摘" 要：為研究含水乙醇蔓延燃燒特性，搭建液體火蔓延燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用工業(yè)和生活中常見(jiàn)的幾種體積分?jǐn)?shù)含水乙醇（50%、60%、75%、95%）溶液作為燃料，對(duì)不同初始溫度下的蔓延火焰的形貌特征、火焰蔓延的速度及穩(wěn)定燃燒后的平均火焰高度進(jìn)行探究。結(jié)果表明，火焰的蔓延速度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的變大而增大，當(dāng)初始溫度大于乙醇的閃點(diǎn)時(shí)，則隨著乙醇的初始溫度升高，火勢(shì)蔓延速率也會(huì)增加。當(dāng)初始溫度增加到一定溫度，速度為最大值，而后隨著初溫的增大，火蔓延速度基本保持不變;火焰的高度與亮度隨初始溫度和乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。因此在高溫狀態(tài)下，高體積分?jǐn)?shù)乙醇更具有火災(zāi)危險(xiǎn)性，研究為控制此類火災(zāi)的蔓延、減小火災(zāi)造成的損失有重要意義。

關(guān)鍵詞：含水乙醇;火蔓延;火焰高度;初始溫度;火災(zāi)危險(xiǎn)性

中圖分類號(hào)：X932" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0057-06

Abstract： In order to study the spread combustion characteristics of aqueous ethanol， an experimental system of liquid fire spread combustion was set up， and several volume fraction of aqueous ethanol （50%， 60%， 75%， and 95%） were used as fuel in industry and life. The morphology characteristics of flame spread at different initial temperatures， the speed of flame spread and the average flame height after stable combustion were studied. The results show that the flame spread rate increases with the increase of ethanol volume fraction， and when the initial temperature is higher than the flash point of ethanol， the fire spread rate will increase with the increase of ethanol initial temperature. The initial temperature increases to a certain temperature and the speed is the maximum， and then with the increase of the initial temperature， the fire spread speed remains basically unchanged， and the height and brightness of the flame increase with the increase of the initial temperature and ethanol volume fraction. Therefore， under the condition of high temperature， high volume fraction ethanol is more dangerous to fire， and the research is of great significance to control the spread of this kind of fire and reduce the loss caused by fire.

Keywords： aqueous ethanol; fire spread; flame height; initial temperature; fire hazard

乙醇（CH3CH2OH）通常被稱為酒精，其室溫下為易燃、易爆且易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，可用來(lái)制造飲料、醋酸、染料和燃料等。在化工業(yè)和生活中，乙醇是一種非常重要而且應(yīng)用廣泛的易燃液體[1]。含水類乙醇危險(xiǎn)性很高，很容易引起火災(zāi)，對(duì)于化工行業(yè)和生活來(lái)說(shuō)具有很大的安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)可能會(huì)導(dǎo)致人員和經(jīng)濟(jì)方面的重大損失。我國(guó)也是世界白酒產(chǎn)量大國(guó)，乙醇通常占白酒體積的50%到60%。隨著酒廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以前小型手工車間生產(chǎn)被機(jī)械化和半機(jī)械化的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所代替，然而由于乙醇的危險(xiǎn)性和管理不當(dāng)或故障，造成嚴(yán)重后果的酒廠火災(zāi)已成為影響該行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題。受到新型冠狀病毒感染疫情的影響，有專家學(xué)者提出“75%的酒精可以有效滅活病毒，新型冠狀病毒怕酒精不能抵抗高溫”[2-3]。大多數(shù)居民每天使用醫(yī)用酒精進(jìn)行消毒，但是高體積分?jǐn)?shù)的酒精容易燃燒且容易爆炸，使用不慎將很容易引發(fā)火災(zāi)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)液體火蔓延燃燒特性作了大量研究，根據(jù)發(fā)展過(guò)程，火災(zāi)被劃分為不同的4個(gè)時(shí)期，即燃燒池被點(diǎn)燃著火、火勢(shì)蔓延、穩(wěn)定燃燒和火勢(shì)減弱階段[4]。徐曉娟等[5]認(rèn)為在中藥生產(chǎn)過(guò)程中乙醇溶液火災(zāi)危險(xiǎn)性的辨識(shí)主要依據(jù)是閃點(diǎn)，乙醇含量在38%以上時(shí)應(yīng)考慮防爆。白洪寶等[6-7]研究了乙醇和柴油的混合液體在蔓延時(shí)的火焰現(xiàn)象，探討了火焰的外觀形貌、擴(kuò)散形式、火焰蔓延速率和燃料表面溫度變化規(guī)律。陳欽佩[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了不同的初溫情況對(duì)汽油和柴油的混合物的火焰蔓延特性的作用，包括火焰形狀，主火焰蔓延速度、表面溫度、閃燃火焰速度、脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)幅度。張笑馳等[8]研究不同體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液的燃燒特性，研究表明乙醇的平均熱釋放速率和最大值都與乙醇體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。Ji等[9-10]進(jìn)行了在不同初始燃料溫度下的航空煤油和柴油火焰擴(kuò)散的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，液相和氣相控制火焰蔓延的初始燃料溫度閾值比2種燃料的閃點(diǎn)高約17 ℃。關(guān)于可燃液體火蔓延燃燒的研究，以前學(xué)者都是對(duì)單向條形火蔓延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，多向球形火蔓延的火焰形態(tài)研究較欠缺。本文采用液體火蔓延燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)方形油池下的幾種常見(jiàn)含水乙醇溶液在不同初始溫度下表面火蔓延及燃燒進(jìn)行測(cè)定，分析溫度和體積分?jǐn)?shù)對(duì)乙醇火蔓延及燃燒的影響。

1" 實(shí)驗(yàn)方案

1.1" 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用方形燃料盤作為燃燒設(shè)備，選取了50%、60%（市面上白酒度數(shù)）、75%（醫(yī)用酒精）和95%（工業(yè)酒精）乙醇水溶液作為實(shí)驗(yàn)燃料，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用水浴加熱和冰塊降溫的方式對(duì)燃料的初始溫度進(jìn)行改變，點(diǎn)燃點(diǎn)火區(qū)內(nèi)的燃料使其燃燒至穩(wěn)定狀態(tài)，移除點(diǎn)火槽，讓火焰沿燃料表面自由蔓延。同時(shí)開啟旁側(cè)攝像機(jī)和上方攝像機(jī)拍攝火從開始蔓延和后續(xù)的燃燒。

實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示，搭建的液體火蔓延燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)由幾部分裝置構(gòu)成，分別是實(shí)驗(yàn)燃料盤、2臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)、熱電偶和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);2臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)可以記錄蔓延全程的火焰蔓延外觀圖和穩(wěn)定燃燒的火焰圖。實(shí)驗(yàn)燃燒部分是一個(gè)正方形燃料盤，材料為不銹鋼，為了方便記錄蔓延火焰，燃料盤的上方設(shè)置一高硼硅玻璃防止攝像機(jī)過(guò)熱。油池的大小為0.4 m×0.4 m×0.4 m（長(zhǎng)×寬×高），在實(shí)驗(yàn)燃料盤的一角設(shè)計(jì)了邊長(zhǎng)為4 cm的點(diǎn)火區(qū)，可以保證點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火區(qū)以外燃料的初始溫度不會(huì)有較明顯的變化。

1.2" 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按照?qǐng)D1搭建乙醇火蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)，檢查各儀器連接完好，線路準(zhǔn)確連接，進(jìn)行乙醇火蔓延實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。將調(diào)配好的乙醇液體倒入燃料盤內(nèi)（燃料厚度2 mm），并測(cè)量點(diǎn)燃前燃料初溫。使用點(diǎn)火槍點(diǎn)燃點(diǎn)火區(qū)內(nèi)的燃料使其燃燒至穩(wěn)定狀態(tài)，移除點(diǎn)火槽，讓火焰沿燃料表面自由蔓延。開啟攝像機(jī)拍攝火從開始蔓延到后續(xù)的穩(wěn)定燃燒，待火蔓延及燃燒過(guò)程結(jié)束，清理燃料盤。開啟門窗通氣完成后，開始下一組實(shí)驗(yàn)，重復(fù)以上的過(guò)程，然后開始另一工況的實(shí)驗(yàn)。

2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1" 乙醇蔓延火焰形貌

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相對(duì)濕度大約為68%，外部環(huán)境的溫度大約為25 ℃。乙醇蔓延火焰外觀特征如圖2所示。在方形燃料盤一角點(diǎn)火形成火蔓延后，燃料開始快速燃燒并影響該范圍的溫度上升，內(nèi)部的空氣在浮力的影響下會(huì)朝上移動(dòng)，周圍氣體運(yùn)動(dòng)到中部開始補(bǔ)充;藍(lán)色火由（偏暗A(chǔ)區(qū)）一角向其他方向蔓延而且蔓延的方向和氣流方向相對(duì)，此情況和油槽的單向火蔓延相近。其火焰前鋒的蔓延形態(tài)均是接近1/4圓形的。在火蔓延過(guò)程中，乙醇火是由底部的藍(lán)火焰（偏暗A(chǔ)區(qū)）與頂層的黃色火（偏亮B區(qū)）構(gòu)成，由于乙醇含碳量小，所以在點(diǎn)火后火焰迅速開始蔓延，火焰表面呈現(xiàn)藍(lán)色（偏暗A(chǔ)區(qū)），隨著燃燒的進(jìn)行，液體表面開始出現(xiàn)明亮的黃色火焰（偏亮A區(qū)），當(dāng)火焰蔓延至整個(gè)燃料盤后，火焰從藍(lán)色（偏暗A(chǔ)區(qū)）逐漸轉(zhuǎn)為黃色（偏亮B區(qū)）。

2.2" 乙醇火焰蔓延速度

當(dāng)t=0.5 s，ξ=50%時(shí)不同燃料初始溫度下火蔓延如圖3所示。在燃料初始溫度為17.8 ℃時(shí)乙醇火蔓延至一個(gè)角，而溫度升至37.6 ℃時(shí)，乙醇火焰在0.5 s內(nèi)已經(jīng)迅速蔓延至整個(gè)燃料盤。隨溫度的不斷變大，火焰蔓延速度也增加?；鹇舆^(guò)程與液體燃料蒸氣密切相關(guān)，當(dāng)含水乙醇的初始溫度很低時(shí)，燃料蒸發(fā)出來(lái)的氣體含量會(huì)減小;當(dāng)足夠的氧氣供給情況下，蒸發(fā)的氣體將會(huì)更充足地燃燒，并且產(chǎn)生少量碳煙，所以呈現(xiàn)出較為明顯的藍(lán)色光（偏暗A(chǔ)區(qū)）和不明顯的黃色光（偏亮B區(qū)）。隨著乙醇初始溫度逐漸上升，使得液體蒸發(fā)出來(lái)的氣體也會(huì)變大，并且由于含量的變大，促使了化學(xué)反應(yīng)速度的加快，在一定的氧含量情況下，蒸發(fā)的氣體將會(huì)在液體表面充分地燃燒而形成大量的含碳煙氣，隨著火焰的向上運(yùn)動(dòng)，碳煙進(jìn)一步被氧化，從而形成了明顯的黃色火焰（偏亮B區(qū)），并且隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，火蔓延速度也會(huì)增大。

50%、60%、75%和95%的乙醇水溶液火蔓延過(guò)程如圖4所示。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，乙醇呈現(xiàn)藍(lán)色（偏暗A(chǔ)區(qū)）向外擴(kuò)散，蔓延至整個(gè)燃料盤需要12 s，而當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)增大至95%時(shí)，乙醇火焰1 s內(nèi)已經(jīng)蔓延至整個(gè)燃料盤，且黃色火焰（偏亮B區(qū)）較明顯。火焰蔓延速度隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的升高而增大，當(dāng)燃料體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，液體上方蒸發(fā)的氣體含量己經(jīng)到達(dá)燃燒條件。燃料遇到火苗后，火焰會(huì)很快地向前方擴(kuò)散，而且在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)了燃料盤的另一邊，最終火焰在整個(gè)燃料表面上連成一片。

不同體積分?jǐn)?shù)乙醇表面火蔓延過(guò)程中的火蔓延速度隨初溫的變化規(guī)律如圖5所示。當(dāng)燃料初始溫度由15 ℃增大到37 ℃時(shí)，火蔓延速度緩慢上升。對(duì)于給定的初始燃料溫度，乙醇溶液的火焰蔓延速度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。隨著初溫的升高先緩慢增長(zhǎng)，超過(guò)一定溫度后迅速上升至最大值后不變。乙醇體積分?jǐn)?shù)越高會(huì)使溶液的閃點(diǎn)降低，燃料蒸氣含量增加，并且達(dá)到燃燒極限所需的預(yù)熱時(shí)間更短，所造成的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)將更大。

2.3" 初始溫度對(duì)乙醇火焰高度的影響

除了火蔓延速度之外，乙醇體積分?jǐn)?shù)和初始燃料溫度對(duì)火焰穩(wěn)定燃燒后的高度也有很大影響。含水乙醇首先在存在外部熱源的作用下蒸發(fā)，燃料蒸氣會(huì)在表面發(fā)生反應(yīng)，然后燃燒分解，由于燃燒初始階段溫度低，液體蒸發(fā)速率相對(duì)較低，故蒸氣含量較少。隨著燃燒的繼續(xù)，乙醇火對(duì)沒(méi)有燃燒的液體傳熱效果隨時(shí)間而變大，此刻其燃料的溫度升高，燃料蒸發(fā)速度變大，并且火焰升高。

當(dāng)初始溫度為25 ℃左右時(shí)，50%、60%、75%和95%乙醇依次燃燒進(jìn)行到10、30、60和90 s時(shí)刻的火焰形態(tài)如圖6所示。當(dāng)乙醇火燃燒到30 s之前，各體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液的火焰平均高度均在30 cm以下，并且95%乙醇的火焰平均高度明顯高于50%乙醇的火焰平均高度，在燃燒的開始階段，火源在接觸點(diǎn)火區(qū)的燃料后立即燃燒，并在30 s左右的時(shí)候突然發(fā)生了火焰的增高。這是因?yàn)槌鼗鸹鹧婷土胰紵⒊霈F(xiàn)了劇烈的噴濺，導(dǎo)致火焰突然增高。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，形態(tài)完整而且更高的火焰會(huì)迅速呈現(xiàn)，并且四周的溫度也立刻升高。如果體積分?jǐn)?shù)較低，則點(diǎn)燃燃料盤的燃料后僅會(huì)出現(xiàn)較弱火，而30 s時(shí)的乙醇火仍然不飽滿。隨著燃燒進(jìn)行到60 s，每種體積分?jǐn)?shù)含水乙醇池火火焰都進(jìn)行到了發(fā)展階段，火焰高度顯著增加。95%乙醇的火焰平均高度達(dá)到40 cm上下，明顯大于50%乙醇的火焰平均高度。燃燒過(guò)程中，低體積分?jǐn)?shù)乙醇火高度和亮度均小于高體積分?jǐn)?shù)時(shí)的火高度和亮度。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，火焰的頂部開始變寬，火焰變得更為明亮，并且火焰高度也不同，體積分?jǐn)?shù)大時(shí)火焰高度變高。乙醇燃料體積分?jǐn)?shù)的不斷增加不可避免加快了乙醇燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，所以出現(xiàn)了火焰會(huì)變得更高。

不同初始溫度乙醇火焰圖，依次是燃燒進(jìn)行到10、30、60和90 s時(shí)刻的火焰形態(tài)如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)乙醇火燃燒持續(xù)至30 s之前，體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液燃燒火焰平均高度都在30 cm以下，并且初溫為30 ℃時(shí)的乙醇火焰平均高度均大于初始溫度為20 ℃時(shí)的火焰平均高度，在燃燒的開始階段，火源在接觸點(diǎn)火區(qū)的燃料后立即蔓延，并在30 s左右的時(shí)候突然發(fā)生了火焰的增高。這是因?yàn)槌鼗鸹鹧婷土胰紵?，并出現(xiàn)了劇烈的噴濺，導(dǎo)致火焰突然增高。當(dāng)60%的乙醇溶液初始溫度較高時(shí)，形態(tài)完整且更高的火焰會(huì)迅速呈現(xiàn)，并且四周的溫度也立刻升高。當(dāng)60%的乙醇溶液初始溫度較低時(shí)，則點(diǎn)燃油池的燃料后僅會(huì)出現(xiàn)較弱火，而30 s處的乙醇火仍然不完整而且火焰微弱。隨著燃燒進(jìn)行到60 s，每種體積分?jǐn)?shù)含水乙醇池火火焰都開始進(jìn)入發(fā)展階段，火焰高度顯著增加。乙醇溫度低于25 ℃時(shí)的池火開始表現(xiàn)出輕微的噴濺現(xiàn)象，而且會(huì)有嘶嘶的聲音，而溫度大于25 ℃的乙醇池火己經(jīng)發(fā)生劇烈且連續(xù)的噴濺。

不同體積分?jǐn)?shù)乙醇平均火焰高度隨初始溫度變化曲線如圖8所示。從圖8中明顯觀察到初始溫度和乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加對(duì)火焰高度產(chǎn)生了積極影響，導(dǎo)致了平均火焰高度的增大?；鹧孀兏叩脑蚴请S燃料體積分?jǐn)?shù)和初始溫度的變大，燃料盤內(nèi)部的可燃蒸氣逐漸增加，其燃燒速率隨著燃料體積分?jǐn)?shù)和初始溫度增大而增加。隨著燃燒速率的增加，乙醇火必須要耗損大量的氧氣來(lái)維持燃燒，空氣卷吸強(qiáng)度不斷增大。因此，隨著火焰不斷地進(jìn)一步攀升，逐漸增大火焰與空氣之間的接觸面積，吸收了更多的氧氣，所以引起了乙醇火的持續(xù)升高。

3" 結(jié)論

1）乙醇火蔓延過(guò)程中，其火焰前鋒的蔓延形態(tài)均是接近1/4圓形的?；鹧媸怯傻撞康乃{(lán)色火焰（偏暗A(chǔ)區(qū)）與頂層的黃色火焰（偏亮B區(qū)）組成。由于乙醇含碳量小，所以在蔓延開始階段火焰表面呈現(xiàn)藍(lán)色（偏暗A(chǔ)區(qū)），當(dāng)火焰蔓延至整個(gè)燃料盤后，火焰由藍(lán)色（偏暗A(chǔ)區(qū)）逐漸轉(zhuǎn)為黃色（偏亮B區(qū)）。

2）對(duì)于給定的初始燃料溫度，當(dāng)乙醇的初始溫度大于其閃點(diǎn)溫度時(shí)，隨著乙醇的初始溫度升高，火勢(shì)蔓延速率也會(huì)增加。隨后，當(dāng)初溫上升到一定溫度時(shí)，速度為最大值，而后隨著初溫的增大，火蔓延速度基本保持不變，在溶液中添加乙醇或提高溫度可以提高火焰蔓延速率。

3）不同體積分?jǐn)?shù)乙醇平均火焰高度隨初始溫度變化趨勢(shì)一致，隨著溫度的增加，火焰高度均呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)后迅速上升的趨勢(shì)?；鹧娴母叨扰c亮度隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。初始溫度和燃料體積分?jǐn)?shù)的增大對(duì)乙醇池火燃燒產(chǎn)生了積極的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸強(qiáng)，王曉霞，喬建江，等.乙醇液體閃點(diǎn)和燃燒時(shí)間實(shí)驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（6）：736-739.

[2] 陳澤月.使用75%醫(yī)用酒精消殺引發(fā)火災(zāi)的情形研究[J].消防界，2020，6（4）：37-38.

[3] 羅嵩，李曉，孫波.新冠肺炎疫情期間有關(guān)酒精消毒產(chǎn)品使用的輿情研究[J].中國(guó)消毒學(xué)雜志，2021，38（6）：425-427，431.

[4] 陳欽佩.常壓和低壓下水含量對(duì)液體燃料火災(zāi)危險(xiǎn)性影響機(jī)理研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[5] 徐曉娟，劉海華.中藥生產(chǎn)中使用乙醇水溶液的火災(zāi)危險(xiǎn)性辨識(shí)[J].機(jī)電信息，2014（26）：3.

[6] 白洪寶.乙醇/柴油混合燃料表面火蔓延研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[7] 白洪寶，段強(qiáng)領(lǐng)，王青松，等.初始溫度對(duì)柴油表面火蔓延的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2014（6）：505-510.

[8] 張笑馳，劉家豪，謝啟苗.小尺寸乙醇-水混合溶液池火燃燒特性研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（11）：1502-1505.

[9] JI J，LIN S H， ZHAO C Z， et al. Experimental study on initial temperature influence on flame spread characteristics of diesel and gasoline-diesel blends[J].Fuel，2016，178（15）：283-289.

[10] LI M H， LU S X， GUO J， et al. Initial Fuel Temperature Effects on Flame Spread over Aviation Kerosene in Low- and High-Altitude Environments[J]. Fire Technology， 2015， 51（3）：707-721.