森林凋落物的阴燃实验研究*

历美岑,辛颖

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

森林凋落物的阴燃实验研究*

历美岑,辛颖

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

以帽儿山实验林场的森林凋落物为燃烧材料,在自行设计的实验装置中,进行阴燃实验，记录阴燃过程的温度变化，分析凋落物的阴燃特性以及含水率、松散程度、空气流速对阴燃传播过程的影响,用气相色谱仪来检测阴燃过程中的气体组成。实验结果表明：阴燃的主要挥发气体为CO、CO2。阴燃的传播速度随着空气流速、凋落物松散程度增大而加快，随着凋落物的含水率增加而减慢。该种凋落物具有比较容易引燃、燃烧时间长，蔓延速度较慢、高温维持时间较长的特点。

森林凋落物；阴燃；空气流速；含水率；凋落物松散度

森林凋落物也可称为枯落物或有机碎屑,是指在森林生态系统内,由地上植物组分产生并归还到地表面,作为分解者的物质和能量来源,借以维持生态系统功能的所有有机质的总称[1]。阴燃是靠异相化学反应放热，实现自维持传播的燃烧方式，与有焰燃烧相比，阴燃可以在较低的外界热源及氧气浓度下持续，潜伏时间长[2]。阴燃与凋落物结合可能带来灾难性的后果。2010年6-8月，俄罗斯遭遇近130年以来最热的夏季，持续的高温和干旱使俄罗斯中部地区的大片森林、灌木丛极度干燥，引发森林凋落物和腐殖质阴燃，爆发了森林大火，过火面积超过100×104hm2，扑火费用30×108美元，直接损失150×108美元，导致经济复苏减缓[3～4]。我国大兴安岭地区的地下火是以森林腐殖质阴燃为主[5]。而森林腐殖质又是由森林凋落物发酵腐化形成的[6]。所以对森林凋落物的阴燃实验研究是很有必要的。

在阴燃实验方面，何芳等[7]研究了含水率对玉米(Zeamays)秸秆粉阴燃过程的影响。钟圣俊等[8]在热表面上对粉尘层做了阴燃实验。者香等[9]则研究了泥炭粒径对阴燃蔓延速率影响。在国外森林可燃物的阴燃实验[10～11]中，对森林凋落物的燃烧特性和阴燃实验的研究也是比较少的。所以，掌握凋落物阴燃的产生和传播过程，可为防控森林火灾提供依据，对制定合理的森林火灾扑救方案具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

实验材料选自帽儿山实验林场的针阔混交林，主要为杨树(Populous)和红松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc)林的凋落物，采集样品的位置为混合采样即包括凋落物的上层、中层和下层。

实验装置为自主设计，实验装置如图1所示。在横向的、密封的燃烧室内进行阴燃实验，目的是防止阴燃过程烟气外漏以及外界空气漏入实验装置，仅在两端留有进气口和出气口。燃烧室采用1 200mm(长)×500mm(宽)×500mm(高)的长方体，外面覆盖保温材料，目的是防止热量向环境中散失，也减少外界环境对实验的影响。空气流速的变化由风量可调的风机来控制，风机放置在燃烧室的进气口处。用功率可调的加热电炉作为阴燃实验的点火源，放置在进气口的同一侧，使从进气口进入的空气均匀分布在燃烧室内。在阴燃床的下半部分，沿阴燃床的中心轴线放置5根热电偶，各个热电偶之间的距离为200mm，材料为镍镉合金。热电偶连接数据采集仪，数据采集仪连接计算机，记录实验过程中的温度变化。在出气口处对产生的气体进行取样，将气体样品放入GC9800型气相色谱仪(上海科创色谱仪器有限公司生产)，分析阴燃过程产生的气体，样品分析时间为35min。

1.2 阴燃传播速度测定方法

阴燃的传播速度是由热电偶温度变化以及变化时间计算出来的。因为第1根热电偶处于加热装置和进口处，其温度变化受外界影响较大，所以不予计算。用第2根热电偶与第5根热电偶之间的距离除以第2根热电偶温度到达峰值与第5根热电偶温度到达峰值的时间间隔，用这个比值作为阴燃传播的速度。实验过程中主要分析凋落物的阴燃特性以及分析凋落物的含水率、松散程度和空气流速这些因素是如何影响阴燃传播过程的。同时用气相色谱仪来分析阴燃床内的生成气体的变化过程。

图1 实验装置示意图

2 结果与分析

观察整个阴燃过程，阴燃床的前端呈现褐色，后端呈现黑色，这种黑色的物质主要是炭化的凋落物，厚度约为5mm，并向未燃的部分移动。持续加热凋落物，阴燃床内开始发生热解和气化反应，有可燃气体析出。随着热量的不断增加，阴燃床内的温度升高，凋落物的燃烧变得越来越强烈。当温度达到280℃时，大量气体被释放。持续加热也会使得凋落物内部热量积累，达到其燃点后，阴燃就会向明火转变，最终导致凋落物的自燃，如果这期间空气供应不足，也会导致整个阴燃过程熄灭。

图2 阴燃过程温度历程曲线

图2为4m/s的空气流速下的阴燃过程热电偶的温度变化曲线。从图2可以看出，阴燃的前沿是反应比较快的，阴燃的温度变化也比较快，而且温度曲线基本上沿着峰值对称分布。当温度下降到120℃时，阴燃的温度曲线逐渐缓慢下来。这些现象主要是因为阴燃的前沿部分能获得充足的空气，所以反应较快。正是因为前沿的快速反应导致后面的实验样品没有获得充足的空气进而使得阴燃无法继续，所以导致整个阴燃持续的时间较短，但反应区域的温度仍然很高。

2.1 阴燃特性分析

阴燃特性包括引燃特性、持火力、燃烧均匀性、燃烧完全性、蔓延特性、炭灰特性等,对森林消防有重要意义的可定量化的凋落物阴燃特性有引燃特性、持火力、蔓延特性[12～13]。其中引燃特性主要是指引燃难易程度，用引燃时间来表达引燃的难易程度，把2号、3号、4号热电偶从150℃升高到350℃所用时间的平均值定义为凋落物的引燃时间。阴燃持火力可以用4个指标来表达，分别是燃烧时间、燃烧过程中的最高温度、超过350℃维持时间和超过350℃时段温度积累的总和，用被测点温度第1次上升到300℃至最后1次下降到300℃的平均时间来表示燃烧时间，阴燃的蔓延特性可以用蔓延速度来表达，此速度与阴燃传播速度计算方法大体相同，距离是第2根热电偶与第4根热电偶之间的距离，时间变为两个热电偶分别达到300℃的时间差。将试验重复3次，把得到的各项指标的平均值填入表1中。

表1 凋落物阴燃特性

从表1中可以看出此种森林凋落物的阴燃特性为比较容易引燃、燃烧时间长，蔓延速度较慢、高温维持时间较长。阴燃发生后并没有烟、气等明显的现象，很难被人察觉，而且在风的作用下可能引发二次燃烧，由阴燃转变为明火，这样的情况很容易成为林区的安全隐患，林区应当经常检查有无凋落物阴燃的情况发生，及时处理，以免形成火灾。

2.2 空气流速对阴燃过程的影响

用风机不同的风速来代表不同的空气流速。图3为不同空气流速下的阴燃传播情况。实验发现，随着空气流速的增大，阴燃区域反应强烈，热电偶温度变化很大，热电偶温度的上升速度加快，阴燃的传播速度加快。如图3所示，当空气流速降为4m/s时，阴燃的传播速度约为0.9mm/min，当空气流速分别为7m/s，阴燃的传播速度约为1.1mm/min，这种现象说明空气流速对阴燃的传播速度影响较大。随着空气流速的增大，阴燃的传播速度加快。

图3 阴燃传播速度与空气流速的关系

2.3 含水率对阴燃过程的影响

采用含水率分别为2%、4%、6%的凋落物来进行阴燃实验。图4为其他条件相同的情况下，3种不同含水率的凋落物，其阴燃传播速度的变化情况。阴燃的传播速度会随着含水率的增加而降低。原因是水分蒸发需要吸收热量，这就会减少维持阴燃所需的热量，导致阴燃传播速度减慢。从图4中可以看出，尽管阴燃的传播速度变化幅度很小，但凋落物含水率的改变的确影响了阴燃的传播速度，含水率的增加使得阴燃的传播速度减慢。

图4 阴燃传播速度与含水率的关系

2.4 松散程度对阴燃过程的影响

试样松散程度的控制是通过改变试样中凋落物和泥炭百分比实现,试样中凋落物的含量越高，整体的松散程度越低。图5是空气流速分别为4m/s及7m/s条件下，凋落物的松散密度对阴燃传播速度的影响。

图5 阴燃传播速度与松散程度的关系

由图5可见，随着凋落物松散程度增大，阴燃的传播速度减慢。松散程度小,试样的孔隙率高，更有利于氧气的扩散。氧气浓度较低的情况下,阴燃虽然也可以持续,但随着氧气浓度的增大，其传播速度也会增大。随着凋落物松散程度的增大，孔隙率减小，不利于氧气的扩散，进而导致阴燃传播速度减慢。

2.5 气体成分分析

阴燃是缓慢的热解与氧化反应，可燃物在缺氧的条件下吸热，裂解放出挥发气体，在温度适宜的情况下，挥发气体遇氧发生氧化反应，产生的气体有H2O、CO、CO2、CH4、H2和焦油等[14]。图6为凋落物阴燃过程的气体析出情况。如图6所示，在阴燃的开始阶段,CO2浓度较高，CO2达到了整个过程中的最大浓度，此时的浓度为24%；CO浓度开始时较低，阴燃反应持续一段时间后，CO也达到了10%的浓度。随着阴燃传播的进行，阴燃床内的反应逐渐稳定，此时CO2的浓度也相对稳定并且呈下降的趋势；CO的浓度变化在整个阴燃过程中没有明显的规律。

图6 阴燃过程的气体析出情况

3 结论

(1)实验结果表明此林区的凋落物阴燃特性为易引燃、燃烧时间长、蔓延速度较慢、高温维持时间较长。由于该林区凋落物具有以上阴燃特性，非常容易发生凋落物的阴燃现象，林区应当注意防范，防止出现大范围的森林火灾。

(2)随着空气流速的增加，阴燃的传播速度会随之加快。而凋落物的含水率增加则会导致阴燃的传播速度减慢。阴燃的传播速度随着凋落物松散程度的增大，孔隙率减小而减慢。

(3)在阴燃早期，阴燃床内的主要气体为CO、CO2，两种气体的浓度在阴燃过程中变化较明显。随着阴燃反应的逐渐稳定，CO2的产生量逐渐稳定并呈下降趋势，CO的产生量则在整个阴燃传播过程没有明显变化规律。

[1]曾锋,邱治军,许秀玉.森林凋落物分解研究进展[J].生态环境学报,2010,19(1):239-243.

[2]王信群,徐天瑞.谷物纤维及粉尘阴燃实验研究[J].粮食与饲料工业,2009(4):14-15.

[3]李仲秋,王明玉,赵凤君.近年来世界森林大火概述[J].森林防火,2015，16(1):52-54

[4]赵凤君,舒立福,姚树人.俄罗斯2010年森林大火及教训[J].森林防火,2011,12(4):43-46.

[5]舒立福,王明玉,田晓瑞,等.大兴安岭林区地下火形成环境研究[J].自然灾害学报,2004,12(4):62-67.

[6]郑北鹰.森林凋落物及腐殖质禁止商业性开发[N].光明日报,2008-09-04008.

[7]何芳,唐秋霞,李永军,等.含水率对玉米秸秆粉阴燃过程的影响[J].燃烧科学与技术,2012,18(5):415-420.

[8]钟圣俊,周乐刚,王健.热表面上粉尘层阴燃的研究[J].燃烧科学与技术,2014,20(3):199-207.

[9]者香,赵伟涛,陈海翔,等.泥炭粒径对阴燃蔓延速率影响的实验研究[J].火灾科学,2014,23(3):129-135.

[10]Xin Y H,Guillermo Rein,Hai X C.Computational smoldering combustion: Predicting the roles of moisture and insert contents in peat wildfires [J].Proceedings of the Combustion Institute,2014,35: 2673-2681.

[11] Cancellieri Dominique,Leroy-Cancellieri Valerie,Leoni Eric,etal.Kinetic investigation on the smoldering combustion of boreal peat [J].Energy & Fuels,2011,93(1):479-485.

[12]李世友,陈文龙,王鹏,等.华山松朽木阴燃特性的初步研究[J].林业调查规划,2009,34(1):63-65.

[13]李世友,马爱丽,王学飞,等.3种森林凋落物的阴燃特性[J].中南林业科技大学报,2009,29(1):60-63，78

[14]辛颖,薛伟.贮木场木材剩余物阴燃过程研究[J].西部林业科学,2011,40(1):17-20.

Experimental Study on Smoldering Combustion of Forest Litter

LI Mei-cen，XIN Ying

(College of Engineering and Technology,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang150040，P.R.China)

Taking forest litter of Maoer Mountain as the burning material,the combustion smoldering experiment was conducted based on a designed test equipment,and relevant data and process such as temperature change,moisture content,loose degree of forest litter and air velocity in the smoldering process were recorded and analyzed,the gas composition during smoldering combustion was also detected by gas chromatograph.The result showed that the main evaporate gas of smoldering combustion were CO and CO2.The speed of smoldering propagation was accelerated with increasing of air velocity and loose degree of litter,while the speed slowed down with increasing of moisture content.In terms of smoldering combustion,forest litter was easy to ignite with long burning time,its spreading speed was slowly,and its high temperature could last for a long period.

forest litter; smoldering combustion;air velocity; moisture content;loose degree of litter

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.015

2016-01-05

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572015CB05)。

历美岑(1994-)，女，硕士研究生，主要从事森林工程研究。E-mail：534362400@qq.com

简介：辛颖(1977-)，女，副教授，博士，主要从事森林工程研究。E-mail：xyneu2003@163.com

S 762.1

A

1672-8246(2016)06-0084-05