泥炭阴燃过程气体排放特征分析

梁志荣，陈玉莹，林少润, 2，黄鑫炎, 2

泥炭阴燃过程气体排放特征分析

梁志荣1，陈玉莹1，林少润1, 2，黄鑫炎1, 2

(1.香港理工大学消防安全工程研究中心，香港 999077；2. 香港理工大学深圳研究院，深圳 518057)

森林火灾中的泥炭阴燃是地球上尺度最大的燃烧现象，会产生可以影响全球气候变化的超大规模的碳排放，以及大面积可以跨越国界的有毒雾霾．本文利用小尺度实验探究不同供氧速率对泥炭阴燃过程中一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)排放特性的影响．研究表明，CO和CO2在泥炭热解主导阶段的排放速率最大，而在炭氧化主导的阶段显著减小．当截面供氧速率从8.5mm/s增长至28mm/s时，CO和CO2排放因子分别平均增长5倍和6倍．本项研究对理解阴燃林火的排放特性有着重要的科学指导，对改善阴燃林火的监测和预报有着积极的现实意义．

泥炭阴燃；碳排放；供氧速率；排放因子

阴燃林火是地球上尺度最大、持续时间最长的燃烧与火灾现象，可导致跨国界的雾霾，造成巨大的经济损失，并严重破坏生态平衡．阴燃林火主要发生在热带雨林、温带和寒带的泥炭土层，如北美洲南部、东南亚、亚马逊雨林、欧亚大陆北部地区等[1]．阴燃泥潭泥炭由植物残体经过缓慢分解而形成，形成的速度约为每年1mm[2]．泥炭地虽然仅占地球陆地面积的2%～3%，却储存着约25%的土壤碳，接近甚至超过地球大气或地表所有植被所储存的碳[3]．分布在温带和寒带地区的泥炭土层占泥炭总量的80%以上[4]，主要由泥炭苔或泥炭藓在潮湿与偏酸性的环境无法完全腐败分解而形成，通常土层较厚，可达数米．而热带泥炭土层主要是由树木残体形成，一般有机土层比较薄[5]．

一般而言，阴燃林火被点燃可能是自然因素(如闪电、热自燃、火山爆发、地表明火等)，也可能是人为因素(如不良的林地和生态管理、意外点火、人为纵火等)[2,6]．阴燃林火一旦被点燃就能在地下严苛的环境下传播蔓延，甚至持续燃烧数月甚至数年[7]．阴燃林火作为全球影响范围最大、持续时间最长的燃烧现象，其燃烧排放对全球碳平衡和区域空气质量起着重要作用[8]．由于全球泥炭土层储存的土壤碳高达800Gt，一旦阴燃林火失控，大量的固定碳就会被释放到大气中，对全球碳平衡产生重要影响．同时，阴燃的排放产物中含有大量不完全燃烧的气体产物和细颗粒物，这些排放物与大气混合后可形成气溶胶并造成区域性的雾霾现象[3,8]．如1997年的厄尔尼诺效应导致全球气候异常，持续的干燥使东南亚阴燃林火失控，形成了严重的雾霾，导致数万人因呼吸系统障碍住院．同时，雾霾还导致了印尼鹰航空152号班机坠机和马六甲海峡的货轮相撞等重大事故[9]．

泥炭阴燃产生的最主要的4种气态排放产物包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)和氨气(NH3)．在这些气态排放产物中，CO2和CH4是大气生命周期最长的温室气体，而CO和NH3以及其他的非甲烷有机化合物(NMOCs)则在大气过程自由基的生成和消耗以及光化学过程中扮演重要的角 色[9-10]．CO和CO2在泥炭阴燃气态排放物中的占比超过95%，且CO排放极高，严重威胁居民的生命健康[11]．因此，对泥炭阴燃过程中CO及CO2的排放 规律开展详细的研究具有十分重要的理论和现实意义[12]．

一般森林可燃物发生并维持明火需要的最低氧体积分数约为16%[13-14]，而阴燃火需要的氧气体积分数可低至12%[15-16]．因此，阴燃林火和地下煤火都可以在地表以下、供氧极为受限的燃料层中持续燃烧和蔓延．由于阴燃极其顽强，目前仍无法准确探测地下火点的位置并确定扑火的效果．如果在阴燃初期能够对其特征气体进行识别，则有利于及时发现火源，对火灾安全有重要意义．因此，本文利用小尺度实验探索了阴燃泥炭在不同供氧速率下气体排放产物CO和CO2的演化特性，以期对未来阴燃林火的探测和扑灭起到一定的参考和指导作用．同时，研究阴燃过程中气体的排放有利于对阴燃复杂机理的认识，并为大尺度场地实验和模拟提供基础数据支撑．

1 实验设计

本研究采用的泥炭采自北欧寒带地区(爱沙尼亚北部)，其干密度为145kg/m3，孔隙率为0.90，燃料中C/H/O/N/S的成分质量分数分别为44.2%/6.1%/49.1%/0.5%/0.1%[17]．根据不同氧气浓度下的热重实验，该泥炭的挥发分为72%，灰分为3%，固定碳为25%．该泥炭物质分布及理化特性均匀，被广泛地应用在以往的研究中[17-19]．在实验前，泥炭先在90℃的烤箱中充分干燥48h，然后储存在密封箱内，以避免其再次吸收空气中的水分．

本实验自行设计并搭建了高度为20cm、内径为10cm的玻璃反应器，如图1所示．在反应器底部布置空气进气口，并通过在底部平铺2cm高的细沙来保证供气的均匀性．在反应装置轴向中心自下而上均匀地布置了5根镍铬-镍硅合金材质的热电偶，相邻热电偶的距离为3cm，以实时监测阴燃反应过程中不同位置的温度变化．实验前，将(180±10)g经预处理后的泥炭填充在反应器内．本研究着重研究不同空气供氧速率下泥炭阴燃的气体排放特性，同时关注反应过程的燃料温度、质量变化特征．

本文共研究4种空气供给速率，分别为8.5mm/s、15mm/s、21mm/s和28mm/s，即截面的整体速度．值得注意的是，在多孔介质内部的局部空气流速应该更高．当下端供给气流稳定后，利用LPG点火器从上表面对燃料进行为时2min的点火，并在点火成功后启动位于反应器下端的天平，以实时测量阴燃过程燃料的质量损失速率．所有的阴燃实验均在室温为(23.0±2.0)℃、相对湿度为(60.0±7.5)%的环境条件下进行．实验的全过程由Go-pro摄像机以0.1Hz的帧频拍摄记录．每个工况至少进行2次重复实验，以确保实验的可重复性并实现误差分析．

对于阴燃排放采样系统，反应器上方的通风橱将所有的阴燃排放烟气收纳，通风橱中气流均匀段利用泵体抽吸～2L/min的局部流，在经过石英滤膜过滤颗粒物后，以供给TSI 7575气体分析仪对CO和CO2进行频率为0.3Hz的实时分析．为了获得目标气体排放因子，通风橱阀需保持一定开度，以保证所有的烟气都被吸入橱管．本实验通过Testo 405i测量的橱内气流速度计算得到通风橱抽吸总气体体积流量为(0.015±0.01)m3/s．目标气体排放因子的计算方法如下[20]：

图1 泥炭阴燃排放实验装置示意

2 实验结果与分析

2.1 温度特性曲线

图2(a)展示了泥炭阴燃的典型温度随时间变化特性曲线(以21mm/s空气流速为例)．由于从泥炭上部点火，因此距离泥炭表面最近的热电偶(12cm)首先升温，并在25min内达到530℃的温度峰值．随着泥炭消耗下沉，热电偶所测得的温度迅速下降．6cm和9cm处的热电偶遵循类似的温度变化趋势，但由于泥炭阴燃反应面在初始阶段自上而下传播，所以温度变化略微滞后．在25min时，位于最下方的热电偶(0cm)温度升高至大于600℃，这表明此时阴燃热解锋面已传播至泥炭底部，阴燃过程逐渐由热解主导转变成由炭氧化反应主导[18]．由于氧化反应为剧烈的放热过程，从而使反应器底部的热电偶(0～3cm)温度持续升高，在39min时达到860℃的峰值温度．此后，随着炭氧化反应逐渐减弱阴燃温度开始下降，直至约95min泥炭完全消耗，阴燃熄灭(＜250℃).图2(b)展示了不同供氧速度对泥炭阴燃温度的影响(以底部温度为例)．当供氧速度从8.5mm/s增加至21mm/s，阴燃峰值温度从509℃显著上升至860℃(提升＞350℃)，当供氧速度进一步增加至28mm/s时，阴燃峰值温度进一步提升至882℃．同时，供氧速度提升促使异相氧化反应增强，阴燃温度峰值出现时间前移．

2.2 质量损失及质量损失速率

泥炭阴燃过程中的质量损失随时间变化特征曲线如图3(a)所示，总体而言，点火后泥炭燃料质量迅速减少，随后质量变化趋于平缓．在15～28mm/s的较高供氧速率下，泥炭质量在30min内迅速消耗，质量损失大于70%．该阶段的质量损失接近于该泥炭挥发分的含量(72%)[17]，因此，第1阶段的质量损失由热解反应主导．在8.5mm/s的极低供氧速率下，由于单位时间氧通量降低，泥炭质量损失缓慢，第1阶段持续超过60min，之后质量变化才趋于平稳．

图2　　泥炭阴燃过程中的温度曲线分布和不同供氧速度下底部温度的变化特性

图3　　不同供氧速度下泥炭阴燃单位截面的质量损失及质量损失速率

图3(b)进一步给出了质量损失速率随时间变化特征曲线．可以发现，随着供氧速度从8.5mm/s增加至21mm/s，阴燃质量损失速率不断增大，速率峰值点从26g/(m2·s)增加至83g/(m2·s)．这是因为随着供氧速度的增加，炭氧化反应加剧，阴燃锋面的温度提升(见图2)，从而促进了泥炭的热解，并加大了质量损失速率．然而，当供氧速率从21mm/s提升至28mm/s时，气流从轴向带走的热量以及燃烧器径向导热损失增强，散热效应的加剧使质量损失速率提升并不显著，此时质量损失速率峰值点为88g/(m2·s).

2.3 一氧化碳和二氧化碳排放特性

泥炭阴燃过程会产生大量的CO和 CO2，文献中对其排放特性的研究，特别是在不同供氧情况下的研究鲜见报道．图4展示了泥炭阴燃在不同供氧速率下一氧化碳和二氧化碳的排放特性．如图4(a)所示，CO的排放速率在阴燃初始阶段不断增加，达到峰值后逐渐下降，在25min后一直维持较低水平直至燃尽．同时，CO2的排放速率也展现出类似的规律(图4(b))．当泥炭试样被点燃后，其热解锋面向氧气供应的方向迅速扩张[18]，从而使CO和CO2排放速率增大；在阴燃热解锋面到达燃料底部后，热解反应逐渐减弱，CO和CO2排放速率逐渐减小．随着氧化反应逐渐主导阴燃过程，炭氧化过程中的CO和CO2排放速率远小于热解过程的排放速率．可以发现，气体排放速率的变化特征与燃料质量损失速率(图3(b))中呈现出良好的一致性．

不同供氧速度会对CO和CO2的排放速率产生不同的影响，当供氧速度从8.5mm/s增加至15mm/s，CO和CO2的峰值排放速率从0.17g/min和0.6g/min分别提升至0.49g/min和2.8g/min．当供氧速度进一步提升至28mm/s时，CO和CO2的峰值排放速率达到0.9g/min和7.7g/min的最高值．实验中发现：在阴燃热解阶段，低供氧速率(8.5mm/s)下产生的烟气较少；而当供氧速率提升时(＞15mm/s)，大量烟气往外释放，并在21～28mm/s供氧条件下尤为明显．而到了氧化反应阶段，阴燃烟气排放在各供氧速度条件下均显得微弱．

阴燃排放因子是衡量燃料阴燃过程产生温室气体排放和污染物能力的一个重要的指标．图5展示了不同供氧速度下CO和CO2的排放因子随时间的变化规律．点火成功后，CO排放因子缓慢增加，在8.5mm/s、15mm/s、21mm/s和28mm/s的供氧条件下于90min内从零分别增长至约79g/kg、122g/kg、121g/kg及393g/kg．CO2排放因子也呈现相同的规律，从零对应增长至约430g/kg、992g/kg、1100g/kg及4750g/kg．由此可见，CO和CO2的排放因子量级分别为102g/kg和103g/kg，这与前人在类似的泥炭阴燃实验中产生的气态污染物的排放量级一致[20]．

图4 不同供氧速率下泥炭阴燃两个阶段过程中CO和CO2的排放速率

图5　　不同供氧速度下泥炭阴燃过程中CO和CO2的排放因子

在阴燃过程氧化阶段中后期，随着供氧速率的增加，氧化反应的加剧提升了单位质量燃料产生气体污染物的能力．相比于8.5mm/s的低空气流速，CO和CO2排放因子在高供氧速率下(28mm/s)大幅提升5～6倍，接近甚至超过空气流速的增幅．此外，气体污染物排放因子提升说明泥炭阴燃中的异相反应速率随着供氧速率，近似等比例增高．因此，可以推断出在有环境风提高供氧的情况下，泥炭阴燃的温室气体和污染物排放因子也会大幅增加．气态污染物排放因子的提升说明此时的气体排放产物需进一步处理，以减少其释放后对大气环境的危害．当然，存在环境风可以稀释污染物，但也可以加速污染物扩散，扩大雾霾的范围．

3 结 论

本文利用小尺度实验探索了阴燃泥炭在不同供氧速率下气体排放产物一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，主要结论如下：

(1)当供氧速度从8.5mm/s增加至28mm/s时，阴燃反应增强，峰值温度提升大于 350℃，质量损失速率峰值近似等比例增加．

(2)泥炭阴燃热解阶段CO和CO2排放速率最高，而在氧化阶段显著减小．若需有效控制阴燃过程中产生的气体污染物，应着重对热解过程进行控制．

(3)当供氧速度增加，异相炭氧化反应增强，内部加热导致热解随之增强；此时CO和CO2排放因子平均增长5～6倍，激增的污染物需进一步处理．

未来的工作将进一步探索不同燃料密度和含水率作用下泥炭阴燃的排放特性，以提出探测地下泥炭火的有效方法．

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Emission Characteristics of Smoldering Combustion of Peat

Liang Zhirong1，Chen Yuying1，Lin Shaorun1, 2，Huang Xinyan1, 2

(1. Research Centre for Fire Safety Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077，China；2. Shenzhen Research Institute，The Hong Kong Polytechnic University，Shenzhen 518057，China)

Smoldering wildfire in peatland is one of the largest combustion phenomena on Earth，producing large amounts of carbon emissions that can accelerate the climate change，and is responsible for cross-border haze events. In this work，small-scale experiments were conducted to investigate the effects of oxygen supply rate on the emission characteristics of carbon monoxide(CO)and carbon dioxide(CO2)during the smoldering combustion of peat. Results showed that the emission rates of CO and CO2are higher in the pyrolysis period but lower in the oxidation period. As the airflow velocity increases from 8.5mm/s to 28mm/s，the emission factors of CO and CO2increase by 5 and 6 times，respectively. This study has important scientific guidance for understanding the emission characteristics of smoldering combustion and has positive practical significance for improving the monitoring and prediction of smoldering forest fire.

smoldering peat fire；carbon emissions；oxygen supply；emission factor

10.11715/rskxjs.R202305033

TK11

A

1006-8740(2023)04-0429-06

2022-03-15.

国家自然科学基金资助项目(51876183).

梁志荣(1988—  )，男，博士，zhirong.leung@outlook.com.

黄鑫炎，男，博士，助理教授，博士生导师，xy.huang@polyu.edu.hk.

(责任编辑：梁 霞)