不同熱輻射強度下秸稈燃燒特性實驗研究

余明高,孟 牒,路 長,馬鴻雁

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作,454003)

不同熱輻射強度下秸稈燃燒特性實驗研究

余明高,孟 牒,路 長,馬鴻雁

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作,454003)

為了探討秸稈在不同規(guī)模火災中的燃燒特性,采用錐形量熱儀測得秸稈點燃時間、熱釋放速率、一氧化碳產(chǎn)生率等參數(shù)進行模擬實驗,結(jié)合熱重分析法研究秸稈的熱解過程。結(jié)果表明:隨著輻射強度的升高,秸稈由陰燃向明火轉(zhuǎn)化,熱釋放速率、煙釋放速率隨之加快,縮短了點燃時間并降低了CO等有毒氣體排放速率。熱重分析得到秸稈在各個溫度段下的反應情況,解釋了在不同輻射強度下秸稈點燃性能實驗現(xiàn)象及其反應機理,為防止火災事故發(fā)生提供了可靠的理論依據(jù)。

燃燒特性;秸稈;錐形量熱儀;熱重分析;陰燃

0 引言

生物質(zhì)能是僅次于煤、石油、天然氣的第四大能源,在世界能源消耗中占有一定的比例,人類為了自身的生存和發(fā)展,不斷尋找新能源,以減少或替代一次性能源消耗[1]。農(nóng)作物秸稈是數(shù)量極大的可再生資源,我國每年產(chǎn)量7億噸之多,應用非常廣泛,國外許多國家如美國、丹麥、英國和芬蘭等正在大規(guī)模推廣利用生物質(zhì)能發(fā)電,我國生物質(zhì)應用最典型的如秸稈,它可以制造保溫隔音門,板材,紙制品等。

秸稈在應用過程中,主要有兩個方面危害:一是引起建筑火災的危害,通常均是由于可燃物被點燃所致[2],這些可燃物包括由秸稈制造保溫隔音門,板材等。由此可見可燃物在火災中燃燒行為對建筑火災的發(fā)展起到非常重要的作用;二是利用秸稈燃燒發(fā)電時,產(chǎn)生大量的煙氣及有毒氣體,嚴重污染了大氣環(huán)境并且妨礙人民群眾的生產(chǎn)、生活。因此,秸稈的燃燒特性及火災危險性引起人們極大關(guān)注。

在以往對秸稈燃燒特性研究中,主要是基于熱分析對秸稈進行升溫、炭化、炭氧化、灰分升溫等過程研究[3,4]。在這些研究工作中,有關(guān)學者分析了秸稈在不同溫度區(qū)間的表觀活化能、頻率因子等燃燒動力學參數(shù),并提出了相應的燃燒機理[5,6]。對于秸稈在燃燒過程中的熱釋放速率、CO釋放速率、煙釋放速率等方面的研究卻非常少見。據(jù)統(tǒng)計在實際火災事故中,由于煙氣產(chǎn)生大量的CO等有毒氣體和秸稈由陰燃向明火的轉(zhuǎn)化造成的危害是最大的。本文利用錐形量熱儀,結(jié)合熱重分析,模擬現(xiàn)實中不同規(guī)?；馂?研究秸稈相關(guān)參數(shù)變化,得出燃燒特性及其熱解行為和成炭作用,為防止控制火災事故的發(fā)生具有一定指導意義。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗樣品為河南省焦作市附近農(nóng)村田地廢棄農(nóng)作物玉米秸稈。將采集回來的秸稈自然風干后,用粉碎機粉碎,經(jīng)過反復研磨到0.1mm作為試驗樣品。玉米秸稈工業(yè)與元素分析見表1[7]。由表1可以看出玉米秸稈的揮發(fā)份達到79.28%時,固定碳只有16.03%。秸稈自身易于燃燒,固定碳含量又低,揮發(fā)分在燃燒時放出大量的熱,而揮發(fā)分燃燒完畢后固定碳燃燒時放熱量低,在著火時難以控制,危害性大[8]。

表1 秸稈工業(yè)與元素分析(%)Table 1 Proximate and elementary analysis of straw

1.2 錐形量熱儀

錐形量熱儀是由英國 FTT公司生產(chǎn)的,實驗裝置如圖1所示。錐形加熱器最大加熱功率是5000W,熱輸出熱量0～100kW/m2,樣品盒可放置最大尺寸為100mm×100mm×50mm的樣品,本實驗將2mm厚密度為65.37kg·m-3的秸稈平鋪在100mm×100mm×3mm樣品槽內(nèi),樣品槽四周及底部用鋁箔紙包住。在室溫24℃,相對濕度60%,空氣流量24L/s下進行實驗。所選用的熱輻射功率分別為25kW·m-2(578℃)、30kW·m-2(626℃)、35kW·m-2(660℃)、50kW·m-2(750℃),不同的輻射功率可以真實反映出秸稈在中、小規(guī)?；馂闹惺艿降妮椛鋸姸?。根據(jù)計算機輔助分析得到秸稈燃燒過程中的氧氣濃度、一氧化碳和煙氣等燃燒參數(shù),確定和比較在不同輻射強度下的秸稈燃燒特性。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 熱同步分析儀

熱解實驗采用的是德國公司生產(chǎn)的STA449c熱同步分析儀,該儀器可對單一樣品進行熱重和差熱的測量。實驗主要是對秸稈及秸稈發(fā)生陰燃形成的多孔炭進行分析,實驗所選用的氣體為空氣,實驗樣品的質(zhì)量分別為1.856mg和2.381mg。采用的升溫速率為10K/min,空氣流量為60 L/min,溫度從室溫25℃升溫至800℃的實驗條件下研究秸稈的熱解特性。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 點燃性能分析

錐形量熱儀測定秸稈點燃時間,是指在電子點火器作用下,在秸稈表面形成穩(wěn)定火焰所需要的時間。秸稈點燃時間主要反映秸稈被點燃的難易程度,是評價秸稈燃燒特性重要參數(shù)之一。用數(shù)碼相機拍攝秸稈在受到不同輻射強度下秸稈的燃燒過程,如圖2所示。圖3a所示,是秸稈的原始初始狀態(tài),輻射強度在25kW·m-2、30kW·m-2時,秸稈沒有被點燃,發(fā)生陰燃后的形態(tài)如圖3b所示。提高輻射熱通量到35kW·m-2,秸稈經(jīng)過11.73s形成明火,在50kW·m-2時,秸稈經(jīng)過 3.54s形成明火,燃燒后的形態(tài)如圖3c所示。秸稈受到低于30kW·m-2輻射強度時沒有發(fā)生明火燃燒,只發(fā)生陰燃,當輻射強度達到35kW·m-2時,秸稈中含的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等可燃成分熱解并產(chǎn)生可燃氣,當這些可燃氣的濃度足夠高,同時外界提供的溫度滿足氣相反應所需要的熱量時,秸稈形成明火而燃燒,并且隨著輻射強度的加大,秸稈的著火時間越來越短。

2.2 秸稈的熱釋放速率

熱釋放速率是指單位時間內(nèi)單位面積材料燃燒釋放熱量的速率[9]。熱釋放速率大小是評價秸稈燃燒性的重要參數(shù)之一,熱釋放速率峰值是評價材料火災安全性能最重要的指標[10]。圖4可以看出秸稈的熱釋放速率隨著輻射強度的增大而加快,秸稈的熱釋放速率可以在經(jīng)過20s后達到峰值,最大熱釋放速率分別為:61.93kW·m-2、79.02kW·m-2、141.35kW·m-2、171.81kW·m-2。輻射強度增加將加快秸稈升溫速率,同時提供更高垂直向下的溫度,加快秸稈在燃燒過程中有機分解并釋放出大量的熱解可燃氣,達到氣相反應的條件,使秸稈形成有焰火燃燒。在低輻射強度下,秸稈全部碳化之后沒有形成有焰火,隨著可燃物的消耗,平穩(wěn)陰燃,秸稈的熱釋放速率趨于平緩。

2.3 煙及毒氣的釋放速率

圖2 秸稈燃燒過程Fig.2 Combustion process of straw

圖3 秸稈燃燒形態(tài)Fig.3 The state combustion of straw

圖4 熱釋放速率曲線Fig.4 Curve of heat release rate

秸稈燃燒過程中會產(chǎn)生濃煙,污染大氣環(huán)境,一氧化碳又是秸稈燃燒過程中釋放的主要有毒氣體之一。據(jù)統(tǒng)計,在火災中有80%人是死于煙氣中毒,所以研究不同輻射條件下秸稈燃燒產(chǎn)生煙和一氧化碳有毒氣體的釋放量,對防治火災過程中煙氣中毒有重要意義。輻射強度加大,秸稈陰燃由向明火轉(zhuǎn)化可以產(chǎn)生大量煙氣,而這些煙氣又是可燃的,同時伴隨著熱解速度加快,單位時間燃燒產(chǎn)物增多,煙氣密度加大,釋放的煙氣速率隨之加快。如圖5所示秸稈在燃燒過程中單位面積瞬時產(chǎn)煙量,煙的熱釋放速率隨著輻射強度的加大而加快。一氧化碳的熱釋放速率是指單位時間內(nèi)一氧化碳的釋放量,單位為g·s-1。與某一時刻,體系中一氧化碳的濃度正相關(guān)[11]。由圖6所示,CO熱釋放速率隨著輻射強度減小而加大,熱解速率相對比較高,劇烈燃燒時產(chǎn)生大量揮發(fā)性氣體,形成濃度梯度,抑制周圍氧氣的及時補給而降低了氧氣濃度。從而使較多的含碳物質(zhì)熱解發(fā)生不完全燃燒,生成CO及其他不完全燃燒有機物[12]。一氧化碳的釋放速率越大,燃燒越不充分,這與在25 kW·m-2時只發(fā)生陰燃反應,燃燒不充分的實驗現(xiàn)象相吻合。

圖5 煙釋放速率曲線Fig.5 Curve of smoke release rate

圖6 一氧化碳釋放速率曲線Fig.6 Curve of Carbon monoxide release rate

2.4 熱重分析

用錐形量熱儀分析秸稈點燃性能,燃燒過程中熱釋放速率,煙氣和有毒氣體等。為了更好評估秸稈在燃燒過程中的穩(wěn)定性,用熱重分析測量秸稈質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系,得出秸稈在不同溫度下質(zhì)量變化及失重速率。秸稈失重過程(TG曲線)及失重速率(DTG曲線)如圖7所示。秸稈在各個溫度段下的反應情況,可以解釋在不同輻射強度下秸稈點燃性能的實驗現(xiàn)象及其反應機理。同熱重分析可得,秸稈在100℃時出現(xiàn)一個失重峰,是由于秸稈中含的水分蒸發(fā)所致,而溫度在200℃-350℃時秸稈熱解速率加快,在此階段秸稈中的纖維素和半纖維素大量分解及木質(zhì)素軟化和分解,有炭和揮發(fā)性物質(zhì)生成。纖維素和半纖維素的分解大部分生成揮發(fā)物,而木質(zhì)素分解則主要生成炭。此階段揮發(fā)分析出70%,殘留30%的炭。當溫度達到450℃時,秸稈進入殘?zhí)垦趸A段,固定碳氧化分解放出熱量。而在錐形量熱儀實驗過程中,采用的最小輻射熱量25kW·m-2相當于578℃,此溫度可以提供足夠熱解可燃氣,氧氣和一定的輻射熱流密度。提高輻射強度,秸稈在陰燃區(qū)所受到的熱流密度加大,又由于有足夠的氧氣和熱解可燃氣,容易達到氣相反應所需要的條件,秸稈形成有焰火而燃燒。

圖7 秸稈的TG及DTG曲線Fig.7 The TGand DTGcurve of straw

3 結(jié)論

(1)經(jīng)熱重和錐形量熱儀分析證明,秸稈受到一定的輻射熱后先后經(jīng)歷四個階段,脫水干燥、可燃氣體的析出、炭化階段、可燃氣體的燃燒和炭表面的燃燒;

(2)不同熱輻射強度下,秸稈的熱釋放速率曲線相似;同時熱釋放速率隨著輻射強度的增加而增加;

(3)煙氣、一氧化碳的釋放速率與熱釋放速率峰值變化規(guī)律相同;相對于明火燃燒秸稈發(fā)生陰燃時,生煙能力強,同時一氧化碳釋放的速度快、產(chǎn)生的濃度高,并伴隨大量有毒氣體,對人的危害更大。

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Experimental study on the burning behavior of straw with different radiant intensities

YU Ming-gao,MENG Die,LU Chang,MA Hong-yan

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

To recognize the burning behavior of straw with different fire sizes,the combustion characteristics of straw were studied by using cone calorimeter and thermogravimetry analysis(TGA),whereby various fire parameters were measured including the ignition time,heat release rate,and rate of carbon monoxide production.The test results showed that with the increase of radiation intensity,the straw underwent the transition from smoldering to flaming combustion,with increase of heat and smoke release rates,which decreased the ignition time and the release rare of CO and other gases.The reactions of straw during various temperature conditions were clarified,whereby the characteristics and reaction mechanism of straw ignition in different radiation intensities by TGA are interpreted.

Combustion characteristics;Straw;Cone calorimeter;Thermogravimetry analysis;Smoldering

X931

A

1004-5309(2010)-0212-05

2010-06-16;修改日期:2010-09-17

國家自然科學基金資助項目(50974055,50906023);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(092300410045,082300463205);河南理工大學學位創(chuàng)新基金(2009-M-35)

余明高(1963-),男,河南省特聘教授,博士生導師。主要從事火災防治理論與技術(shù)方面的教學與科研工作?，F(xiàn)任河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯災害防治國家重點實驗室培育基地副主任、河南理工大學火災防治技術(shù)研究所所長。