受限空間內(nèi)典型液體燃料煙氣濃度特性

劉全義,胡 林,鄧 力,朱 博,孫向東,梁光華

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院,四川 廣漢 618307; 2.清華大學(xué) 合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)

可燃物燃燒會產(chǎn)生大量煙氣,造成人員中毒等安全問題。但是空氣中存在許多與煙氣成分相似的顆粒,比如塵埃、粉塵等,它們會在檢測過程中被誤認(rèn)為煙氣而產(chǎn)生誤報警的現(xiàn)象,如何準(zhǔn)確判斷外界環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)并給出可燃物的燃燒類型、降低誤報率成為研究熱點。

火災(zāi)探測器在民航領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,探測器性能的好壞直接決定火災(zāi)預(yù)警能力。國內(nèi)外的研究人員為了降低火災(zāi)誤報率,都在嘗試不同的方法提高探測器性能。張丹等[1]介紹了典型的火災(zāi)探測器種類并進行了性能比較,指出機艙火災(zāi)的最佳探測器。Ukleja等[2]在3 m×0.5 m×0.5 m的實驗艙中進行38個實驗,并于實驗艙外部排氣管中測量煙氣濃度,發(fā)現(xiàn)火焰初期向開口移動,當(dāng)外部發(fā)生燃燒時,排氣管中的煙氣濃度降低,而罩殼內(nèi)的煙氣濃度升高。Xu等[3]提出一種基于深度顯著網(wǎng)絡(luò)的視頻煙感檢測方法,定性和定量證明了該檢測方法的有效性。何永勃等[4-5]為避免灰塵以及水蒸氣等顆粒對實驗環(huán)境的影響,使用復(fù)合型火災(zāi)探測器檢測煙氣濃度等火災(zāi)參數(shù),并利用誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行數(shù)據(jù)融合,有效降低了誤報率。華敏等[6]通過模擬室內(nèi)火災(zāi),研究火源功率及通風(fēng)狀況對室內(nèi)火災(zāi)溫度變化及分布、煙氣流動特性及氣體成分等火災(zāi)參數(shù)的影響,結(jié)果表明:在全封閉情況下,熱煙氣以垂直流動為主,且隨著熱煙氣的流動,室內(nèi)溫度逐漸升高,O2濃度逐漸降低;在單室通風(fēng)口打開的情況下,熱煙氣以水平流動為主,室內(nèi)O2和CO濃度變化不大,而以通風(fēng)口上沿為界,溫度分布呈現(xiàn)明顯的上下兩層。文獻[7-8]中模擬室內(nèi)火災(zāi),通過分析平均實驗溫度場和煙氣動力學(xué)原理且結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù),研究煙氣的整體行為,最終給出該模擬場景的最佳報警時間和所需的報警器數(shù)量。石朗君等[9]利用FDS軟件對4種人員分布工況進行地鐵火災(zāi)模擬,結(jié)果表明:在無人工況下,煙氣大范圍蔓延并迅速沉降至地面;而在高密度人員分布工況下,從樓梯口補入的空氣量減少,煙氣生成速率降低;在人員分布最密集工況下,煙氣層厚度減小1.8 m。Rohde等[10]研究煙霧報警器是否可降低人員死亡率與傷害率,且分析了三者之間的關(guān)系。劉子建[11]以高斯擴散方程為基礎(chǔ)建立煙霧-衰減控制模型,并研究單點或多點火源在該模型下的規(guī)律,完成煙霧報警器數(shù)量的計算與實驗檢測。Wang等[12]研究不同尺寸火車模型內(nèi)氣流速度和煙氣濃度的空間分布及在移動火源和固定火源時的差異,發(fā)現(xiàn)固定火源與移動火源的煙氣運動特性有很大不同。陳戰(zhàn)斌等[13]使用煙霧發(fā)生器在貨艙中進行煙霧量的探究實驗,根據(jù)實驗前后透光率的大小得出煙霧量的大小,提高了火災(zāi)預(yù)警的可靠性。Meyer等[14]以典型航空器材料作為實驗燃料分析其在重力影響下煙霧探測器的性能變化,發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒的形態(tài)和平均直徑各不相同。雖然研究者已經(jīng)做了眾多的實驗工作,但是仍然存在外界環(huán)境中的顆粒會影響報警性能、無對比實驗等一系列問題。因此,如何降低誤報率,建立完善的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前技術(shù)難點。

筆者設(shè)計并搭建受限空間典型液體可燃物燃燒實驗平臺,選用正庚烷、環(huán)己烷以及航空煤油進行燃燒實驗,測量燃燒產(chǎn)物的煙氣濃度等火災(zāi)特征參數(shù)并分析其變化規(guī)律,以期為新型火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)提供一定理論支持。

1 實驗

1.1 實驗方法

受限空間典型液體可燃物燃燒實驗平臺(圖1)由LD-5M型粉塵分析儀、Optma7型煙氣分析儀、受限封閉實驗艙以及火源等組成。實驗艙尺寸為2.7 m×4.16 m×1.67 m,處于常壓環(huán)境。液體可燃物置于直徑為20 cm、高為10 cm的油盆中,實驗處于密閉狀態(tài)。受限空間內(nèi)距油盆中心縱向75 cm、地面高度120 cm處設(shè)置煙氣探頭并連接粉塵分析儀,采樣并檢測煙氣顆粒質(zhì)量濃度,采樣時間設(shè)置為5 s,間隔1 s;距油盆中心70 cm、地面高度140 cm處設(shè)置煙氣探頭并連接煙氣分析儀,測量燃燒產(chǎn)物中的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)。最后完成采樣數(shù)據(jù)的分析處理,判斷是否存在燃燒現(xiàn)象以及燃燒物的種類。

1.2 實驗工況

選用3種質(zhì)量相等(100 g)的典型液體燃料,分別為正庚烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%,0.683 g/cm3)、環(huán)己烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%,0.778 g/cm3)以及航空煤油(JET A-1型)。由于3種典型液體可燃物化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,燃燒后產(chǎn)煙量有極大區(qū)別,因此具有代表性。實驗期間,液體燃料放置于常壓、無風(fēng)場且密閉的受限空間實驗艙中,點火以后立刻開始測量,記錄燃燒產(chǎn)物的煙氣顆粒質(zhì)量濃度、煙氣成分體積分?jǐn)?shù)等特性參數(shù)。為了減小實驗誤差,每組實驗重復(fù)3次,且為了保證實驗環(huán)境的初始條件相同,每種液體燃料燃燒間隔10 min。由于航空煤油不易點燃,故在進行燃燒實驗時,倒入少量正庚烷作為引燃劑。

2 煙氣檢測原理與方法

2.1 煙氣基本參數(shù)

可燃物不充分燃燒將產(chǎn)生大量煙氣,煙氣漂浮于空氣中致使空氣中有害顆粒增多,有害顆粒有細(xì)顆粒物(PM2.5,空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm)、可吸入顆粒物(PM10,空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤10 μm)等。有害顆粒較多且煙氣存在時間較長,對人體有很大的傷害。為了避免造成人員中毒等現(xiàn)象,有必要研究顆粒物的基本參數(shù)以便于對空氣中的有害物質(zhì)進行判斷與檢測。煙氣顆粒的尺寸分布是煙氣的基本特征參數(shù)之一,火災(zāi)煙氣的絕大部分顆粒分布在0.01～10 μm[15]。對環(huán)境中的煙氣顆粒濃度進行檢測,根據(jù)煙氣顆粒粒徑的分布特征可判斷是否存在其他顆粒。但是,空氣中塵埃、粉塵等細(xì)小顆粒易與煙氣顆粒融合,進而造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的火警誤報現(xiàn)象。因此,對于是否存在其他煙氣顆粒的判斷需要更多參數(shù)的輔助。煙氣濃度也是煙氣的特征參數(shù)之一,該參數(shù)可直接反映煙氣量的大小、能見度的高低和煙氣的危害程度,煙氣濃度的具體參數(shù)一般包括粒子數(shù)濃度、煙氣顆粒質(zhì)量濃度、減光率和光學(xué)密度等[16]。另外,可燃物燃燒會產(chǎn)生大量CO等有毒氣體,研究煙氣成分亦可表征該區(qū)域是否有其他顆粒。筆者選擇煙氣顆粒質(zhì)量濃度和煙氣成分體積分?jǐn)?shù)兩個參數(shù)進行研究,對同區(qū)域、不同物質(zhì)、不同狀態(tài)下空氣中的煙氣進行采樣,檢測并比較煙氣的特征參數(shù)。

2.2 煙氣檢測方法

外界環(huán)境中存在各式各樣的微小顆粒,可燃物燃燒釋放的煙氣存在于環(huán)境中,與空氣中的細(xì)小顆粒融合在一起,由于粉塵等顆粒的粒徑與煙氣顆粒的粒徑有極大的相似之處,因此對煙氣濃度的檢測與粉塵濃度的檢測類似。粉塵濃度的檢測方法一般分為取樣法與非取樣法[17]兩種類型。筆者采用的粉塵分析儀基于傳統(tǒng)取樣法,使用煙氣探頭進行采樣并獲取數(shù)據(jù),隨后經(jīng)過通信串口的轉(zhuǎn)換得到每種顆粒物的質(zhì)量濃度。由于大部分燃燒產(chǎn)物的煙氣顆粒粒徑<10 μm[17-18],所以可對3種典型液體燃燒產(chǎn)物的PM10質(zhì)量濃度進行分析。煙氣成分體積分?jǐn)?shù)由煙氣分析儀測定,該儀器基于皮托管法,采用乳膠管連接煙氣探頭進行采樣并獲取數(shù)據(jù),采樣間隔時間為1 s,隨后,煙氣成分體積分?jǐn)?shù)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過USB串口自動記錄和求平均值,以此方法測試3種典型液體燃燒產(chǎn)物的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣顆粒質(zhì)量濃度分析

煙氣顆粒質(zhì)量濃度可較好地反映實驗環(huán)境內(nèi)煙氣量的大小。《貨艙防火系統(tǒng)設(shè)備》要求光學(xué)煙霧探測器遮光率極限為12.5%/m～81%/m[13]，并且《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:主要大氣污染指標(biāo)中包含PM10以及PM2.5。粉塵分析儀檢測3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1(空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤1 μm)、PM2.5、PM5(空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤5 μm)、PM10的煙氣顆粒質(zhì)量濃度,結(jié)果見圖2,并選擇實驗環(huán)境空氣中相應(yīng)顆粒的質(zhì)量濃度作為基準(zhǔn)。

圖2 3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中煙氣顆粒質(zhì)量濃度變化曲線Fig.2 Mass concentration curves of gas particles for three typical liquid flues

從圖2可知:3種典型液體可燃物燃燒可導(dǎo)致實驗環(huán)境中煙氣顆粒質(zhì)量濃度發(fā)生變化。由于可燃物燃燒煙氣顆粒質(zhì)量濃度處于波動狀態(tài),且火災(zāi)煙氣顆粒粒徑在10 μm以內(nèi)[15],而實驗環(huán)境空氣中PM10質(zhì)量濃度較低,故可采用PM10最高質(zhì)量濃度判斷是否有可燃物燃燒。在相同檢測時間內(nèi),航空煤油的PM10質(zhì)量濃度最高,其次是環(huán)己烷,正庚烷最低,航空煤油、環(huán)己烷、正庚烷最高質(zhì)量濃度分別為2 565、1 304和300 μg/m3，都大于空氣的最高質(zhì)量濃度16 μg/m3。因此,可通過PM10最高質(zhì)量濃度是否遠(yuǎn)大于空氣的來判斷實驗環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象。由于正庚烷屬于完全燃燒類燃料,不易產(chǎn)生大量的煙氣顆粒,因此,正庚烷燃燒產(chǎn)物中PM10最高質(zhì)量濃度略大于空氣的。但是,環(huán)己烷與航空煤油皆為不完全燃燒,產(chǎn)生大量煙氣顆粒,導(dǎo)致兩種燃燒產(chǎn)物中PM10最高質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于空氣的,但是僅分析PM10的最高質(zhì)量濃度不能有效區(qū)分環(huán)己烷與航空煤油的種類。因此,還需進一步分析燃燒產(chǎn)物的其他參數(shù)，如可用于表示顆粒物分布特征的不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度比。

PM1、PM2.5和PM10之間相應(yīng)的最高質(zhì)量濃度比分別簡寫成PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10。由圖2可得：3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1、PM2.5、PM10的最高質(zhì)量濃度并計算相應(yīng)的最高質(zhì)量濃度比,結(jié)果見圖3。

圖3 3種典型液體可燃物的顆粒物分布特征參數(shù)Fig.3 Distributed characteristic parameters of three typical liquid flues

由圖3可知:3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物的顆粒分布特征參數(shù)PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均高于空氣的,其中航空煤油的PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10均低于環(huán)己烷的,這說明環(huán)己烷燃燒產(chǎn)物中細(xì)顆粒物較多,而航空煤油燃燒產(chǎn)物中大顆粒更多,這是由航空煤油與環(huán)己烷的理化性質(zhì)差異性造成的。因此,可燃物燃燒產(chǎn)物中PM1、PM2.5、PM10的最高質(zhì)量濃度比可用來判斷是否存在燃燒現(xiàn)象并區(qū)分航空煤油與環(huán)己烷。為進一步減小空氣中的顆粒物對燃燒產(chǎn)物的干擾,引入可燃物燃燒煙氣顆粒占比(η)這一參數(shù),其計算式見式(1)。

(1)

式中:ρ1為PM10煙氣顆粒最高質(zhì)量濃度,ρ2為實驗環(huán)境空氣中PM10最高質(zhì)量濃度。經(jīng)計算得到航空煤油、環(huán)己烷和正庚烷燃燒煙氣顆粒占比分別為99.37%、98.77%和94.66%。即可燃物燃燒引起受限空間內(nèi)顆粒濃度變化由大到小的順序為航空煤油、環(huán)己烷、正庚烷。判斷是否存在燃燒時，只選擇煙氣顆粒質(zhì)量濃度這一項火災(zāi)特征參數(shù)易出現(xiàn)閾值選取不當(dāng)?shù)葐栴},因此,進一步通過分析煙氣成分體積分?jǐn)?shù)來鑒別是否存在火災(zāi)和可燃物種類。

3.2 煙氣成分體積分?jǐn)?shù)分析

可燃物燃燒消耗O2釋放CO、CO2等有毒有害氣體,國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ 1—2010《工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定工作環(huán)境中CO體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于2.4×10-5[19],當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過該標(biāo)準(zhǔn)值時,易造成人員中毒等安全問題。通常情況下,空氣中各氣體含量無較大變化,因此,可通過反應(yīng)式(2)表示的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)變化判斷是否發(fā)生火災(zāi)。

(2)

筆者利用煙氣分析儀記錄并分析可燃物燃燒后受限空間內(nèi)各煙氣成分(O2、CO2、CO)的體積分?jǐn)?shù)(φ),結(jié)果見圖4,由于測量數(shù)據(jù)處于波動狀態(tài),圖中曲線經(jīng)過數(shù)學(xué)平滑處理。

圖4 可燃物燃燒煙氣成分體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Volume fractions of flue gas components

由圖4可知:航空煤油燃燒產(chǎn)生的CO濃度最高且CO最大體積分?jǐn)?shù)為8.6×10-5(393 s時),其O2消耗量為1.1%,CO2產(chǎn)生量為0.71%。環(huán)己烷燃燒產(chǎn)生的CO最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)4.7×10-5(675 s時),但其CO2產(chǎn)生量卻高達(dá)0.8%,O2消耗量為1.3%。正庚烷燃燒產(chǎn)生的CO最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)2.0×10-5(470 s時),此時CO2產(chǎn)生量為0.77%,但其O2消耗量最大(達(dá)到1.5%)。3種典型液體可燃物燃燒后受限空間內(nèi)各煙氣成分(O2、CO2、CO)的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律不一致,這是由航空煤油與環(huán)己烷、正庚烷不同的理化性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。綜上所述,隨著燃燒實驗的進行,實驗環(huán)境中O2濃度降低,CO和CO2增加,因此,相同實驗條件下,氣體濃度是否發(fā)生較大變化可判斷實驗環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象,該參數(shù)可作為火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警參數(shù)。

由于氣體濃度變化可為火災(zāi)探測提供參考,因此,Chen等[20]基于CO等特征參量開發(fā)了火災(zāi)探測系統(tǒng),并發(fā)現(xiàn)CO濃度可影響火災(zāi)報警時間的長短。當(dāng)氣體火災(zāi)探測器檢測到大量CO時將影響探測器的電壓,電壓的跳變代表是否存在火災(zāi)報警信號,且可給出火災(zāi)報警時間。假設(shè)以2.4×10-5的CO體積分?jǐn)?shù)為參考值即閾值響應(yīng)值,當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)超過該值時出現(xiàn)跳變信號,表明存在燃燒現(xiàn)象。由圖4(c)CO體積分?jǐn)?shù)曲線可得出氣體火災(zāi)探測器閾值響應(yīng)時間變化曲線,結(jié)果見圖5,其中“1”表示出現(xiàn)跳變信號,“0”表示無跳變信號。

圖5 閾值響應(yīng)時間曲線Fig.5 Threshold response time curves

由圖5可知:航空煤油屬于混合物,燃燒產(chǎn)生大量CO氣體,導(dǎo)致氣體火災(zāi)探測器的閾值響應(yīng)時間最長(約為450 s);環(huán)己烷燃燒將導(dǎo)致氣體火災(zāi)探測器產(chǎn)生電壓跳變信號,閾值響應(yīng)時間約為200 s;由于正庚烷燃燒產(chǎn)生CO最大體積分?jǐn)?shù)為2×10-5,在閾值響應(yīng)值取CO體積分?jǐn)?shù)為2.4×10-5條件下,氣體火災(zāi)探測器不產(chǎn)生跳變信號,不存在閾值響應(yīng)時間,即采用氣體火災(zāi)傳感器研究基于CO濃度的火災(zāi)探測技術(shù),易出現(xiàn)選取閾值不當(dāng)而造成誤報、漏報等現(xiàn)象。因此,必須將煙氣成分體積分?jǐn)?shù)變化情況與可燃物燃燒煙氣顆粒質(zhì)量濃度的研究結(jié)果結(jié)合起來進行綜合判斷,以期提高受限空間火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

對3種典型液體可燃物燃燒產(chǎn)物的煙氣成分體積分?jǐn)?shù)以及煙氣顆粒質(zhì)量濃度的檢測分析可得出:①3種典型液體可燃物燃燒實驗環(huán)境中PM10最高質(zhì)量濃度大于空氣中的,且O2濃度降低,而CO與CO2濃度增加,以此可判斷實驗環(huán)境是否存在燃燒現(xiàn)象。②空氣中PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10的數(shù)值相對較低,正庚烷燃燒的該分布特征參數(shù)較高且正庚烷燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為94.66%,可有效判斷出該可燃物;航空煤油的燃燒顆粒分布特征參數(shù)PM1/PM2.5、PM2.5/PM10、PM1/PM10都低于環(huán)己烷的,且航空煤油燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為99.37%,而環(huán)己烷燃燒產(chǎn)生煙氣顆粒占比為98.77%,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可綜合判斷出航空煤油與環(huán)己烷兩種燃料。因此,根據(jù)可燃物燃燒煙氣成分體積分?jǐn)?shù)以及煙氣顆粒質(zhì)量濃度，判斷是否發(fā)生火災(zāi)以及可燃物的種類,為研發(fā)新型火災(zāi)預(yù)警技術(shù)提供一定的理論支撐。