艾條燃燒性能試驗(yàn)研究

白　婧

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

0　引言

近年來，艾灸養(yǎng)生方興未艾，各種艾灸養(yǎng)生館數(shù)量逐年增加，這些養(yǎng)生館多為人員密集場所，且存有一定量的易燃可燃物，如果艾灸操作人員使用不當(dāng)，燃燒的艾條可能引燃附近可燃物，引發(fā)火災(zāi)事故。此外，艾條燃燒屬于無明火的陰燃，在艾灸結(jié)束后，如果艾條未完全熄滅，內(nèi)部處于陰燃狀態(tài)的艾條在一定條件下也有可能引燃附近可燃物進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)。目前，由艾條引發(fā)的火災(zāi)事故雖然報(bào)道不多，但由于艾條陰燃時(shí)間長、燃燒初始速度慢等特點(diǎn)，在起火點(diǎn)處很難留有引火源或與引火源有關(guān)的物體，因此，火調(diào)人員很難找到可以直接證明起火原因的證據(jù)。雖然針對艾條燃燒生成物毒性的研究較多，但是針對其煙密度、燃燒速度、熱分解性能等燃燒性能的研究還較少[1-4]。因此，對艾條的燃燒性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，對于預(yù)防艾條火災(zāi)、火災(zāi)原因調(diào)查等工作具有重要意義。本文選取三種不同艾絨純度的艾條進(jìn)行燃燒性能分析，測定在不同風(fēng)速條件下艾條的燃燒速率，以及艾絨純度對艾條熱分解性能的影響，并建立不同純度艾絨的主要熱分解階段的動力學(xué)模型，計(jì)算其動力學(xué)參數(shù)。

1　試驗(yàn)部分

1.1　試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)所用儀器有：水平垂直燃燒測定儀CZF-3(南京江寧分析儀器有限公司)，熱重分析儀TGA851(瑞士梅特勒公司)。試驗(yàn)材料為艾條，直徑12 mm，艾絨純度分別為5∶1，10∶1，35∶1，均為某一廠家生產(chǎn)，網(wǎng)上購買。

1.2　試驗(yàn)方法與步驟

1.2.1艾條燃燒速率測試

對于塑料制品，可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《塑料 燃燒性能的測定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)[5]對燃燒性能進(jìn)行分析，而艾條的燃燒屬于無焰燃燒，因此，試驗(yàn)中將對艾條陰燃速率進(jìn)行測定，從而分析艾條的燃燒性能。

為測定不同風(fēng)速條件下，艾條燃燒速率的變化情況，對水平垂直燃燒測定進(jìn)行了簡單的改進(jìn)，將電風(fēng)扇置于不同距離以改變?nèi)紵覂?nèi)的風(fēng)速，并用風(fēng)速測試儀測試風(fēng)速。將艾條截成長度為200 mm的待測樣品，并每隔20 mm(或50 mm，用于垂直燃燒測試)標(biāo)記一條刻度線，將標(biāo)記好的試樣固定在鐵架臺上，如圖1～2所示。調(diào)節(jié)火焰長度和試樣位置高度，分別進(jìn)行水平燃燒測試和垂直燃燒測試，改變風(fēng)速條件，每個工況測量三次，取平均值。

圖1　艾條水平燃燒測試圖

圖2　艾條垂直燃燒測試圖

1.2.2熱分解性能測試

稱量5 mg左右的艾絨，氮?dú)鈿夥眨郎厮俾蕿?0 ℃·min-1，從30 ℃升溫至800 ℃后自然冷卻至室溫，對比分析艾絨純度對熱分解性能的影響，并建立艾絨的熱解動力學(xué)模型，計(jì)算動力學(xué)參數(shù)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　不同工況下艾條燃燒速度的對比研究

2.1.1風(fēng)速對艾條水平燃燒速度的影響

取艾絨純度為35∶1的艾條，改變風(fēng)速分別為0，0.25，0.40，0.50 m·s-1，艾條燃燒長度均為20 mm，測量不同風(fēng)速下，水平放置艾條的燃燒時(shí)間，進(jìn)而比較其燃燒性能。不同風(fēng)速下艾絨純度為35∶1艾條的燃燒時(shí)間、燃燒速度、煙灰顏色、燃燒均勻性的平均值如表1所示，為了分析包裝紙對艾絨燃燒速度的影響，做了一組無外包裝紙的試驗(yàn)進(jìn)行對比。

從表1可以看出，無風(fēng)條件下，艾條水平燃燒速度受包裝紙的影響較大，除去包裝紙的艾條燃燒速率較快，分析原因一方面是艾絨較包裝紙更易燃，另一方面除去包裝紙后艾絨與空氣的接觸面積更大所致。此外，除去包裝紙的艾條燃燒產(chǎn)物顏色為灰色，帶有包裝紙的為灰黑色，因包裝紙?zhí)炕箢伾珵楹谏?。除去包裝紙的艾條燃燒不均勻，因缺乏包裝紙束縛后松散程度不一致。

表1　不同風(fēng)速下艾條的水平燃燒性能

從表1還可以看出，風(fēng)速從0升至0.5 m·s-1時(shí)，艾條的燃燒時(shí)間從7.8 min降低到3.8 min，燃燒速率從2.5 mm·min-1升高至5.3 mm·min-1。艾條的燃燒性能受風(fēng)速影響較大，燃燒時(shí)間隨風(fēng)速升高逐漸降低，且風(fēng)速越大，這種降低的趨勢越明顯；燃燒速率則隨風(fēng)速升高逐漸增大，且風(fēng)速越大，這種增大的趨勢越明顯。

在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，艾條外包裝紙與艾條的燃燒速度必須相匹配，能夠基本達(dá)到同步燃燒，才能獲得較為理想的燃燒效果。如果外包裝紙的陰燃速度大于艾條的陰燃速度，則此時(shí)在艾條燃燒處，艾絨頭不能成灰；如果外包裝紙的陰燃速度小于艾條的引燃速度，則燃燒端的艾絨頭會縮進(jìn)外包裝紙中，最終艾條因缺乏氧氣供應(yīng)而造成艾條熄滅。燃燒速度過快的話，會加劇燃燒錐內(nèi)部缺氧，導(dǎo)致有害成份產(chǎn)生。因此，在外包裝紙適應(yīng)艾條燃燒速度的前提下，應(yīng)使艾條向著均勻燃燒的方向發(fā)展。

2.1.2艾條的垂直燃燒性能

對艾絨純度分別為35∶1和10∶1的艾條試樣進(jìn)行垂直燃燒試驗(yàn)，風(fēng)速為0 m·s-1，得到的結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，艾絨純度較高時(shí)，艾條的單位長度垂直燃燒時(shí)間較短、燃燒速率較快，艾絨純度較低時(shí)，艾條的單位長度垂直燃燒時(shí)間較長、燃燒速率較慢，這說明在其他條件一致的情況下，艾絨純度較高的艾條發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰垂直蔓延速度較快。

表2　艾條的垂直燃燒性能

2.2　艾絨熱分解性能及反應(yīng)動力學(xué)研究

2.2.1艾絨純度對艾絨熱分解特性的影響

為研究艾絨純度對艾絨熱分解特性的影響，對三種純度的艾絨進(jìn)行了熱重分析，結(jié)果如圖3和表3所示。從圖3和表3可以看出，三種純度的艾絨均有兩個熱分解階段，在第一個熱分解階段，初始熱分解溫度較低，在55～65 ℃之間，且質(zhì)量損失率較小，質(zhì)量殘留率在95%以上，此階段主要應(yīng)為水分及一些揮發(fā)性油類物質(zhì)的散失。在第二個失重階段，主要為揮發(fā)性油類物質(zhì)和木質(zhì)纖維素等物質(zhì)的熱分解，在此階段，純度為5∶1和10∶1的艾絨初始熱分解溫度接近，均為235 ℃左右，質(zhì)量殘留率為49%左右，而純度為35∶1的艾絨初始熱分解溫度較高，為262.62 ℃，且質(zhì)量殘留率較低，為43.09%，這是因?yàn)?5∶1的艾絨純度較高，雜質(zhì)較少，因此其熱穩(wěn)定性較好。

(a)5∶1

(b)10∶1

(c)35∶1

表3　不同純度艾絨熱分解階段

2.2.2熱分解動力學(xué)分析

在艾條的熱分解動力學(xué)分析中，采取普適性較強(qiáng)的Coats-Redfern法，此方法為積分法，表達(dá)式為：

(1)

式中，g(α)是機(jī)理函數(shù)；α是質(zhì)量變化率，%；β是升溫速率，℃·min-1；A是頻率因子，min-1；E是活化能，kJ·mol-1；R是氣體常數(shù)，8.314×10-3kJ·mol-1·K-1；T是反應(yīng)溫度，K。

顯然，2RT/E?1，對于正確的g(α)形式，以ln[g(α)/T2]對1/T的圖線應(yīng)為一條直線，其斜率為-E/R，根據(jù)斜率可計(jì)算出活化能E，根據(jù)截距可得出頻率因子A。g(α)常見的8種形式如表4所示。

將三種艾絨試樣依次代入上述8種模型，并選取各自DTG(TG曲線的一階微分)曲線中的第二個熱分解階段為主要熱分解階段進(jìn)行分析。對曲線進(jìn)行擬合，并比較R2值從而選定各對應(yīng)的模型，R2值見表5。

從表5可以看出，三種純度艾絨試樣的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)均與一維擴(kuò)散模型D1的相關(guān)性較好，R2值均在0.99以上，因此取該模型進(jìn)行運(yùn)算。經(jīng)運(yùn)算，純度5∶1艾絨所對應(yīng)的熱解機(jī)理函數(shù)為y=-1540.4x-8.1648，純度10∶1艾絨所對應(yīng)的熱解機(jī)理函數(shù)為y=-2138.5x-6.4214，純度35∶1艾絨所對應(yīng)的熱解機(jī)理函數(shù)為y=-2722x-4.6516。將各函數(shù)的截距以及斜率代入公式(1)，得到對應(yīng)的活化能及頻率因子，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表4　常見g(α)形式

表5　不同純度艾絨的R2值

表6　不同純度艾絨的熱分解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

從表6中可以看出，隨著艾絨純度的提高，艾絨發(fā)生熱分解反應(yīng)的活化能呈逐漸增大的趨勢，但數(shù)量級保持一致，結(jié)合熱分解反應(yīng)初始溫度的變化規(guī)律來看，艾絨純度對于熱分解反應(yīng)進(jìn)行的難易程度有一定影響，但不是唯一的影響因素，試樣成分、松緊程度、儲存時(shí)間等因素都會影響反應(yīng)的進(jìn)行。

3　結(jié)論

本文選取傳統(tǒng)中醫(yī)保健常用的三種不同純度的艾條進(jìn)行試驗(yàn)，利用水平垂直燃燒測試儀、熱重分析儀得到燃燒參數(shù)，對比分析了其燃燒性能，主要結(jié)論為：(1)在風(fēng)速為零的情況下，艾條的燃燒速度相對較小，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對較小。但在實(shí)際生活中，考慮開窗產(chǎn)生的自然風(fēng)，空調(diào)產(chǎn)生的冷/熱風(fēng)，風(fēng)速條件不可忽略。艾條的燃燒速度隨著風(fēng)速的增加而增大，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也不斷增大。在其他條件一致的情況下，艾絨純度較高的艾條發(fā)生火災(zāi)時(shí)的火焰垂直蔓延速度較快。(2)艾絨的熱分解包括兩個階段，兩個階段初始熱分解溫度分別在55 ℃和235 ℃左右，艾絨純度較高的艾條初始熱分解溫度較高，熱穩(wěn)定性較好。(3)三種純度艾絨試樣的熱解反應(yīng)機(jī)理函數(shù)均與一維擴(kuò)散模型D1的相關(guān)性較好，熱解機(jī)理函數(shù)分別為y=-1540.4x-8.1648，y=-2138.5x-6.4214，y=-2722x-4.6516；由方程求出的艾絨熱解反應(yīng)活化能分別為12.81，17.78和22.63 kJ·mol-1。

本試驗(yàn)測定了直徑為12 mm的幾種常見艾條的燃燒時(shí)間，計(jì)算了艾條的水平垂直燃燒速率，并對艾條的熱分解特性和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析。通過分析，得出了一定的規(guī)律性結(jié)論，具有一定的參考價(jià)值，但艾條的燃燒性能包括諸多方面，其影響因素也很復(fù)雜，例如艾絨純度較高的艾條垂直燃燒速度較快，而其熱穩(wěn)定性卻相對較好，因此，要全面準(zhǔn)確地概括艾條的燃燒性能，特別是探索艾條內(nèi)在化學(xué)成分對燃燒性能影響的機(jī)理，還有待進(jìn)一步深入研究。