辐射热流作用下皮棉燃烧特性

卓 萍， 倪照鹏, 李向梅, 李 强, 闫克勤

(1. 公安部天津消防研究所， 天津 300381； 2. 北京理工大学 材料学院， 北京 100081； 3. 中国储备棉管理总公司， 北京 100032 )

21世纪初期棉花在我国重要商品储备体系中排列第三，是仅次于粮食、石油的重要储备商品[1]。对中国棉花市场进行合理的宏观调控，加强棉花储备的有效管理，确保国家储备棉的安全，具有十分重要的意义[2]。众所周知，棉花是一种典型的易燃材料，在储备棉仓库设计和储备棉安全管理中，避免火星引入，预防火灾发生，尽最大可能减少火灾造成的损失显得尤为关键。

皮棉的燃烧和热释放特性直接影响着棉花储备仓库中火灾的形成、火灾蔓延的速率以及火灾强度。特定辐射热源作用下皮棉试样的着火试验可用来模拟皮棉棉包在仓库中遭受火灾热源辐射的起火过程[3-4]。锥形量热仪作为一种标准化的小尺度燃烧特性测试手段，已在研究烟叶、塑料、木板等材料的燃烧和着火特性方面发挥了一定的作用[5-7]，但在应用于棉花研究方面，多集中于棉织物阻燃特性和阻燃机制的研究[8-11]，研究棉花仓储过程中的燃烧特性和火灾机制相对较少[11]。我国棉花储备库中棉花大部分采用GB 6975—2013《棉花包装》中规定的I型棉包，密度约为437 kg/m3，较大的棉包密度导致棉包中心区域的氧气含量极低，大大降低了发生燃烧的可能性。本文利用锥形量热仪，研究最大密度达到140 kg/m3的皮棉试样，在10～50 kW/m2辐射热流强度下燃烧行为，并比较不同密度的皮棉试样在该辐射热流强度区域下的燃烧差异，同时通过定温条件下的热质量损失分析对皮棉热解行为进行深入分析。

1 试验部分

1.1 试验样品

采用陈放4 a的细绒皮棉，从棉花仓库取出试验用棉包，去除外包装和捆扎带并进行取样。由于棉花初始形态为松散纤维，形态纠缠、结块且分布不均，制作样品前采用YG 232型纤维混合器对皮棉进行梳理加工。称取一定质量的梳理过的皮棉放入底面尺寸为100 mm×100 mm的测试盒中，采用平板硫化机压实，然后在表面以内嵌入方式覆盖网格数为7×7、质量为7 g的金属网栅固定。为尽可能接近实际棉包的密度，制样时将测试盒中充填满棉花，所制得的试样最大密度为140.0 kg/m3。为进一步比较不同松散程度皮棉试样燃烧的差异性，分别制备了密度为70.0、17.5 kg/m3的试样。

1.2 试验方法

1.2.1燃烧性能测试

采用英国FTT公司的0007型锥形量热仪对皮棉试样进行燃烧性能测试，试验方法参照ISO 5660-1：2015《燃烧性能测定 热释放、产烟量和质量损失速率 第1部分：热释放速率(锥形量热仪法)和产烟速率(动态测量)》。试验时设定辐射热流强度分别为10、15、25、35、50 kW/m2，并通过是否采用点火器分别模拟棉花仓库内棉包燃烧初期是单独辐射引燃，还是同时存在辐射引燃和外引火源引燃的情况。不同辐射热流强度对应的辐射锥锥体温度和棉花试样表面温度见表1。

表1 不同辐射热流强度对应温度Tab.1 Correspondence of radiant heat flux for series tests to temperatures

1.2.2热稳定性分析

采用德国耐驰TG 209 F1 Iris®型热重分析仪对皮棉在不同温度下的热分解行为进行测试。结合皮棉试样的表面温度，选定温度分别为200、250、300、350 ℃，试验时，直接将测试炉炉温升至试验温度，空气气氛下保持60 min，皮棉试样质量为3～10 mg。

2 结果与讨论

2.1 燃烧现象

表2示出不同密度皮棉试样在不同辐射热流强度下的试验现象观测结果。当辐射热流强度范围为15～35 kW/m2时，密度为70.0、140.0 kg/m3皮棉试样的燃烧现象呈现出一致性，均为使用点火器时发生燃烧，而不使用点火器时仅为阴燃。通常，不同的辐射热流强度在棉花试样表面施加的温度不同，从而促使表层棉纤维首先发生脱水，并逐步将热量向内部传递，温度达到一定程度时棉花发生分解并最终燃烧。

表2 皮棉试样在不同辐射热流强度下的观测结果Tab.2 Observation results of ginned cotton samples under different radiation heat fluxes

锥形量热仪所采用的点火器通常为10 kV高压火花发射器，用于模拟火灾中发生的高温明火情况。上述试验现象表明，如果不出现外加点火源或者没有被引燃，仅周边棉垛出现燃烧时，相对致密的皮棉棉包在辐射强度处于15～35 kW/m2，即棉体表面温度在520 ℃以下时通常不会出现明火燃烧现象，而是经历漫长而稳定的阴燃，但当辐射热流强度进一步提高到50 kW/m2时，在不使用点火器条件下，密度为140.0 kg/m3的皮棉试样发生了明火燃烧，表明棉花仓库发生火灾时，即使不存在外加点火源，伴随着棉垛阴燃形成的辐射热流强度不断升高，也可能出现明火，继而对周边棉包形成明火和辐射热流的双重作用，从而进一步引发大规模的燃烧。在辐射热流强度为10 kW/m2时，棉花试样的表面温度低于300 ℃，3种密度的皮棉试样经点火后表现为变黄，说明棉纤维仅发生脱水反应，此辐射热流强度对于棉包和棉垛的储存相对安全。

对于相对松散的密度为17.5 kg/m3的皮棉试样，在使用点火源时伴随着辐射强度的增大，燃烧状态出现变黄—炭化—阴燃—燃烧4个阶段的明显转变，照片如图1所示。在相同体积条件下，密度较低的皮棉试样可燃物含量较低，传热速度更快，所蓄积的热量不能支持其发生稳定的燃烧，而是在不同的辐射热流强度下显示出不同的燃烧状态。在辐射热流强度为15、25 kW/m2时，是否外加点火器对其燃烧状态影响不大，但当辐射热流强度达到35 kW/m2时，点火后发生明火燃烧，说明表明皮棉棉包密度较小时，外加点火源对棉包燃烧状态的影响必须在辐射热流达到一定强度后方可发挥作用。

图1 不同辐射热流强度下相对松散皮棉试样燃烧现象Fig.1 Experimental phenomena of relatively loose grinned cotton samples under different radiant heat fluxes when using igniter. (a) Inital sample; (b) 10 kW/m2; (c) 15 kW/m3; (d) 25 kW/m2; (e) 35 kW/m2

2.2 点燃时间

点燃时间可以表征棉花仓库中棉包被引燃的难易程度，反映处于不同辐射热流强度下棉包的火灾危险性。表3示出点火时不同辐射强度下棉试样点燃时间。外加点火源时，密度为70.0、140.0 kg/m3皮棉试样在辐射热流强度为15～35 kW/m2区间时，从试验现象上看均为明火燃烧。由表3可知，辐照热流强度增大后，点燃时间大幅缩短，火灾危险程度显著提升。当辐射强度达到35 kW/m2时，不同密度的皮棉试样点燃时间接近，均为7 s左右，极易引燃；因此，棉花仓库中辐射强度达到35 kW/m2时可被认定为相对危险的情况。

表3 点火时不同辐射强度下棉花试样点燃时间Tab.3 Ignition time of ginned samples under different heat fluxes when using igniter

2.3 燃烧热释放速率

为研究不同辐射热流强度下棉包燃烧的剧烈程度和形成火灾的火场强度，重点比较了外加点火源时密度为140.0 kg/m3的皮棉试样燃烧热释放速率和总释放热量情况，结果如图2所示。可看出，皮棉试样一旦被引燃，燃烧热释放速率迅速达到峰值，之后缓慢下降。随着辐射热流强度的增大，燃烧热释放速率峰值增大，达到峰值的时间提前，且总热释放量增大。这是因为辐射热流强度增大使得皮棉试样表面吸收的热量增多，加速了棉花脱水和热解的进程，发生燃烧的时间缩短，燃烧反应速度加快，从而促使更多的皮棉参与了燃烧，火灾危险性更大。当辐射强度达到35 kW/m2时，燃烧热释放速率峰值已经达到100 kW/m2，总热释放量达到10.0 MJ。

图2 点火时不同辐射强度下皮棉试样(密度为140 kg/m3)燃烧热释放曲线Fig.2 Heat release curves of ginned cotton sample (with density of 140 kg/m3) under different heat fluxes at ignition.(a) Heat release rate curve;(b) Total heat release curve

在不同点火条件下，不同密度皮棉的燃烧热释放速率峰值与辐射热流强度如表4所示。可看到，在点火条件下，3种密度的皮棉试样燃烧热释放速率峰值随着辐射热流强度的升高而增大，且增长幅度在25～35 kW/m2区间加速明显，皮棉试样的密度越小增长幅度越大。明火燃烧时，辐射热流强度的增大使得燃烧的皮棉试样表面获得更多的能量，增加了皮棉燃烧的剧烈程度，同时，皮棉试样的密度越小，试样内部的缝隙更多，供氧量更大，也加剧了皮棉的燃烧。不点火条件下，燃烧热释放速率峰值在辐射强度25～35 kW/m2区间内增长速率减弱，且密度越大幅度越小，这与燃烧状态为阴燃存在很大关系。皮棉的阴燃状态通常是稳定而持续的，持续升高的辐射热流强度并不能大幅增加阴燃状态下皮棉的热释放速率峰值，对于密度为140.0 kg/m3皮棉试样，热释放速率峰值在35 kW/m2时较之其在25 kW/m2时稍有下降。这是因为皮棉密度较大时，皮棉试样缝隙中的氧气含量较低，燃烧也相对缓慢，热释放速率峰值的最大值出现在25 kW/m2附近。

表4 皮棉试样在不同辐射热流强度下的燃烧热释放速率峰值Tab.4 Peak value of heat release rate of ginned cotton sample under different ignition conditions kW/m2

2.4 热稳定性分析

在不同的温度下保持温度恒定60 min，考察皮棉试样的质量损失速率，结果如图3所示。

图3 不同温度下皮棉试样的等温TGA曲线Fig.3 Isothermal TGA curves of ginned cotton samples at different temperatures

可知：200 ℃时，皮棉纤维的等温热质量损失曲线为一条直线，表明200 ℃时皮棉基本不存在热分解反应；250 ℃时，皮棉纤维起始质量损失为2.2%，随着时间延长皮棉试样缓慢分解，在60 min后质量损失达到25.8%。由于辐射强度在10 kW/m2时测试的皮棉表面温度约为280 ℃，表观看到的试验现象仅为变黄，则表明此时仅发生前期脱水反应；300 ℃时，皮棉纤维起始质量损失为8%，恒温下皮棉试样逐步分解，分解速度明显高于250 ℃时的分解速度，60 min后质量损失达到72.6%，过程质量损失达到64.6%。表明在300 ℃时皮棉自身分解速率大反应剧烈，发生了链的断裂反应。此温度对应的是辐射强度在10～15 kW/m2之间时皮棉表面温度，由上述试验现象可见点火条件下直接由脱水变黄转变为阴燃和燃烧现象；350 ℃时，皮棉纤维起始质量损失为79.7%，60 min后皮棉试样仅残余6.0%，质量损失94.0%。表明当辐射强度超过15 kW/m2时，皮棉试样表面迅速发生分解反应，如若持续时间较长，可达到基本完全分解。当皮棉仓库中某棉包发生阴燃时，可能对周围棉包造成长时间的低强度热辐射影响，当满足上述辐射强度和时间后，尽管可能未产生明火，周围棉包也会因为热分解而消耗殆尽。

3 结 论

1)相对致密的皮棉棉包(密度大于70 kg/m3)在辐射强度为15～35 kW/m2时，不外加点火源时发生阴燃，仅在辐射热流强度达到50 kW/m2时发生明火燃烧；外加点火源时发生明火燃烧，但在辐射热流强度低至10 kW/m2时仅为变黄。外加点火源时松散皮棉棉包(密度17.5 kg/m3)在辐射强度为10～35 kW/m2区间内燃烧状态为变黄—炭化—阴燃—燃烧4个阶段。

2)辐照热流强度增大，皮棉棉包点燃时间大幅缩短，当辐射强度达到35 kW/m2时，不同密度的皮棉试样点燃时间均为7 s左右，极易引燃。

3)辐射强度达到35 kW/m2时，燃烧热释放速率峰值已经达到100 kW/m2，总热释放量达到10.0 MJ。随着辐射热流强度的升高，热释放速率峰值的增长在点火时出现加速，在不点火时出现减速，这与皮棉的燃烧状态不同存在很大的关系。

4)皮棉在300 ℃下持续60 min后热质量损失率达到64.6%。皮棉在长时间经受超过15 kW/m2的辐射强度时可完全分解。