兩種含水率水稻堆垛的著火與蔓延燃燒特性實驗研究

高 萌，謝啟源，邱 榕

(中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

0 引言

糧食是國家的重要戰(zhàn)略物資，與人民溫飽和國家穩(wěn)定息息相關(guān)，尤其是對于具有14億人口的中國，糧食的安全儲存更是一項涉及國計民生的重要戰(zhàn)略。然而，近年來，國內(nèi)外發(fā)生多起糧倉火災和爆炸事件，造成嚴重事故損失和不良社會影響，如：2013年5月31日，黑龍江省中儲糧林甸直屬庫發(fā)生火災，共78個儲糧囤表面過火；2018年7月29日，吉林省洮南市大通糧食儲備庫收納倉1號廠間發(fā)生大火。2017年7月29日，美國印第安納州斯威茲市的糧食筒倉突然折斷，引發(fā)罕見可怕的爆炸與燃燒。2018年6月1日，美國明尼阿波利斯市范克利夫公園附近的邦基糧庫發(fā)生大火。糧食所含脂肪、蛋白質(zhì)和纖維素主要為碳、氫和氧元素所構(gòu)成，屬于可燃固體，糧食同時具有自發(fā)熱特征，而糧食安全儲存過程中的干燥、熏蒸等作業(yè)過程，進一步使得糧倉火災危險性升高。關(guān)于糧倉的火災與爆炸危險性，前人已開展一些相關(guān)研究與分析。邢婧[1]針對自燃火災和粉塵爆炸火災，基于事故樹分析，指出通過機械通風儲糧技術(shù)控制糧倉溫度對于預防糧倉火災的重要性。朱國慶[2]針對淺圓倉的地下通廊火災危險性和消防設計展開了分析，給出了優(yōu)化的設計方案。王小將[3]總結(jié)了糧倉火災的誘因，指出糧食自身發(fā)熱、糧庫建筑缺陷、消防管理、人員素質(zhì)及線路老化都是糧倉火災的誘因，但并未提及各類糧食本身的火災危險性。在糧食與糧倉燃燒與爆炸機理方面，Ogle等[4]基于一起由于糧倉陰燃過程引起的爆炸案例，指出陰燃過程釋放出的CO和煙氣是初始爆炸的主要物質(zhì)。Ramirez等[5]針對糧倉內(nèi)儲存的多種糧食，通過實驗測量，指出玉米、小麥、大麥、苜蓿和大豆粉塵都具有很高的自燃風險。陳坤杰等[6]的研究指出，糧食在干燥及干燥后中含水率的不均勻性：干燥結(jié)束后，稻谷的含水率沿著層厚方向有明顯的梯度，且在干燥過程中，水稻含水率變化有明顯的分層性。針對糧食外殼的生物質(zhì)能源利用，不少學者也開展了稻殼等物質(zhì)的熱解與燃燒特性的研究[7-9]。楊洲等[10]測定了不同含水率的稻谷的熱導率和熱擴散系數(shù)，并研究了稻谷熱特性系數(shù)與含水率的關(guān)系。此外，關(guān)于其他生物質(zhì)及其附屬產(chǎn)物的燃燒及蔓延特性，國內(nèi)外學者也貢獻了豐富的研究成果。Huang等[11,12]針對泥炭在各種環(huán)境下的陰燃特征，做了相關(guān)的研究工作，提出了泥炭的五步陰燃模型，揭示了水分、無機物含量等對泥炭陰燃的影響。Rostami等[13]提出了多孔生物質(zhì)燃料的陰燃模型，討論了表面熱損失，燃料熱值，氣流速率，燃料棒孔隙率對溫度和陰燃速度的影響。王海暉和朱鳳[14]利用錐形量熱儀，研究了13種樹葉樣品在輻射熱流作用下的燃燒特征，并指出表層樹葉轉(zhuǎn)化為焦炭后對輻射熱流對內(nèi)層的滲透作用有一定的阻擋作用。亓冠圣等[15]對煤堆水平陰燃傳播進行了實驗研究并揭示了其陰燃特性，發(fā)現(xiàn)煤堆的前向陰燃燃燒過程中存在70 ℃～80 ℃區(qū)間內(nèi)的溫度平臺現(xiàn)象，反向陰燃燃燒過程中不存在這種平臺現(xiàn)象。反向陰燃的最高溫度遠高于前向陰燃。

關(guān)于各類生物質(zhì)及其附屬產(chǎn)物的燃燒特性的研究已經(jīng)較為豐富，然而，針對糧食自身詳細的引燃與燃燒特性方面的研究，極少報道。一方面，不同于秸稈、木材等常見的生物質(zhì)，水稻等糧食通常不作為生物質(zhì)燃料，其本身的燃燒特性及火災危險性往往被人們所忽略；另一方面，水稻等糧食由于其自身的理化特性影響，常規(guī)條件下屬于可燃材料，實際糧食蔓延燃燒事故往往是在干燥氣候且受環(huán)境氣流作用條件下形成，目前對于水稻等糧食的燃燒及蔓延特性的實驗研究很少。因此，本文圍繞我國糧倉中最典型的水稻，研究其引燃與燃燒特性，重點針對水稻在烘干或局部外熱源長期作用引起的含水率下降，結(jié)合水稻堆垛進行通風氣調(diào)過程中的貫穿氣流影響，綜合分析水稻引燃與蔓延燃燒過程中的內(nèi)部溫度場演化特性。本研究有助于理解正常含水率水稻與干燥水稻的火災危險性，以期在相關(guān)標準制定或糧倉設計階段，為相關(guān)防火設計與應急撲救提供一定理論依據(jù)與科學支撐。

1 實驗設計

圖1給出了貫穿氣流條件下糧食堆垛受熱引燃與縱深蔓延燃燒特性模擬實驗平臺示意圖。待測糧食樣品放置于一個高5 cm、直徑21 cm的圓柱形燃燒盤內(nèi)，燃燒盤底面為多孔金屬板，燃燒盤下方是高5 cm、直徑21 cm的圓柱形多孔均流區(qū)。如圖1所示，圓柱形燃燒盤內(nèi)水稻堆垛的貫穿氣流速度由放置于地面的風機控制，整個氣流管道和燃燒均流段主要由不銹鋼板制作并通過支撐板放置于電子天平上，從而測量水稻堆垛受熱與燃燒過程中的質(zhì)量變化。為消除風機的振動對于質(zhì)量測量的干擾，與風機相連接的氣流管道采用可柔性風管并放置于地面。在圓柱形燃燒盤一側(cè)的半徑截面上，均勻布置了5行5列的熱電偶陣列，用于實時測量水稻堆垛內(nèi)部的溫度場演化特征，圖1給出了各熱電偶(T1,T2,T3,…,T25)的位置示意圖，其中，最內(nèi)側(cè)的5只熱電偶位于圓柱形燃燒盤的中軸線位置，最頂層的5只熱電偶與水稻堆垛表面同高，各相鄰熱電偶的橫向與豎向的間距分別為2.5 cm和1 cm。各熱電偶從圓柱形燃燒盤的側(cè)方插入，并通過支架與燃燒盤柔性連接，使質(zhì)量測量不受干擾。實驗所用的引火源是一個直徑1 cm長度8 cm的電熱細棒，額定功率200 W，表面溫度約為800 ℃，如圖1所示，電熱細棒下端插入水稻堆垛中心內(nèi)部1 cm深度，各組實驗過程中電熱細棒的加熱引燃過程較為一致。在燃燒盤側(cè)上方，布設1臺高清攝像機，實時拍攝水稻受熱著火與表面蔓延燃燒過程。

圖1 貫穿氣流條件下糧食堆垛引燃與蔓延燃燒特性實驗平臺示意圖Fig.1 Sketch of experimental facility for studying ignition and combustion characteristics of rice with penetrating airflow

表1給出了本系列實驗工況的參數(shù)列表，這里針對2種含水率(13%、3%)的水稻進行實驗。13%含水率的水稻為正常倉儲環(huán)境中的水稻，3%含水率的水稻代表水稻的倉儲過程中，在烘干流程中由于工藝缺陷產(chǎn)生的局部過度干燥的水稻。將13%含水率水稻在烘箱中105 ℃空氣氣氛中烘干10 h，水稻失重約10%，得到含水率3%的水稻。

表1 貫穿氣流條件下2種含水率水稻著火與燃燒實驗工況Table 1 Experiment conditions of ignition and combustion of rice of 2 moistures with a penetrating airflow

此外，針對2種含水率的水稻，還開展了空氣氣氛條件下的TGA實驗測試。實驗時，將水稻研磨成細粉末狀，初始樣品質(zhì)量約10 mg，載流氣體質(zhì)量流率為50 mL/min，以20 ℃/min的升溫速率從室溫升高到1 000 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

圖2給出了2種含水率水稻在不同貫穿氣流條件下的最終引燃結(jié)果，由圖2可見，含水率為13%的水稻，在貫穿氣流分別為0 m/s、0.1 m/s和0.2 m/s條件下，采用電熱細棒持續(xù)引燃45 min后，均未能形成明顯的自維持陰燃或明火燃燒行為。然而，對于含水率3%的干燥水稻，在貫穿氣流速度為0.1 m/s條件下，采用相同的高溫灼熱點式熱源持續(xù)作用4 min，即形成明顯的劇烈燃燒過程。可見，水稻的含水率在著火成災方面具有顯著的影響。

由圖2(a～c)可見，對于未被引燃的含水率13%的水稻，電熱細棒周圍的碳化圈直徑隨著貫穿氣流速度的增大而減小。表2給出了各工況條件下的最終質(zhì)量損失，由前3個工況結(jié)果可見，對于13%含水率的水稻堆垛，在45 min的引燃作用下，貫穿氣流越大，形成的最終質(zhì)量損失越小。

表2 各工況實驗中水稻引燃與燃燒最終質(zhì)量損失Table 2 Mass loss for rice ignition and combustion under different experimental conditions

圖3給出了3%含水率水稻引燃與蔓延燃燒過程中的質(zhì)量損失及質(zhì)量損失速率曲線，相應的，圖4給出了其燃燒過程中典型時刻的表面燃燒狀態(tài)圖。由圖3可見，該水稻堆垛被高溫熱源引燃后，質(zhì)量損失速率不斷增大，表明水稻的蔓延燃燒不斷增長，在約第37 min達到最大質(zhì)量燃燒速率，即，25.5 g/min。此外，由圖4所示水稻表面燃燒圖片序列也可見，水稻堆垛被引燃后，燃燒區(qū)域不斷擴大，火焰高度也不斷增加，從37 min開始，表面火焰開始減弱，逐漸進入衰減和熄滅階段。水稻燃燒熄滅后，燃燒盤四圍邊角處明顯有剩余糧食未著火燃燒。

圖3 3%含水率水稻引燃與蔓延燃燒過程中的質(zhì)量損失與質(zhì)量損失速率Fig.3 Mass loss and mass loss rate during ignition and combustion of rice of 3% moisture content

圖4 3%含水率水稻引燃與蔓延燃燒過程Fig.4 Process of ignition and combustion of rice of 3% moisture content

熱重實驗是研究物質(zhì)的熱解與氧化特征的重要手段，對了解生物質(zhì)的燃燒特性具有一定參考意義。圖5給出了空氣氣氛條件下2種不同含水率水稻的熱解失重特性，由其中的失重曲線可見，13%含水率水稻在低于280 ℃的升溫階段呈現(xiàn)明顯的脫水失重特征，而3%含水率水稻在該升溫階段的失重則較不明顯，體現(xiàn)了水稻含水率的影響。盡管13%和3%兩種含水率水稻在早期升溫階段的熱解失重存在明顯差異，但這兩種水稻樣品在該升溫速率加熱條件下的質(zhì)量損失速率峰值對應溫度分別為334 ℃和333 ℃，幾乎相同。其中，含水率較高水稻的熱解失重峰值更高，表明樣品在該溫度區(qū)間的熱解反應更劇烈。如前文所述，在相同的灼熱金屬細棒引燃作用下，對于2種含水率的水稻，盡管熱解失重峰值對應的溫度很接近且含水率較高的樣品在該溫度區(qū)間的分解反應更劇烈，然而，最終的引燃和蔓延燃燒結(jié)果卻差異甚大，較低含水率水稻被輕易引燃且形成劇烈蔓延燃燒，而較高含水率水稻卻未能引燃?？梢?，材料的熱解特征盡管對于表征材料的可燃性具有重要的作用和意義，被人們稱為“熱指紋”，然而，最終的引燃和蔓延燃燒特性，還與諸多因素相關(guān)，如：樣品的密實與多孔狀態(tài)、環(huán)境氣流等，還需開展有針對性的燃燒特性研究。

圖5 空氣氣氛下2種含水率水稻熱解特性(升溫速率：20 ℃/min)Fig.5 Pyrolysis characteristics of rice of 2 moisture contents under air atmosphere (heating rate:20 ℃/min)

圖6(a)給出了0.1 m/s貫穿氣流速度條件下3%含水率水稻向下火蔓延燃燒過程燃燒盤中軸線上各熱電偶位置的溫度變化，此外，圖6(b～f)分別給出了各位置的局部溫升細節(jié)曲線。由這些溫升細節(jié)圖可見，尤其是圖6(b～d)所示，各位置的溫度升高在300 ℃附近存在顯著突變加速特征，結(jié)合圖5所示的熱解失重速率峰值溫度范圍，可知該突變加速點對應于該位置燃料的引燃溫度與時刻。因此，水稻內(nèi)部蔓延燃燒特征的分析，也可將該溫度為特征值，對其引燃前與引燃后分別進行分析。統(tǒng)計分析表明，各位置引燃的特征溫度值并不完全相同，通過綜合各位置的溫度突變行為和圖5所示的熱解失重曲線特征，這里以300 ℃為火焰前鋒的特征溫度展開分析。如圖6(a)所示，位于水稻堆垛中部的3個位置(T6、T11和T16)，燃燒過程中所達到的最高溫度已高于1 000 ℃。由這3條溫度曲線可見，內(nèi)部水稻被引燃后的燃燒過程，也經(jīng)歷2個階段，第1個階段，其燃燒溫度約為800 ℃，而在第2個階段，其最高燃燒溫度達1 100 ℃，該高溫劇烈燃燒后，整個內(nèi)部燃燒開始進入衰減降溫階段。此外，在水稻堆垛的靠近上表面位置(T1)和下表面位置(T21)，其燃燒最高溫度低于中間位置的相應值，可見，在貫穿氣流條件下，對于水稻堆垛的燃燒，盡管靠近外表面區(qū)域氧氣充足，然而，內(nèi)部燃燒溫度卻更高。由圖6(a)中所示各位置的降溫曲線可見，水稻堆垛中軸線上的降溫次序是自下而上，然而，由前所述，在引燃階段，其升溫次序是自上而下，與火蔓延方向一致，因此，對于堆垛下方位置的水稻，它們在更晚的時刻被點燃，卻更早降溫熄滅。最后，圖6(b～f)給出了各位置引燃前的升溫斜率，反映了該位置被加熱和引燃的快慢，可表征水稻堆垛內(nèi)部火焰前鋒到達該位置時的蔓延速率。

圖6 貫穿氣流速度0.1 m/s條件下3%含水率水稻向下火蔓延過程燃燒盤中軸線典型位置溫度變化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

與圖6類似，圖7給出了燃燒盤內(nèi)第2列熱電偶位置的溫度整體與局部變化。由圖7可見，在該列位置上，依然還是位于中間的3個位置(T7、T12和T17)上的最高燃燒溫度高于1 000 ℃，熱電偶T12所測最高溫度甚至接近1 200 ℃，靠近水稻堆垛上表面附近的燃燒溫度相對較低，最高僅約700 ℃。位于下方的水稻較遲被引燃，卻更快開始熄滅降溫階段，體現(xiàn)了水稻堆垛在貫穿氣流條件下的特殊蔓延燃燒與熄滅行為。與圖6(b～f)所示的中軸線上各位置水稻被引燃前的溫升斜率相比，圖7(b～f)給出的該列各位置相應的溫升速率相對較低，表明這些區(qū)域的水稻受熱強度與蔓延速率低于中軸線區(qū)域。

為分析水稻堆垛內(nèi)部溫度在不同橫向位置上的演變特征，圖8與圖9分別給出了水稻堆垛內(nèi)第2行和第3行熱電偶位置整體溫度和局部溫度變化。由圖8、圖9可見，水稻堆垛內(nèi)部中心位置升溫快且溫度高，越靠近邊緣的區(qū)域，升溫晚且相對較慢，各相鄰位置溫升曲線間隔較大，表明水稻堆垛內(nèi)部燃燒的橫向蔓延速度較慢，且具有燃燒減弱趨勢。由圖8(f)和圖9(f)可見，最靠近燃燒盤邊沿位置處的水稻溫升小，最高溫度僅約90 ℃，并未點燃。而如圖8(e)和圖9(e)所示，該位置上的水稻盡管最高溫升達到約220 ℃，這些區(qū)域水稻也未點燃，內(nèi)部燃燒前鋒并未到達該區(qū)域，這部分水稻的溫度升高，主要是由內(nèi)部燃燒生成高溫氣體對其加熱所引起。

圖8 貫穿氣流速度0.1 m/s條件下3%含水率水稻向下火蔓延過程燃燒盤第2行典型位置溫度變化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，各測溫點的水稻在升溫至300 ℃左右時，溫度曲線出現(xiàn)明顯的突增。而通過圖5的水稻的熱重曲線也可以看出，水稻的最大失重峰從300 ℃左右開始。因此，本文以300 ℃為水稻的火蔓延前鋒，計算出3%含水率水稻堆垛在0.1 m/s貫穿氣流條件下在中軸線上各點的向下火蔓延速率，結(jié)果如圖10所示。可見，堆垛內(nèi)部向下蔓延燃燒速率在不同深度位置存在較明顯差異，當內(nèi)部燃燒蔓延到深度為3 cm位置區(qū)域時，其蔓延速率最大，約為0.8 cm/s，也表明此時水稻堆垛內(nèi)部燃燒過程急劇增長，中心區(qū)域的最高溫度急劇升高至1 000 ℃以上。綜合圖6～圖9所示各溫度變化特征和圖11所示內(nèi)部蔓延燃燒速率可見，在貫穿氣流條件下，僅5 cm厚的糧食堆垛內(nèi)部可形成劇烈燃燒，局部最高溫度可達1 200 ℃，最快蔓延速度可達0.8 cm/s，顯示了該工況下很高的火災危險性。

圖9 貫穿氣流速度0.1 m/s條件下3%含水率水稻向下火蔓延過程燃燒盤第3行典型位置溫度變化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

圖10 3%含水率水稻堆垛在0.1 m/s貫穿氣流條件下向下火蔓延速率(中軸線)Fig.10 Downward fire spread rate (central axis) of rice of 3% moisture content with 0.1 m/s penetrating airflow

圖11 3%含水率水稻在0.1 m/s貫穿氣流條件下燃燒過程中內(nèi)部各熱電偶位置引燃前受熱溫升速率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，圖6～圖9已給出含水率3%水稻在0.1 m/s貫穿氣流條件下燃燒過程各內(nèi)部典型位置引燃前的溫升擬合速率，為進一步分析堆垛內(nèi)部蔓延燃燒特性，圖11給出了堆垛內(nèi)25個熱電偶所在位置的相應溫升速率分布。由圖11可見，在水稻堆垛內(nèi)部中軸線各典型位置上的升溫速率明顯高于其他位置，中軸線上靠近下方(T16)位置的引燃前溫升速率高達200.7 ℃/min，也對應于此時的快速引燃與劇烈燃燒。此外，越靠近中軸線且位于下方的區(qū)域，升溫速率相對較大，體現(xiàn)了水稻堆垛較明顯的向下蔓延燃燒行為，而橫向蔓延速度相對較弱。因此，側(cè)方邊沿位置上的溫升速率較低，也未著火燃燒。

3 結(jié)論

本文基于自主設計的貫穿氣流條件下散粒堆垛引燃與縱深蔓延燃燒特性研究實驗平臺，針對2種含水率水稻，在不同貫穿氣流條件下，開展了其引燃與蔓延燃燒特性實驗，并輔以其熱解特性測試，得到主要研究結(jié)論如下。

(1)水稻含水率對其引燃與燃燒特性具有重要影響。正常儲存條件下的含水率13%的水稻難以著火，而含水率3%的干燥水稻在貫穿氣流條件下易被引燃并形成劇烈燃燒。實驗結(jié)果表明，對于含水率13%的水稻堆垛，在0 m/s、0.1 m/s和0.2 m/s貫穿氣流條件下，電熱細棒點火45 min仍未引燃；而含水率3%的水稻堆垛，在0.1 m/s貫穿氣流條件下，電熱細棒點火4 min后即發(fā)生燃燒與蔓延，燃燒過程中其內(nèi)部最高溫度高達1 200 ℃，典型位置處糧食在引燃前的最大升溫速率約200 ℃/min，最快向下蔓延速度達0.8 cm/s。

(2)貫穿氣流對于較高含水率水稻引燃有一定抑制作用。13%含水率水稻在3種貫穿氣流條件下的45 min引燃實驗結(jié)果表明，盡管都未引燃，但引燃結(jié)束后在水稻堆垛在電熱細棒四周形成一個黑色的碳化圈，且貫穿氣流越大，該碳化圈越小；此外，水稻堆垛最終質(zhì)量損失也隨貫穿氣流增大而減小。因此，對于較高含水率水稻堆垛，機械通風氣調(diào)過程，反而往往可抑制外界意外進入灼熱源的引燃作用。

(3)盡管2種含水率的熱重曲線的峰值及峰值溫度接近，但是，其熱重曲線并不能完全反應2種水稻的可燃特性。實驗發(fā)現(xiàn)，含水率13%和3%的水稻的引燃與蔓延燃燒特性具有顯著差異，然而，其熱重曲線特征卻十分接近。因此，被人們稱為“熱指紋”的材料熱解失重參數(shù)，對于分析材料的可燃特性具有一定作用，然而，材料的實際引燃與蔓延燃燒行為，仍需較大尺度和較多因素考慮的針對性實驗研究。