受限空间内典型液体燃料烟气浓度特性

刘全义,胡 林,邓 力,朱 博,孙向东,梁光华

(1.中国民用航空飞行学院 民航安全工程学院,四川 广汉 618307; 2.清华大学 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)

可燃物燃烧会产生大量烟气,造成人员中毒等安全问题。但是空气中存在许多与烟气成分相似的颗粒,比如尘埃、粉尘等,它们会在检测过程中被误认为烟气而产生误报警的现象,如何准确判断外界环境是否发生火灾并给出可燃物的燃烧类型、降低误报率成为研究热点。

火灾探测器在民航领域的应用越来越广泛,探测器性能的好坏直接决定火灾预警能力。国内外的研究人员为了降低火灾误报率,都在尝试不同的方法提高探测器性能。张丹等[1]介绍了典型的火灾探测器种类并进行了性能比较,指出机舱火灾的最佳探测器。Ukleja等[2]在3 m×0.5 m×0.5 m的实验舱中进行38个实验,并于实验舱外部排气管中测量烟气浓度,发现火焰初期向开口移动,当外部发生燃烧时,排气管中的烟气浓度降低,而罩壳内的烟气浓度升高。Xu等[3]提出一种基于深度显著网络的视频烟感检测方法,定性和定量证明了该检测方法的有效性。何永勃等[4-5]为避免灰尘以及水蒸气等颗粒对实验环境的影响,使用复合型火灾探测器检测烟气浓度等火灾参数,并利用误差反向传播(BP)神经网络算法进行数据融合,有效降低了误报率。华敏等[6]通过模拟室内火灾,研究火源功率及通风状况对室内火灾温度变化及分布、烟气流动特性及气体成分等火灾参数的影响,结果表明:在全封闭情况下,热烟气以垂直流动为主,且随着热烟气的流动,室内温度逐渐升高,O2浓度逐渐降低;在单室通风口打开的情况下,热烟气以水平流动为主,室内O2和CO浓度变化不大,而以通风口上沿为界,温度分布呈现明显的上下两层。文献[7-8]中模拟室内火灾,通过分析平均实验温度场和烟气动力学原理且结合数值模拟技术,研究烟气的整体行为,最终给出该模拟场景的最佳报警时间和所需的报警器数量。石朗君等[9]利用FDS软件对4种人员分布工况进行地铁火灾模拟,结果表明:在无人工况下,烟气大范围蔓延并迅速沉降至地面;而在高密度人员分布工况下,从楼梯口补入的空气量减少,烟气生成速率降低;在人员分布最密集工况下,烟气层厚度减小1.8 m。Rohde等[10]研究烟雾报警器是否可降低人员死亡率与伤害率,且分析了三者之间的关系。刘子建[11]以高斯扩散方程为基础建立烟雾-衰减控制模型,并研究单点或多点火源在该模型下的规律,完成烟雾报警器数量的计算与实验检测。Wang等[12]研究不同尺寸火车模型内气流速度和烟气浓度的空间分布及在移动火源和固定火源时的差异,发现固定火源与移动火源的烟气运动特性有很大不同。陈战斌等[13]使用烟雾发生器在货舱中进行烟雾量的探究实验,根据实验前后透光率的大小得出烟雾量的大小,提高了火灾预警的可靠性。Meyer等[14]以典型航空器材料作为实验燃料分析其在重力影响下烟雾探测器的性能变化,发现烟雾颗粒的形态和平均直径各不相同。虽然研究者已经做了众多的实验工作,但是仍然存在外界环境中的颗粒会影响报警性能、无对比实验等一系列问题。因此,如何降低误报率,建立完善的火灾预警系统是当前技术难点。

笔者设计并搭建受限空间典型液体可燃物燃烧实验平台,选用正庚烷、环己烷以及航空煤油进行燃烧实验,测量燃烧产物的烟气浓度等火灾特征参数并分析其变化规律,以期为新型火灾预警系统的研发提供一定理论支持。

1 实验

1.1 实验方法

受限空间典型液体可燃物燃烧实验平台(图1)由LD-5M型粉尘分析仪、Optma7型烟气分析仪、受限封闭实验舱以及火源等组成。实验舱尺寸为2.7 m×4.16 m×1.67 m,处于常压环境。液体可燃物置于直径为20 cm、高为10 cm的油盆中,实验处于密闭状态。受限空间内距油盆中心纵向75 cm、地面高度120 cm处设置烟气探头并连接粉尘分析仪,采样并检测烟气颗粒质量浓度,采样时间设置为5 s,间隔1 s;距油盆中心70 cm、地面高度140 cm处设置烟气探头并连接烟气分析仪,测量燃烧产物中的烟气成分体积分数。最后完成采样数据的分析处理,判断是否存在燃烧现象以及燃烧物的种类。

1.2 实验工况

选用3种质量相等(100 g)的典型液体燃料,分别为正庚烷(质量分数≥99%,0.683 g/cm3)、环己烷(质量分数≥99.5%,0.778 g/cm3)以及航空煤油(JET A-1型)。由于3种典型液体可燃物化学结构不同,燃烧后产烟量有极大区别,因此具有代表性。实验期间,液体燃料放置于常压、无风场且密闭的受限空间实验舱中,点火以后立刻开始测量,记录燃烧产物的烟气颗粒质量浓度、烟气成分体积分数等特性参数。为了减小实验误差,每组实验重复3次,且为了保证实验环境的初始条件相同,每种液体燃料燃烧间隔10 min。由于航空煤油不易点燃,故在进行燃烧实验时,倒入少量正庚烷作为引燃剂。

2 烟气检测原理与方法

2.1 烟气基本参数

可燃物不充分燃烧将产生大量烟气,烟气漂浮于空气中致使空气中有害颗粒增多,有害颗粒有细颗粒物(PM2.5,空气动力学当量直径≤2.5 μm)、可吸入颗粒物(PM10,空气动力学当量直径≤10 μm)等。有害颗粒较多且烟气存在时间较长,对人体有很大的伤害。为了避免造成人员中毒等现象,有必要研究颗粒物的基本参数以便于对空气中的有害物质进行判断与检测。烟气颗粒的尺寸分布是烟气的基本特征参数之一,火灾烟气的绝大部分颗粒分布在0.01～10 μm[15]。对环境中的烟气颗粒浓度进行检测,根据烟气颗粒粒径的分布特征可判断是否存在其他颗粒。但是,空气中尘埃、粉尘等细小颗粒易与烟气颗粒融合,进而造成检测结果不准确的火警误报现象。因此,对于是否存在其他烟气颗粒的判断需要更多参数的辅助。烟气浓度也是烟气的特征参数之一,该参数可直接反映烟气量的大小、能见度的高低和烟气的危害程度,烟气浓度的具体参数一般包括粒子数浓度、烟气颗粒质量浓度、减光率和光学密度等[16]。另外,可燃物燃烧会产生大量CO等有毒气体,研究烟气成分亦可表征该区域是否有其他颗粒。笔者选择烟气颗粒质量浓度和烟气成分体积分数两个参数进行研究,对同区域、不同物质、不同状态下空气中的烟气进行采样,检测并比较烟气的特征参数。

2.2 烟气检测方法

外界环境中存在各式各样的微小颗粒,可燃物燃烧释放的烟气存在于环境中,与空气中的细小颗粒融合在一起,由于粉尘等颗粒的粒径与烟气颗粒的粒径有极大的相似之处,因此对烟气浓度的检测与粉尘浓度的检测类似。粉尘浓度的检测方法一般分为取样法与非取样法[17]两种类型。笔者采用的粉尘分析仪基于传统取样法,使用烟气探头进行采样并获取数据,随后经过通信串口的转换得到每种颗粒物的质量浓度。由于大部分燃烧产物的烟气颗粒粒径<10 μm[17-18],所以可对3种典型液体燃烧产物的PM10质量浓度进行分析。烟气成分体积分数由烟气分析仪测定,该仪器基于皮托管法,采用乳胶管连接烟气探头进行采样并获取数据,采样间隔时间为1 s,随后,烟气成分体积分数采样数据经过USB串口自动记录和求平均值,以此方法测试3种典型液体燃烧产物的烟气成分体积分数。

3 结果与讨论

3.1 烟气颗粒质量浓度分析

烟气颗粒质量浓度可较好地反映实验环境内烟气量的大小。《货舱防火系统设备》要求光学烟雾探测器遮光率极限为12.5%/m～81%/m[13]，并且《环境空气质量标准》规定:主要大气污染指标中包含PM10以及PM2.5。粉尘分析仪检测3种典型液体可燃物燃烧产物中PM1(空气动力学当量直径≤1 μm)、PM2.5、PM5(空气动力学当量直径≤5 μm)、PM10的烟气颗粒质量浓度,结果见图2,并选择实验环境空气中相应颗粒的质量浓度作为基准。

图2 3种典型液体可燃物燃烧产物中烟气颗粒质量浓度变化曲线Fig.2 Mass concentration curves of gas particles for three typical liquid flues

从图2可知:3种典型液体可燃物燃烧可导致实验环境中烟气颗粒质量浓度发生变化。由于可燃物燃烧烟气颗粒质量浓度处于波动状态,且火灾烟气颗粒粒径在10 μm以内[15],而实验环境空气中PM10质量浓度较低,故可采用PM10最高质量浓度判断是否有可燃物燃烧。在相同检测时间内,航空煤油的PM10质量浓度最高,其次是环己烷,正庚烷最低,航空煤油、环己烷、正庚烷最高质量浓度分别为2 565、1 304和300 μg/m3，都大于空气的最高质量浓度16 μg/m3。因此,可通过PM10最高质量浓度是否远大于空气的来判断实验环境是否存在燃烧现象。由于正庚烷属于完全燃烧类燃料,不易产生大量的烟气颗粒,因此,正庚烷燃烧产物中PM10最高质量浓度略大于空气的。但是,环己烷与航空煤油皆为不完全燃烧,产生大量烟气颗粒,导致两种燃烧产物中PM10最高质量浓度远大于空气的,但是仅分析PM10的最高质量浓度不能有效区分环己烷与航空煤油的种类。因此,还需进一步分析燃烧产物的其他参数，如可用于表示颗粒物分布特征的不同粒径颗粒物的质量浓度比。

PM1、PM2.5和PM10之间相应的最高质量浓度比分别简写成PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10。由图2可得：3种典型液体可燃物燃烧产物中PM1、PM2.5、PM10的最高质量浓度并计算相应的最高质量浓度比,结果见图3。

图3 3种典型液体可燃物的颗粒物分布特征参数Fig.3 Distributed characteristic parameters of three typical liquid flues

由图3可知:3种典型液体可燃物燃烧产物的颗粒分布特征参数PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均高于空气的,其中航空煤油的PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均低于环己烷的,这说明环己烷燃烧产物中细颗粒物较多,而航空煤油燃烧产物中大颗粒更多,这是由航空煤油与环己烷的理化性质差异性造成的。因此,可燃物燃烧产物中PM1、PM2.5、PM10的最高质量浓度比可用来判断是否存在燃烧现象并区分航空煤油与环己烷。为进一步减小空气中的颗粒物对燃烧产物的干扰,引入可燃物燃烧烟气颗粒占比(η)这一参数,其计算式见式(1)。

(1)

式中:ρ1为PM10烟气颗粒最高质量浓度,ρ2为实验环境空气中PM10最高质量浓度。经计算得到航空煤油、环己烷和正庚烷燃烧烟气颗粒占比分别为99.37%、98.77%和94.66%。即可燃物燃烧引起受限空间内颗粒浓度变化由大到小的顺序为航空煤油、环己烷、正庚烷。判断是否存在燃烧时，只选择烟气颗粒质量浓度这一项火灾特征参数易出现阈值选取不当等问题,因此,进一步通过分析烟气成分体积分数来鉴别是否存在火灾和可燃物种类。

3.2 烟气成分体积分数分析

可燃物燃烧消耗O2释放CO、CO2等有毒有害气体,国家标准GBZ 1—2010《工业企业卫生设计标准》规定工作环境中CO体积分数应小于2.4×10-5[19],当CO体积分数超过该标准值时,易造成人员中毒等安全问题。通常情况下,空气中各气体含量无较大变化,因此,可通过反应式(2)表示的烟气成分体积分数变化判断是否发生火灾。

(2)

笔者利用烟气分析仪记录并分析可燃物燃烧后受限空间内各烟气成分(O2、CO2、CO)的体积分数(φ),结果见图4,由于测量数据处于波动状态,图中曲线经过数学平滑处理。

图4 可燃物燃烧烟气成分体积分数Fig.4 Volume fractions of flue gas components

由图4可知:航空煤油燃烧产生的CO浓度最高且CO最大体积分数为8.6×10-5(393 s时),其O2消耗量为1.1%,CO2产生量为0.71%。环己烷燃烧产生的CO最大体积分数达4.7×10-5(675 s时),但其CO2产生量却高达0.8%,O2消耗量为1.3%。正庚烷燃烧产生的CO最大体积分数达2.0×10-5(470 s时),此时CO2产生量为0.77%,但其O2消耗量最大(达到1.5%)。3种典型液体可燃物燃烧后受限空间内各烟气成分(O2、CO2、CO)的体积分数变化规律不一致,这是由航空煤油与环己烷、正庚烷不同的理化性质和分子结构导致。综上所述,随着燃烧实验的进行,实验环境中O2浓度降低,CO和CO2增加,因此,相同实验条件下,气体浓度是否发生较大变化可判断实验环境是否存在燃烧现象,该参数可作为火灾监测预警参数。

由于气体浓度变化可为火灾探测提供参考,因此,Chen等[20]基于CO等特征参量开发了火灾探测系统,并发现CO浓度可影响火灾报警时间的长短。当气体火灾探测器检测到大量CO时将影响探测器的电压,电压的跳变代表是否存在火灾报警信号,且可给出火灾报警时间。假设以2.4×10-5的CO体积分数为参考值即阈值响应值,当CO体积分数超过该值时出现跳变信号,表明存在燃烧现象。由图4(c)CO体积分数曲线可得出气体火灾探测器阈值响应时间变化曲线,结果见图5,其中“1”表示出现跳变信号,“0”表示无跳变信号。

图5 阈值响应时间曲线Fig.5 Threshold response time curves

由图5可知:航空煤油属于混合物,燃烧产生大量CO气体,导致气体火灾探测器的阈值响应时间最长(约为450 s);环己烷燃烧将导致气体火灾探测器产生电压跳变信号,阈值响应时间约为200 s;由于正庚烷燃烧产生CO最大体积分数为2×10-5,在阈值响应值取CO体积分数为2.4×10-5条件下,气体火灾探测器不产生跳变信号,不存在阈值响应时间,即采用气体火灾传感器研究基于CO浓度的火灾探测技术,易出现选取阈值不当而造成误报、漏报等现象。因此,必须将烟气成分体积分数变化情况与可燃物燃烧烟气颗粒质量浓度的研究结果结合起来进行综合判断,以期提高受限空间火灾预警的准确性。

4 结论

对3种典型液体可燃物燃烧产物的烟气成分体积分数以及烟气颗粒质量浓度的检测分析可得出:①3种典型液体可燃物燃烧实验环境中PM10最高质量浓度大于空气中的,且O2浓度降低,而CO与CO2浓度增加,以此可判断实验环境是否存在燃烧现象。②空气中PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10的数值相对较低,正庚烷燃烧的该分布特征参数较高且正庚烷燃烧产生烟气颗粒占比为94.66%,可有效判断出该可燃物;航空煤油的燃烧颗粒分布特征参数PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10都低于环己烷的,且航空煤油燃烧产生烟气颗粒占比为99.37%,而环己烷燃烧产生烟气颗粒占比为98.77%,根据实验数据可综合判断出航空煤油与环己烷两种燃料。因此,根据可燃物燃烧烟气成分体积分数以及烟气颗粒质量浓度，判断是否发生火灾以及可燃物的种类,为研发新型火灾预警技术提供一定的理论支撑。