不同疏密度条件下纸堆燃烧特性研究

蒋 伟，林 潇，刘家豪，汪 箭

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



不同疏密度条件下纸堆燃烧特性研究

蒋 伟，林 潇，刘家豪，汪 箭*

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

利用热释放速率测量平台，开展了纸堆燃烧特性的实验研究。其中纸堆体积为0.45 m×0.45 m×0.2 m～0.45 m×0.45 m×0.6 m，质量为0.3 kg～2.7 kg，疏密度为7.4 kg/m3～22.2 kg/m3。结果表明，当纸堆的密度变大时，纸堆的有效燃烧热值下降，未燃尽部分增多。在t平方增长火模型中，纸堆也不再总是适用于快速增长火，当纸堆疏密度变大，其火灾强度系数α减小，并拟合了疏密度与火灾强度系数的经验公式。

热释放速率；有效燃烧热值；t平方增长火；纸堆

0 引言

纸制品因为来源广泛，成本低，抗压好，缓冲好，质量轻，废弃物可回收利用等特点在人们日常生活中，尤其是包装运输、印刷等方面得到广泛的应用[1]。但是，纸无论是生产、运输，还是回收过程都需要堆积存放，其作为易燃的热薄性材料，极易引发火灾。本文以纸堆作为研究对象，研究了疏密度这个因素对其燃烧过程的影响。

纪等[1]在研究不同木材表面火蔓延时，发现同宽度下密度大的试样火焰高度高，且随着宽度增大可达到的近似稳定值也大。牛[2]研究了颗粒粒径对森林可燃物热解的影响，发现颗粒粒径不仅影响动力学参数，而且不同粒径的燃料颗粒可能存在不同的化学组成。陈等[3]研究了木材热解的影响因素，发现密度较小的木材热解较快。Quintiere[4]在研究木材时也发现了类似的规律，并提出随着密度变大，木材的火蔓延速率减小。Bhattacharya[5]在研究秸秆等废物压缩处理的过程中发现如果可燃物的孔隙率越低、易挥发物质越少、无法燃烧的灰烬越多，其易燃性越低，但是这些参数如何变化以达到最佳的易燃性是很难确定的。

热释放速率是火灾科学中量化研究的一个重要的参数[6,7]，本文选用矩形纸条(85 mm×297 mm)堆叠的纸堆作为研究对象，在基于氧耗法原理建立的小尺寸热释放速率平台[8,9]上开展了不同疏密度纸堆的燃烧实验，分析了不同疏密度纸堆火灾发展的规律，为今后的火灾研究工作提供相应的理论和实验依据。

1 实验装置及测量方法

实验布置如图1所示，其中热释放速率平台由舱室、排烟系统、气体分析系统组成。燃烧舱底部截面的尺寸为1.2 m×1.2 m，新鲜空气通过舱室下方0.15 m高的缝隙卷吸进入。舱室上方与排烟管道相连接，排烟管道直径为0.16 m。排烟管的进口有两个折流板，用以充分混合烟气。管道出口处装有风机，设计的排烟量为0.18 m3/s，在排烟管道中部采集样本，通过气体分析仪[10]和氧耗法原理计算得出热释放速率。舱室前方有一个0.6 m×0.4 m的门以供拍摄实验过程的视频。

实验采用的纸条由80 g/m2的A4打印纸切割而成。之后将纸条充分松散、搅拌，使其蓬松后，放入尺寸为0.45 m×0.45 m×0.70 m燃烧器中。燃烧器由网格尺寸为5 mm×5 mm的铁丝网制成。当纸堆放入燃烧器后，上方加盖尺寸为0.44 m×0.44 m的铁丝网以固定纸堆。点火源由30 cm长的镍铬丝制成，通过燃烧器右下角开口(5 cm×5 cm)引燃纸堆。

图1 热释放速率平台及内部布置示意图Fig.1 Experimental apparatus for measuring heat release rate and paper-tapes setup

电子天平摆放于两层隔热板(0.60 m×0.60 m×0.03 m)上，置于舱室底部正中位置，两层隔热板之间有1 cm的间距以加强隔热效果。本次实验一共9组工况，每个工况重复三次，周围温度为10±3℃， 湿度为 40±10%，具体工况如表1所示，其中疏密度定义为单位体积内的质量。

2 实验结果与讨论

2.1 有效燃烧热值

热释放速率(HRR)与质量损失速率(MLR)满足如下关系式：

(1)

其中Δhc为有效燃烧热值，对于不同的材料，其有效燃烧热一般不同。但对于不同密度的同种材料，其有效燃烧热值是否一致，有待进一步验证。由于工况1，工况2，工况3的密度不同，分别对这三组数据进行线性拟合用以探究密度对于燃烧效率的影响，得到热释放速率峰值和质量损失速率峰值如图2所示。

表1 不同工况的规格

图2 热释放速率峰值与燃烧速率峰值关系Fig.2 The relation between HRR peak and MLR peak

可以看出，随着密度增大，对应的斜率减小(对应的斜率即为有效燃烧热)，即有效燃烧热值降低，这符合直观的一般规律。这三条线性拟合的具体结果如表2所示，可以看出拟合效果较好。

表2中的结果分别为16.4 kJ/g，15.6 kJ/g和13.0 kJ/g，均与典型纸张的燃烧热值(12 kJ/g～18 kJ/g)吻合。随密度增大，观察到未燃尽可燃物增多，纸堆燃烧行为更类似于固体表面燃烧行为。有效燃烧热值的差别表明，随纸堆密度增大，空气卷吸更加困难，导致未燃尽可燃物增多，同时可能未充分燃烧的可燃物热解产生的可燃气体增多。从图2可以看出，随纸堆密度增加，直线斜率下降，表明燃烧热值与密度成反向变化，且直线斜率下降速度加快，因为工况1～工况3密度等值上升，表明随纸堆密度增加，燃烧热值下降趋势增大。

表2 有效燃烧热值线性拟合结果

2.2 t平方火增长模型

1972年，Heskestad提出在火灾的早期阶段，火灾按照t的指数方增长[11,12]，即：

(2)

其中，Q=热释放速率(kW);α=火灾强度系数(kW/secn)；t=时间(sec)；n是常数，通常取1，2，3…

对于大多数的明火燃烧，实验表明n应取2，所以又叫t平方增长火。根据火灾强度系数的不同，t平方火又分为慢速增长火、中速增长火、快速增长火和超快速增长火。

图3为不同工况热释放速率原始数据。

图3 不同工况的热释放速率对比Fig.3 Comparison for MLR for different configurations

由图3可见：

1)纸堆密度越小，燃烧反应时间越短，燃烧速率到达峰值的时间越短；

2)纸堆密度越高，纸条燃烧速率峰值越低；

3)纸堆密度越高，燃烧过程中的衰减时间越长，质量损失速率曲线越平稳，且在衰退后期呈现类似阴燃的状态。

一般认为纸张燃烧属于快速增长火，但是从图3可以看出，不同密度的纸堆其燃烧增长的速率不同。表3罗列了纸堆燃烧过程中从点火阶段上升到峰值所需要用到的时间和对应的热释放速率峰值，及对应的火灾强度系数α。

表3 不同工况对应的火灾强度系数

按照α的大小将火灾分为了四类：慢速、中速、快速和超快速增长 4 种类型，其划分的依据如图4[13]。

表4 不同类型火灾对应的α值

对比表3中的数据，在工况1的情况下，纸堆孔隙密度大，发展速率快，平均α值为0.04321 kW/s2，属于快速增长火范围；而工况2的燃烧发展与工况1相比则相对较慢，平均α值为0.00956 kW/s2，与中速增长火类似；工况3因为纸张的密度很大，其对应的平均α值为0.00208 kW/s2，这一类燃烧可以认为是慢速增长火， 其火焰蔓延形式主要是沿表面燃烧。

表5 不同工况的特征参数

通过上述度论述，可以看出密度变化能够显著影响纸堆燃烧强度，因此，下文中将就纸堆密度与其火灾强度系数之间关系进行进一步探究。如表5所示，表中列出了工况1～工况3的平均火灾强度系数，到达1055 kW所需要的时间与对应的纸堆密度。

Drysdale[14]提出对于热薄性材料，其火灾蔓延速率与以下参数相关：

(3)

其中k为热导率，并提出对于固体而言，热导率与燃料的密度成正比，而比热容为常数，则上式转化为：

(4)

(5)

根据式(5)对现有数据作线性拟合，结果如图4所示，拟合效果较好。

由图4，上述两者的数值关系为：

(6)

图4 热释放速率到达1055 kW所需时间与纸堆密度平方线性拟合Fig.4 Linear Fit of time for heat release rate reaching 1055 kW and the bulk density squares

(7)

上式对于该种实验条件下纸堆疏密度和火灾强度系数的经验公式，可以看出随着纸堆疏密度变大，其火灾强度降低。利用可燃物疏密度可以计算火灾强度，此外，不同密度的纸张燃烧增长模式和现象有所不同，设计灭火设施时应该区别对待。

本文所提出的经验公式仅满足于特定情况下的纸堆疏密度和火源功率的关系；另外，为了预测纸堆热释放速率峰值，则还需要研究到达热释放速率峰值所需要的时间，该参数不仅与可燃物的疏密度有关，也可能同可燃物形状等参数有关。受限于实验条件，未来将以此展开进一步研究。

3 结论

通过热释放速率平台研究了不同疏密度纸堆的燃烧特性和规律，可以得到以下结论：

(1)纸堆疏密度越大，火焰高度越低，燃烧反应剧烈程度越低，火焰熄灭后，纸堆未燃尽部分越多；

(2)纸堆疏密度越大燃烧时间越长且燃烧速率峰值越低，最终与快速增长的t平方火产生差别；

(3)纸堆疏密度越大，火灾强度越小，拟合了火灾强度系数与疏密度的经验公式。

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Combustion characteristics of paper-tapes with different bulk densities

JIANG Wei， LIN Xiao， LIU Jiahao， WANG Jian

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, combustion experiments of paper tapes with different volumes and bulk densities were carried out on a heat release rate measurement platform. The sizes of the paper-tapes are 0.45 m×0.45 m×0.2 m～0.45 m×0.45 m×0.6 m, and weights of paper-tapes are 0.3 kg～2.7 kg. The bulk densities of the paper-tapes are 7.4 kg/m3～22.2 kg/m3. It was found that as the bulk density of piles made of shredded paper tapes increased, the effective heat of combustion decreased. In t-squared fire growth model, the parameter α decreases as the bulk density of paper-tapes increases. An empirical formula for the relation between the bulk density and the relevant α is developed.

Heat release rate; Effective heat of combustion;tSquared fire growth model; Paper-pile

1004-5309(2016)-00127-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.03.02

2016-05-14；修改日期：2016-06-06

国家自然科学基金(51376172)。

蒋伟 (1990-)，男，江苏盐城人，中国科学技术大学安全科学与工程系硕士，研究方向为固体火灾。

汪箭，E-mail: wangj@ustc.edu.cn

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