室内多因素条件下香烟颗粒粒谱动态分布特征

2014-11-15张铖铖林树宝

火灾科学 2014年4期

张铖铖，方俊，林树宝，江澄，商蕊

（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

火的使用是人类历史上的一大创举，但是火势一旦失控就会危及人们生命和财产安全，导致灾难的发生。全国每年发生火灾约10万起，其中因吸烟引起的火灾约4000例左右［1］，主要原因是由于香烟未熄灭与其他可燃物接触阴燃引起的火灾。阴燃是一种无火焰、缓慢的燃烧，燃烧发生在可燃物和氧气接触面，香烟燃烧就是典型的阴燃现象。香烟阴燃时中心温度可达700℃～800℃，表面温度也达到300℃～400℃，远远高于一般可燃物的燃点。一旦香烟与周围可燃物发生接触，香烟的持续阴燃将引燃周围可燃物，导致火灾发生。2004年吉林中百商厦因遗留香烟造成火灾发生，事故共造成54人死亡，70人受伤，直接损失400多万元。2005年贵州巨洞村因村民吸烟引起火灾，造成3人死亡，损坏房屋200余间。2006年沈阳一针织厂由未熄灭的烟蒂引燃布料发生火灾，共造成9人死亡，1人受伤。同时储存烟草的仓库也由于烟草具有易燃、阴燃等特性，容易发生火灾，如2002年天阳国际烟草火灾、2003年济南将军卷烟厂仓库火灾等事故。

阴燃作为特殊的燃烧形式，具有潜伏时间长、不易被发现等特点，这就导致火灾发生的初期不易被察觉，从而造成事故的发生。而烟雾颗粒是区分火灾与非火灾的特性之一，其中颗粒物浓度及尺寸大小是感烟探测器探测火灾发生的重要参数［2－3］。同时，烟气颗粒物粒径的动态分布也影响人体健康，研究表明颗粒物在人体内的沉积与粒径分布至关密切［4］，尤其现在许多房间内风扇、空调的使用，使室内环境变得更加复杂，颗粒物的形成和发展规律也随之改变［5－6］。香烟阴燃过程中产生的烟颗粒粒径大小和尺寸变化，影响着感烟探测器的响应时间和有效性，而这两者是评估感烟探测器灵敏度的重要因素，因此研究香烟阴燃过程中烟颗粒的粒谱分布具有现实指导意义。

前人研究表明，对阴燃的研究对象主要以木屑、棉垛等为主，较少涉及到香烟的阴燃研究［7－8］，裴蓓等人对典型阴燃物质燃烧特性进行分析，发现含水率对燃烧特性影响较大，王进军等人对棉垛燃烧浓度等特性进行研究，分析不同燃烧阶段特性；且关于烟颗粒径和尺寸大小的研究主要集中在标准火、明火燃烧过程中形成的烟颗粒粒谱变化［9－10］，马绥华等人对标准火烟颗粒粒谱分布进行预测，FDS模拟与实验结果一致，方俊等人对火灾烟颗粒的自保尺度分布进行了分析，其余如对香烟引燃可燃物分析较多［11－12］，分析引燃现象过程和机理。由上可知，针对室内送风环境下香烟阴燃过程的粒谱分布研究较少，因此笔者在有风条件室内环境里进行实验，并用DMS（快速型微粒光谱仪）采集烟颗粒的粒谱及粒径分布，通过处理数据得到室内风速条件对香烟阴燃过程烟颗粒粒谱动态分布的影响。

烟颗粒粒径分布、几何平均粒径（Geometric Mean Diameter，以下简称GMD）是烟颗粒的基本参数，本文拟研究不同工况（风速、位置、烟源数量、时间）下，香烟烟颗粒的凝并、沉降、粒径分布等动力学行为特征，剖析香烟阴燃烟颗粒运动及粒径分布规律，从而为火灾探测提供科学依据。

1 实验过程

为了更好地模拟阴燃环境，本次实验在一个普通的办公房间内进行，尺寸为6m×3.5m×2.9m，香烟燃烧方式为阴燃，实验过程中产生热量较小，氧气消耗、热量释放很少，因此在实验过程中可关闭门窗，以避免室外空气对室内烟气影响。选用DMS500快速型微粒光谱仪测得烟颗粒的粒谱分布。DMS500是纳米微粒尺寸光谱仪，它利用颗粒电荷能动性进行测量，可以快速准确输出所测微粒的尺寸大小、数量等参数.其粒径测量范围为1nm～1000nm，响应时间200ms，可以获取粒谱的动态分布信息。仪器提供初级稀释，避免发生凝聚和结块，而对高浓度气溶胶微粒浓度时应用高稀释比，仪器的响应时间不会降低，根据不同情况下的应用不同的稀释器，仪器会自动修正测量的微粒浓度。为了得到在室内不同风速下粒谱的分布及颗粒的沉降变化，实验改变输入电压（9V、12V）控制usb风扇风速模拟有风条件，风扇前方加稳流装置，使出口风速均匀，测得出口风速为3.5m／s、4.5m／s。采用KANOMAX MODEL KA12测量风速，该四通道风速仪在0m／s～9.99m／s测量范围内，精度0.01m／s；在10m／s～50m／s，精度0.1m／s。DMS采集烟颗粒测点选择距烟源1m、2m和3m，采集点高度1.1m。香烟燃烧高度为人体标准吸烟高度1.1m，香烟颗数分为5颗和10颗。实验采用香烟为红塔集团生产的红梅香烟，点燃方式为直接点燃，燃烧方式为阴燃，即点燃之后让香烟自动燃烧。通过实验发现，香烟的燃烧时间为8分钟左右，每组实验重复三次，实验发现重复性较好，各个仪器测量误差均在5%以内。每次实验结束通风排烟一个小时，待室内颗粒物浓度恢复正常进行下一组实验，排除每次实验残余烟颗粒浓度对下一次实验数据和现象的干扰。选择测量时间20分钟，实验布置如图1所示。

图1 实验布置图Fig.1 Schematic view of the experiment device

2 结果分析

2.1 烟颗粒粒谱分布模型

通过调查文献可知烟颗粒粒谱分布曲线粒谱符合对数正态分布［9］，并且存在着自保尺寸分布特点［10］：

准确计算某一尺寸粒谱范围的总浓度，以粒子尺寸密度dN／dlogDp（／cc）为纵坐标，以粒子直径DP为横坐标，那么某一尺寸粒谱（DP1－DP2）的总浓度即为粒谱分布曲线下方的面积：

因为烟颗粒的粒谱分布符合对数正态分布，那么可以用GMD（Geometric Mean Diameter，几何平均直径）表示其分布特性，处理数据时，采用GMD表征颗粒物的粒谱分布特征，

通过本实验数据拟合发现，香烟烟颗粒粒谱同样符合对数正态分布，但随时间变化，正态分布呈现其特殊的规律，如对无风条件下某1s内的粒谱数据进行分析，如图2示。

图2 某1s内香烟粒谱动态分布Fig.2 Particle size distribution within 1s

2.2 无风条件烟颗粒动态粒谱分析

实验时间均为20分钟，实验开始之前先进行两组无风实验以进行对比，作为参考数据。两组实验烟源数分别为5颗和10颗，探点距烟源距离均为1m。对实验数据进行分析，香烟点燃前房间初始浓度在104，香烟点燃后房间内的烟颗粒浓度平均值由104升至106或107，因此分析数据时房间内初始浓度可以忽略不计。实验每1s采集一次数据，DMS可输出对应微粒尺寸、个数、质量等，对测得的尺寸、浓度进行处理，得到二十分钟内每分钟粒谱和GMD几何平均粒径的变化规律如图3和图4所示。

图3 无风5颗烟源动态粒谱Fig.3 Dynamic size distribution of five cigarettes without wind

图4 无风10颗烟源动态粒谱Fig.4 Dynamic size distribution of ten cigarettes without wind

在无风条件下，颗粒的运动主要由因烟气空气温差产生的自然对流和自身无规则运动的分子扩散主导。颗粒不断地做无规则运动，直径较大的颗粒由于重力作用直接沉降。中间粒径的颗粒物主要因颗粒之间的相互碰撞、结合、扩散运动而改变运动规律。粒径较小的颗粒物通过不断地扩散、吸附形成中间粒径的颗粒物，而中间粒径颗粒物可能因为碰撞分散成小颗粒或凝并成大颗粒沉降。

图5 无风5颗、10颗香烟GMD随时间变化Fig.5 GMD of five cigarettes and ten cigarettes without wind

由实验数据可知，随着时间的增加，粒谱分布发生很大的变化。由图3、图4可知，前八分钟，对数正态分布曲线的峰值显著上升，之后峰值增加速度变缓。可知随着时间的变化小粒径和大粒径的颗粒物浓度逐渐降低，中间粒径颗粒物浓度升高。通过图5两组实验的GMD数据，可以推断出烟颗粒的总体粒谱变化，计算得到前8分钟GMD曲线斜率大于之后12分钟的斜率。这是由于前8分钟香烟持续在燃烧，不断产生新的烟颗粒，源源不断产生的烟颗粒经历着沉积、撞击、凝聚等过程。燃烧结束之后的12分钟则是剩余烟颗粒的粒谱变化过程，由于不再产生新的烟颗粒，所以之后粒谱的变化程度较之前明显降低。

2.3 不同风速的烟颗粒动态粒谱

在3.5m／s和4.5m／s均匀风速下，测量点均为距离烟源点1m处，烟源数为5颗香烟、10颗香烟。采集燃烧过程中的平均数据分析粒谱分布，对全实验过程GMD进行分析。（无特殊说明，后面均采取此种方法进行分析）实验数据如图6所示。

由图6可以看出不同风速下烟源5颗和10颗时的粒谱分布。显然，对5颗香烟和10颗香烟的颗粒谱分布来说，有风条件下的粒谱分布峰值远远高于无风条件下粒谱分布峰值，4.5m／s的粒谱峰值略高于3.5m／s时粒谱峰值，GMD有随风速减小的趋势。

由颗粒物的尺寸分布可以推断出空气中颗粒的运动特征，如颗粒之间的吸附、凝聚、碰撞和沉积。通过分析可以知道通风条件对颗粒的运动有很大的

图6 不同风速下的粒谱分布Fig.6 Particles spectrum under different wind speeds

2.4 不同位置的烟颗粒动态粒谱

为分析烟颗粒在有风条件下的运动规律，及在沿着风流方向的粒谱的变化，本实验采集了距烟源不同位置的烟颗粒粒谱分布，探点设置为分别离烟源1m、2m和3m，采集到的数据经处理计算得到图8和图9。

由图8和图9可以看出在有风条件下，烟颗粒随风流而迁移、扩散，烟颗粒在靠近边界（如墙壁、影响，多数情况下风的影响是不可避免的，且受环境影响较大。例如人们的走动，门窗的开关及空调的使用等，这些因素都会导致室内气流流动，从而影响颗粒的运动规律。无风条件下粒径较小的烟颗粒更易吸附形成大颗粒，粒谱分布更为平稳。而有风条件下，风速扰动了室内的气流运动，增加了粒子之间相互碰撞几率，大颗粒不易沉降，易碰撞分散从而粒径减小、浓度降低，中间粒径浓度变大，因此GMD随着风速增加减小。

由图7可以看出，有风条件下中间粒径的颗粒数目急剧增多。与时间对GMD影响不同，由图7可知有风条件下前8分钟GMD斜率小于后12分钟。通过分析可以知道这是由于香烟燃烧时不断产生新的烟颗粒，这时风对烟颗粒的运动影响更大，扰动更强，烟颗粒的碰撞几率增大，不易形成大颗粒。当香烟燃烧结束后，随着时间的推移，烟颗粒随风有一定的运动规律，容易形成大颗粒。

图7 不同风速下的GMDFig.7 GMD under different wind speeds

由上述两种情况的单独全程粒谱来看，有风时的粒谱分布图较为尖锐，无风时分布较为平缓，这是由于风破坏了颗粒的无规则运动，使颗粒分布更为集中。门、书柜等地方）无法在水平方向继续随风流扩散而积聚下来，此时受壁面阻碍作用，对流扩散减弱、分子扩散加强，烟雾积聚造成烟颗粒浓度增大。通过烟颗粒沿风流迁移的的颗粒浓度分析可知，在风流的作用下，随着距离的增大烟颗粒的粒谱峰值变大，浓度增加。另一方面，分子自由扩散作用加强，粒子碰撞、凝并机会增加，造成粒子的GMD变大。

图8 10颗烟在4.5m／s下的粒谱分布Fig.8 Particles spectrum of 10cigarette under 3.5m／s

图9 10颗烟在4.5m／s下的GMDFig.9 Particles spectrum of 10cigarettes under 4.5m／s

2.5 不同烟源数的烟颗粒粒动态谱

为了分析烟源数对粒谱分布的影响，实验采用不同烟源，分别为5颗烟和10颗烟，风速为4.5m／s时，数据采集点距烟源1m、2m、3m，采集到的数据经计算处理得到图10和图11。

图10 5颗和10颗烟在1m处粒谱分布Fig.10 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 1m

图11 5颗和10颗烟在2m处粒谱分布Fig.11 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 2m

图12 5颗和10颗烟在3m处粒谱分布Fig.12 Particles spectrum of 5and 10cigarettes in 3m

图13 不同位置、烟源下的GMDFig.13 GMD of different locations and different amounts

由图10和图11可知，随着烟数的增加，在1m、2m、3m下，烟颗粒的粒谱分布峰值变大，GMD变大。这是因为当烟数增加时，产生的烟颗粒数增加，烟颗粒浓度变大，所以粒谱分布峰值变大。随着浓度的增加，颗粒碰撞吸附能力也提高，小粒径颗粒形成大颗粒几率增加，GMD值变大。

3 结论

烟颗粒的运动规律与气溶胶颗粒规律一样，粒径分布都受通风条件、颗粒浓度、凝结、吸附、碰撞和自身重力的影响。这些因素对颗粒的形成有着不同的影响。如由于布朗作用，粒径很小的颗粒几乎被消除，而在重力作用下，较大颗粒则沉降下来，且颗粒越大，沉降越容易。因此室内烟颗粒的运动和形成主要受室内气流和自身浓度的影响。

（1）实验所得所有数据均证实烟颗粒的粒谱分布符合对数正态分布，可以用对数正态分布公式进行拟合。计算得到的GMD数据可以更好地表征烟颗粒的粒谱分布特征。

（2）从时间对粒谱分布的影响可知，在没有外界条件的干扰下，随着时间的增加，烟颗粒浓度不断进行累积，浓度增加，GMD不断变大。可以看出随着时间的推移，粒谱的粒径分布和GMD随时间变化趋势变缓，在二十分钟基本达到稳态。

（3）室内气流对香烟颗粒的形成与粒谱分布有很大影响，由于风速增大，颗粒自由扩散造成的碰撞和凝聚机会减少，烟颗粒随风速运动速率加快，大颗粒碰撞形成小颗粒，不易进行凝聚沉积，因此数量浓度增加，而中间粒径颗粒的增多造成GMD减小。

（4）不同位置下烟颗粒粒谱分析是在有风条件下进行的，得到的粒谱分布是在沿着风流方向上的粒谱分布和迁移规律。烟颗粒沿着气流方向进行迁移，离烟源越远，烟颗粒的浓度和GMD均增大。

（5）由烟源数对粒谱的分布的影响可知，由于烟源数的增加，产生烟颗粒浓度也增加，即烟颗粒的初始浓度变大。研究表明，烟气的初始浓度也影响粒谱的分布。烟源数越多，产生烟颗粒浓度越大，碰撞吸附几率增加，GMD越大。

［1］公安部消防局.公安消防监督员业务培训教材［M］.长春：吉林科学技术出版社，1999.

［2］范维澄，等.火灾学简明教程［M］.安徽：中国科学技术大学出版社，1995.

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