两种含水率水稻堆垛的着火与蔓延燃烧特性实验研究

高 萌，谢启源，邱 榕

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

粮食是国家的重要战略物资，与人民温饱和国家稳定息息相关，尤其是对于具有14亿人口的中国，粮食的安全储存更是一项涉及国计民生的重要战略。然而，近年来，国内外发生多起粮仓火灾和爆炸事件，造成严重事故损失和不良社会影响，如：2013年5月31日，黑龙江省中储粮林甸直属库发生火灾，共78个储粮囤表面过火；2018年7月29日，吉林省洮南市大通粮食储备库收纳仓1号厂间发生大火。2017年7月29日，美国印第安纳州斯威兹市的粮食筒仓突然折断，引发罕见可怕的爆炸与燃烧。2018年6月1日，美国明尼阿波利斯市范克利夫公园附近的邦基粮库发生大火。粮食所含脂肪、蛋白质和纤维素主要为碳、氢和氧元素所构成，属于可燃固体，粮食同时具有自发热特征，而粮食安全储存过程中的干燥、熏蒸等作业过程，进一步使得粮仓火灾危险性升高。关于粮仓的火灾与爆炸危险性，前人已开展一些相关研究与分析。邢婧[1]针对自燃火灾和粉尘爆炸火灾，基于事故树分析，指出通过机械通风储粮技术控制粮仓温度对于预防粮仓火灾的重要性。朱国庆[2]针对浅圆仓的地下通廊火灾危险性和消防设计展开了分析，给出了优化的设计方案。王小将[3]总结了粮仓火灾的诱因，指出粮食自身发热、粮库建筑缺陷、消防管理、人员素质及线路老化都是粮仓火灾的诱因，但并未提及各类粮食本身的火灾危险性。在粮食与粮仓燃烧与爆炸机理方面，Ogle等[4]基于一起由于粮仓阴燃过程引起的爆炸案例，指出阴燃过程释放出的CO和烟气是初始爆炸的主要物质。Ramirez等[5]针对粮仓内储存的多种粮食，通过实验测量，指出玉米、小麦、大麦、苜蓿和大豆粉尘都具有很高的自燃风险。陈坤杰等[6]的研究指出，粮食在干燥及干燥后中含水率的不均匀性：干燥结束后，稻谷的含水率沿着层厚方向有明显的梯度，且在干燥过程中，水稻含水率变化有明显的分层性。针对粮食外壳的生物质能源利用，不少学者也开展了稻壳等物质的热解与燃烧特性的研究[7-9]。杨洲等[10]测定了不同含水率的稻谷的热导率和热扩散系数，并研究了稻谷热特性系数与含水率的关系。此外，关于其他生物质及其附属产物的燃烧及蔓延特性，国内外学者也贡献了丰富的研究成果。Huang等[11,12]针对泥炭在各种环境下的阴燃特征，做了相关的研究工作，提出了泥炭的五步阴燃模型，揭示了水分、无机物含量等对泥炭阴燃的影响。Rostami等[13]提出了多孔生物质燃料的阴燃模型，讨论了表面热损失，燃料热值，气流速率，燃料棒孔隙率对温度和阴燃速度的影响。王海晖和朱凤[14]利用锥形量热仪，研究了13种树叶样品在辐射热流作用下的燃烧特征，并指出表层树叶转化为焦炭后对辐射热流对内层的渗透作用有一定的阻挡作用。亓冠圣等[15]对煤堆水平阴燃传播进行了实验研究并揭示了其阴燃特性，发现煤堆的前向阴燃燃烧过程中存在70 ℃～80 ℃区间内的温度平台现象，反向阴燃燃烧过程中不存在这种平台现象。反向阴燃的最高温度远高于前向阴燃。

关于各类生物质及其附属产物的燃烧特性的研究已经较为丰富，然而，针对粮食自身详细的引燃与燃烧特性方面的研究，极少报道。一方面，不同于秸秆、木材等常见的生物质，水稻等粮食通常不作为生物质燃料，其本身的燃烧特性及火灾危险性往往被人们所忽略；另一方面，水稻等粮食由于其自身的理化特性影响，常规条件下属于可燃材料，实际粮食蔓延燃烧事故往往是在干燥气候且受环境气流作用条件下形成，目前对于水稻等粮食的燃烧及蔓延特性的实验研究很少。因此，本文围绕我国粮仓中最典型的水稻，研究其引燃与燃烧特性，重点针对水稻在烘干或局部外热源长期作用引起的含水率下降，结合水稻堆垛进行通风气调过程中的贯穿气流影响，综合分析水稻引燃与蔓延燃烧过程中的内部温度场演化特性。本研究有助于理解正常含水率水稻与干燥水稻的火灾危险性，以期在相关标准制定或粮仓设计阶段，为相关防火设计与应急扑救提供一定理论依据与科学支撑。

1 实验设计

图1给出了贯穿气流条件下粮食堆垛受热引燃与纵深蔓延燃烧特性模拟实验平台示意图。待测粮食样品放置于一个高5 cm、直径21 cm的圆柱形燃烧盘内，燃烧盘底面为多孔金属板，燃烧盘下方是高5 cm、直径21 cm的圆柱形多孔均流区。如图1所示，圆柱形燃烧盘内水稻堆垛的贯穿气流速度由放置于地面的风机控制，整个气流管道和燃烧均流段主要由不锈钢板制作并通过支撑板放置于电子天平上，从而测量水稻堆垛受热与燃烧过程中的质量变化。为消除风机的振动对于质量测量的干扰，与风机相连接的气流管道采用可柔性风管并放置于地面。在圆柱形燃烧盘一侧的半径截面上，均匀布置了5行5列的热电偶阵列，用于实时测量水稻堆垛内部的温度场演化特征，图1给出了各热电偶(T1,T2,T3,…,T25)的位置示意图，其中，最内侧的5只热电偶位于圆柱形燃烧盘的中轴线位置，最顶层的5只热电偶与水稻堆垛表面同高，各相邻热电偶的横向与竖向的间距分别为2.5 cm和1 cm。各热电偶从圆柱形燃烧盘的侧方插入，并通过支架与燃烧盘柔性连接，使质量测量不受干扰。实验所用的引火源是一个直径1 cm长度8 cm的电热细棒，额定功率200 W，表面温度约为800 ℃，如图1所示，电热细棒下端插入水稻堆垛中心内部1 cm深度，各组实验过程中电热细棒的加热引燃过程较为一致。在燃烧盘侧上方，布设1台高清摄像机，实时拍摄水稻受热着火与表面蔓延燃烧过程。

图1 贯穿气流条件下粮食堆垛引燃与蔓延燃烧特性实验平台示意图Fig.1 Sketch of experimental facility for studying ignition and combustion characteristics of rice with penetrating airflow

表1给出了本系列实验工况的参数列表，这里针对2种含水率(13%、3%)的水稻进行实验。13%含水率的水稻为正常仓储环境中的水稻，3%含水率的水稻代表水稻的仓储过程中，在烘干流程中由于工艺缺陷产生的局部过度干燥的水稻。将13%含水率水稻在烘箱中105 ℃空气气氛中烘干10 h，水稻失重约10%，得到含水率3%的水稻。

表1 贯穿气流条件下2种含水率水稻着火与燃烧实验工况Table 1 Experiment conditions of ignition and combustion of rice of 2 moistures with a penetrating airflow

此外，针对2种含水率的水稻，还开展了空气气氛条件下的TGA实验测试。实验时，将水稻研磨成细粉末状，初始样品质量约10 mg，载流气体质量流率为50 mL/min，以20 ℃/min的升温速率从室温升高到1 000 ℃/min。

2 结果与分析

图2给出了2种含水率水稻在不同贯穿气流条件下的最终引燃结果，由图2可见，含水率为13%的水稻，在贯穿气流分别为0 m/s、0.1 m/s和0.2 m/s条件下，采用电热细棒持续引燃45 min后，均未能形成明显的自维持阴燃或明火燃烧行为。然而，对于含水率3%的干燥水稻，在贯穿气流速度为0.1 m/s条件下，采用相同的高温灼热点式热源持续作用4 min，即形成明显的剧烈燃烧过程。可见，水稻的含水率在着火成灾方面具有显著的影响。

由图2(a～c)可见，对于未被引燃的含水率13%的水稻，电热细棒周围的碳化圈直径随着贯穿气流速度的增大而减小。表2给出了各工况条件下的最终质量损失，由前3个工况结果可见，对于13%含水率的水稻堆垛，在45 min的引燃作用下，贯穿气流越大，形成的最终质量损失越小。

表2 各工况实验中水稻引燃与燃烧最终质量损失Table 2 Mass loss for rice ignition and combustion under different experimental conditions

图3给出了3%含水率水稻引燃与蔓延燃烧过程中的质量损失及质量损失速率曲线，相应的，图4给出了其燃烧过程中典型时刻的表面燃烧状态图。由图3可见，该水稻堆垛被高温热源引燃后，质量损失速率不断增大，表明水稻的蔓延燃烧不断增长，在约第37 min达到最大质量燃烧速率，即，25.5 g/min。此外，由图4所示水稻表面燃烧图片序列也可见，水稻堆垛被引燃后，燃烧区域不断扩大，火焰高度也不断增加，从37 min开始，表面火焰开始减弱，逐渐进入衰减和熄灭阶段。水稻燃烧熄灭后，燃烧盘四围边角处明显有剩余粮食未着火燃烧。

图3 3%含水率水稻引燃与蔓延燃烧过程中的质量损失与质量损失速率Fig.3 Mass loss and mass loss rate during ignition and combustion of rice of 3% moisture content

图4 3%含水率水稻引燃与蔓延燃烧过程Fig.4 Process of ignition and combustion of rice of 3% moisture content

热重实验是研究物质的热解与氧化特征的重要手段，对了解生物质的燃烧特性具有一定参考意义。图5给出了空气气氛条件下2种不同含水率水稻的热解失重特性，由其中的失重曲线可见，13%含水率水稻在低于280 ℃的升温阶段呈现明显的脱水失重特征，而3%含水率水稻在该升温阶段的失重则较不明显，体现了水稻含水率的影响。尽管13%和3%两种含水率水稻在早期升温阶段的热解失重存在明显差异，但这两种水稻样品在该升温速率加热条件下的质量损失速率峰值对应温度分别为334 ℃和333 ℃，几乎相同。其中，含水率较高水稻的热解失重峰值更高，表明样品在该温度区间的热解反应更剧烈。如前文所述，在相同的灼热金属细棒引燃作用下，对于2种含水率的水稻，尽管热解失重峰值对应的温度很接近且含水率较高的样品在该温度区间的分解反应更剧烈，然而，最终的引燃和蔓延燃烧结果却差异甚大，较低含水率水稻被轻易引燃且形成剧烈蔓延燃烧，而较高含水率水稻却未能引燃。可见，材料的热解特征尽管对于表征材料的可燃性具有重要的作用和意义，被人们称为“热指纹”，然而，最终的引燃和蔓延燃烧特性，还与诸多因素相关，如：样品的密实与多孔状态、环境气流等，还需开展有针对性的燃烧特性研究。

图5 空气气氛下2种含水率水稻热解特性(升温速率：20 ℃/min)Fig.5 Pyrolysis characteristics of rice of 2 moisture contents under air atmosphere (heating rate:20 ℃/min)

图6(a)给出了0.1 m/s贯穿气流速度条件下3%含水率水稻向下火蔓延燃烧过程燃烧盘中轴线上各热电偶位置的温度变化，此外，图6(b～f)分别给出了各位置的局部温升细节曲线。由这些温升细节图可见，尤其是图6(b～d)所示，各位置的温度升高在300 ℃附近存在显著突变加速特征，结合图5所示的热解失重速率峰值温度范围，可知该突变加速点对应于该位置燃料的引燃温度与时刻。因此，水稻内部蔓延燃烧特征的分析，也可将该温度为特征值，对其引燃前与引燃后分别进行分析。统计分析表明，各位置引燃的特征温度值并不完全相同，通过综合各位置的温度突变行为和图5所示的热解失重曲线特征，这里以300 ℃为火焰前锋的特征温度展开分析。如图6(a)所示，位于水稻堆垛中部的3个位置(T6、T11和T16)，燃烧过程中所达到的最高温度已高于1 000 ℃。由这3条温度曲线可见，内部水稻被引燃后的燃烧过程，也经历2个阶段，第1个阶段，其燃烧温度约为800 ℃，而在第2个阶段，其最高燃烧温度达1 100 ℃，该高温剧烈燃烧后，整个内部燃烧开始进入衰减降温阶段。此外，在水稻堆垛的靠近上表面位置(T1)和下表面位置(T21)，其燃烧最高温度低于中间位置的相应值，可见，在贯穿气流条件下，对于水稻堆垛的燃烧，尽管靠近外表面区域氧气充足，然而，内部燃烧温度却更高。由图6(a)中所示各位置的降温曲线可见，水稻堆垛中轴线上的降温次序是自下而上，然而，由前所述，在引燃阶段，其升温次序是自上而下，与火蔓延方向一致，因此，对于堆垛下方位置的水稻，它们在更晚的时刻被点燃，却更早降温熄灭。最后，图6(b～f)给出了各位置引燃前的升温斜率，反映了该位置被加热和引燃的快慢，可表征水稻堆垛内部火焰前锋到达该位置时的蔓延速率。

图6 贯穿气流速度0.1 m/s条件下3%含水率水稻向下火蔓延过程燃烧盘中轴线典型位置温度变化Fig.6 Typical temperature of the central axis of the combustion pan during the downward fire propagation process of rice of 3% moisture content with penetrating air velocity of 0.1 m/s

与图6类似，图7给出了燃烧盘内第2列热电偶位置的温度整体与局部变化。由图7可见，在该列位置上，依然还是位于中间的3个位置(T7、T12和T17)上的最高燃烧温度高于1 000 ℃，热电偶T12所测最高温度甚至接近1 200 ℃，靠近水稻堆垛上表面附近的燃烧温度相对较低，最高仅约700 ℃。位于下方的水稻较迟被引燃，却更快开始熄灭降温阶段，体现了水稻堆垛在贯穿气流条件下的特殊蔓延燃烧与熄灭行为。与图6(b～f)所示的中轴线上各位置水稻被引燃前的温升斜率相比，图7(b～f)给出的该列各位置相应的温升速率相对较低，表明这些区域的水稻受热强度与蔓延速率低于中轴线区域。

为分析水稻堆垛内部温度在不同横向位置上的演变特征，图8与图9分别给出了水稻堆垛内第2行和第3行热电偶位置整体温度和局部温度变化。由图8、图9可见，水稻堆垛内部中心位置升温快且温度高，越靠近边缘的区域，升温晚且相对较慢，各相邻位置温升曲线间隔较大，表明水稻堆垛内部燃烧的横向蔓延速度较慢，且具有燃烧减弱趋势。由图8(f)和图9(f)可见，最靠近燃烧盘边沿位置处的水稻温升小，最高温度仅约90 ℃，并未点燃。而如图8(e)和图9(e)所示，该位置上的水稻尽管最高温升达到约220 ℃，这些区域水稻也未点燃，内部燃烧前锋并未到达该区域，这部分水稻的温度升高，主要是由内部燃烧生成高温气体对其加热所引起。

图8 贯穿气流速度0.1 m/s条件下3%含水率水稻向下火蔓延过程燃烧盘第2行典型位置温度变化Fig.8 Typical temperature of the 2nd line of the combustion pan during the downward fire propagation process of rice of 3% moisture content with penetrating air velocity of 0.1 m/s

如前文所述，各测温点的水稻在升温至300 ℃左右时，温度曲线出现明显的突增。而通过图5的水稻的热重曲线也可以看出，水稻的最大失重峰从300 ℃左右开始。因此，本文以300 ℃为水稻的火蔓延前锋，计算出3%含水率水稻堆垛在0.1 m/s贯穿气流条件下在中轴线上各点的向下火蔓延速率，结果如图10所示。可见，堆垛内部向下蔓延燃烧速率在不同深度位置存在较明显差异，当内部燃烧蔓延到深度为3 cm位置区域时，其蔓延速率最大，约为0.8 cm/s，也表明此时水稻堆垛内部燃烧过程急剧增长，中心区域的最高温度急剧升高至1 000 ℃以上。综合图6～图9所示各温度变化特征和图11所示内部蔓延燃烧速率可见，在贯穿气流条件下，仅5 cm厚的粮食堆垛内部可形成剧烈燃烧，局部最高温度可达1 200 ℃，最快蔓延速度可达0.8 cm/s，显示了该工况下很高的火灾危险性。

图9 贯穿气流速度0.1 m/s条件下3%含水率水稻向下火蔓延过程燃烧盘第3行典型位置温度变化Fig.9 Typical temperature of the 3th line of the combustion pan during the downward fire propagation process of rice of 3% moisture content with penetrating air velocity of 0.1 m/s

图10 3%含水率水稻堆垛在0.1 m/s贯穿气流条件下向下火蔓延速率(中轴线)Fig.10 Downward fire spread rate (central axis) of rice of 3% moisture content with 0.1 m/s penetrating airflow

图11 3%含水率水稻在0.1 m/s贯穿气流条件下燃烧过程中内部各热电偶位置引燃前受热温升速率Fig.11 The temperature rise rate of each thermocouple in the combustion process before ignition of rice of 3% moisture content with 0.1 m/s penetrating airflow

最后，图6～图9已给出含水率3%水稻在0.1 m/s贯穿气流条件下燃烧过程各内部典型位置引燃前的温升拟合速率，为进一步分析堆垛内部蔓延燃烧特性，图11给出了堆垛内25个热电偶所在位置的相应温升速率分布。由图11可见，在水稻堆垛内部中轴线各典型位置上的升温速率明显高于其他位置，中轴线上靠近下方(T16)位置的引燃前温升速率高达200.7 ℃/min，也对应于此时的快速引燃与剧烈燃烧。此外，越靠近中轴线且位于下方的区域，升温速率相对较大，体现了水稻堆垛较明显的向下蔓延燃烧行为，而横向蔓延速度相对较弱。因此，侧方边沿位置上的温升速率较低，也未着火燃烧。

3 结论

本文基于自主设计的贯穿气流条件下散粒堆垛引燃与纵深蔓延燃烧特性研究实验平台，针对2种含水率水稻，在不同贯穿气流条件下，开展了其引燃与蔓延燃烧特性实验，并辅以其热解特性测试，得到主要研究结论如下。

(1)水稻含水率对其引燃与燃烧特性具有重要影响。正常储存条件下的含水率13%的水稻难以着火，而含水率3%的干燥水稻在贯穿气流条件下易被引燃并形成剧烈燃烧。实验结果表明，对于含水率13%的水稻堆垛，在0 m/s、0.1 m/s和0.2 m/s贯穿气流条件下，电热细棒点火45 min仍未引燃；而含水率3%的水稻堆垛，在0.1 m/s贯穿气流条件下，电热细棒点火4 min后即发生燃烧与蔓延，燃烧过程中其内部最高温度高达1 200 ℃，典型位置处粮食在引燃前的最大升温速率约200 ℃/min，最快向下蔓延速度达0.8 cm/s。

(2)贯穿气流对于较高含水率水稻引燃有一定抑制作用。13%含水率水稻在3种贯穿气流条件下的45 min引燃实验结果表明，尽管都未引燃，但引燃结束后在水稻堆垛在电热细棒四周形成一个黑色的碳化圈，且贯穿气流越大，该碳化圈越小；此外，水稻堆垛最终质量损失也随贯穿气流增大而减小。因此，对于较高含水率水稻堆垛，机械通风气调过程，反而往往可抑制外界意外进入灼热源的引燃作用。

(3)尽管2种含水率的热重曲线的峰值及峰值温度接近，但是，其热重曲线并不能完全反应2种水稻的可燃特性。实验发现，含水率13%和3%的水稻的引燃与蔓延燃烧特性具有显著差异，然而，其热重曲线特征却十分接近。因此，被人们称为“热指纹”的材料热解失重参数，对于分析材料的可燃特性具有一定作用，然而，材料的实际引燃与蔓延燃烧行为，仍需较大尺度和较多因素考虑的针对性实验研究。