2. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083
2. School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China
农作物收获之后产生的秸秆是常见可燃物之一。烟头、雷击、短路漏电产生的电弧电火花等,其形式都接近于点状火源。当堆积的秸秆不慎被点状火源点燃后,会发生燃烧并向四周蔓延,进而导致更大规模的火灾[1]。为了准确描述秸秆蔓延燃烧过程,揭示其对环境可能造成的影响,亟待开展秸秆燃烧的相关实验研究。
关于秸秆的高温热解和燃烧特性,已经有学者开展了相关研究。魏博等[2]开展了秸秆颗粒的高温热解实验,根据秸秆的失重速率与挥发分析出过程,将秸秆的高温热解和燃烧过程分为先快后慢两个阶段。谢腾等[3]研究了不同混配比例秸秆的成形特性,分析了混合秸秆的燃烧特性,研究了秸秆质量分数、种类对混合成形燃料稳定性的影响。刘佳政等[4]研究了不同热解温度、粒度、种类的秸秆燃烧特性,发现超微生物炭的着火温度、燃尽温度和活化能最低且综合燃烧指数最高,棉花秸秆生物炭更适合用作固体燃料。司耀辉等[5]选用华中地区典型的麦秆、稻秆、棉秆为研究对象,利用热重/差热综合热分析仪研究了其燃烧特性,将秸秆燃烧过程分为挥发分的析出燃烧和固体焦炭的燃烧两个阶段。
物质组成与化学结构会影响秸秆燃烧的难易程度。吕薇等[6]将动态热重法与微分热重法联用对玉米秸秆的燃烧反应热动力学特性进行了研究,发现秸秆的燃烧性能、燃烧稳定性以及挥发分析出的难易程度均与升温速率呈正相关;田松峰等[7-8]将秸秆在不同升温速率下进行燃烧试验,得出了不同温度区间玉米秸秆燃烧反应热动力学方程,并提出了相应的燃烧机理;刘郁珏等[9]研究了不同种农作物秸秆的燃烧特性,发现燃烧阶段的起始温度与燃烧时的升温速率呈正相关。
从上述介绍可以看出,现有研究主要着眼于秸秆受热时的热解过程、热解产物等,而对秸秆燃烧宏观过程的研究不够丰富。为此,本文以堆积的秸秆为研究对象,使用点状火源在秸秆中心处将其点燃,记录并分析了火焰蔓延扩散现象、质量损失数据、火焰温度等一系列燃烧特性,揭示了秸秆燃烧过程中燃烧特性的变化规律。
1 实验方法本研究采用水稻秸秆作为燃料。将秸秆均匀铺设在一块厚度为1 cm的防火板上,铺设的形状是圆柱形,如图 1所示。堆积直径分别为60 cm和90 cm,密度均为18 kg/m3。针对两种堆积直径,分别选择不同的初始质量与堆积厚度,如表 1所示。由于实验中均采用自然堆积的方式铺设秸秆,可近似认为秸秆的密度是不变的,因此初始质量与堆积厚度呈线性关系。采用点火枪作为火源,在实验前将点火枪头伸入圆形秸秆中心位置进行点火,当观察到稳定的明火火苗后,即说明秸秆已被点燃。
堆积直径/cm | 初始质量/g | 堆积厚度/cm |
60 | 100 | 1.96 |
200 | 3.93 | |
300 | 5.89 | |
400 | 7.86 | |
500 | 9.82 | |
600 | 11.79 | |
90 | 400 | 3.49 |
600 | 5.24 | |
800 | 6.99 | |
1 000 | 8.73 | |
1 200 | 10.48 | |
1 400 | 12.23 |
把秸秆与防火板放置在一个高精度电子天平上,用来实时记录测量秸秆在燃烧过程中的质量损失。电子天平测量精度是0.01 g,采样频率是1 Hz。在秸秆中心线的正上方等间隔距离放置9个热电偶(TC1—TC9),用以测量秸秆中心线上的火焰温度。热电偶型号为K型铠装,测量端直径为2 mm,测量精度是0.1℃。各个热电偶之间的距离是10 cm。在秸秆侧面的斜上方布置一个高清视频摄像机,用以记录燃烧过程中的火焰蔓延过程。
2 结果与讨论 2.1 火焰蔓延过程图 2展示了秸秆堆积直径为60 cm时不同堆积厚度工况下从初始点状火焰逐步发展蔓延的过程,分别取典型时刻的图像进行展示。首先,对于同一堆积直径的秸秆,堆积厚度越大,燃烧过程越剧烈,持续时间越短。例如,堆积厚度为2.94 cm时需要超过200 s才能烧完,而堆积厚度为7.85 cm时超过100 s后秸秆即将耗尽。其次,与液体可燃物的燃烧现象不同,秸秆燃烧时的火焰呈现不同的空间形态结构。在秸秆被点状火源引燃后,燃烧面积逐渐增大,燃烧逐渐旺盛。随着燃烧面积的扩大,中间秸秆逐渐耗尽,只有边界区域的秸秆在燃烧,使得燃烧区域呈现环形。同时,火焰从环形燃烧区域产生,在空气卷吸的作用下在中心线处汇聚,形成了中空的锥形火焰结构。例如,图 2b中堆积厚度7.85 cm工况下30 s时,这种中空锥形火焰尤为明显。随着燃烧的进一步发展,中空区域越来越大,当火焰不足以在中心线处汇聚时,就呈现出分离的环形火焰形态。例如,图 2c中堆积厚度7.85 cm工况下80 s时。最终,随着秸秆的持续消耗,边界处秸秆也逐步被耗尽,导致环形火焰出现断裂,如图 2d所示。
图 3展示了中空的锥形火焰和分离的环形火焰的结构示意图。图中:①表示待燃烧的秸秆,②表示正在燃烧的秸秆,③表示中空的锥形火焰,④表示燃烧剩余的秸秆灰烬。由图 3a可见,由于环形燃烧区域尚小,因此火焰能够在中心线处汇聚,从右侧实验照片中也能够直观地看到燃烧中心处的灰烬区域。图 3b则展示了当环形燃烧区域过大时,火焰无法汇聚而形成的分离的环形火焰结构,此时火焰高度明显降低,燃烧强度逐渐减弱。
由上述分析可知,基于点状火源的秸秆燃烧过程会受到秸秆堆积厚度的影响,堆积厚度越大,秸秆燃烧过程越短。不论何种工况,秸秆燃烧过程中依次出现中空的锥形火焰和分离的环形火焰阶段;尽管出现时间不同,但各阶段都会稳定出现。
2.2 质量损失速率根据电子天平测量到的秸秆质量损失数据,可以直观地得到秸秆燃烧强度变化趋势。图 4展示了所有工况下秸秆质量损失曲线。可见,秸秆燃烧过程中的质量损失呈现3个趋势:1) 起初由于燃烧面积较小,导致秸秆质量消耗的速率较为缓慢。2) 随着燃烧面积的不断增大,环形火源外沿与空气的接触面积增加,加快了燃烧的进程,秸秆燃烧越来越旺盛,表现为质量快速下降。3) 在燃烧过程末期,火焰蔓延已经接近秸秆边缘区域,此时质量的下降趋于平缓,直至达到某非零值保持稳定。质量下降趋势平缓是由于秸秆燃烧完之后剩余部分的阴燃作用[10-11],会以非常缓慢的速度消耗一些秸秆质量。
将质量损失数据对时间进行求导,可以得到秸秆的质量损失速率曲线,如图 5所示。将质量损失速率的峰值位置对齐,设置为零时刻。可以看到,不同工况下的秸秆质量损失速率分布均呈现锥形,即开始燃烧后质量损失速率先是快速增加,达到峰值后立即出现快速下降,但是下降速度逐渐降低,质量损失速率曲线越来越平缓,极其缓慢地向零靠近。这与纸箱火等典型固体火灾是基本一致的[12-13]。如图 5所示,在开始燃烧的初期,质量损失速率位于较低水平,处于初始发展阶段。随后,由于燃烧区域逐渐扩大,中心区域秸秆燃烧成灰烬,导致火焰呈现中空的锥形结构。再然后,环形燃烧区域继续增大,火焰呈现分离的环形火焰结构,在此阶段内质量损失速率达到了峰值。在燃烧的最后阶段,环形燃烧区域秸秆被耗尽,处于衰减熄灭阶段。
为了定量衡量秸秆质量损失速率峰值
$ \dot{m}_{\max }=0.013\ 1 m_{0}-1.34 . $ | (1) |
可见,随着秸秆初始质量的增加,秸秆的质量损失速率峰值也呈现线性增加的趋势。这可能是由于秸秆的初始质量越大,其体积越大,燃烧过程中产生的热量越容易被未燃烧的秸秆吸收,向外界传热而损失的热量越少,因此燃烧得越旺盛。基于式(1),通过统计秸秆的初始质量,即可估测秸秆燃烧时所能达到的最大质量损失速率。
2.3 火焰温度采用热电偶测量得到火焰正上方轴心温度。由于篇幅限制,以堆积直径60 cm、厚度1.96 cm和3.93 cm秸秆燃烧过程为例,火焰轴心温度变化情况如图 7所示。可见,火焰轴心温度的变化也呈现先快速增加,再缓慢降低的趋势。
可燃物燃烧时的热释放速率
$ \dot{Q}=\dot{m} \Delta H_{\mathrm{c}}. $ | (2) |
其中ΔHc是秸秆的燃烧热,kJ/mol。无量纲热释放速率
$ \dot{Q}{}^{*}=\frac{\dot{Q}}{\rho_{\infty} c_{p} T_{\infty} \sqrt{g D_{\mathrm{eq}}^{5}}} . $ | (3) |
其中:ρ∞为周围空气密度,kg/m3;cp为空气比热容,J/(kg·K);T∞为周围空气温度,K;g为当地重力加速度,m/s2;Deq为秸秆燃烧区域的等效圆形直径,cm。根据Wang等[16]和Li等[17]的研究,等效圆形直径可以表示为
$ \frac{z_{0}}{D_{\mathrm{eq}}}=-1.02+1.38\left(\dot{Q}{}^{*}\right)^{\frac{2}{5}} . $ | (4) |
$ \frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\infty}}{T_{\infty}}=C_{T}\left(\frac{1-X_{\mathrm{r}}}{c_{p} T_{\infty} \sqrt{g}}\right)^{\frac{2}{3}}\left(\left(z-z_{0}\right) \frac{\rho^{\frac{2}{5}}}{\dot{Q}{}^{\frac{2}{5}}}\right)^{k} . $ | (5) |
其中:Tf是高度z处的火焰温度,K;T∞是环境温度,K;CT是模型常数,Xr是辐射分数。由于环境压力未发生变化,因此式(5)可以简化为
$ \frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\infty}}{T_{\infty}} \propto\left(\left(z-z_{0}\right) \dot{m}{}^{-\frac{2}{5}}\right)^{k}. $ | (6) |
从图 8可知,无量纲火焰温度与(z-z0)
3 结论
本文开展了堆积直径分别为60 cm和90 cm的秸秆在不同堆积厚度条件下的燃烧实验,研究了从点状火源发展蔓延过程中的火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等燃烧特性变化规律,具体结论如下:
1) 对于同一堆积直径的秸秆,堆积厚度越大,燃烧过程越剧烈,持续时间越短。秸秆火焰会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态。
2) 秸秆质量损失速率呈现先快速增加再缓慢下降的趋势。质量损失速率峰值与初始秸秆质量呈现良好的线性关系,初始质量越大,质量损失速率所能达到的峰值也越大,线性关系的斜率为0.013 1。
3) 秸秆火焰轴心温度的变化与质量损失速率的趋势基本一致;无量纲火焰温度与(z-z0)
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