tài)管理、意外點(diǎn)火、人為縱火等)[2,6]．陰燃林火一旦被點(diǎn)燃就能在地下嚴(yán)苛的環(huán)境下傳播蔓延，甚至持續(xù)燃燒數(shù)月甚至數(shù)年[7]．陰燃林火作為全球影響范圍最大、持續(xù)時(shí)間最長的燃燒現(xiàn)象，其燃燒排放對全球碳平衡和區(qū)域空氣質(zhì)量起著重要作用[8]．由于全球泥炭土層儲存的土壤碳高達(dá)800Gt，一旦陰燃林火失控，大量的固定碳就會被釋放到大氣中，對全球碳平衡產(chǎn)生重要影響．同時(shí)，陰燃的排放產(chǎn)物中含有大量不完全燃燒的氣體產(chǎn)物和細(xì)顆粒物，這些排放物與大氣混合后可形成氣溶膠并造成區(qū)域性的霧霾現(xiàn)象[3,8]．如1997年的厄爾尼諾效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候異常，持續(xù)的干燥使東南亞陰燃林火失控，形成了嚴(yán)重的霧霾，導(dǎo)致數(shù)萬人因呼吸系統(tǒng)障礙住院．同時(shí)，霧霾還導(dǎo)致了印尼鷹航空152號班機(jī)墜機(jī)和馬六甲海峽的貨輪相撞等重大事故[9]．

泥炭陰燃產(chǎn)生的最主要的4種氣態(tài)排放產(chǎn)物包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)和氨氣(NH3)．在這些氣態(tài)排放產(chǎn)物中，CO2和CH4是大氣生命周期最長的溫室氣體，而CO和NH3以及其他的非甲烷有機(jī)化合物(NMOCs)則在大氣過程自由基的生成和消耗以及光化學(xué)過程中扮演重要的角?色[9-10]．CO和CO2在泥炭陰燃?xì)鈶B(tài)排放物中的占比超過95%，且CO排放極高，嚴(yán)重威脅居民的生命健康[11]．因此，對泥炭陰燃過程中CO及CO2的排放?規(guī)律開展詳細(xì)的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[12]．

一般森林可燃物發(fā)生并維持明火需要的最低氧體積分?jǐn)?shù)約為16%[13-14]，而陰燃火需要的氧氣體積分?jǐn)?shù)可低至12%[15-16]．因此，陰燃林火和地下煤火都可以在地表以下、供氧極為受限的燃料層中持續(xù)燃燒和蔓延．由于陰燃極其頑強(qiáng)，目前仍無法準(zhǔn)確探測地下火點(diǎn)的位置并確定撲火的效果．如果在陰燃初期能夠?qū)ζ涮卣鳉怏w進(jìn)行識別，則有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源，對火災(zāi)安全有重要意義．因此，本文利用小尺度實(shí)驗(yàn)探索了陰燃泥炭在不同供氧速率下氣體排放產(chǎn)物CO和CO2的演化特性，以期對未來陰燃林火的探測和撲滅起到一定的參考和指導(dǎo)作用．同時(shí)，研究陰燃過程中氣體的排放有利于對陰燃復(fù)雜機(jī)理的認(rèn)識，并為大尺度場地實(shí)驗(yàn)和模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐．

1?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用的泥炭采自北歐寒帶地區(qū)(愛沙尼亞北部)，其干密度為145kg/m3，孔隙率為0.90，燃料中C/H/O/N/S的成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為44.2%/6.1%/49.1%/0.5%/0.1%[17]．根據(jù)不同氧氣濃度下的熱重實(shí)驗(yàn)，該泥炭的揮發(fā)分為72%，灰分為3%，固定碳為25%．該泥炭物質(zhì)分布及理化特性均勻，被廣泛地應(yīng)用在以往的研究中[17-19]．在實(shí)驗(yàn)前，泥炭先在90℃的烤箱中充分干燥48h，然后儲存在密封箱內(nèi)，以避免其再次吸收空氣中的水分．

本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)并搭建了高度為20cm、內(nèi)徑為10cm的玻璃反應(yīng)器，如圖1所示．在反應(yīng)器底部布置空氣進(jìn)氣口，并通過在底部平鋪2cm高的細(xì)沙來保證供氣的均勻性．在反應(yīng)裝置軸向中心自下而上均勻地布置了5根鎳鉻-鎳硅合金材質(zhì)的熱電偶，相鄰熱電偶的距離為3cm，以實(shí)時(shí)監(jiān)測陰燃反應(yīng)過程中不同位置的溫度變化．實(shí)驗(yàn)前，將(180±10)g經(jīng)預(yù)處理后的泥炭填充在反應(yīng)器內(nèi)．本研究著重研究不同空氣供氧速率下泥炭陰燃的氣體排放特性，同時(shí)關(guān)注反應(yīng)過程的燃料溫度、質(zhì)量變化特征．

本文共研究4種空氣供給速率，分別為8.5mm/s、15mm/s、21mm/s和28mm/s，即截面的整體速度．值得注意的是，在多孔介質(zhì)內(nèi)部的局部空氣流速應(yīng)該更高．當(dāng)下端供給氣流穩(wěn)定后，利用LPG點(diǎn)火器從上表面對燃料進(jìn)行為時(shí)2min的點(diǎn)火，并在點(diǎn)火成功后啟動位于反應(yīng)器下端的天平，以實(shí)時(shí)測量陰燃過程燃料的質(zhì)量損失速率．所有的陰燃實(shí)驗(yàn)均在室溫為(23.0±2.0)℃、相對濕度為(60.0±7.5)%的環(huán)境條件下進(jìn)行．實(shí)驗(yàn)的全過程由Go-pro攝像機(jī)以0.1Hz的幀頻拍攝記錄．每個工況至少進(jìn)行2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性并實(shí)現(xiàn)誤差分析．

對于陰燃排放采樣系統(tǒng)，反應(yīng)器上方的通風(fēng)櫥將所有的陰燃排放煙氣收納，通風(fēng)櫥中氣流均勻段利用泵體抽吸～2L/min的局部流，在經(jīng)過石英濾膜過濾顆粒物后，以供給TSI 7575氣體分析儀對CO和CO2進(jìn)行頻率為0.3Hz的實(shí)時(shí)分析．為了獲得目標(biāo)氣體排放因子，通風(fēng)櫥閥需保持一定開度，以保證所有的煙氣都被吸入櫥管．本實(shí)驗(yàn)通過Testo 405i測量的櫥內(nèi)氣流速度計(jì)算得到通風(fēng)櫥抽吸總氣體體積流量為(0.015±0.01)m3/s．目標(biāo)氣體排放因子的計(jì)算方法如下[20]：

圖1?泥炭陰燃排放實(shí)驗(yàn)裝置示意

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?溫度特性曲線

圖2(a)展示了泥炭陰燃的典型溫度隨時(shí)間變化特性曲線(以21mm/s空氣流速為例)．由于從泥炭上部點(diǎn)火，因此距離泥炭表面最近的熱電偶(12cm)首先升溫，并在25min內(nèi)達(dá)到530℃的溫度峰值．隨著泥炭消耗下沉，熱電偶所測得的溫度迅速下降．6cm和9cm處的熱電偶遵循類似的溫度變化趨勢，但由于泥炭陰燃反應(yīng)面在初始階段自上而下傳播，所以溫度變化略微滯后．在25min時(shí)，位于最下方的熱電偶(0cm)溫度升高至大于600℃，這表明此時(shí)陰燃熱解鋒面已傳播至泥炭底部，陰燃過程逐漸由熱解主導(dǎo)轉(zhuǎn)變成由炭氧化反應(yīng)主導(dǎo)[18]．由于氧化反應(yīng)為劇烈的放熱過程，從而使反應(yīng)器底部的熱電偶(0～3cm)溫度持續(xù)升高，在39min時(shí)達(dá)到860℃的峰值溫度．此后，隨著炭氧化反應(yīng)逐漸減弱陰燃溫度開始下降，直至約95min泥炭完全消耗，陰燃熄滅(＜250℃).圖2(b)展示了不同供氧速度對泥炭陰燃溫度的影響(以底部溫度為例)．當(dāng)供氧速度從8.5mm/s增加至21mm/s，陰燃峰值溫度從509℃顯著上升至860℃(提升＞350℃)，當(dāng)供氧速度進(jìn)一步增加至28mm/s時(shí)，陰燃峰值溫度進(jìn)一步提升至882℃．同時(shí)，供氧速度提升促使異相氧化反應(yīng)增強(qiáng)，陰燃溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間前移．

2.2?質(zhì)量損失及質(zhì)量損失速率

泥炭陰燃過程中的質(zhì)量損失隨時(shí)間變化特征曲線如圖3(a)所示，總體而言，點(diǎn)火后泥炭燃料質(zhì)量迅速減少，隨后質(zhì)量變化趨于平緩．在15～28mm/s的較高供氧速率下，泥炭質(zhì)量在30min內(nèi)迅速消耗，質(zhì)量損失大于70%．該階段的質(zhì)量損失接近于該泥炭揮發(fā)分的含量(72%)[17]，因此，第1階段的質(zhì)量損失由熱解反應(yīng)主導(dǎo)．在8.5mm/s的極低供氧速率下，由于單位時(shí)間氧通量降低，泥炭質(zhì)量損失緩慢，第1階段持續(xù)超過60min，之后質(zhì)量變化才趨于平穩(wěn)．

圖2　　泥炭陰燃過程中的溫度曲線分布和不同供氧速度下底部溫度的變化特性

圖3　　不同供氧速度下泥炭陰燃單位截面的質(zhì)量損失及質(zhì)量損失速率

圖3(b)進(jìn)一步給出了質(zhì)量損失速率隨時(shí)間變化特征曲線．可以發(fā)現(xiàn)，隨著供氧速度從8.5mm/s增加至21mm/s，陰燃質(zhì)量損失速率不斷增大，速率峰值點(diǎn)從26g/(m2·s)增加至83g/(m2·s)．這是因?yàn)殡S著供氧速度的增加，炭氧化反應(yīng)加劇，陰燃鋒面的溫度提升(見圖2)，從而促進(jìn)了泥炭的熱解，并加大了質(zhì)量損失速率．然而，當(dāng)供氧速率從21mm/s提升至28mm/s時(shí)，氣流從軸向帶走的熱量以及燃燒器徑向?qū)釗p失增強(qiáng)，散熱效應(yīng)的加劇使質(zhì)量損失速率提升并不顯著，此時(shí)質(zhì)量損失速率峰值點(diǎn)為88g/(m2·s).

2.3?一氧化碳和二氧化碳排放特性

泥炭陰燃過程會產(chǎn)生大量的CO和 CO2，文獻(xiàn)中對其排放特性的研究，特別是在不同供氧情況下的研究鮮見報(bào)道．圖4展示了泥炭陰燃在不同供氧速率下一氧化碳和二氧化碳的排放特性．如圖4(a)所示，CO的排放速率在陰燃初始階段不斷增加，達(dá)到峰值后逐漸下降，在25min后一直維持較低水平直至燃盡．同時(shí)，CO2的排放速率也展現(xiàn)出類似的規(guī)律(圖4(b))．當(dāng)泥炭試樣被點(diǎn)燃后，其熱解鋒面向氧氣供應(yīng)的方向迅速擴(kuò)張[18]，從而使CO和CO2排放速率增大；在陰燃熱解鋒面到達(dá)燃料底部后，熱解反應(yīng)逐漸減弱，CO和CO2排放速率逐漸減?。S著氧化反應(yīng)逐漸主導(dǎo)陰燃過程，炭氧化過程中的CO和CO2排放速率遠(yuǎn)小于熱解過程的排放速率．可以發(fā)現(xiàn)，氣體排放速率的變化特征與燃料質(zhì)量損失速率(圖3(b))中呈現(xiàn)出良好的一致性．

不同供氧速度會對CO和CO2的排放速率產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)供氧速度從8.5mm/s增加至15mm/s，CO和CO2的峰值排放速率從0.17g/min和0.6g/min分別提升至0.49g/min和2.8g/min．當(dāng)供氧速度進(jìn)一步提升至28mm/s時(shí)，CO和CO2的峰值排放速率達(dá)到0.9g/min和7.7g/min的最高值．實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在陰燃熱解階段，低供氧速率(8.5mm/s)下產(chǎn)生的煙氣較少；而當(dāng)供氧速率提升時(shí)(＞15mm/s)，大量煙氣往外釋放，并在21～28mm/s供氧條件下尤為明顯．而到了氧化反應(yīng)階段，陰燃煙氣排放在各供氧速度條件下均顯得微弱．

陰燃排放因子是衡量燃料陰燃過程產(chǎn)生溫室氣體排放和污染物能力的一個重要的指標(biāo)．圖5展示了不同供氧速度下CO和CO2的排放因子隨時(shí)間的變化規(guī)律．點(diǎn)火成功后，CO排放因子緩慢增加，在8.5mm/s、15mm/s、21mm/s和28mm/s的供氧條件下于90min內(nèi)從零分別增長至約79g/kg、122g/kg、121g/kg及393g/kg．CO2排放因子也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，從零對應(yīng)增長至約430g/kg、992g/kg、1100g/kg及4750g/kg．由此可見，CO和CO2的排放因子量級分別為102g/kg和103g/kg，這與前人在類似的泥炭陰燃實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣態(tài)污染物的排放量級一致[20]．

圖4?不同供氧速率下泥炭陰燃兩個階段過程中CO和CO2的排放速率

圖5　　不同供氧速度下泥炭陰燃過程中CO和CO2的排放因子

在陰燃過程氧化階段中后期，隨著供氧速率的增加，氧化反應(yīng)的加劇提升了單位質(zhì)量燃料產(chǎn)生氣體污染物的能力．相比于8.5mm/s的低空氣流速，CO和CO2排放因子在高供氧速率下(28mm/s)大幅提升5～6倍，接近甚至超過空氣流速的增幅．此外，氣體污染物排放因子提升說明泥炭陰燃中的異相反應(yīng)速率隨著供氧速率，近似等比例增高．因此，可以推斷出在有環(huán)境風(fēng)提高供氧的情況下，泥炭陰燃的溫室氣體和污染物排放因子也會大幅增加．氣態(tài)污染物排放因子的提升說明此時(shí)的氣體排放產(chǎn)物需進(jìn)一步處理，以減少其釋放后對大氣環(huán)境的危害．當(dāng)然，存在環(huán)境風(fēng)可以稀釋污染物，但也可以加速污染物擴(kuò)散，擴(kuò)大霧霾的范圍．

3?結(jié)?論

本文利用小尺度實(shí)驗(yàn)探索了陰燃泥炭在不同供氧速率下氣體排放產(chǎn)物一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)供氧速度從8.5mm/s增加至28mm/s時(shí)，陰燃反應(yīng)增強(qiáng)，峰值溫度提升大于 350℃，質(zhì)量損失速率峰值近似等比例增加．

(2)泥炭陰燃熱解階段CO和CO2排放速率最高，而在氧化階段顯著減?。粜栌行Э刂脐幦歼^程中產(chǎn)生的氣體污染物，應(yīng)著重對熱解過程進(jìn)行控制．

(3)當(dāng)供氧速度增加，異相炭氧化反應(yīng)增強(qiáng)，內(nèi)部加熱導(dǎo)致熱解隨之增強(qiáng)；此時(shí)CO和CO2排放因子平均增長5～6倍，激增的污染物需進(jìn)一步處理．

未來的工作將進(jìn)一步探索不同燃料密度和含水率作用下泥炭陰燃的排放特性，以提出探測地下泥炭火的有效方法．

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Emission Characteristics of Smoldering Combustion of Peat

Liang Zhirong1，Chen Yuying1，Lin Shaorun1, 2，Huang Xinyan1, 2

(1. Research Centre for Fire Safety Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；2. Shenzhen Research Institute，The Hong Kong Polytechnic University，Shenzhen 518057，China)

Smoldering wildfire in peatland is one of the largest combustion phenomena on Earth，producing large amounts of carbon emissions that can accelerate the climate change，and is responsible for cross-border haze events. In this work，small-scale experiments were conducted to investigate the effects of oxygen supply rate on the emission characteristics of carbon monoxide(CO)and carbon dioxide(CO2)during the smoldering combustion of peat. Results showed that the emission rates of CO and CO2are higher in the pyrolysis period but lower in the oxidation period. As the airflow velocity increases from 8.5mm/s to 28mm/s，the emission factors of CO and CO2increase by 5 and 6 times，respectively. This study has important scientific guidance for understanding the emission characteristics of smoldering combustion and has positive practical significance for improving the monitoring and prediction of smoldering forest fire.

smoldering peat fire；carbon emissions；oxygen supply；emission factor

10.11715/rskxjs.R202305033

TK11

A

1006-8740(2023)04-0429-06

2022-03-15.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51876183).

梁志榮(1988—??)，男，博士，zhirong.leung@outlook.com.

黃鑫炎，男，博士，助理教授，博士生導(dǎo)師，xy.huang@polyu.edu.hk.

(責(zé)任編輯：梁?霞)