木材热解与着火特性试验研究

第42卷第3期浙江大学学报(工学版)l.42No.3Journal of Zhejiang University( Engineering Science)木材热解与着火特性试验研究方梦祥,宋长忠,沈德魁,骆仲泱,岑可法(浙江大学热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:在自行研制的火灾固体可燃物热解与着火早期特性试验台上,对建筑装潢常用的几种木材以及森林常见的木材进行了热解和着火特性试验研究,试验木材尺寸为100mm×100mm×15mm,试验选择辐射热流强度范围为20~60kW/m2.分别就不同含水率、不同氧气体积分数、木材的纹理方向、不同的材料、不同厚度以及外加辐射热流强度等6个方面,对木材热解和着火特性的影响进行了研究.结果表明,随着辐射热流的增加,着火时间缩短、着火温度下降;随着木材含水率的增加,着火时间延长;不同环境氧气体积分数对木材热解和着火特性影响很大预测了木材着火时间,通过试验值和理论计算值比较,两者吻合较好.关键词:火灾;木材热解;木材着火;影响因素中图分类号:TQ351.2文献标识码:A文章编号:1008-973X(2007)12-0511-06Experimental study on pyrolysis and ignition of woodFANG Meng-xiang, SONG Chang-zhong, SHEN De-kui, LUO Zhong-yang, CEN Ke-fa( State Key laboratory of Clean Energy Utilization, Institute for Thermal Power Engineering, Zhejiang UniversityHangzhou 310027, ChinaAbstract Experiments on pyrolysis and ignition of several different woods widely used in the buildings ordistributed in the forests were carried out on the self-developed apparatus for investigating pyrolysis andignition of combustible materials. With slab-shaped samples of wood (100 mm X100 mmX15 mm) subjec-ted to different heat fluxes ranging from 20 kW/m2 to 60 kW/m, the influences of heat flux, moisturetent, oxygen concentration, thickness and grain orientation on the pyrolysis and ignition of wood wereexamined. The experimental results showed that the responses of the ignition characteristics to the intensi-ty of radiant heat flux were different. The ignition temperature and ignition delay time decrease with in-creasing radiant heat flux. The increasing moisture content increases the time for spontaneous ignition at agiven radiation intensity. In addition, oxygen concentration is an important factor tending to affect on thepyrolysis and ignition characteristics at various heat fluxes. The predicted wood ignition time is properlycompatible with the experimental results.Key words: fire; wood pyrolysis; wood ignition; influencing factor木材是典型的生物质材料,由于其易燃性和良木材能量转化和燃烧的初始阶段,木材受热后首先好的可加工性能,被广泛地应用于燃烧和建筑装潢是内部所含水分的蒸发,随着温度的升高,木材组织领域.如能控制木材燃烧有利于工业生产和人们的开始分解,形成挥发分物质和焦炭.木材的热解和着生活,燃烧一旦失去控制,将会演变成火灾热解是火是一个非常复杂的物理和化学变化过程,深入了中国煤化工收稿日期:2006-08-12.浙江大学学报(工学版)网址:www.jor基金项目:国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2001CB409600)YHCNMHG作者简介:宋长忠(1964-),男,呼和浩特人博士生,主要从事可燃物热解与着火特性研究,E-mail:scn0571@163.com通讯联系人;方梦祥,男博导. E-mial: muang@ju,edu,cn512浙江大学学报(工学版)第41卷解和掌握木材的热解和着火机理,是固定床生物质min,保证系统的热稳定性;用辐射热流计校核辐射热化学转化以及火灾研究的重要基础.有关木材的强度,保证试验工况设定的辐射热流在5min内连热解和着火特性,国内外学者进行了大量的研测3次保持恒定;打开通风系统送风,维持恒定流究。,这些研究大部分是为促燃和获得某种中间产量;将布好热电偶的试样用铝箔包覆(受热面棵露)物服务的,为火灾研究服务的不多,尤其是国内的硏用遮热板遮护放入燃烧室内;待称重系统稳定,迅速究更是凤毛麟角,为此,本研究选取建筑装潢中常见封闭炉门,开始计时;同一工况(辐射热流强度、风的木材,设计了一种研究木材热解和着火早期特性量)对同一试样实验重复两次,如果两次结果差别过的试验台,对大尺度的木材热解和着火早期特性进大,再重新进行测量,直至连续两次所测数据相差不行了系统的试验,得出了不同因素对木材热解和着大,取两次试验结果的平均值作为结果输出火特性的影响本研究为我国建立固体可燃物热解选取白松、杉木、椴木3种软木和花梨木、蒙古和着火特性数据库提供了基础数据.栎2种硬木以及中密度板和胶合板2种人造板材作为样品.同一种类试样严格保证从同一板材上切割,1试验装置及方法尺寸100mm×100mm,厚度不大于50mm.试样外表面刨光,保证受热表面不平整度小于士1mm.所1.1试验台简介有制备好的试样均久置于环境中,保证试样的含水图1所示为自行设计的火灾固体可燃物热解和率在10%~15%不同含水率试样制备,首先在105着火早期特性试验台试验台主体采用双层不锈钢℃烘箱里将试样烘干24h,烘干后的试样置于密封板焊接,中间填充隔热硅酸铝纤维,燃烧室完全密袋内,通过人工喷水得到试样材料的不同含水率封.加热器采用锥形、电加热,功率0~120kW连续2试验结果及分析该试验台的独特优点在于燃烧室完全密封,环境氧气体积分数在0~21%连续可调能够模拟封2.1外加辐射热流对热解和着火特性的影响闭的建筑室内可燃物燃烧造成的缺氧气氛.试验时本文选择辐射面积热流分别为20、25、30、40、利用高压钢瓶提供氮气,通过和空气配比从而改变50、60kW/m2作为试验工况图2是几种试验木材燃烧室内氧气体积分数的着火时间和辐射热流强度q之间的关系曲线试验中,质量损失采用瑞土 METTLER TO图3和4分别给出了杉木在不同辐射热流条件下LEDO10mg精度电子天平在线连续测量;温度用表面温度及质量损失随加热时间的变化曲线由0.3mm镍铬镍硅热电偶通过多通道高速HP仪在图3可以看出在25、30、40kW/m2辐射热流条件线测量;热流强度用辐射热流计测量所有测量数据下,木材吸收辐射热使其表面温度逐渐升高,分别在均输入计算机综合处理229、74和18s时表面温度有一个阶跃,出现这种情况主要是在木材着火发生的瞬间,由于大量挥发分烟气测量取样孔物质的析出,木材内部压力分布发生改变,表面产生瞬间的收缩,表面敷设的测温热电偶跳出,感受到的是火焰温度,因此表面温度阶跃点对应的时刻就是着220180密度板气体混合箱花梨木图1可燃物热解与着火特性试验台中国煤化工36065Fig 1 Apparatus of pyrolysis and ignition characterisCNMHm八间关系1.2试验方法及试样制备Fig 2 Ignition time as functuion of external heat flux试验前接通加热器电源,通电升温预热30r various wood species第12期方梦祥,等:木材热解与着火特性试验研究513(H2O)为5%15%、30%的白松表面温度和质量损失速率(m1)随加热时间的变化曲线.由图5可见,在着火发生以前,低v(H2O)的木材表面升温速*25 kW/m率高,着火发生时的表面温度低,着火时间短;这是由于w(H2O)的增加,导致木材的导热系数、比热容和密度等物性参数增大,木材的热惯性增加,而热惯性大的木材着火时间延长0.由图6可见,随着木材中w(H2O)的增加,其最大质量损失相应减少.对图3不同辐射热流下表面温度变化应5%、15%、30%3种w(H2O)下,白松材料的着Fig 3 Influence of heat fluxes on surface temperature火温度分别为410、430、559℃,着火时间分别为火时刻同时参考人工秒表记录时间和质量损失速1854、74s,最大质量损失速率分别为18.1、17.5、率达到峰值的时间这3个时间若相差不大即以秒表16.7g/(m2·s)所测时间为准,以此确定木材的着火时间图4给出了杉木在不同辐射热流条件下的质量损失速率(m1)曲线整个质量损失过程是由水分析出过程、挥发分析出过程、气相着火过程和焦炭形成15%过程组成;其中,水分析出过程和挥发分析出过程决定了杉木着火时间的长短.随着辐射热流的增加,挥发分析出速率逐渐增大,当挥发分浓度达到着火的临界浓度时,着火发生,表现在质量损失曲线上就是曲线出现质量损失速率峰值.着火发生以后,所有热图5白松不同w(H2O)表面温度变化Fig 5 Influence of moisture content on surface tempera-流下质量损失速率曲线的趋势几乎相同.同时从ture of white pine中还可以看出,随着辐射热流的增加,最大质量损失速率也逐渐增加这与杨立中等人试验结果是一致的.对应于辐射热流25、30、40、50、60kW/m2着08642火时的最大质量损失速率分别为10.4、12.3、21.6、23.5、28.8g/(m2·s)+25 kW/m38kW/w50kWm'-60 k w/m图6白松不同w(H20)质量损失变化Fig 6 Influence of moisture content on mass loss rate ofwhite pine2.3木材纹理方向对热解和着火特性的影响木材属于各向异性材料,其生长的年轮造成在图4不同辐射热流下质量损失速率变化切割使用木材时,材料上出现不同的纹理,常见的纹Fig 4 Influence of heat fluxes on mass loss rate理有平行和垂直两种,如图7所示,木材在不同纹理2.2木材含水率对热解和着火特性的影响方向上,表现出不同的物理性质,不同纹理方向的木含水率的大小,决定于木材中的水分质量分数材试样在外加辐射热流条件下其热解与着火特性也w(H2O的大小,一般以干木材中w(H2O表示.木不同中国煤化工E直于纹理方向和材中(H2O)的高低,直接影响木材的热物性参数,平行CNMHG究其不同的热解如导热系数比热容密度等均随w(H2O)的增加而和着增加0图8是椴木试样在40kW/m2辐射热流条件图5和6是在40kW/m2辐射热流密度下,下,两种纹理方向上测得的表面温度随加热时间的514浙江大学学报(工学版)第41卷垂直纹理方向400图7木材板块纹理方向示意图200Fig 7 Illustration of grain orientations of wood化曲线.由图8可见,由于纹理方向的不同,同0100200300400500600加热热流下试样表面升温速率也有差异.在垂直纹图9不同氧气体积分数下白松表面温度变化理方向上施加辐射热流的试样,表面升温速率比平Fig. 9 Influence of oxygen concentration on surface行纹理方向上施加辐射热流的试样表面升温速率明temperature of white pine显要高,当着火发生以后两者之间的温差逐渐缩小,据本文试验结果可知:在q(O2)为15%~18%的环直至基本重合这是由于木材平行纹理方向上透气境中,应该有一个氧气体积分数临界着火值,当环境性好、导热系数高而垂直纹理方向透气性差,导热中的g(O2)在该临界值以下处于高热辐射情况下系数小,研究表明1平行于纹理方向的导热系数的木材将不会出现明火但此时由于木材的阴燃,产大约是垂直纹理方向的两倍因此在同一外加辐射生大量的CO气体,易造成火场被困人员的中毒死热流的作用下垂直于纹理方向的白桦试样受热容亡对于消防人员来说,扑救此种情况下的火灾,不易形成局部高温,对热解、气化有利,较平行于纹理应该突然地打开房门或者窗子,而是要用水龙喷水方向试样容易着火从所测得的着火时间也可以看降温否则将会造成室内可燃物产生的可燃挥发分出,垂直于纹理方向的着火时间是41s,而平行与纹轰然的发生,从3种木材不同φ(O2)的着火时间来理方向的着火时间是50s.看,随着g(O2)的降低,着火发生的时间将延2.5不同材料对热解和着火特性的影响不同材料的着火特性有一定差异.图10给出了软硬两种不同木材在外加辐射热流40kW/m2条件垂直于纹理方向平行于纹理方向下的表面温度曲线由图可见,硬木类木材的花梨木着火时间为60s,而软木类木材的白松着火时间为24s.着火前白松的表面升温速率要快于花梨木的表面升温速率,这是由于白松的密度小,导热系数也图8不同纹理方向表面温度曲线小,表面受到外界辐射加热后,辐射热量在材料纵深Fg.8 Surface temperature of wood with different grain传递热阻大,沿着厚度方向的温度梯度大;而花梨木密度较大,导热系数大接受外界辐射热以后,热量2.4环境气氛对热解和着火特性的影响在材料纵深传递热阻要比白松的小,由此导致在加可燃物发生火灾过程主要有4个阶段:首先是热过程中软硬两种木材表面温度的差异可燃物的受热分解,释放出可燃性挥发分;其次是挥发分燃烧形成明火;接下来是火势充分发展阶段;最后是可燃物燃烬熄灭.对于建筑室内火灾,当火势处于充分发展阶段时,可燃物在有限空间内燃烧,消耗大量的氧气,使得其后的燃烧和热解通常是处于变花梨木化的氧气体积分数情况下.图9给出了白松在辐射热流密度为40kW/m2、4种不同g(O2)条件下的表面温度随加热时间变化曲线.由图可见,在4种中国煤化工g(O2)下,白松试样在受热以后,其表面温度均随加面温度变化热时间而增加,在φ(O2)为18%及空气气氛CNMHGrent species of wood(gO2)=21%)条件下发生着火而在g(O2)为2.6木材的不同尺寸对热解和着火特性的影响15%和5%条件下未见着火发生,只是表面阴燃依木材在实际火灾环境中,受到辐射加热,发生热第12期方梦祥,等:木材热解与着火特性试验研究515分解这一过程中即涉及质量的输运又有能量的传可知其基本形式是一致的,均为tg5正比于外加递.传质和传热与木材的尺寸有很大关系,尺寸较大辐射热流q唯一不同的是数值因子.为此本文经的木材在受热分解过程中,将会在材料沿辐射热流过量纲分析通过试验数据的回归,得出了一个考虑的照射方向,在材料内部形成较大的温度梯度,材料材料物性影响的着火时间和外加辐射热流的关系:的热解将分层进行;热分解产生的挥发分物质在材tn=1.63(kc)(01-0)2/q2料内部空隙流动过程中,会发生气固两相之间的二式中;4是着火时间(s);P、c分别为材料的导热系次反应,一些可凝结物质会在挥发分流动过程中再数(W(m·℃))、密度(kg/m3)、比热容(J/(kg次的凝结,发生传质现象,这些都将使木材的热分解·℃),q是外加辐射热流密度(W/m2),、a分特性发生很大的变化别是着火温度和环境温度(℃)图11给出了厚度为3mm和15mm两种不同木材物性参数随u(H2O)的变化分别由文献厚度椴木的表面温度随加热时间的变化曲线.从图[16,17给出中可以看出在加热一开始,两种厚度的表面升温速k=k+pX(2+0.247×X)×10-,(2)率就有差异,3mm厚度的试样表面升温速率比15(1+X)c=co+{[△H+(100-B)×cm]X}mm的要快,且3mm的试样首先发生着火,着火时式中K0、0、c分别为干燥木材的导热系数、密度、间是31s,而15mm厚的试样在49s时发生着火比热容,X为木材的含水率,△H为水的汽化潜热厚度不同的同一种木材,在热分解和着火特性方面(2.1736MJ/kg)表现出来的不同差异,可以用“热薄性”和“热厚性根据式(1)对白松的着火时间进行了预测.图12物体来解释所谓“热薄性”物体是指物体受热后,其是40kW/m2辐射热流下,不同w(H2O)的白松着火内部各处温度值均可以看作是同一个温度,物体内时间的预测值和试验值的对比曲线由图可见,高热的温度只是时间的函数2,“热厚性”物体刚好相流下试验值和计算值差别不大,低热流下由于流过木反,物体受热后由于其内部存在温度梯度,物体内部材表面气体流速以及表面炭化层的厚度等因素对着各处的温度值不但是时间的函数,而且还是空间坐火时间影响非常大,所以测得的着火时间有较大误标的函数.因此,就椴木试样两种厚度尺寸来说,3差,造成了计算值和试验值的差异较大总体来看,拟mm厚的试样表现出了“热薄性”物体的特征,受热合公式的着火时间计算值和试验值趋势是相同的.以后内部温度基本和表面温度一致,其加热较快,表W(HO)面温升速率也大;而15mm厚的椴木试样,明显地·5%试验值表现出是“热厚性”物体,受热后沿着厚度的方向,材料内部存在温度梯度,热量要由外向内传递,导致表30%面加热较慢,温升速率明显比3mm厚的材料要低2.7著火时间预测着火时间是火灾研究中的一个重要参数,材料30354045505560q/(kw·m2)着火时间的长短,直接影响被困人员的逃生和消防人员的施救分析有关着火时间理论计算公式31图12着火时间试验值和预测值比较Fig 12 Comparison experimental and calculated ignition6003结论200(1)辐射热流强度对木材的热解和着火影响非常大80120中国煤化工以下低镉射热流除杉没有着火发生,图11两种不同厚度椴木的表面温度变化只是CNMHG热流下,所有试ig. 11 Surface temperature of bass wood under differ样均发生着火.随着辐射热流的增加,材料的着火时ent sizes间减小516浙江大学学报(工学版)第41卷(2)在一定辐射热流下,含水质量分数越高木材[6] OHLEILLER T J, KASHIWAGI T, WERNER的着火时间越长环境中氧气体积分数的不同,木材Wood gasification at fire level heat flux [J]. Combustion的热解和着火特性也有差异.在本试验条件下,当氧and Flame,1978,69:155-170气体积分数在15%以下时所有木材均未见着火发71 TAKASHI K. Experimental observation of radiative ig-生,在18%以上时均发生着火,同一热流下,硬木和nition mechanisms [J]. Combustion and Flame, 19794:231-244软木着火时间差别很大;辐射热流垂直于和平行于[8] ATREYA A. Pyrolysis, ignition and fire spread on hor-木材的纹理方向,着火时间也有差别,垂直于纹理方izontal surface of wood [D]Massachusetts, USA: Har-向比平行于纹理方向易着火ard University, 1983(3)给出了一个考虑木材物性参数影响的着火[9]杨立中,邓志华,陈晓军.可燃材料火灾性能参数的实时间和辐射热流关系式,通过理论预测的着火时间验研究[J.火灾科学,2000,9(4):32和试验测量值吻合较好.YANG Li-zhong, DENG Zhi-hua, CHEN Xiao-jun. experimental study on fire characteristics of material [J].参考文献( References):Fire Safety Science, 2000,9(4): 32-37[1] HUGGT C. Estimation of rate of heat release by means[10] HARADA T. Time to ignition, heat release rate andof oxygen consumption measurements [J]. Fire and Ma-fire endurance time of wood in cone calorimeter testterials, 1980, 4: 6U]. Fire and Materials, 2001, 25: 161-167.[2] BABRAUSKAS V. 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