典型阴燃物质燃烧特性实验研究

裴 蓓,陈立伟,路 长

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作,454003)

典型阴燃物质燃烧特性实验研究

裴 蓓,陈立伟,路 长

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作,454003)

采用锥形量热仪对海绵、榆木屑、棉布和包装箱纸板四种易发生阴燃导致火灾的多孔材料的燃烧特性及其影响因素进行了比较研究。实验结果表明:辐射强度是影响材料燃烧性能的首要因素,辐射强度越大,燃烧性能越好;含水量对多孔材料的燃烧特性有较大影响,增加一定含水量后,一方面可降低火灾危险性,主要表现为:引燃时间明显延长,燃烧强度降低,热释放速率第一峰值降低且延迟;但另一方面会产生更多烟气和有毒有害气体,不利于人员火场逃生;在同一辐射条件下,海绵的点燃时间最短,热释放速率峰值和平均热释放速率远远大于其他材料,CO生成率最高,表明海绵火灾危险性最大。

火灾;阴燃物质;锥形量热仪;燃烧特性;影响因素

0 引言

阴燃是一种多孔介质可燃物低温度水平、无明火的自维持放热燃烧过程[1]。与明火燃烧相比,阴燃燃烧具有反应速度缓慢、有毒气体排放多、不易熄灭、隐蔽性强等特点,当在外界条件满足时,其能迅速向明火转化而常常造成火灾。

阴燃过程所造成的安全危害,已引起众多研究者的关注,但多数的研究工作都集中于阴燃的传播规律及其向明火的转变条件上。如国际上Bilbao[2-4]等对阴燃的点燃过程进行了研究,Schult[5,6]等通过开展实验和理论模型来对阴燃的传播过程进行研究;在国内,贾宝山、解茂昭[7]等通过建立阴燃模型、实验以及数值模拟等手段对燃料填充床的阴燃传播过程进行研究,路长、周建军[8]等重点研究了阴燃的点燃、传播及其向明火转化。

本文以常见的因阴燃导致火灾的多孔材料——海绵、榆木屑、棉布和包装箱纸板为研究对象,采用锥形量热仪对其燃烧特性及其影响因素进行分析探讨,这不仅有利于全面认识多孔材料的燃烧特性,也可为阴燃火灾的防控提供依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器简介

锥形量热仪(Cone Calorimeter,简称CONE),是原美国国家标准局(National Bureau of Standards,简称NBS)的V.Babrauskas等人于1982年研制的,是基于耗氧原理的材料燃烧性能测试仪器[9]。由于它的燃烧环境极相似于真实的燃烧环境,其试验结果与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性,能够表征出材料的燃烧性能,在评价材料、材料设计和火灾预防等方面具有重要的参考价值,目前锥形量热仪已经成为研究材料燃烧性能最重要的试验仪器之一。

利用锥形量热仪测定的基本燃烧特性参数有:引燃时间(Time to Ignition,简称 TTI)、热释放速率(Heat Release Rate,简称 HRR)、质量损失速率(Mass Loss Rate,简称MLR)、比消光面积(SpecificExtinction Area,简称 SEA)以及 CO生成率(CO Yield,简称 COY)等。

1.2 实验工况简介

为模拟阴燃火灾初期火灾辐射强度低的火灾场景,本文锥形量热仪的热辐射通量选取集中在低辐射区,热辐射强度为 20kW/m2、25kW/m2、30kW/m2;有水分工况时,材料与水分比例控制在2:1,具体工况设计参数如表1-6所示:

表1 工况1设计参数Table 1 Design parameters of operating condition 1

表2 工况2设计参数Table 2 Design parameters of operating condition 2

表3 工况3设计参数Table 3 Design parameters of operating condition 3

表4 工况4设计参数Table 4 Design parameters of operating condition 4

表5 工况5设计参数Table 5 Design parameters of operating condition 5

表6 工况6设计参数Table 6 Design parameters of operating condition 6

2 实验结果与分析

2.1 引燃时间

引燃时间是评价材料燃烧性能的重要参数之一,在相同条件下,材料的引燃时间越短,说明材料越易被引燃,其火灾危险越大。表7列出了不同条件下各样品的引燃时间,从表中列出的数据可以看出,随着辐射强度增加,材料就越容易被点燃,其中海绵的引燃时间最短,说明海绵更易被引燃;在材料加水之后,同一辐射强度条件下,实验的四种材料的点燃时间明显增加,说明加水能减小其火灾危险性。

2.2 热释放速率

热释放速率是表征火灾强度的重要性能参数,热释放速率峰值表征材料燃烧时的最大热释放程度[10]。图1至图3为相同辐射强度条件下不同材料的热释放速率测试曲线,其中,海绵’、榆木屑’、棉布’和纸板’是指材料有一定含水量。由图1至图3可看出,随着辐射强度的增加,HRR第一峰值增加且提前,材料加水后,HRR第一峰值降低且延迟;海绵的热释放速率峰值及其平均值最大,到达HRR第一峰值的时间也最短,说明其火灾危险性最大。由表8可看出,四种材料加水后,热释放速率平均值降低明显,说明燃烧强度降低。

表7 不同条件下各样品的引燃时间Table 7 Time to Ignition of different samples under different conditions

表8 不同条件下各样品的热释放速率Table 8 HRR of different samples under different conditions

图1 20 kW/m2下各材料的热释放速率曲线Fig.1 HRRcurve of various materials under 20kW/m2heat flux

图2 25 kW/m2下不同材料的热释放速率曲线Fig.2 HRRcurve of various materials under 25kW/m2heat flux

2.3 质量损失速率

质量损失速率实际上是试样的热分解燃烧速率[10]。图4为不同辐射强度下各材料的质量损失速率峰值曲线。可看出,随着辐射热通量的增加,材料的质量损失速率峰值逐步增加;同时,当材料有一定含水量时质量损失速率峰值大约是不加水时的一半。

图3 30 kW/m2下各材料的热释放速率曲线Fig.3 HRRcurve of various materials under 30kW/m2heat flux

图4 不同辐射强度下各材料的质量损失速率峰值曲线Fig.4 Peak MLRcurve of various materials under different heat flux

2.4 比消光面积

比消光面积反映燃烧过程中烟气产生大小。由图5至图7可看出,随着辐射通量的增加,比消光面积减小,这说明燃烧越充分,产烟量减小;当材料含有一定水份时比消光面积普遍增大,且峰值出现的比较靠后,这说明含水量导致可燃物生烟滞后,生烟量明显增大。

图5 20 kW/m2下各材料的比消光面积曲线Fig.5 SEA curve of various materials under 20kW/m2heat flux

图6 25 kW/m2下各材料的比消光面积曲线Fig.6 SEA curve of various materials under 25kW/m2heat flux

图7 30 kW/m2下各材料的比消光面积曲线Fig.7 SEA curve of various materials under 30kW/m2heat flux

2.5 CO生产速率

由图8至图10可看出,随着辐射热通量的增加,各材料CO生成率逐渐降低,这说明辐射热通量越大,燃烧越充分,烟气的毒性降低;但材料含有一定水份时CO生成出现滞后,且CO生成量明显增多;四种可燃物中海绵的CO生成率最高,这说明其烟气毒性最强。

图8 20 kW/m2下各材料的CO生成率曲线Fig.8 COY curve of various materials under 20kW/m2heat flux

图9 25 kW/m2下各材料的CO生成率曲线Fig.9 COY curve of various materials under 25kW/m2heat flux

图10 30 kW/m2下各材料的CO生成率曲线Fig.10 COY curve of various materials under 30kW/m2heat flux

3 结论

通过以上对实验数据的分析讨论,得出以下结论:

(1)辐射强度是影响材料燃烧特性的首要因素。

(2)含水量对多孔材料的燃烧特性有较大影响。主要表现为:一方面,引燃时间明显延长,燃烧强度降低,热释放速率峰值降低且延迟;另一方面,比消光面积增大,且峰值出现滞后,CO生成率峰值出现滞后,且生成量增多。这说明多孔材料含水量增加后,一旦发生火灾,会产生更多的烟气和有毒有害气体,这将使火灾中人的逃生能力大大降低,造成更多的人员伤亡,因此应加强排烟。

(3)在同一辐射条件下,海绵的点燃时间最短,热释放速率峰值和平均热释放速率远远大于其他材料,CO生成率最高,加上海绵特殊的多孔特性,热量极易集聚,因此火灾危害性也最大。

[1]黄星群,等.多孔纤维质颗粒阴燃特性及烟气粒度[J].燃烧科学与技术,2004,10(6):563-566.

[2]Bilbao R,Mastral J F,Aldea ME,Ceamanos J and Betran M.Experimental and Theoretical Study of the Ignition and Smoldering ofWood Including Convective Effects[J]. Combustion and Flame,2001,126:1363-1372.

[3]Gratkowski MT,Dembsey NA,Beyler CL.Radiant smoldering ignition of plywood[J].Fire Safety Journal,2006,41:427-443.

[4]Anthenien RA,Fernandez-Pello AC.A study of forward smolder ignition of polyurethane foam[A],In:27th Symposium(International)on Combustion[C].The Combustion Institute,1998:2683-2690.

[5]Schult DA,Matkowsky BJ,Volpert VA and Fernandez-Pello AC.Propagation and Extinction of Forced Opposed Flow Smolder Waves[J].Combust.Flame,1995,101:471-490.

[6]Fernando de Souza Costa,David Sandberg,Mathematical model of a smoldering log[J].Combust.Flame,2004,139:227-238.

[7]贾宝山,解茂昭,葛少成.纤维质燃料水平填充床反向阴燃传播特性研究[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2007,22(2):43-47.

[8]路长,周建军,林其钊,邹样辉,张林鹤,王清安.水平阴燃向有焰火转化的研究[J].燃烧科学与技术,2005,11(1):41-46.

[9]王允,等.锥形量热仪在阻燃材料研究中的应用[J].武警学院学报,2006,22(1):31-32.

[10]舒中俊,等.竹地板与普通实木地板燃烧性能的锥形量热仪对比实验研究[J].火灾科学,2007,16(3):148-151.

Research on burning performance of typical smoldering materials

PEI Bei,CHEN Li-wei,LU Chang

(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechine University,HeNan Jiaozuo,454003,China)

In this work,burning performance and influencing factors of porous materials,such as sponge,elm slash,cotton and carton,were tested by cone calorimeter.The results indicated heat flux is the leading factor,and the higher heat flux is,the better burning performance is.Moisture content has a significant influence on the burning performance of smoldering materials:for one aspect,it can reduce the fire risk,but in another aspect,smoldering materials can produce more smoke and poisonous gases.Under the same heat flux,sponge holds the lowest ignition time and the highest CO yield,and its average HRR is higher than the other materials.The results indicate that the fire risk of sponge is the highest.

Fire;Smoldering materials;Cone calorimeter;Burning performance;Influencing factors

D631.6

A

1004-5309(2011)-0094-05

2010-12-15;修改日期:2011-01-15

国家自然基金(50906023);河南理工大学青年基金项目(Q2010-36)

裴蓓(1982-),女,河南汤阴人,硕士,现为河南理工大学安全科学与工程学院消防工程系讲师,主要从事防火理论及技术研究。