典型木材燃料層流擴(kuò)散火焰碳黑生成特性研究

蘇 潔，牛 奕

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院，克拉瑪依，834000；2.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，武漢，430070)

0 引言

碳黑是火災(zāi)中煙氣的主要成分，是碳?xì)漕惾剂先紵煌耆漠a(chǎn)物，其主要成分是碳，是火災(zāi)中熱輻射的主要來源[1]；碳黑的比表面積較大，常常吸附有各種有毒的重金屬元素、二噁英類以及多環(huán)芳香烴類(PAHs)等有機(jī)污染物[2]；同時(shí)，碳黑顆粒對(duì)感煙探測(cè)器的響應(yīng)、火場(chǎng)能見度以及有毒氣體的生成[3]也具有重要影響，因此研究固體碳?xì)淙剂系奶己谏杉把趸?guī)律對(duì)建立火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)機(jī)制和火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)估研究具有重大意義。

國內(nèi)外[4-6]對(duì)于碳?xì)淙剂匣鹧嬷刑己诘难芯抗ぷ髦饕性跉庖喝剂蠈恿鲾U(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[7]以及數(shù)值模擬[8]方面。由于固體可燃物的燃燒過程十分復(fù)雜、熱解成分多樣，對(duì)建筑火災(zāi)主要的可燃物——固體碳?xì)淙剂蟍8]的碳黑濃度分布及生成機(jī)理研究較少。Guo等[9]和Kailasanathan等[10]分別選取了三種森林燃料，將其破碎篩選后進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，得到了非穩(wěn)定態(tài)的軸對(duì)稱非預(yù)混層流擴(kuò)散火焰，并對(duì)火焰的溫度分布、質(zhì)量損失速率以及燃料熱解的氣體成分進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明燃料的質(zhì)量損失速率及熱解氣體成分對(duì)火焰熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)有重要影響。Muoz-Feucht等[11]將1.5 g干枯馬尾松針破碎并堆放成圓柱形堆垛，用無水乙醇引燃形成層流火焰，然后對(duì)馬尾松針堆垛火中的碳黑濃度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燃燒主要分為兩個(gè)階段：酒精燃燒的湍流階段和馬尾松針穩(wěn)定燃燒的層流擴(kuò)散火焰階段。

本文選取家居裝飾中常用的三種木材(馬尾松針、柚木、紅橡木)，通過激光消光法原理分別測(cè)量其層流擴(kuò)散火焰的碳黑濃度以及相應(yīng)的燃燒速率，從而對(duì)這三種木材燃料的碳黑生成特性進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

1.1 消光法原理

消光法是一種基于路徑積分或視線的技術(shù)[7]，其原理是：當(dāng)一束光通過火焰時(shí)，火焰中碳黑顆粒的存在會(huì)導(dǎo)致入射光衰減，其衰減的程度可以用Beer-Lambert定律描述：

(1)

式中，τ為透射率，I為透射光強(qiáng)度，I0為入射光強(qiáng)度，L為光通過火焰的距離，κλ為碳黑對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的吸收系數(shù)。

根據(jù)瑞利散射理論[12,13]，當(dāng)碳顆粒直徑遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)，散射作用可忽略不計(jì)，碳黑顆粒消光系數(shù)與濃度的關(guān)系為:

(2)

式中，fv為碳黑的體積分?jǐn)?shù)，λ為光的波長(zhǎng)，E(m)為碳黑的折射率函數(shù)，在可見光范圍內(nèi)一般假設(shè)E(m)為常數(shù)[14]，E(m)=0.26。

對(duì)于軸對(duì)稱擴(kuò)散火焰，在某一高度截面內(nèi)，碳黑濃度為半徑r的函數(shù)，可以通過反演算法得到碳黑濃度分布的真實(shí)值[7]。如圖1所示，取火焰任一高度的橫截面，并將火焰截面沿半徑方向劃分為M個(gè)單元，第i條光路的投射率的離散化形式為：

(3)

式中，ΔSi,j為第i條光路在第j個(gè)單元內(nèi)經(jīng)過的光程。上式可以寫成矩陣形式：

lnτ=ΔS·κ

(4)

需要注意的是，如果視線沒有經(jīng)過網(wǎng)格，則對(duì)應(yīng)的光程ΔSi,j= 0，導(dǎo)致系數(shù)矩陣ΔS大多數(shù)元素為零，方程組的求解是一個(gè)典型的病態(tài)問題，廣泛用于最小二乘問題求解的正交化方法對(duì)該病態(tài)超定方程組的求解得不到令人滿意的結(jié)果[15]。因此，本文采用LSQR算法對(duì)上述線性方程組進(jìn)行求解，得到了較好的結(jié)果。

圖1 層流擴(kuò)散火焰橫截面劃分圖Fig. 1 Cross-section of laminar flow diffusion flame

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于上述消光法原理，搭建軸對(duì)稱火焰碳黑濃度測(cè)量平臺(tái)，用于測(cè)量固體燃料層流擴(kuò)散火焰中的碳黑濃度分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由燃料加熱及質(zhì)量損失測(cè)量系統(tǒng)、可調(diào)激光系統(tǒng)、激光光路傳播系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)圖像記錄系統(tǒng)組成。

1.激光器；2.可調(diào)電源；3.梅特勒天平；4.電熱絲加熱板；5.計(jì)算機(jī)1；6.燃料堆垛及火焰；7.凸透鏡；8.小孔光柵；9.高速攝影儀；10.計(jì)算機(jī)2；11.火焰記錄相機(jī)圖2 消光法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of extinction experiment platform

1.2.1 燃料試樣及平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)選用馬尾松針、柚木、紅橡木三種燃料。試樣破碎后用干燥箱在60 ℃下烘干12 h并篩選，所用固體燃料試樣如圖3(a)所示。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)確定使用直徑0.7 mm～1.4 mm，長(zhǎng)度5 mm左右的針狀燃料質(zhì)量為1.3 g，并將燃料試樣堆成直徑3.5 cm的圓臺(tái)狀燃料堆垛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣火焰達(dá)到穩(wěn)定層流狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

實(shí)驗(yàn)中，將0.5 mL無水乙醇均勻滴在固體燃料堆垛上，在引燃酒精的同時(shí)，開啟電熱絲加熱板電源進(jìn)行持續(xù)加熱，以延長(zhǎng)火焰的持續(xù)燃燒時(shí)間。電熱絲加熱板如圖3(b)所示，實(shí)驗(yàn)中電熱絲工作電壓為25 V，加熱功率為110 W。

圖3 燃料試樣及電熱絲加熱板Fig. 3 Wood fuel sample and Electric heating wire heating plate

1.2.2 激光及圖像采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選用直徑40 mm、波長(zhǎng)650 nm的紅光單色平行激光器作為光源。由于木材燃料的燃燒速率隨燃燒時(shí)間發(fā)生變化，所以實(shí)驗(yàn)采用反復(fù)快速遮擋激光并撤出的方法，對(duì)火焰進(jìn)行連續(xù)拍攝，再逐幀選取遮擋前和完全遮擋后的激光火焰圖及火焰圖。激光圖及背景圖在點(diǎn)火之前拍攝，以馬尾松針為例，如圖4所示?；鹧嫱干渎士赏ㄟ^公式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

圖4 馬尾松針火焰圖像Fig. 4 Pine needle flame image

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 燃料元素成分

采用CHNSO元素分析儀對(duì)馬尾松針、柚木、紅橡木這三種碳?xì)淙剂线M(jìn)行元素分析，測(cè)得三種燃料的元素成分如表1所示。三種固體燃料測(cè)得的各元素含量基本一致，其中馬尾松針的N元素含量較高，而O元素含量較低，可能是由于馬尾松針屬于樹葉，而柚木和紅橡木屬于樹干。

根據(jù)三種燃料的元素組成,可以利用門捷列夫理論熱值計(jì)算公式[16]估算其完全燃燒時(shí)的熱值：

QH=4.18×[81C+300H-26(O-S)]

(6)

式中：QH為門捷列夫高位發(fā)熱量；C、H、O、S分別表示碳?xì)溲趿虻馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 固體燃料元素占比分析

2.2 層流火焰實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 質(zhì)量損失速率

圖5給出電子天平測(cè)得的馬尾松針燃燒過程質(zhì)量損失曲線，對(duì)燃料質(zhì)量損失曲線進(jìn)行4階多項(xiàng)式擬合并求導(dǎo)[17]，得到相應(yīng)的燃料質(zhì)量損失速率曲線。固體燃料堆垛的燃燒過程可分為三個(gè)階段：不穩(wěn)定湍流燃燒階段、層流穩(wěn)定燃燒階段和熄滅階段，圖5中同時(shí)給出三個(gè)階段的典型火焰圖像。Kailasanathan等[10]在類似實(shí)驗(yàn)中對(duì)火焰進(jìn)行了溫度曲線頻域分析，結(jié)果顯示不穩(wěn)定湍流燃燒階段主要是酒精燃燒，僅有少部分燃料參與燃燒，而層流穩(wěn)定燃燒階段酒精已燃燒完全。因此，本文以層流穩(wěn)定燃燒階段為研究對(duì)象分析木材火焰碳黑濃度特征。柚木和紅橡木的質(zhì)量變化和質(zhì)量損失速率曲線如圖6所示。

圖5 馬尾松針質(zhì)量損失速率及燃燒階段圖Fig. 5 Mass loss rate and combustion stage of pine needles

圖6 質(zhì)量變化及質(zhì)量損失速率變化圖Fig. 6 Mass change and mass loss rate

在層流穩(wěn)定燃燒階段，馬尾松針、柚木、紅橡木分別在60 s、47 s、52 s左右火焰燃燒最為穩(wěn)定，此時(shí)馬尾松針、柚木、紅橡木的質(zhì)量損失速率分別為10.2 mg/s、17.12 mg/s、13.3 mg/s。根據(jù)表1中得到的三種燃料熱值，計(jì)算可知相應(yīng)的熱釋放速率分別為0.207 7 kW、0.306 9 kW、0.240 5 kW。在本文所述工況下柚木在穩(wěn)定燃燒階段的熱釋放速率最大，紅橡木次之，馬尾松針最小。

2.2.2 火焰碳黑濃度

根據(jù)公式(5)，馬尾松針、柚木、紅橡木分別在60 s、47 s、52 s的火焰透射率如圖7所示。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鏡片尺寸的限制，圖7中顯示的是燃料層流擴(kuò)散火焰約2 cm～4.5 cm高度內(nèi)的區(qū)域。

圖7 三種燃料火焰透射率圖Fig. 7 Flame transmittance diagrams of three fuels

根據(jù)1.1節(jié)中所述消光法原理，對(duì)透射率數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波平滑處理后，沿高度方向逐層利用LSQR算法對(duì)公式(4)進(jìn)行求解，得到三種燃料層流擴(kuò)散火焰碳黑體積分?jǐn)?shù)分布，如圖8所示。

圖8 三種燃料火焰碳黑濃度分布云圖Fig. 8 Flame carbon black concentration distribution cloud map of three fuels

圖9 三種燃料火焰碳黑濃度徑向分布圖Fig. 9 Radial distribution of carbon black concentration in the flames of three fuels

從圖8中可以看出，在本文所述工況下，馬尾松針火焰的碳黑濃度最高，柚木火焰碳黑濃度低于馬尾松針火焰，紅橡木火焰碳黑濃度最低。

圖9給出了三種燃料火焰在4個(gè)高度上的碳黑濃度徑向分布曲線。從圖9中可以看出：在不同高度上火焰的碳黑濃度均為馬尾松針>柚木>紅橡木；柚木火焰較寬，是由于在層流穩(wěn)定燃燒階段燃燒床面積最大；在穩(wěn)定燃燒階段，馬尾松針的質(zhì)量損失速率與熱釋放速率均小于柚木和紅橡木，而碳黑濃度卻大于柚木與紅橡木，說明馬尾松針發(fā)煙能力最強(qiáng)。對(duì)比馬尾松針與其他兩種燃料的元素含量可以發(fā)現(xiàn)，馬尾松針的碳含量最多，氧含量最少，可以推測(cè)燃料發(fā)煙能力與碳元素和氧元素含量有關(guān)。在本文工況下，根據(jù)已知條件，無法判定柚木與紅橡木發(fā)煙能力的大小。

3 結(jié)論

基于消光法原理，對(duì)典型木材燃料(馬尾松針、柚木、紅橡木)的堆垛燃燒層流擴(kuò)散火焰的碳黑濃度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過測(cè)量固體燃料堆垛燃燒過程的質(zhì)量損失速率和火焰碳黑體積分?jǐn)?shù)，并結(jié)合三種燃料的元素分析，對(duì)馬尾松針、柚木、紅橡木的碳黑生成特性進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)將固體碳?xì)淙剂掀扑槌芍睆?.7 mm～1.4 mm、長(zhǎng)度約5 mm的針狀試樣，并堆成直徑3.5 cm的堆垛，利用酒精引燃后可形成穩(wěn)定的層流擴(kuò)散火焰，同時(shí)可通過電熱絲輔助加熱延長(zhǎng)穩(wěn)定燃燒的時(shí)間。

2)對(duì)比三種燃料的火焰碳黑濃度、質(zhì)量損失速率及元素組成，馬尾松針發(fā)煙能力最強(qiáng)；固體碳?xì)淙剂系奶己谏赡芰赡芘c其碳元素和氧元素的含量有關(guān)，燃料碳元素含量越多，氧含量越少，其碳黑生成能力越大。