艾条燃烧性能试验研究

白　婧

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

0　引言

近年来，艾灸养生方兴未艾，各种艾灸养生馆数量逐年增加，这些养生馆多为人员密集场所，且存有一定量的易燃可燃物，如果艾灸操作人员使用不当，燃烧的艾条可能引燃附近可燃物，引发火灾事故。此外，艾条燃烧属于无明火的阴燃，在艾灸结束后，如果艾条未完全熄灭，内部处于阴燃状态的艾条在一定条件下也有可能引燃附近可燃物进而导致火灾。目前，由艾条引发的火灾事故虽然报道不多，但由于艾条阴燃时间长、燃烧初始速度慢等特点，在起火点处很难留有引火源或与引火源有关的物体，因此，火调人员很难找到可以直接证明起火原因的证据。虽然针对艾条燃烧生成物毒性的研究较多，但是针对其烟密度、燃烧速度、热分解性能等燃烧性能的研究还较少[1-4]。因此，对艾条的燃烧性能进行试验研究，对于预防艾条火灾、火灾原因调查等工作具有重要意义。本文选取三种不同艾绒纯度的艾条进行燃烧性能分析，测定在不同风速条件下艾条的燃烧速率，以及艾绒纯度对艾条热分解性能的影响，并建立不同纯度艾绒的主要热分解阶段的动力学模型，计算其动力学参数。

1　试验部分

1.1　试验仪器及材料

试验所用仪器有：水平垂直燃烧测定仪CZF-3(南京江宁分析仪器有限公司)，热重分析仪TGA851(瑞士梅特勒公司)。试验材料为艾条，直径12 mm，艾绒纯度分别为5∶1，10∶1，35∶1，均为某一厂家生产，网上购买。

1.2　试验方法与步骤

1.2.1艾条燃烧速率测试

对于塑料制品，可以根据国家标准《塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)[5]对燃烧性能进行分析，而艾条的燃烧属于无焰燃烧，因此，试验中将对艾条阴燃速率进行测定，从而分析艾条的燃烧性能。

为测定不同风速条件下，艾条燃烧速率的变化情况，对水平垂直燃烧测定进行了简单的改进，将电风扇置于不同距离以改变燃烧室内的风速，并用风速测试仪测试风速。将艾条截成长度为200 mm的待测样品，并每隔20 mm(或50 mm，用于垂直燃烧测试)标记一条刻度线，将标记好的试样固定在铁架台上，如图1～2所示。调节火焰长度和试样位置高度，分别进行水平燃烧测试和垂直燃烧测试，改变风速条件，每个工况测量三次，取平均值。

图1　艾条水平燃烧测试图

图2　艾条垂直燃烧测试图

1.2.2热分解性能测试

称量5 mg左右的艾绒，氮气气氛，升温速率为20 ℃·min-1，从30 ℃升温至800 ℃后自然冷却至室温，对比分析艾绒纯度对热分解性能的影响，并建立艾绒的热解动力学模型，计算动力学参数。

2　试验结果与分析

2.1　不同工况下艾条燃烧速度的对比研究

2.1.1风速对艾条水平燃烧速度的影响

取艾绒纯度为35∶1的艾条，改变风速分别为0，0.25，0.40，0.50 m·s-1，艾条燃烧长度均为20 mm，测量不同风速下，水平放置艾条的燃烧时间，进而比较其燃烧性能。不同风速下艾绒纯度为35∶1艾条的燃烧时间、燃烧速度、烟灰颜色、燃烧均匀性的平均值如表1所示，为了分析包装纸对艾绒燃烧速度的影响，做了一组无外包装纸的试验进行对比。

从表1可以看出，无风条件下，艾条水平燃烧速度受包装纸的影响较大，除去包装纸的艾条燃烧速率较快，分析原因一方面是艾绒较包装纸更易燃，另一方面除去包装纸后艾绒与空气的接触面积更大所致。此外，除去包装纸的艾条燃烧产物颜色为灰色，带有包装纸的为灰黑色，因包装纸炭化后颜色为黑色所致。除去包装纸的艾条燃烧不均匀，因缺乏包装纸束缚后松散程度不一致。

表1　不同风速下艾条的水平燃烧性能

从表1还可以看出，风速从0升至0.5 m·s-1时，艾条的燃烧时间从7.8 min降低到3.8 min，燃烧速率从2.5 mm·min-1升高至5.3 mm·min-1。艾条的燃烧性能受风速影响较大，燃烧时间随风速升高逐渐降低，且风速越大，这种降低的趋势越明显；燃烧速率则随风速升高逐渐增大，且风速越大，这种增大的趋势越明显。

在试验过程中还发现，艾条外包装纸与艾条的燃烧速度必须相匹配，能够基本达到同步燃烧，才能获得较为理想的燃烧效果。如果外包装纸的阴燃速度大于艾条的阴燃速度，则此时在艾条燃烧处，艾绒头不能成灰；如果外包装纸的阴燃速度小于艾条的引燃速度，则燃烧端的艾绒头会缩进外包装纸中，最终艾条因缺乏氧气供应而造成艾条熄灭。燃烧速度过快的话，会加剧燃烧锥内部缺氧，导致有害成份产生。因此，在外包装纸适应艾条燃烧速度的前提下，应使艾条向着均匀燃烧的方向发展。

2.1.2艾条的垂直燃烧性能

对艾绒纯度分别为35∶1和10∶1的艾条试样进行垂直燃烧试验，风速为0 m·s-1，得到的结果如表2所示。从表2中可以看出，艾绒纯度较高时，艾条的单位长度垂直燃烧时间较短、燃烧速率较快，艾绒纯度较低时，艾条的单位长度垂直燃烧时间较长、燃烧速率较慢，这说明在其他条件一致的情况下，艾绒纯度较高的艾条发生火灾时，火焰垂直蔓延速度较快。

表2　艾条的垂直燃烧性能

2.2　艾绒热分解性能及反应动力学研究

2.2.1艾绒纯度对艾绒热分解特性的影响

为研究艾绒纯度对艾绒热分解特性的影响，对三种纯度的艾绒进行了热重分析，结果如图3和表3所示。从图3和表3可以看出，三种纯度的艾绒均有两个热分解阶段，在第一个热分解阶段，初始热分解温度较低，在55～65 ℃之间，且质量损失率较小，质量残留率在95%以上，此阶段主要应为水分及一些挥发性油类物质的散失。在第二个失重阶段，主要为挥发性油类物质和木质纤维素等物质的热分解，在此阶段，纯度为5∶1和10∶1的艾绒初始热分解温度接近，均为235 ℃左右，质量残留率为49%左右，而纯度为35∶1的艾绒初始热分解温度较高，为262.62 ℃，且质量残留率较低，为43.09%，这是因为35∶1的艾绒纯度较高，杂质较少，因此其热稳定性较好。

(a)5∶1

(b)10∶1

(c)35∶1

表3　不同纯度艾绒热分解阶段

2.2.2热分解动力学分析

在艾条的热分解动力学分析中，采取普适性较强的Coats-Redfern法，此方法为积分法，表达式为：

(1)

式中，g(α)是机理函数；α是质量变化率，%；β是升温速率，℃·min-1；A是频率因子，min-1；E是活化能，kJ·mol-1；R是气体常数，8.314×10-3kJ·mol-1·K-1；T是反应温度，K。

显然，2RT/E≪1，对于正确的g(α)形式，以ln[g(α)/T2]对1/T的图线应为一条直线，其斜率为-E/R，根据斜率可计算出活化能E，根据截距可得出频率因子A。g(α)常见的8种形式如表4所示。

将三种艾绒试样依次代入上述8种模型，并选取各自DTG(TG曲线的一阶微分)曲线中的第二个热分解阶段为主要热分解阶段进行分析。对曲线进行拟合，并比较R2值从而选定各对应的模型，R2值见表5。

从表5可以看出，三种纯度艾绒试样的反应机理函数均与一维扩散模型D1的相关性较好，R2值均在0.99以上，因此取该模型进行运算。经运算，纯度5∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-1540.4x-8.1648，纯度10∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-2138.5x-6.4214，纯度35∶1艾绒所对应的热解机理函数为y=-2722x-4.6516。将各函数的截距以及斜率代入公式(1)，得到对应的活化能及频率因子，计算结果如表6所示。

表4　常见g(α)形式

表5　不同纯度艾绒的R2值

表6　不同纯度艾绒的热分解反应动力学参数

从表6中可以看出，随着艾绒纯度的提高，艾绒发生热分解反应的活化能呈逐渐增大的趋势，但数量级保持一致，结合热分解反应初始温度的变化规律来看，艾绒纯度对于热分解反应进行的难易程度有一定影响，但不是唯一的影响因素，试样成分、松紧程度、储存时间等因素都会影响反应的进行。

3　结论

本文选取传统中医保健常用的三种不同纯度的艾条进行试验，利用水平垂直燃烧测试仪、热重分析仪得到燃烧参数，对比分析了其燃烧性能，主要结论为：(1)在风速为零的情况下，艾条的燃烧速度相对较小，火灾危险性相对较小。但在实际生活中，考虑开窗产生的自然风，空调产生的冷/热风，风速条件不可忽略。艾条的燃烧速度随着风速的增加而增大，其火灾危险性也不断增大。在其他条件一致的情况下，艾绒纯度较高的艾条发生火灾时的火焰垂直蔓延速度较快。(2)艾绒的热分解包括两个阶段，两个阶段初始热分解温度分别在55 ℃和235 ℃左右，艾绒纯度较高的艾条初始热分解温度较高，热稳定性较好。(3)三种纯度艾绒试样的热解反应机理函数均与一维扩散模型D1的相关性较好，热解机理函数分别为y=-1540.4x-8.1648，y=-2138.5x-6.4214，y=-2722x-4.6516；由方程求出的艾绒热解反应活化能分别为12.81，17.78和22.63 kJ·mol-1。

本试验测定了直径为12 mm的几种常见艾条的燃烧时间，计算了艾条的水平垂直燃烧速率，并对艾条的热分解特性和动力学参数进行了分析。通过分析，得出了一定的规律性结论，具有一定的参考价值，但艾条的燃烧性能包括诸多方面，其影响因素也很复杂，例如艾绒纯度较高的艾条垂直燃烧速度较快，而其热稳定性却相对较好，因此，要全面准确地概括艾条的燃烧性能，特别是探索艾条内在化学成分对燃烧性能影响的机理，还有待进一步深入研究。