森林凋落物的陰燃實(shí)驗(yàn)研究*

歷美岑,辛穎

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林凋落物的陰燃實(shí)驗(yàn)研究*

歷美岑,辛穎

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以帽兒山實(shí)驗(yàn)林場的森林凋落物為燃燒材料,在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中,進(jìn)行陰燃實(shí)驗(yàn)，記錄陰燃過程的溫度變化，分析凋落物的陰燃特性以及含水率、松散程度、空氣流速對陰燃傳播過程的影響,用氣相色譜儀來檢測陰燃過程中的氣體組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：陰燃的主要揮發(fā)氣體為CO、CO2。陰燃的傳播速度隨著空氣流速、凋落物松散程度增大而加快，隨著凋落物的含水率增加而減慢。該種凋落物具有比較容易引燃、燃燒時間長，蔓延速度較慢、高溫維持時間較長的特點(diǎn)。

森林凋落物；陰燃；空氣流速；含水率；凋落物松散度

森林凋落物也可稱為枯落物或有機(jī)碎屑,是指在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),由地上植物組分產(chǎn)生并歸還到地表面,作為分解者的物質(zhì)和能量來源,借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機(jī)質(zhì)的總稱[1]。陰燃是靠異相化學(xué)反應(yīng)放熱，實(shí)現(xiàn)自維持傳播的燃燒方式，與有焰燃燒相比，陰燃可以在較低的外界熱源及氧氣濃度下持續(xù)，潛伏時間長[2]。陰燃與凋落物結(jié)合可能帶來災(zāi)難性的后果。2010年6-8月，俄羅斯遭遇近130年以來最熱的夏季，持續(xù)的高溫和干旱使俄羅斯中部地區(qū)的大片森林、灌木叢極度干燥，引發(fā)森林凋落物和腐殖質(zhì)陰燃，爆發(fā)了森林大火，過火面積超過100×104hm2，撲火費(fèi)用30×108美元，直接損失150×108美元，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇減緩[3～4]。我國大興安嶺地區(qū)的地下火是以森林腐殖質(zhì)陰燃為主[5]。而森林腐殖質(zhì)又是由森林凋落物發(fā)酵腐化形成的[6]。所以對森林凋落物的陰燃實(shí)驗(yàn)研究是很有必要的。

在陰燃實(shí)驗(yàn)方面，何芳等[7]研究了含水率對玉米(Zeamays)秸稈粉陰燃過程的影響。鐘圣俊等[8]在熱表面上對粉塵層做了陰燃實(shí)驗(yàn)。者香等[9]則研究了泥炭粒徑對陰燃蔓延速率影響。在國外森林可燃物的陰燃實(shí)驗(yàn)[10～11]中，對森林凋落物的燃燒特性和陰燃實(shí)驗(yàn)的研究也是比較少的。所以，掌握凋落物陰燃的產(chǎn)生和傳播過程，可為防控森林火災(zāi)提供依據(jù)，對制定合理的森林火災(zāi)撲救方案具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料選自帽兒山實(shí)驗(yàn)林場的針闊混交林，主要為楊樹(Populous)和紅松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc)林的凋落物，采集樣品的位置為混合采樣即包括凋落物的上層、中層和下層。

實(shí)驗(yàn)裝置為自主設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在橫向的、密封的燃燒室內(nèi)進(jìn)行陰燃實(shí)驗(yàn)，目的是防止陰燃過程煙氣外漏以及外界空氣漏入實(shí)驗(yàn)裝置，僅在兩端留有進(jìn)氣口和出氣口。燃燒室采用1 200mm(長)×500mm(寬)×500mm(高)的長方體，外面覆蓋保溫材料，目的是防止熱量向環(huán)境中散失，也減少外界環(huán)境對實(shí)驗(yàn)的影響?？諝饬魉俚淖兓娠L(fēng)量可調(diào)的風(fēng)機(jī)來控制，風(fēng)機(jī)放置在燃燒室的進(jìn)氣口處。用功率可調(diào)的加熱電爐作為陰燃實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火源，放置在進(jìn)氣口的同一側(cè)，使從進(jìn)氣口進(jìn)入的空氣均勻分布在燃燒室內(nèi)。在陰燃床的下半部分，沿陰燃床的中心軸線放置5根熱電偶，各個熱電偶之間的距離為200mm，材料為鎳鎘合金。熱電偶連接數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀連接計(jì)算機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化。在出氣口處對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行取樣，將氣體樣品放入GC9800型氣相色譜儀(上?？苿?chuàng)色譜儀器有限公司生產(chǎn))，分析陰燃過程產(chǎn)生的氣體，樣品分析時間為35min。

1.2 陰燃傳播速度測定方法

陰燃的傳播速度是由熱電偶溫度變化以及變化時間計(jì)算出來的。因?yàn)榈?根熱電偶處于加熱裝置和進(jìn)口處，其溫度變化受外界影響較大，所以不予計(jì)算。用第2根熱電偶與第5根熱電偶之間的距離除以第2根熱電偶溫度到達(dá)峰值與第5根熱電偶溫度到達(dá)峰值的時間間隔，用這個比值作為陰燃傳播的速度。實(shí)驗(yàn)過程中主要分析凋落物的陰燃特性以及分析凋落物的含水率、松散程度和空氣流速這些因素是如何影響陰燃傳播過程的。同時用氣相色譜儀來分析陰燃床內(nèi)的生成氣體的變化過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與分析

觀察整個陰燃過程，陰燃床的前端呈現(xiàn)褐色，后端呈現(xiàn)黑色，這種黑色的物質(zhì)主要是炭化的凋落物，厚度約為5mm，并向未燃的部分移動。持續(xù)加熱凋落物，陰燃床內(nèi)開始發(fā)生熱解和氣化反應(yīng)，有可燃?xì)怏w析出。隨著熱量的不斷增加，陰燃床內(nèi)的溫度升高，凋落物的燃燒變得越來越強(qiáng)烈。當(dāng)溫度達(dá)到280℃時，大量氣體被釋放。持續(xù)加熱也會使得凋落物內(nèi)部熱量積累，達(dá)到其燃點(diǎn)后，陰燃就會向明火轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致凋落物的自燃，如果這期間空氣供應(yīng)不足，也會導(dǎo)致整個陰燃過程熄滅。

圖2 陰燃過程溫度歷程曲線

圖2為4m/s的空氣流速下的陰燃過程熱電偶的溫度變化曲線。從圖2可以看出，陰燃的前沿是反應(yīng)比較快的，陰燃的溫度變化也比較快，而且溫度曲線基本上沿著峰值對稱分布。當(dāng)溫度下降到120℃時，陰燃的溫度曲線逐漸緩慢下來。這些現(xiàn)象主要是因?yàn)殛幦嫉那把夭糠帜塬@得充足的空氣，所以反應(yīng)較快。正是因?yàn)榍把氐目焖俜磻?yīng)導(dǎo)致后面的實(shí)驗(yàn)樣品沒有獲得充足的空氣進(jìn)而使得陰燃無法繼續(xù)，所以導(dǎo)致整個陰燃持續(xù)的時間較短，但反應(yīng)區(qū)域的溫度仍然很高。

2.1 陰燃特性分析

陰燃特性包括引燃特性、持火力、燃燒均勻性、燃燒完全性、蔓延特性、炭灰特性等,對森林消防有重要意義的可定量化的凋落物陰燃特性有引燃特性、持火力、蔓延特性[12～13]。其中引燃特性主要是指引燃難易程度，用引燃時間來表達(dá)引燃的難易程度，把2號、3號、4號熱電偶從150℃升高到350℃所用時間的平均值定義為凋落物的引燃時間。陰燃持火力可以用4個指標(biāo)來表達(dá)，分別是燃燒時間、燃燒過程中的最高溫度、超過350℃維持時間和超過350℃時段溫度積累的總和，用被測點(diǎn)溫度第1次上升到300℃至最后1次下降到300℃的平均時間來表示燃燒時間，陰燃的蔓延特性可以用蔓延速度來表達(dá)，此速度與陰燃傳播速度計(jì)算方法大體相同，距離是第2根熱電偶與第4根熱電偶之間的距離，時間變?yōu)閮蓚€熱電偶分別達(dá)到300℃的時間差。將試驗(yàn)重復(fù)3次，把得到的各項(xiàng)指標(biāo)的平均值填入表1中。

表1 凋落物陰燃特性

從表1中可以看出此種森林凋落物的陰燃特性為比較容易引燃、燃燒時間長，蔓延速度較慢、高溫維持時間較長。陰燃發(fā)生后并沒有煙、氣等明顯的現(xiàn)象，很難被人察覺，而且在風(fēng)的作用下可能引發(fā)二次燃燒，由陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰穑@樣的情況很容易成為林區(qū)的安全隱患，林區(qū)應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查有無凋落物陰燃的情況發(fā)生，及時處理，以免形成火災(zāi)。

2.2 空氣流速對陰燃過程的影響

用風(fēng)機(jī)不同的風(fēng)速來代表不同的空氣流速。圖3為不同空氣流速下的陰燃傳播情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著空氣流速的增大，陰燃區(qū)域反應(yīng)強(qiáng)烈，熱電偶溫度變化很大，熱電偶溫度的上升速度加快，陰燃的傳播速度加快。如圖3所示，當(dāng)空氣流速降為4m/s時，陰燃的傳播速度約為0.9mm/min，當(dāng)空氣流速分別為7m/s，陰燃的傳播速度約為1.1mm/min，這種現(xiàn)象說明空氣流速對陰燃的傳播速度影響較大。隨著空氣流速的增大，陰燃的傳播速度加快。

圖3 陰燃傳播速度與空氣流速的關(guān)系

2.3 含水率對陰燃過程的影響

采用含水率分別為2%、4%、6%的凋落物來進(jìn)行陰燃實(shí)驗(yàn)。圖4為其他條件相同的情況下，3種不同含水率的凋落物，其陰燃傳播速度的變化情況。陰燃的傳播速度會隨著含水率的增加而降低。原因是水分蒸發(fā)需要吸收熱量，這就會減少維持陰燃所需的熱量，導(dǎo)致陰燃傳播速度減慢。從圖4中可以看出，盡管陰燃的傳播速度變化幅度很小，但凋落物含水率的改變的確影響了陰燃的傳播速度，含水率的增加使得陰燃的傳播速度減慢。

圖4 陰燃傳播速度與含水率的關(guān)系

2.4 松散程度對陰燃過程的影響

試樣松散程度的控制是通過改變試樣中凋落物和泥炭百分比實(shí)現(xiàn),試樣中凋落物的含量越高，整體的松散程度越低。圖5是空氣流速分別為4m/s及7m/s條件下，凋落物的松散密度對陰燃傳播速度的影響。

圖5 陰燃傳播速度與松散程度的關(guān)系

由圖5可見，隨著凋落物松散程度增大，陰燃的傳播速度減慢。松散程度小,試樣的孔隙率高，更有利于氧氣的擴(kuò)散。氧氣濃度較低的情況下,陰燃雖然也可以持續(xù),但隨著氧氣濃度的增大，其傳播速度也會增大。隨著凋落物松散程度的增大，孔隙率減小，不利于氧氣的擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致陰燃傳播速度減慢。

2.5 氣體成分分析

陰燃是緩慢的熱解與氧化反應(yīng)，可燃物在缺氧的條件下吸熱，裂解放出揮發(fā)氣體，在溫度適宜的情況下，揮發(fā)氣體遇氧發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體有H2O、CO、CO2、CH4、H2和焦油等[14]。圖6為凋落物陰燃過程的氣體析出情況。如圖6所示，在陰燃的開始階段,CO2濃度較高，CO2達(dá)到了整個過程中的最大濃度，此時的濃度為24%；CO濃度開始時較低，陰燃反應(yīng)持續(xù)一段時間后，CO也達(dá)到了10%的濃度。隨著陰燃傳播的進(jìn)行，陰燃床內(nèi)的反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，此時CO2的濃度也相對穩(wěn)定并且呈下降的趨勢；CO的濃度變化在整個陰燃過程中沒有明顯的規(guī)律。

圖6 陰燃過程的氣體析出情況

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此林區(qū)的凋落物陰燃特性為易引燃、燃燒時間長、蔓延速度較慢、高溫維持時間較長。由于該林區(qū)凋落物具有以上陰燃特性，非常容易發(fā)生凋落物的陰燃現(xiàn)象，林區(qū)應(yīng)當(dāng)注意防范，防止出現(xiàn)大范圍的森林火災(zāi)。

(2)隨著空氣流速的增加，陰燃的傳播速度會隨之加快。而凋落物的含水率增加則會導(dǎo)致陰燃的傳播速度減慢。陰燃的傳播速度隨著凋落物松散程度的增大，孔隙率減小而減慢。

(3)在陰燃早期，陰燃床內(nèi)的主要?dú)怏w為CO、CO2，兩種氣體的濃度在陰燃過程中變化較明顯。隨著陰燃反應(yīng)的逐漸穩(wěn)定，CO2的產(chǎn)生量逐漸穩(wěn)定并呈下降趨勢，CO的產(chǎn)生量則在整個陰燃傳播過程沒有明顯變化規(guī)律。

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Experimental Study on Smoldering Combustion of Forest Litter

LI Mei-cen，XIN Ying

(College of Engineering and Technology,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang150040，P.R.China)

Taking forest litter of Maoer Mountain as the burning material,the combustion smoldering experiment was conducted based on a designed test equipment,and relevant data and process such as temperature change,moisture content,loose degree of forest litter and air velocity in the smoldering process were recorded and analyzed,the gas composition during smoldering combustion was also detected by gas chromatograph.The result showed that the main evaporate gas of smoldering combustion were CO and CO2.The speed of smoldering propagation was accelerated with increasing of air velocity and loose degree of litter,while the speed slowed down with increasing of moisture content.In terms of smoldering combustion,forest litter was easy to ignite with long burning time,its spreading speed was slowly,and its high temperature could last for a long period.

forest litter; smoldering combustion;air velocity; moisture content;loose degree of litter

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.015

2016-01-05

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572015CB05)。

歷美岑(1994-)，女，碩士研究生，主要從事森林工程研究。E-mail：534362400@qq.com

簡介：辛穎(1977-)，女，副教授，博士，主要從事森林工程研究。E-mail：xyneu2003@163.com

S 762.1

A

1672-8246(2016)06-0084-05