辐射热流作用下树叶样品燃烧特征研究

王海晖，朱 凤

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

作为树冠火的主要燃料来源，树叶的燃烧特性直接左右着火灾的形成、火蔓延的速率以及火强度。基于此，针对树叶的燃烧和热释放特性的研究对于树冠火的预防和控制有明确的应用背景［1，2］。

特定辐射热源作用下树叶样品的着火实验可以用来模拟植物叶片在野外现场遭受火灾热源辐射的起火过程。具体实验可以直接由标准化了的锥形量热仪来实现。这在以往的文献中有过相关报道［2－5］。现有的工作主要是评估样品着火特性的，包括根据热释放速率出现陡升的位置确定着火延迟时间，再以此为依据比较和鉴别样品间着火难易程度。田晓瑞等［3］在分析树叶样品着火特性差异的同时，展示了不同样品在特定强度辐射热流作用下形成的气相产物、样品质量等参数随时间的变化规律。另一项有影响的工作来自美国农业部林业署下属实验室的研究人员。他们根据若干树种叶样的测试结果，包括热释放速率峰值和测试过程中的质量变化，推算出样品的有效放热量［4，5］。

树叶样品的测试过程中观察到一个典型现象，即实验过程中出现明火时间相对较短，在火焰消失后通常只会出现阴燃燃烧。相应在热释放速率的曲线上表现为尖锐的峰形［3－5］。这是树叶样品与木材这类多孔介质的样品测试结果明显的不同之处［6，7］。很显然，这一典型现象与树叶样品本身有关，应可以从相应的氧消耗速率以及气相产物如CO 和CO2的浓度变化特征中找到线索。但是，迄今为止并没有这方面的工作报道。

本文致力于呈现植物叶样在外部热辐射和值班火源作用下的燃烧特征并探索这些现象的成因和物理及化学本质。运用锥形量热仪测试设备，观测在特定强度热辐射作用下树叶样品的热响应、着火模式以及热释放速率的变化特征，并通过跟踪着火过程中氧消耗速率以及CO 和CO2产生速率的动态变化规律，分析不同强度外部热源作用下相同树叶样品着火模式差异形成的根源，由此构建着火模式和测试参数间的对应关系。最后，依据实验现象观察并结合材料热物性测试和电镜观察结果，探讨树叶样品独特热释放速率峰形与样品分层特性和树叶自身热物性的内在联系。

1 实验材料和方法

1.1 实验样品

样品包括针阔叶树种。采集地点选择在云南省易门县龙泉国家森林公园（北纬24°39＇－24°41＇，东经101°07＇－102°09＇，海拔1000m－3000m）和广东省广州市华南植物园（北 纬23°10＇－23°11＇，东 经113°21＇－113°22＇，海拔20m－330m）等地。树种均为5年生以上。由较粗树干上取样，叶片连着枝在低温条件下封存。测试采用的树种13种，对应的科属分类、厚度和密度以及工业分析结果如表1 所示。20 余种树样在去除水分和灰分后的元素分析结果表明，其C、H、O、N、S 含量只有少许波动，其中C、H、O、N的比例基本符合34．3∶2．1∶22．8∶1．0，而S含量可以忽略［8］。

表1 样品名称、厚度和密度信息以及工业分析结果Table 1 Thickness and density as well as proximate analysis of plant species adopted in the current study．

1.2 实验装置及步骤

实验采用英国Fire Testing Technology Limited生产的锥形量热仪。按照ISO 5660标准配备的测试单元，该设备能同步检测标准化的样品在特定火源作用下形成的烟气、O2、CO 和CO2的浓度随时间的动态变化，由此可以计算出包括材料热释放速率在内的若干表征材料氧化和燃烧以及烟气特性的动态参数值。

实验前，首先对预热的锥形量热仪进行校正，标定烟粒子、O2、CO 和CO2浓度分析单元的零点和量程。管路中抽气机空气的流量调节为24Ls－1。然后设定辐射热流强度。实验中设定的辐射热流强度分别为35kW m－2、55kW m－2、70kW m－2和85kW m－2，其对应锥形炉的温度值以及有效发射率如表2所示。

表2 设定的辐射强度（热流强度）所对应的锥形炉炉温及其有效发射率Table 2 Correspondence of the radiant heat flux set for the series of tests to the temperatures and effective emissivity of the cone heater．

实验样品在约23℃的环境温度下晾干40min以上。称量出13．6g晾干后的新鲜样品，均匀放置在表面尺寸100mm×100mm 的样品盒中。通过在样品盒底部垫石棉层将样品的厚度控制在10mm。样品的初始空隙度在0．9左右。石棉层的上面垫有锡箔纸，以保证边缘效应最小化，同时也便于保存最后的残留物。为了阻止样品的翘曲和膨胀，在样品盒表面罩以1mm 粗铁丝编成的十字架。没有使用随机配置隔栅的原因是避免太密的网格以及较粗的网格丝对辐射热流的遮挡作用。

实验时，先将锥形炉的功率设定在所需的水平。准备好的空样品盒置于电子称重装置上，调节高度使其位于加热锥的中心位置下25mm，去皮。将称量好的样品均匀放置在样品盒内并重新置于称量系统上。待读数稳定后，打开锥形炉挡板，同时将高压火花产生器移至样品盒正中央离样品表面较近的位置，开始实验。在热释放速率曲线趋于平直并且样品质量基本不变时，结束实验。实验持续时间一般在160 至260s，取决于热辐射强度的大小。测定出的热释放速率（HRR）、氧消耗速率（RO2）、CO 产生速率（RCO）以及CO2产生速率（RCO2）结果均可直接由设备产生的后缀为csv数据文件中读取。

采用KYKY－AMRAY 1010B型扫描电子显微镜（SEM）对样品的微观结构进行观察。该显微镜分辨率约10纳米，最大放大倍数为3万倍。实验时，分别将新鲜叶样和过火后的样品剪成直径约为5mm 大小的片段，用双面胶带粘于样品台上，置于SP1离子溅射仪中进行真空喷镀20min。然后，将样品台放在显微镜下观察，在2000倍下拍照并保留结果。

2 结果与讨论

2.1 点燃实验过程中的基本现象

在特定强度的辐射热流作用下，样品在受热升温后将出现着火并进入持续的燃烧阶段。通常在实验初始数秒内会观察到大量气雾形成，是水分蒸发和热解现象的具体表现。样品着火通常表现为气相火焰的形成，但有的则仅为瞬间闪火或燃料表面的阴燃燃烧。四个典型叶片样品在35kW m－2辐射强度下测定出的HRR 随时间变化结果见图1。桂花和木荷样品的 HRR 出现陡升，最高值达80．5kW m－2，标志着气相火焰的形成。HRR 在达到峰值后迅速下降，然后维持在较低水平直至实验结束。这直接对应着气相燃烧现象结束后转变成固体材料表面的阴燃。油茶和大叶香樟两个样品则没有出现显著的跳跃，而是在相当长时间后才开始出现缓慢的提升。这对应着另类着火模式，即着火只表现为阴燃燃烧。

图1 辐射强度35kW m－2下四个样品实验前160 秒HRR 对时间作图。由于实验开始时，HRR 出现了负值，所以对曲线进行了基线校正Fig．1 Time－dependent heat release rates for four typical leaf samples measured at the radiant heat flux of 35kW m－2 in the first 160s．Slight baseline adjustment was made for those containing negative values of HRR prior to the commencement of ignition．

对于出现气相火焰的样品来说，除到达着火的时间存在稍许差异外，树种间结果的差异更多反映在HRR 峰值的变化幅度上。这些差异的成因可以由更基础的数据分析获得。根据设备产生的数据文件读取出随时间变化的氧消耗速率以及CO 和CO2的产生速率，其结果见图2。RO2与HRR 展示出完全一致的变化规律：燃烧反应造成热量释放的峰值大，对应的氧消耗速率也高；当样品呈阴燃燃烧状态时，其对应的氧消耗速率也同样处于非常低的水平。这也在对应的燃烧和氧化产物的形成速率上得到验证。当然，这里所指的产物只是CO2。氧消耗速率与CO2的产生速率所表现出变化规律的高度一致性，反映了一个明显的事实：氧消耗速率表征单位时间卷入化学反应的氧气量，直接对应着燃烧和氧化产物的产生速率和热量释放速率的数值。

图2 辐射强度35kW m－2下四个样品实验前160 秒氧消耗速率、CO 和CO2产生速率对时间作图Fig．2 Time－dependent rates of O2consumed（a），rates of CO produced（b）and rates of CO2produced（c）for four samples measured at the radiant heat flux of 35kW m－2 in the first 160s．

CO 产生速率的显现略早于氧消耗速率、CO2产生速率以及HRR 热释放速率，进入着火阶段后同样呈现明显提升，并且在其它参数均呈下降趋势时仍处于不断增长的状态，表明其形成机理与RO2、RCO2以及HRR 的变化没有完全的对应性。建立起来的认识表明：CO 不但会来源于燃烧现象，同时也是样品受热分解和前期氧化的产物［9］。

不同辐射强度下大叶香樟样品实验初始阶段HRR 随时间的变化见图3。可以看到，在辐射强度提升后样品的着火模式出现由单纯阴燃向明火的转变，并且热释放速率的峰值也有显著提升。其转变的机制和原因可以直接由图3（b）中CO 产生速率的变化上看出。随着辐射强度的增加，在实验初期RCO就出现显著跳跃。这意味着辐射强度的提高，样品升温速度加快；相应地，样品的分解速度加快，释放出更多的小分子气体，如CO、CO2以及其它可燃的挥发性物质［9－11］。这些物质导致样品上方附近区域较易聚集足够高的可燃气浓度，气相火焰迅速形成。

测试结果表明，有些树种（如铁冬青和米老排）需要在较高的辐射强度作用下才会形成明火，个别树种（如草海桐）甚至在最高辐射强度下也没有出现明火。但是，这些都没有影响其PHRR 值随着辐射强度的提升而增加。

2.2 热释放速率峰值的意义以及与其它特征参数的关联

热释放速率的变化曲线直接展示特定样品在实验过程中的燃烧状况，其峰值（PHRR）可以作为特征参数表征样品的燃烧特性以比较不同样品间的差异［1］。测试设备产生的数据，如动态氧消耗速率和CO2产生速率，则分别从氧消耗和形成气相产物的角度反映样品着火过程中的燃烧速率，其峰值同样可以作为特征参数用以展示特定样品的燃烧状况以及样品间燃烧特性的差异。前边已经讨论过，CO产生速率特征值不适合用作表征样品燃烧状况的参数，因为CO 更多是样品热解的产物，而不是燃烧或氧化的产物，尤其是在实验初期。

图4展示了13种样品在不同辐射强度下测试获得的特征参数PHRR 和RCO2峰值（RCO2P）对RO2峰值（RO2P）的依赖关系。需要说明的是，少数样品在高辐射强度下会出现二次有焰燃烧现象，相应的峰值是读取第一个峰的。结果表明，参数间存在高度的线性相关性。由于PHRR 是根据即时氧消耗量确定的，PHRR 与RO2P的线性关系是必然的。RO2P与RCO2P的线性关系，则进一步确认了燃烧或氧化现象的本质：无论样品出现峰值时处于明火燃烧还是阴燃状态，其即时O2消耗速率、CO2产生速率和热释放速率，都是由气相燃烧或固相表面氧化反应控制的。

图3 不同辐射强度下大叶香樟样品实验前60 秒HRR（a）和CO 产生速率（b）对时间作图。实验开始时HRR 出现了负值，相应对HRR 曲线进行了基线校正Fig．3 Transient results of HRR（a）and the rates of CO produced（b）for C．septentrionale samples measured at different radiant heat flux in the first 60s．Slight baseline adjustment was made for those containing negative values of HRR prior to the commencement of ignition．

图4 不同辐射强度下样品的热释放速率的峰值与氧消耗速率峰值以及二氧化碳产生速率峰值的对比图。部分样品因只出现阴燃燃烧，其峰值不明显而没有加入Fig．4 Peak values of heat release rates and rates of CO2produced as a function of peak values of the rates of O2consumed for the samples measured at various levels of radiant heat flux．Some measurement results have not been included for their unreadable peak values．

值得一提的是，RCO2P与RO2P之间有接近恒定的质量比率，1．12（即1∶0．89）。这反映了样品在着火形成后，无论是明火抑或是阴燃，其燃烧或氧化反应中氧消耗的量几乎以恒定的比率转变成气态氧化产物，与植物的品种无关。这是植物叶样气相燃烧或固相表面氧化反应机理相似性的明证，同时也反映了测试结果的可靠性。

样品点燃实验中的表现和燃烧状态与上述三个参数峰值结果的对应性可以用图5来展示。这里没有再用氧消耗速率峰值或二氧化碳产生速率峰值的原因是，它们间存在高度的线性相关性，相应的作图只会给出相同的结果。图5 表明，对于出现明火燃烧的样品来说，其PHRR 数值会在很宽的范围内波动；而闪火和纯阴燃样品对应的峰值波动范围则比较窄。具体有：

PHRR≤17．5kW m－2， 单纯阴燃 （1a）

17．5＜PHRR＜22．3kW m－2， 阴燃或闪火 （1b）

PHRR≥35．6kW m－2， 总有明火 （1c）

根据现有的实验结果可以推断，样品能否形成明火的临界热释放速率峰值应在22．3kW m－2和35．6kW m－2之间。这与文献中报道的结果是一致的。Lyon 和Quintiere［12］从理论上推导出多种高分子多聚物在锥形量热仪测试中出现火焰的临界热释放速率为24kW m－2。出现明火的临界热释放速率直接对应着样品热解产生挥发分的临界质量流率。建立起来的认识表明［12－14］，在有辐射热源和值班火焰的点燃实验中，只要样品表面热解挥发分的质量流率达到特定的值，火焰就会形成。表达式（1）反映了叶片样品也遵循同样的原则。

图5 不同辐射强度下样品的热释放速率峰值随着火模式的分布。部分样品因只出现阴燃燃烧，其峰值不明显而没有加入。这里SM 代表阴燃，FH 代表闪火，FM 则代表有焰燃烧Fig．5 Dependence of PHRR to the ignition modes for the samples measured at different levels of radiant heat flux．Some measurement results have not been included for their unreadable peak values．Here，SM denotes smoldering，FH stands for flashing，and FM represents flaming combustion．

2.3 样品分层特性对热释放速率峰形的影响

有别于其它测试样品，树叶样品是分层摆放的。其表层叶片数量及总层数主要取决于叶片的平均表面积和密度。样品表层结构及其在实验过程中的表现见图6。施加上辐射热源后，表层接受外部热辐射，受热升温、析出水分并同时出现翘曲变形。变形的起始温度一般在60°C 至80°C 之间，变形后至燃烬前则基本维持原状。表层有效厚度相应由叶片变形后的特征高度确定，一般在3mm 左右。由于单个叶片自身的厚度在0．2mm～0．4mm 之间（参见表1），样品表层可以看成热薄层［15］。在水分析出完毕后，表层迅速进入热解温度段，其热解产物是形成气相火焰的物质来源。

随着表层的温度提升，其吸收的部分热量会通过热传导或层间空隙中的热辐射传递给内层，从而导致内层升温。但由于样品的分层和多孔特性加上植物叶样自身热物性的限制，由表层向内层热量输运的效率很低。对近十种所涉树种叶片在接近热解临界温度（180°C 左右）烘烤后进行导热系数测定，测出的结果均不超过0．07W m－1K－1。考虑样品内空隙的折合作用以及层间微弱的热辐射效应，层间等效热传导热系数通常不超过0．05W m－1K－1［16，17］。基于此，在表层物质受热分解产生挥发分并转变成焦炭层时，内层没有能够升至足够高的温度以及时向火焰区补充可燃性挥发分。实际测量出热释放速率尖锐峰形，并通常难以再出现明火燃烧现象就是明证。换句话说，这正是表层炭壳对后续辐射热流向内层渗透阻挡作用的具体表现。

作为比较，对于高分子有机材料或木块样品来说［6，7，12，14，18］，其内部分布比较均匀，连续性较强，热量输运的效率较高；与此同时，形成焦炭层是一个由表面起的渐进过程。因此，挥发分的质量流率只会出现逐步削弱的趋势。相应地，热释放速率的下降是缓慢的。这是分层树叶样品测试结果与其它致密和连续样品或通常的多孔材料的不同之处。

样品在特定热辐射作用下是否会形成明火取决于其表层热解产生挥发分的质量流率，亦即表层中材料热解产生挥发分的速率。根据热解反应的一般准则可知，反应速率可写成反应物即时浓度与反应速率常数的乘积［6，10，18］。对 于化学组成接近的树叶材料而言，其挥发分产生速率最大值主要取决于两个基本参数，挥发分的初始拥有量和升温速率。挥发分的初始拥有量反映样品所能产生挥发分最大速率的物质基础，而升温速率则决定材料达到其最大反应速率所需时间。当升温速率较慢时，材料的热解反应速率增长缓慢，在达到最大值前反应物消耗较多，相应挥发分产生速率最大值被削减；反之，则相反。

当样品的含水率较高时，挥发分的拥有量相对较少（参见表1），加上样品内层的水分对样品表层升温速率的影响，挥发分的质量流率最大值相对较小，相应难以形成明火燃烧。这可以解释在较低辐射强度下，部分含水率较高的样品只会出现阴燃燃烧的原因。随着辐射强度的提升，样品表层的升温速率迅速加快，导致其热解速率加快，在质量流率达到临界值后即会形成气相火焰。这与先前的论述完全一致。

图6 样品表层结构和着火燃烧过程示意图。这里的SEM 照片放大倍数均为2000倍。符号表示外部净辐射热流，而则代表样品表层升温后向内层热量输运的等效导热Fig．6 An illustration of the structure of the sample surface layer and its burning process．Here，the magnification of the scanning electron microscope graphs is 2000timesstands for the net external radiant heat flux，anddenotes the equivalent thermal conduction of the heat transferring from the surface layer to the internal layers of the sample．

少数树种样品在高辐射强度下会出现两次明火现象。这基本反映了少数树种叶片在高强度辐射作用下较快燃烬，表层对辐射热流的遮挡效应会在相对较短时间内部分丧失甚至完全丧失。因此，外部辐射热流可以有效穿越表层，导致内层迅速升温。另外，再次明火现象也与不同树种叶片单体的质量（密度）、表面积、热物性以及热解特性有关。这些因素在影响样品内部的结构和热量输运效率的同时，相应会改变内层升温过程中产生挥发分质量流率的量阶。

本文所涉树叶样品的燃烧特性与材料的燃烧性（Combustibility）有一定的对应关系。燃烧性是材料可燃性的重要组元之一，主要表征材料燃烧时的快慢或剧烈程度［1，2］。从表面上来看，样品的PHRR 结果完全可以用来标定材料潜在的燃烧强度和状况以及对环境的影响力。但是，需要注意的是，对于空隙度较高的样品来说，其热释放速率峰值或多或少会受到样品表观密度或空隙度的影响。这意味着直接用PHRR 为指标评定材料而不是样品的燃烧性会带来偏差。

3 结论

相同热辐射强度下树叶样品表现出迥然不同的着火模式，有的为明火，有的则为阴燃。对于出现明火的样品来说，因火焰持续时间较短，热释放速率呈尖锐峰形。外部热辐射强度的提升导致热释放速率峰值增大，是样品热解速率提升的结果。相应地，低辐射强度下呈阴燃燃烧的样品在高辐射强度下会出现有焰燃烧。

根据所涉样品的测试结果可以推断，出现明火的临界热释放速率的峰值在22．3kW m－2和35．6kW m－2之间，这反映了形成气相火焰的临界挥发分质量流率。气相产物CO2产生速率的峰值与PHRR 呈高度线性性，表明了不同样品间气相燃烧或固相表面氧化（阴燃燃烧）反应的相似性。

进一步分析表明，样品出现热释放速率尖锐峰形是样品分层特性以及树叶自身的物理属性和热物性共同作用的结果。具有热薄特性的样品表层，在实验初期是接受外部辐射热的主体，其热解的产物是形成气相火焰的物质来源；在转变为焦炭层后，其对辐射热流向内层的渗透具有阻挡作用。建立起来的认识对于评估分层样品的燃烧性有一定的指导意义。

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