堆积密度对棉花阴燃特性及残留物形貌的影响研究.pdf
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1、消防理论研究Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11堆积密度对棉花阴燃特性及残留物形貌的影响研究岳海玲,郭子东(中国人民警察大学 侦查学院,河北 廊坊 065000)摘要:为研究棉花在加工和使用状态下的阴燃情况,选用密度分别为 20、40、60、80 kg/m3的棉花块,采用底部加热的方式进行试验,研究了密度对阴燃特性及残留物的影响。结果表明,随着密度的增大,棉花样品的孔隙率、空气渗透系数发生变化,临界阴燃温度升高约 35,蔓延速率降低 50%60%,阴燃持续时间从 2 500 s 延长至 5 000 s,阴燃结束后的收缩程度
2、减小,坍塌程度增大。阴燃残留物为黑色絮状物包裹内部灰白色灰烬,灰烬体积随密度增大而增加。研究结论可以为棉花阴燃火灾的预防与火场勘验提供参考。关键词:棉花;阴燃;燃烧残留物;热重分析;临界阴燃温度中图分类号:X932;TU998.1文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)11-1462-05棉花作为一种关系国计民生的战略物资,是生产生活中最重要的天然纤维原料之一,通常以不同密度的形式存在,由于其易阴燃性,在仓储、加工、打包、运输、零售和使用过程中易发生阴燃1-4。对于棉花的阴燃,国内外学者从不同角度进行了研究。CHAN T K 等5通过试验研究发现,棉花的阴燃温度会随着密度的增加
3、而降低。HAGEN B C 等6发现,当阴燃与二次碳氧化并存时,棉花的阴燃会向明火转变。WAKELYN P J 等7认为,当棉包密度达到 387.3 kg/m3时,阴燃不会持续蔓延。XIE Q Y 等8认为,棉花阴燃蔓延速率和峰值温度随风速的增加而增大。赵志新等9发现,随着堆积密度、相对湿度的增加,棉花阴燃的临界点燃热辐射通量增高。王进军等10分析了棉花早期阴燃过程的质量损失、烟气浓度以及图像特征变化特征。童华伟11认为,香烟会引燃棉被,棉被的存放形式会影响其燃烧过程。张志刚12针对平均密度为 225 kg/m3的棉包,进行了不同风速下的阴燃试验研究。这些研究大多针对仓储状态的高密度棉花,对加
4、工、零售或使用等状态较低密度棉花的阴燃过程研究较少,尚无从火灾原因调查角度分析密度对阴燃残留物的影响的研究。笔者以零售的棉花为研究对象,采用底部热源的加热方式,探究密度对棉花阴燃过程及其残留物形貌的影响,以期为棉花阴燃火灾的预防与调查提供参考。1试验样品与方法1.1棉花阴燃试验试验样品:天然长绒棉,密度分别为 20、40、60、80 kg/m3。试验时,用细钢丝网将样品辅助固定为边长 10 cm 的立方体。试验设备:天平(01 500 g,0.1 g);电阻丝炉(500 W);钢板(120 mm120 mm2 mm)。试验方法:将钢板用电阻丝炉加热到一定温度,停止加热,将棉花样品放于钢板上方。
5、用热电偶测量样品不同位置的温度。当样品阴燃结束,温度降至 50 时停止测温。记样品密度为;样品底部中心点温度为 T0-0-;垂直中心线温度为 Tk-0-(k=1,2,3,距底部中心点分别为 2.5、5.0、7.5 cm),其四侧 2.5 cm 处温度为 Tk-m-(k=1,2,3;m=1,2,3,4)。试验方法示意图见图 1。1.2棉花热解试验试验样品:天然长绒棉,(60.1)mg。试 验 设 备 及 方 法:采 用 热 重/同 步 差 热 分 析 仪(NETZSCH STA-449F3),将试样置于 70 L 氧化铝坩埚中进行试验。气氛为氧体积分数为 21%的氧氮混合气,流量为 100 mL
6、/min;升温速率为 20/min,升温范围为 30700。2密度对棉花阴燃临界温度的影响将钢板加热至温度 T0-时切断电源,同时将样品放置于金属板正上方。测量棉花下表面中心处的温度,将其最高温度值记为 Th-,并观察现象。将棉花中心处升温速率加快、温度曲线出现拐点作为阴燃发生的判断依据。如棉花未阴燃,则将 T0-升高 5 重复试验,直至出现阴燃现象,结果见表 1。将表 1 中的 T0-0-与 T0-h-值作图,见图 2。对图 2中未阴燃时的温度值作线性拟合,拟合度均大于 0.99,可以认为在未阴燃状态下,同密度样品的 T0-0-与 T0-h-值呈直线关系。随着样品密度的增加,拟合直线的斜率减
7、小。将样品的末次未阴燃和首次阴燃最高温度分别记为 T0-h-和 T0-f-,将 T0-f-值与拟合线的交点值记为细钢丝网棉花热电偶热钢板电阻丝炉天平竖截面T3-2-T3-0-T3-4-T2-2-T2-0-T2-4-T1-2-T1-0-T1-4-T0-0-横截面(k=1,2,3)棉花热电偶细钢丝网Tk-3-Tk-4-Tk-0-Tk-2-Tk-1-(a)竖截面(b)横截面图 1试验方法示意图Fig.1Schematic diagram of test method基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(ZC2021037)T0-h-。由于未阴燃时样品的 T0-0-与 T0-h-值呈线性关系,可认
8、为 T0-h-T0-h-是样品的临界阴燃温度范围。T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况见图 3。从图 3可以看出,随着密度的增加,T0-h-和 T0-h-值下降,临界阴燃温度范围值减小。孔隙率是密度对临界温度变化的影响的最大因素,计算公式见式(1)。=V0-VV0 100%=-0 100%(1)式中:V0为样品的表观体积,m3;V 为绝对密实体积,m3;0为表观密度,kg/m3,试验中为 2080 kg/m3;为棉纤维密度,试验中为 1 440 kg/m3。根据式(1)可得,棉花表观密度越大,孔隙率越小,棉花样品内部所含空气的体积越少。渗透系数与孔隙率的关系见式(2)。K=1.04 101
9、12(1-)1.22 (2)样品的密度参数值见表 2。由表 2可知,样品的密度越小,孔隙率越大,渗透系数越大,棉花样品内部空气流动性越大。在阴燃过程中,密度小的样品在加热过程中受空气流动性影响大,蓄热难度大,温度升高慢,临界阴燃温度升高。3密度对棉花阴燃特性与残留物形貌的影响3.1棉花阴燃过程分析样品 T0-0-处温度达到 T0-h-时停止加热。在同一横截面上,Tk-m-的变化趋势基本相同,取 Tk-3-值进行讨论。图 4为 Tk-3-随时间变化情况。时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-20T1-0-20T2-0-20T3-0-20T1
10、-3-20T2-3-20T3-3-20(a)20 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-40T1-0-40T2-0-40T3-0-40T1-3-40T2-3-40T3-3-40(b)40 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-60T1-0-60T2-0-60T3-0-60T1-3-60T2-3-60T3-3-60(c)60 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-80T1-0-80T2-0-80T3-
11、0-80T1-3-80T2-3-80T3-3-80ABCD(d)80 kg/m3图 4样品阴燃过程中温度随时间变化情况Fig.4Temperature as a function of time for samples从图 4 可以看出,不同密度样品在阴燃过程中,相同位置的温度呈现出相似的趋势。随着密度的增大,样品垂直中心上温度 T1-0-T3-0-呈“几”字形趋势,T0-0-曲线由三角形逐渐过渡到马鞍形,Tk-3-总体呈现为锥形,升温持续时间延长。图 5 为样品在空气气氛下的热解-放热曲线。由图 5可知,样品在空气气氛下、升温速率为 20/min时的引燃温 度 为 284.9 ,热 解 结
12、束 和 放 热 最 大 值 对 应 温 度 为440。由于 T0-0-测温点贴近钢板,在短时间内温度迅速表 1金属板的温度与对应样品的最高温度Table 1The temperature of the metal plate and the maximum temperature of the corresponding sampleT0-0-/200 210 220 230 240 250 260 270 280380360340320300280T0-h-/T0-h-T0-h-T0-f-T0-h-20T0-h-40T0-h-60T0-h-80T0-h-20线性拟合T0-h-40线性拟合T0
13、-h-60线性拟合T0-h-80线性拟合图 2样品的 T0-0-与 T0-h-关系图Fig.2Relationship between T0-0-and T0-h-of the samples样品密度/kg/m320 30 40 50 60 70 80360350340330320310温度/T0-h-T0-h-图 3T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况Fig.3T0-h-and T0-h-as a function of density for samples表 2样品的密度参数值Table 2The density parameter values of the samples1462
14、消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期T0-h-。由于未阴燃时样品的 T0-0-与 T0-h-值呈线性关系,可认为 T0-h-T0-h-是样品的临界阴燃温度范围。T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况见图 3。从图 3可以看出,随着密度的增加,T0-h-和 T0-h-值下降,临界阴燃温度范围值减小。孔隙率是密度对临界温度变化的影响的最大因素,计算公式见式(1)。=V0-VV0 100%=-0 100%(1)式中:V0为样品的表观体积,m3;V 为绝对密实体积,m3;0为表观密度,kg/m3,试验中为 2080 kg/m3;为棉纤维密度,试验中为 1 440 kg/m3。根
15、据式(1)可得,棉花表观密度越大,孔隙率越小,棉花样品内部所含空气的体积越少。渗透系数与孔隙率的关系见式(2)。K=1.04 10112(1-)1.22 (2)样品的密度参数值见表 2。由表 2可知,样品的密度越小,孔隙率越大,渗透系数越大,棉花样品内部空气流动性越大。在阴燃过程中,密度小的样品在加热过程中受空气流动性影响大,蓄热难度大,温度升高慢,临界阴燃温度升高。3密度对棉花阴燃特性与残留物形貌的影响3.1棉花阴燃过程分析样品 T0-0-处温度达到 T0-h-时停止加热。在同一横截面上,Tk-m-的变化趋势基本相同,取 Tk-3-值进行讨论。图 4为 Tk-3-随时间变化情况。时间/s01
16、 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-20T1-0-20T2-0-20T3-0-20T1-3-20T2-3-20T3-3-20(a)20 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-40T1-0-40T2-0-40T3-0-40T1-3-40T2-3-40T3-3-40(b)40 kg/m3时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-60T1-0-60T2-0-60T3-0-60T1-3-60T2-3-60T3-3-60(c)60 kg/m3
17、时间/s01 0003 0005 0006005004003002001000温度/T0-0-80T1-0-80T2-0-80T3-0-80T1-3-80T2-3-80T3-3-80ABCD(d)80 kg/m3图 4样品阴燃过程中温度随时间变化情况Fig.4Temperature as a function of time for samples从图 4 可以看出,不同密度样品在阴燃过程中,相同位置的温度呈现出相似的趋势。随着密度的增大,样品垂直中心上温度 T1-0-T3-0-呈“几”字形趋势,T0-0-曲线由三角形逐渐过渡到马鞍形,Tk-3-总体呈现为锥形,升温持续时间延长。图 5 为样品
18、在空气气氛下的热解-放热曲线。由图 5可知,样品在空气气氛下、升温速率为 20/min时的引燃温 度 为 284.9 ,热 解 结 束 和 放 热 最 大 值 对 应 温 度 为440。由于 T0-0-测温点贴近钢板,在短时间内温度迅速表 1金属板的温度与对应样品的最高温度Table 1The temperature of the metal plate and the maximum temperature of the corresponding sample项目T0-0-20T0-h-20T0-0-40T0-h-40T0-0-60T0-h-60T0-0-80T0-h-80是否阴燃温度/2
19、50.0307.6240.0312.3225.0310.1210.0285.5否255.0313.4245.0319.7230.0314.3215.0294.5260.0322.5250.0323.7235.0315.9220.0300.6265.0335.4255.0335.2240.0326.8225.0304.6270.0345.9260.0341.1245.0332.1230.0310.3275.0368.4265.0365.4250.0362.1235.0353.2是T0-0-/200 210 220 230 240 250 260 270 280380360340320300280
20、T0-h-/T0-h-T0-h-T0-f-T0-h-20T0-h-40T0-h-60T0-h-80T0-h-20线性拟合T0-h-40线性拟合T0-h-60线性拟合T0-h-80线性拟合图 2样品的 T0-0-与 T0-h-关系图Fig.2Relationship between T0-0-and T0-h-of the samples样品密度/kg/m320 30 40 50 60 70 80360350340330320310温度/T0-h-T0-h-图 3T0-h-和 T0-h-值随密度变化情况Fig.3T0-h-and T0-h-as a function of density for
21、 samples表 2样品的密度参数值Table 2The density parameter values of the samples密度/kg/m320406080孔隙率0.9860.9720.9580.944空气渗透系数K18.47210127.70610124.56510123.12010121463Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11升高。之后,随着附近棉花阴燃完全,在 400 附近开始降温。这个温度低于棉花热解结束温度,可能与阴燃试验中热量传递有关系。温度在下降到 250 附近时减缓。当密度为 60 kg/m
22、3时,T0-0-在 1 900 s 附近出现一个小峰,此时周围样品传递给测温点的热量高于散热量。密度进一步增大时,峰值出现时间后移,维持时间延长。T1-3-在初始阶段升温趋势主要受下方样品阴燃放热影响,达到 470 后,样品阴燃放热与向周围散热差值最大,之后开始缓慢下降。由于蓄热作用,这个值略高于图 5 中放热最大值所对应的温度值。由于样品蓄热以及阴燃程度不同的影响,最大温度值以及降温时间随着密度的增大而小幅增加。当 T1-3-在 280 附近时,T2-3-曲线出现拐点。此时测温点样品发生阴燃,放热量增大,升温速率加快。随着样品密度增大,拐点对应温度升高,这可能是因为阴燃前热解时间较长,样品中
23、轻组分含量较低导致。T3-3-曲线拐点所对应温随密度变化较大,在样品密度低于 60 kg/m3时,在 150 附近时出现;当密度增大时,拐点值在 280 时出现。由于蓄热作用,T3-3-最大值在 480530。样品在受热过程中,首先热解,释放可燃气体并形成多孔碳,然后发生氧化反应,放出热量,阴燃蔓延。根据样品阴燃的不同阶段,可分为热源加热区(A 区)、阴燃发生区(B 区)、稳定阴燃区(C 区)和散热冷却区(D 区),见图 4(d)。同密度样品在阴燃不同阶段,所呈现出的形貌不同。图 6是密度为 80 kg/m3样品在不同时间段的形貌,其他密度下样品也呈现出相似的特征。A 区为热源加热区。该区域初
24、始阶段,T0-0-主要为钢板温度,之后为样品阴燃放热温度。随着阴燃的进行,样品放热量增加,当与散热差值最大时,T0-0-最大。此阶段其他温度值变化不大,外观没有明显变化。样品的典型形貌见图 6(a)。B区为阴燃发生区。该区域样品阴燃开始向上蔓延。随着与钢板接触部分棉花阴燃结束,T0-0-开始下降。由于下层样品的热量传递,T1-m-缓慢上升。当热量达到阴燃温度后,样品开始放热,T1-m-迅速升高。T2-m-、T3-m-相对滞后,但整体趋势相似。样品的典型形貌见图 6(b)、图 6(c)。(a)底部开始阴燃(b)阴燃开始向上蔓延(c)阴燃蔓延至中部(d)样品全部发生阴燃(e)样品四周发生炭化(f)
25、阴燃结束图 6样品在不同时间段的形貌(=80 kg/m3)Fig.6Morphology of samples at different time periods(=80 kg/m3)C 区为稳定阴燃区。该区为样品由炭化区向残灰区过度。此阶段样品整体阴燃,温度值最高。由于 Tk-0-测温点位于样品正中心垂线上,周围炭化后样品的保温作用,以及阴燃后样品的收缩阻碍了氧气向内部的扩散,使该区域相对同水平面上其他温度较高,且较为平稳,保持高温状态时间较长。上下层样品散热较快,T3-m-最先开始降低,随后是 T1-m-。此阶段样品出现收缩现象,典型形貌见图 6(d)、图 6(e)。D 区为散热冷却区。位
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