輻射熱流作用下皮棉燃燒特性

卓 萍， 倪照鵬, 李向梅, 李 強(qiáng), 閆克勤

(1. 公安部天津消防研究所， 天津 300381； 2. 北京理工大學(xué) 材料學(xué)院， 北京 100081； 3. 中國(guó)儲(chǔ)備棉管理總公司， 北京 100032 )

21世紀(jì)初期棉花在我國(guó)重要商品儲(chǔ)備體系中排列第三，是僅次于糧食、石油的重要儲(chǔ)備商品[1]。對(duì)中國(guó)棉花市場(chǎng)進(jìn)行合理的宏觀調(diào)控，加強(qiáng)棉花儲(chǔ)備的有效管理，確保國(guó)家儲(chǔ)備棉的安全，具有十分重要的意義[2]。眾所周知，棉花是一種典型的易燃材料，在儲(chǔ)備棉倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)和儲(chǔ)備棉安全管理中，避免火星引入，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，盡最大可能減少火災(zāi)造成的損失顯得尤為關(guān)鍵。

皮棉的燃燒和熱釋放特性直接影響著棉花儲(chǔ)備倉(cāng)庫(kù)中火災(zāi)的形成、火災(zāi)蔓延的速率以及火災(zāi)強(qiáng)度。特定輻射熱源作用下皮棉試樣的著火試驗(yàn)可用來(lái)模擬皮棉棉包在倉(cāng)庫(kù)中遭受火災(zāi)熱源輻射的起火過(guò)程[3-4]。錐形量熱儀作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的小尺度燃燒特性測(cè)試手段，已在研究煙葉、塑料、木板等材料的燃燒和著火特性方面發(fā)揮了一定的作用[5-7]，但在應(yīng)用于棉花研究方面，多集中于棉織物阻燃特性和阻燃機(jī)制的研究[8-11]，研究棉花倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的燃燒特性和火災(zāi)機(jī)制相對(duì)較少[11]。我國(guó)棉花儲(chǔ)備庫(kù)中棉花大部分采用GB 6975—2013《棉花包裝》中規(guī)定的I型棉包，密度約為437 kg/m3，較大的棉包密度導(dǎo)致棉包中心區(qū)域的氧氣含量極低，大大降低了發(fā)生燃燒的可能性。本文利用錐形量熱儀，研究最大密度達(dá)到140 kg/m3的皮棉試樣，在10～50 kW/m2輻射熱流強(qiáng)度下燃燒行為，并比較不同密度的皮棉試樣在該輻射熱流強(qiáng)度區(qū)域下的燃燒差異，同時(shí)通過(guò)定溫條件下的熱質(zhì)量損失分析對(duì)皮棉熱解行為進(jìn)行深入分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

采用陳放4 a的細(xì)絨皮棉，從棉花倉(cāng)庫(kù)取出試驗(yàn)用棉包，去除外包裝和捆扎帶并進(jìn)行取樣。由于棉花初始形態(tài)為松散纖維，形態(tài)糾纏、結(jié)塊且分布不均，制作樣品前采用YG 232型纖維混合器對(duì)皮棉進(jìn)行梳理加工。稱取一定質(zhì)量的梳理過(guò)的皮棉放入底面尺寸為100 mm×100 mm的測(cè)試盒中，采用平板硫化機(jī)壓實(shí)，然后在表面以內(nèi)嵌入方式覆蓋網(wǎng)格數(shù)為7×7、質(zhì)量為7 g的金屬網(wǎng)柵固定。為盡可能接近實(shí)際棉包的密度，制樣時(shí)將測(cè)試盒中充填滿棉花，所制得的試樣最大密度為140.0 kg/m3。為進(jìn)一步比較不同松散程度皮棉試樣燃燒的差異性，分別制備了密度為70.0、17.5 kg/m3的試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1燃燒性能測(cè)試

采用英國(guó)FTT公司的0007型錐形量熱儀對(duì)皮棉試樣進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，試驗(yàn)方法參照ISO 5660-1：2015《燃燒性能測(cè)定 熱釋放、產(chǎn)煙量和質(zhì)量損失速率 第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)和產(chǎn)煙速率(動(dòng)態(tài)測(cè)量)》。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定輻射熱流強(qiáng)度分別為10、15、25、35、50 kW/m2，并通過(guò)是否采用點(diǎn)火器分別模擬棉花倉(cāng)庫(kù)內(nèi)棉包燃燒初期是單獨(dú)輻射引燃，還是同時(shí)存在輻射引燃和外引火源引燃的情況。不同輻射熱流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的輻射錐錐體溫度和棉花試樣表面溫度見表1。

表1 不同輻射熱流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)溫度Tab.1 Correspondence of radiant heat flux for series tests to temperatures

1.2.2熱穩(wěn)定性分析

采用德國(guó)耐馳TG 209 F1 Iris?型熱重分析儀對(duì)皮棉在不同溫度下的熱分解行為進(jìn)行測(cè)試。結(jié)合皮棉試樣的表面溫度，選定溫度分別為200、250、300、350 ℃，試驗(yàn)時(shí)，直接將測(cè)試爐爐溫升至試驗(yàn)溫度，空氣氣氛下保持60 min，皮棉試樣質(zhì)量為3～10 mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒現(xiàn)象

表2示出不同密度皮棉試樣在不同輻射熱流強(qiáng)度下的試驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)結(jié)果。當(dāng)輻射熱流強(qiáng)度范圍為15～35 kW/m2時(shí)，密度為70.0、140.0 kg/m3皮棉試樣的燃燒現(xiàn)象呈現(xiàn)出一致性，均為使用點(diǎn)火器時(shí)發(fā)生燃燒，而不使用點(diǎn)火器時(shí)僅為陰燃。通常，不同的輻射熱流強(qiáng)度在棉花試樣表面施加的溫度不同，從而促使表層棉纖維首先發(fā)生脫水，并逐步將熱量向內(nèi)部傳遞，溫度達(dá)到一定程度時(shí)棉花發(fā)生分解并最終燃燒。

表2 皮棉試樣在不同輻射熱流強(qiáng)度下的觀測(cè)結(jié)果Tab.2 Observation results of ginned cotton samples under different radiation heat fluxes

錐形量熱儀所采用的點(diǎn)火器通常為10 kV高壓火花發(fā)射器，用于模擬火災(zāi)中發(fā)生的高溫明火情況。上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明，如果不出現(xiàn)外加點(diǎn)火源或者沒(méi)有被引燃，僅周邊棉垛出現(xiàn)燃燒時(shí)，相對(duì)致密的皮棉棉包在輻射強(qiáng)度處于15～35 kW/m2，即棉體表面溫度在520 ℃以下時(shí)通常不會(huì)出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象，而是經(jīng)歷漫長(zhǎng)而穩(wěn)定的陰燃，但當(dāng)輻射熱流強(qiáng)度進(jìn)一步提高到50 kW/m2時(shí)，在不使用點(diǎn)火器條件下，密度為140.0 kg/m3的皮棉試樣發(fā)生了明火燃燒，表明棉花倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，即使不存在外加點(diǎn)火源，伴隨著棉垛陰燃形成的輻射熱流強(qiáng)度不斷升高，也可能出現(xiàn)明火，繼而對(duì)周邊棉包形成明火和輻射熱流的雙重作用，從而進(jìn)一步引發(fā)大規(guī)模的燃燒。在輻射熱流強(qiáng)度為10 kW/m2時(shí)，棉花試樣的表面溫度低于300 ℃，3種密度的皮棉試樣經(jīng)點(diǎn)火后表現(xiàn)為變黃，說(shuō)明棉纖維僅發(fā)生脫水反應(yīng)，此輻射熱流強(qiáng)度對(duì)于棉包和棉垛的儲(chǔ)存相對(duì)安全。

對(duì)于相對(duì)松散的密度為17.5 kg/m3的皮棉試樣，在使用點(diǎn)火源時(shí)伴隨著輻射強(qiáng)度的增大，燃燒狀態(tài)出現(xiàn)變黃—炭化—陰燃—燃燒4個(gè)階段的明顯轉(zhuǎn)變，照片如圖1所示。在相同體積條件下，密度較低的皮棉試樣可燃物含量較低，傳熱速度更快，所蓄積的熱量不能支持其發(fā)生穩(wěn)定的燃燒，而是在不同的輻射熱流強(qiáng)度下顯示出不同的燃燒狀態(tài)。在輻射熱流強(qiáng)度為15、25 kW/m2時(shí)，是否外加點(diǎn)火器對(duì)其燃燒狀態(tài)影響不大，但當(dāng)輻射熱流強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)，點(diǎn)火后發(fā)生明火燃燒，說(shuō)明表明皮棉棉包密度較小時(shí)，外加點(diǎn)火源對(duì)棉包燃燒狀態(tài)的影響必須在輻射熱流達(dá)到一定強(qiáng)度后方可發(fā)揮作用。

圖1 不同輻射熱流強(qiáng)度下相對(duì)松散皮棉試樣燃燒現(xiàn)象Fig.1 Experimental phenomena of relatively loose grinned cotton samples under different radiant heat fluxes when using igniter. (a) Inital sample; (b) 10 kW/m2; (c) 15 kW/m3; (d) 25 kW/m2; (e) 35 kW/m2

2.2 點(diǎn)燃時(shí)間

點(diǎn)燃時(shí)間可以表征棉花倉(cāng)庫(kù)中棉包被引燃的難易程度，反映處于不同輻射熱流強(qiáng)度下棉包的火災(zāi)危險(xiǎn)性。表3示出點(diǎn)火時(shí)不同輻射強(qiáng)度下棉試樣點(diǎn)燃時(shí)間。外加點(diǎn)火源時(shí)，密度為70.0、140.0 kg/m3皮棉試樣在輻射熱流強(qiáng)度為15～35 kW/m2區(qū)間時(shí)，從試驗(yàn)現(xiàn)象上看均為明火燃燒。由表3可知，輻照熱流強(qiáng)度增大后，點(diǎn)燃時(shí)間大幅縮短，火災(zāi)危險(xiǎn)程度顯著提升。當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)，不同密度的皮棉試樣點(diǎn)燃時(shí)間接近，均為7 s左右，極易引燃；因此，棉花倉(cāng)庫(kù)中輻射強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)可被認(rèn)定為相對(duì)危險(xiǎn)的情況。

表3 點(diǎn)火時(shí)不同輻射強(qiáng)度下棉花試樣點(diǎn)燃時(shí)間Tab.3 Ignition time of ginned samples under different heat fluxes when using igniter

2.3 燃燒熱釋放速率

為研究不同輻射熱流強(qiáng)度下棉包燃燒的劇烈程度和形成火災(zāi)的火場(chǎng)強(qiáng)度，重點(diǎn)比較了外加點(diǎn)火源時(shí)密度為140.0 kg/m3的皮棉試樣燃燒熱釋放速率和總釋放熱量情況，結(jié)果如圖2所示?？煽闯?，皮棉試樣一旦被引燃，燃燒熱釋放速率迅速達(dá)到峰值，之后緩慢下降。隨著輻射熱流強(qiáng)度的增大，燃燒熱釋放速率峰值增大，達(dá)到峰值的時(shí)間提前，且總熱釋放量增大。這是因?yàn)檩椛錈崃鲝?qiáng)度增大使得皮棉試樣表面吸收的熱量增多，加速了棉花脫水和熱解的進(jìn)程，發(fā)生燃燒的時(shí)間縮短，燃燒反應(yīng)速度加快，從而促使更多的皮棉參與了燃燒，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)，燃燒熱釋放速率峰值已經(jīng)達(dá)到100 kW/m2，總熱釋放量達(dá)到10.0 MJ。

圖2 點(diǎn)火時(shí)不同輻射強(qiáng)度下皮棉試樣(密度為140 kg/m3)燃燒熱釋放曲線Fig.2 Heat release curves of ginned cotton sample (with density of 140 kg/m3) under different heat fluxes at ignition.(a) Heat release rate curve;(b) Total heat release curve

在不同點(diǎn)火條件下，不同密度皮棉的燃燒熱釋放速率峰值與輻射熱流強(qiáng)度如表4所示。可看到，在點(diǎn)火條件下，3種密度的皮棉試樣燃燒熱釋放速率峰值隨著輻射熱流強(qiáng)度的升高而增大，且增長(zhǎng)幅度在25～35 kW/m2區(qū)間加速明顯，皮棉試樣的密度越小增長(zhǎng)幅度越大。明火燃燒時(shí)，輻射熱流強(qiáng)度的增大使得燃燒的皮棉試樣表面獲得更多的能量，增加了皮棉燃燒的劇烈程度，同時(shí)，皮棉試樣的密度越小，試樣內(nèi)部的縫隙更多，供氧量更大，也加劇了皮棉的燃燒。不點(diǎn)火條件下，燃燒熱釋放速率峰值在輻射強(qiáng)度25～35 kW/m2區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)速率減弱，且密度越大幅度越小，這與燃燒狀態(tài)為陰燃存在很大關(guān)系。皮棉的陰燃狀態(tài)通常是穩(wěn)定而持續(xù)的，持續(xù)升高的輻射熱流強(qiáng)度并不能大幅增加陰燃狀態(tài)下皮棉的熱釋放速率峰值，對(duì)于密度為140.0 kg/m3皮棉試樣，熱釋放速率峰值在35 kW/m2時(shí)較之其在25 kW/m2時(shí)稍有下降。這是因?yàn)槠っ廾芏容^大時(shí)，皮棉試樣縫隙中的氧氣含量較低，燃燒也相對(duì)緩慢，熱釋放速率峰值的最大值出現(xiàn)在25 kW/m2附近。

表4 皮棉試樣在不同輻射熱流強(qiáng)度下的燃燒熱釋放速率峰值Tab.4 Peak value of heat release rate of ginned cotton sample under different ignition conditions kW/m2

2.4 熱穩(wěn)定性分析

在不同的溫度下保持溫度恒定60 min，考察皮棉試樣的質(zhì)量損失速率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下皮棉試樣的等溫TGA曲線Fig.3 Isothermal TGA curves of ginned cotton samples at different temperatures

可知：200 ℃時(shí)，皮棉纖維的等溫?zé)豳|(zhì)量損失曲線為一條直線，表明200 ℃時(shí)皮棉基本不存在熱分解反應(yīng)；250 ℃時(shí)，皮棉纖維起始質(zhì)量損失為2.2%，隨著時(shí)間延長(zhǎng)皮棉試樣緩慢分解，在60 min后質(zhì)量損失達(dá)到25.8%。由于輻射強(qiáng)度在10 kW/m2時(shí)測(cè)試的皮棉表面溫度約為280 ℃，表觀看到的試驗(yàn)現(xiàn)象僅為變黃，則表明此時(shí)僅發(fā)生前期脫水反應(yīng)；300 ℃時(shí)，皮棉纖維起始質(zhì)量損失為8%，恒溫下皮棉試樣逐步分解，分解速度明顯高于250 ℃時(shí)的分解速度，60 min后質(zhì)量損失達(dá)到72.6%，過(guò)程質(zhì)量損失達(dá)到64.6%。表明在300 ℃時(shí)皮棉自身分解速率大反應(yīng)劇烈，發(fā)生了鏈的斷裂反應(yīng)。此溫度對(duì)應(yīng)的是輻射強(qiáng)度在10～15 kW/m2之間時(shí)皮棉表面溫度，由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可見點(diǎn)火條件下直接由脫水變黃轉(zhuǎn)變?yōu)殛幦己腿紵F(xiàn)象；350 ℃時(shí)，皮棉纖維起始質(zhì)量損失為79.7%，60 min后皮棉試樣僅殘余6.0%，質(zhì)量損失94.0%。表明當(dāng)輻射強(qiáng)度超過(guò)15 kW/m2時(shí)，皮棉試樣表面迅速發(fā)生分解反應(yīng)，如若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)到基本完全分解。當(dāng)皮棉倉(cāng)庫(kù)中某棉包發(fā)生陰燃時(shí)，可能對(duì)周圍棉包造成長(zhǎng)時(shí)間的低強(qiáng)度熱輻射影響，當(dāng)滿足上述輻射強(qiáng)度和時(shí)間后，盡管可能未產(chǎn)生明火，周圍棉包也會(huì)因?yàn)闊岱纸舛拇M。

3 結(jié) 論

1)相對(duì)致密的皮棉棉包(密度大于70 kg/m3)在輻射強(qiáng)度為15～35 kW/m2時(shí)，不外加點(diǎn)火源時(shí)發(fā)生陰燃，僅在輻射熱流強(qiáng)度達(dá)到50 kW/m2時(shí)發(fā)生明火燃燒；外加點(diǎn)火源時(shí)發(fā)生明火燃燒，但在輻射熱流強(qiáng)度低至10 kW/m2時(shí)僅為變黃。外加點(diǎn)火源時(shí)松散皮棉棉包(密度17.5 kg/m3)在輻射強(qiáng)度為10～35 kW/m2區(qū)間內(nèi)燃燒狀態(tài)為變黃—炭化—陰燃—燃燒4個(gè)階段。

2)輻照熱流強(qiáng)度增大，皮棉棉包點(diǎn)燃時(shí)間大幅縮短，當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)，不同密度的皮棉試樣點(diǎn)燃時(shí)間均為7 s左右，極易引燃。

3)輻射強(qiáng)度達(dá)到35 kW/m2時(shí)，燃燒熱釋放速率峰值已經(jīng)達(dá)到100 kW/m2，總熱釋放量達(dá)到10.0 MJ。隨著輻射熱流強(qiáng)度的升高，熱釋放速率峰值的增長(zhǎng)在點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)加速，在不點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)減速，這與皮棉的燃燒狀態(tài)不同存在很大的關(guān)系。

4)皮棉在300 ℃下持續(xù)60 min后熱質(zhì)量損失率達(dá)到64.6%。皮棉在長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受超過(guò)15 kW/m2的輻射強(qiáng)度時(shí)可完全分解。