籽棉和皮棉阴燃特性的对比实验研究

胡 宇，王志滨（中国人民武装警察部队学院，廊坊，065000）



籽棉和皮棉阴燃特性的对比实验研究

胡 宇＊，王志滨
（中国人民武装警察部队学院，廊坊，065000）

摘要：分别对具有相同尺寸、相同质量的籽棉和皮棉进行阴燃实验并对实验结果进行对比分析，得到在无外部辐射热源的自然条件下，发生阴燃时皮棉的温升速率较大、阴燃最高温度较高、阴燃前期600s内的CO生成速率和质量流量较大，但籽棉的阴燃时间较长，约为皮棉阴燃时间的4倍；同时将阴燃分为三个阶段，在阴燃的缓慢发展阶段和衰减阶段，籽棉阴燃的火灾危险性较大，在快速发展阶段，皮棉阴燃的火灾危险性较大。

关键词：籽棉；皮棉；阴燃；对比；火灾危险性

0　引言

棉花质地轻柔松软，柔韧性强，是家居生活品的必备原材料。在日常生产中应用最广泛的棉花主要是籽棉和皮棉，籽棉是指没有经过任何加工，棉籽还没有被分离出来的棉纤维，皮棉是指把籽棉进行轧花，脱离了棉籽的棉纤维。棉花的纤维素占其组成的百分之九十以上，由于单位表面积大、热值高，其表面火焰的蔓延速度是木材的15～26倍［1－3］，夏等［4］通过实验得到在6KW的辐射强度下棉花会发生阴燃，裴等［5］对海绵、榆木屑、棉布和包装箱纸板四种材料进行阴燃实验发现海绵的火灾危险性最大。对于打包和捆扎的棉包，由于阴燃发生的隐蔽性和发展的缓慢性，并且棉纤维表面存在的油脂增强了其憎水性，所以一旦遇火极易发生阴燃，且很难用水扑灭，常常造成大量的经济损失，例如2013年山西侯马市的省棉麻公司直属棉库堆垛被雷电引燃发生大火，大雨过后火势没有被浇灭，相反其热辐射还点燃了临近的堆垛，导致火势的进一步扩大。鉴于棉花仓储量大以及阴燃危险性高等特点，本文就籽棉和皮棉的阴燃特性进行对比实验，为棉花阴燃火灾的数值模拟、预防和灭火救援提供基础依据。

1　实验部分

1．1 实验仪器介绍

由于在现实火灾中致人死亡和造成重大财产损失的往往是高温和烟气，所以将二者作为本实验的主要测量参数。所用到的实验仪器有燃烧箱、TMIII型数据采集仪、烟气分析仪，K型铠装热电偶和计算机。阴燃实验在燃烧箱内进行，利用热电偶和数据采集仪采集阴燃温度数据，利用烟气分析仪动态分析阴燃过程中烟气浓度的变化，利用计算机运行温度采集软件和MRU＿ONLINE VIEW气体数据采集软件记录和处理实验数据，测量系统的组成如图1所示。

图1　测量系统组成图Fig．1 The sketch of measuring system

燃烧箱是尺寸为600mm×600mm×900mm的长方形，箱体壁面为不锈钢材料，壁厚10mm，除正面开口以外，其余面均封闭；在其顶面距开口水平距离为200mm处有一直径为20mm预留洞口，用来连接烟气采集管，采集管口距顶面50mm，距底面530mm，当烟气采集管口距顶面较近时，由于烟气在顶面处积累，不利于动态采集烟气，当管口距顶面较远时不易采集到烟气，因此将烟气采集管口安置在距顶面50mm处的位置；为更好地采集到烟气的变化，样品置于箱体底面，位于烟气采集管口正下方；箱体底面距开口100mm处预设有一个直径10mm的预留洞口，用来连接热电偶，热电偶为K型铠装热电偶，其测量精度为±2℃，热电偶尖端插入样品内部中心位置来测量样品温升情况；为保证采集数据的精确度，烟气是每隔1秒记录一次，温度为2秒记录一次；为验证实验的重复性和保证测量的准确性，每种样品进行三次重复性实验，温度和烟气浓度取三次实验测量结果的均值。

1．2 实验工况

目前棉花的储备库房有砖混仓和钢板仓，储棉区域主要划分为籽棉货区和皮棉货区，由于籽棉和皮棉不完全相同，它们的阴燃特性也不尽相同，本文主要模拟在没有外部辐射条件下，出现短暂高温点火源接触到棉纤维表面的情景下，籽棉和皮棉的阴燃情况；例如电器设备漏电或线路短路产生的电弧或其喷溅熔珠接触到储棉表面时其各自的阴燃情况。在没有外部辐射的情况下，使棉花发生阴燃的外部点火方式有高温物体点火源和短暂的明火点燃，本文选择的是短暂的明火点燃，即利用点火器直接点燃样品后迅速撤开，使样品发生与氧气扩散方向一致的一维正向阴燃。

1．3 样品制备

按照棉包包装规格［6］缩小10倍制作一个尺寸为140mm×53mm×70mm的模具，将籽棉和皮棉在里面轧匀，利用棉线将每一个样品捆扎成长方形，质量为30g，每种样品各3个；为更好地贴合实际的棉储存状况，将样品在温度为22℃，湿度为50%的环境中放置48h后取出，开展阴燃对比实验。

2　实验结果与分析

以下分析均采用三次测量数据的平均值。

为完整而直观地显示两种原棉的阴燃过程，选择了不同的时间梯度，得到图2中的两种原棉的阴燃温度－时间曲线：

从图2可看出两种原棉的阴燃过程基本相同，均可分为三个阶段，即缓慢阴燃阶段、快速阴燃阶段和衰减阶段，其中的缓慢阴燃阶段持续的时间均占阴燃全过程的1／6，快速阴燃阶段占全过程时间的比例为1／3，衰减阴燃阶段占全过程时间的比例为1／2；从图2中的两条曲线可得出皮棉和籽棉在缓慢阴燃阶段所能达到的最高温度均在100℃以下，表现出了一定的相似性。

2．1 阴燃时间对比分析

从图2中可直接看出皮棉阴燃时间明显低于籽棉的阴燃时间，且籽棉的阴燃时间约为皮棉的4倍。根据Palmer关于纤维材料的阴燃特性的研究得到阴燃时间的长短τ与纤维材料的堆积层厚度h成指数关系［7］，即：

τ∝hn（1）

实际的堆积层厚度h与材料自身厚度δ成正比，所以阴燃时间与材料自身厚度δ成一定的指数关系，即：

τ∝δp（2）

在本实验中，如果将棉纤维看作是长柱形，籽棉中由于棉籽的存在，相当于间接性增大了籽棉中棉纤维的直径，使得δ籽棉＞δ皮棉，延长了籽棉的阴燃时间，降低了阴燃传播速度。

图2　皮棉和籽棉的阴燃温度特性的对比图Fig．2 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s smoldering temperature

2．2 快速阴燃阶段阴燃温度对比分析

2．2．1 温升速率

从本次实验中观察得到，在两种原棉的阴燃过程中，前期缓慢阴燃阶段的温升曲线平缓且温度较低，不具有代表性，因此选择了两种原棉的快速阴燃阶段来对其温升速率进行分析，得到图3中两者的温升对比曲线图。

图3　皮棉和籽棉快速阴燃阶段温升速率特性的对比图Fig．3 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s smoldering temperature rising rate

从图3中可直接看出，皮棉和籽棉在进入快速增长阶段的温度均为100℃左右，且基本上按线性增长，利用SPSS数学统计分析软件对其进行线性拟合得到皮棉快速阴燃阶段温度的线性增长率为0．531，籽棉为0．0847，此阶段皮棉的阴燃温升速率高于籽棉的温升速率，约为籽棉的6倍。这是因为在籽棉中存在棉籽且棉纤维紧紧裹附在棉籽上，根据孔隙率［8］的关系式：其中ρ堆积为材料堆积的密度，ρ材料为材料本身的密度；棉籽的存在增大了籽棉的材料密度ρ材料，使得籽棉样品的整体的孔隙率增大，但实际上，对于籽棉中棉籽周围的局部区域，由于棉纤维紧紧贴附在棉籽表面使得这部分籽棉的孔隙率减小，低于皮棉材料的孔隙率，且棉籽的燃点较大，再加上在阴燃过程中产生和分离出来的甘油和水分附在棉纤维表面，使得氧气不容易进入这部分区域，反应速度降低，温升速率减慢，阴燃传播速度降低。

2．2．2 阴燃的最高温度

从图3中可得到皮棉阴燃的最高温度为409℃，籽棉阴燃的最高温度为352℃，皮棉阴燃的最高温度高于籽棉的最高温度。由于棉纤维的渗透性和密度都很小，隔热性能较好，所以在棉花阴燃过程中的热量交换以热传导为主，热辐射和热对流很小，因此可将阴燃过程中的热辐射和热对流所产生的热流密度以一定的比例换算成热传导的热流密度：

其中ε＜1，由于试样尺寸较小，可认为阴燃过程为一维正向传播过程，根据能量守恒可得如下方程：

其中Q为燃烧热释放量，τ为时间，A为试样面积，q为总热流密度。将公式（4）代入（5）得：

其中T为温度，x为阴燃传播距离。又因为其中dT／dτ为温升速率，由图2得到其为线性常数k，可

将公式（6）进一步变形为：

对公式（7）进行积分得到：

其中T为最终温度（K），T0为初始温度（K），x为阴燃距离（m），ε为比例系数，k为温升速率（K／s），c为材料的比热容（J／Kg·K），ρ为材料密度（Kg／m3），λ为导热系数（W／m·K）。

由公式（8）可看出，材料阴燃的最大温升量与材料的基本属性有很大关系，在本实验中，由于材料的尺寸和质量相同，所以ρ籽棉＝ρ皮棉，x皮棉＝x籽棉；籽棉中由于有棉籽的存在，使得温升速率k减小，导热系数λ增大，在棉籽被引燃后，其作为一个点火源向四周辐射热量，使得辐射换热强度增强，增大了比例系数ε，虽然籽棉的比热容c比皮棉的要大，但其增长的幅度没有其他几项的综合增长幅度大，所以在温升速率为线性增长的阴燃过程中，在相同的阴燃距离条件下，籽棉的最大阴燃温升量小于皮棉的最大阴燃温升量，最终导致籽棉的最大阴燃温度小于皮棉的最大阴燃温度。

2．3 CO生成速率和质量流量对比分析

在火灾过程中，大多数情况下导致死亡的原因不是高温火焰，而是火灾烟气，一氧化碳就是其中的典型代表气体，人一旦吸入过多的CO后丧失行动能力；同时CO气体作为典型烟气成分可利用早期特殊火灾探测器中的CO火灾探测器来进行探测。

联系到实际中CO火灾探测报警发生在阴燃火灾的早期阶段，本次分析选择两种原棉的缓慢阴燃阶段来进行分析，由于籽棉的缓慢阴燃阶段过长，为突出对比结果的可靠性和针对性，以皮棉的缓慢阴燃阶段所用的时间来进行CO生成速率对比分析，时间取600s，得到图4。

从图4中可直接看出，皮棉的CO生成量比籽棉的高，生成速率也比籽棉的大，对其进行线性拟合得到皮棉的CO的生成速率为0．0309，籽棉的为0．0099，皮棉的CO生成速率约为籽棉的3倍。

对棉纤维这种渗透率小的隔热材料来说，其在阴燃时产生的CO质量流量可用以下公式来计算［9］：

图4　皮棉和籽棉在前600s阴燃时段CO生成速率的对比图Fig．4 The contrast plot of unginned cotton and lint cotton’s CO production rate in the early stage 600s

其中mco为CO的质量流量，YCO为CO在阴燃烟气中所占的质量百分数，ρair为空气密度，Vair为汇入烟气的空气体积，φ为孔隙率，Δρ为试样密度的变化值，u为阴燃前沿的传播速度。

由图4可得在阴燃的前600s时间内，皮棉产生的CO在烟气中所占的质量百分数要比籽棉的大。由公式（3）可得籽棉的整体孔隙率比皮棉的大。因为籽棉的阴燃时间更长，所以其阴燃前沿的传播速度更小。在本次实验中，在每次实验后对样品进行称重，最终得到籽棉的残炭率为39%，皮棉的残炭率为28．6%，且皮棉的温升速率较大，所以皮棉的密度的变化值较大。根据公式（9）可得皮棉阴燃时产生的CO质量流量比籽棉的大。

2．4 危险性对比分析

在阴燃的缓慢发展阶段，皮棉的CO生成速率和质量流量均大于籽棉的CO生成速率和质量流量。对于阴燃火灾的早期探测来说，籽棉的阴燃更具有隐蔽性，CO火灾探测器［10］对籽棉阴燃的反应时间会更长，其在早期发生阴燃时不易被探测到，这就使得在缓慢阴燃阶段内籽棉阴燃的火灾危险性比皮棉的大。

在阴燃的快速发展阶段，皮棉的温升速率和所能达到的最大温度均比籽棉的高，说明在进入此阴燃阶段后，皮棉阴燃火灾的蔓延速率和扑救难度均比籽棉的要大，火灾危险性要比籽棉的大。

在阴燃的衰减阶段，籽棉的温降速率较小，降温时间长，使得其在此阶段内发生复燃的概率增大，增加了火灾扑救难度，在此阶段内其火灾危险性要比皮棉的大。

3　结论

通过以上对籽棉和皮棉阴燃实验的对比分析，得出以下结论：

（1）籽棉中的棉籽间接性地增大了棉纤维的材料厚度，使得其阴燃时间约为皮棉阴燃时间的4倍。

（2）受材料基本参数的影响，皮棉阴燃时的温升速率较大；由理论推导公式和实验结果均得到皮棉的最高温度比籽棉的高，验证了公式的适用性。

（3）在阴燃前期600s内，皮棉的CO生成速率和质量流量均比籽棉的要大。

（4）在阴燃的缓慢发展阶段和衰减阶段，籽棉的火灾危险性较大，而在快速发展阶段，皮棉的火灾危险性较大。

参考文献

［1］朱海龙，等．棉花企业火灾成因与防范措施［J］．中国棉麻流通经济，2001，（3）：31－32．

［2］陈宗宝．棉花火灾与消防［J］．商品储运与养护，1994，（2）：31－33．

［3］王恩瑞．谈谈棉花火灾［J］．劳动保护，1979，（6）：23－24．

［4］夏恩亮，等．棉花阴燃和明火燃烧特性的对比研究［J］．火灾科学，2013，22（2）：70－76．

［5］裴蓓，等．典型阴燃物质燃烧特性实验研究［J］．火灾科学，2011，20（2）：94－98．

［6］GB 6975－2007．棉花包装［S］，2008．

［7］Palmer KN．Smoldering combustion in dusts and fibrous materials［J］．Combustion and Flame，1957，1（2）：129－154．

［8］毕冬梅．阴燃过程简化理论分析［D］．山东：山东理工大学，2008．

［9］Palmer KN．SFPE Handbook of Fire Protection Engineering ［A］，National Fire Protection Assoration［C］．1995．

［10］王进军，等．棉垛早期阴燃火灾特性及棉花仓库主动吸气式复合探测研究［J］．安全与环境学报，2012，12 （2）：205－208．

Keyword：Unginned cotton；Lint cotton；Smolder；Contrast；Fire risk

Experimental study on the smoldering characteristics of lint cotton and unginned cotton

HU Yu，WANG Zhibin
（The Chinese People’s Armed Police Forces Academy，Langfang 065000，China）

Abstract：In this work，the smoldering of lint cotton and unginned cotton with the same size and mass has been studied by experimental means．The result showed that under the natural environment with no radiation，lint cotton held higher temperature rising rate，maximum temperature and CO production rate in the early stage 600s，however unginned cotton held four times as long as the smoldering time of lint cotton．The smoldering process was divided into three stages．It was found that in the slow developmental stage and decay stage，the smoldering fire risk of unginned cotton is higher，while in the rapid development stage，the lint cotton involves higher fire risk．

通讯作者：胡宇，E－mail：1174156946＠qq．com

作者简介：胡宇（1990－），男，中国人名武装警察部队学院硕士研究生，主要从事火灾理论和防火监督管理方面的研究工作。

收稿日期：2014－11－10；修改日期：2015－01－06

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．07

文章编号：1004－5309（2015）(－)0047－07

文献标识码：A

中图分类号：X915．5