第42卷第3期浙江大學學報(工學版)Vol 42 NeJournal of Zhejiang University( Engineering ScienceMar.2008木材熱解與著火特性試驗研究方夢祥,宋長忠,沈德魁,駱仲泱,岑可法(浙江大學熱能工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室,浙江杭州310027)摘要:在自行研制的火災固體可燃物熱解與著火早期特性試驗臺上,對建筑裝潢常用的幾種木材以及森林常見的木材進行了熱解和著火特性試驗研究試驗木材尺寸為100mm×100mm×15mm,試驗選擇輻射熱流強度范圍為20~60kW/m2.分別就不同含水率、不同氧氣體積分數(shù)、木材的紋理方向、不同的材料、不同厚度以及外加輻射熱流強度等6個方面,對木材熱解和著火特性的影響進行了研究,結果表明,隨著輻射熱流的增加,著火時間縮短著火溫度下降隨著木材含水率的增加,著火時間延長;不同環(huán)境氧氣體積分數(shù)對木材熱解和著火特性影響很大預測了木材著火時間,通過試驗值和理論計算值比較,兩者吻合較好關鍵詞:火災;木材熱解;木材著火;影響因素中圖分類號:TQ351.2文獻標識碼:A文章編號: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 University,Hangzhou 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 k W/m2 to 60 kw/m2, the influences of heat flux, moisturecontent, 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 resultsKey words: fire; wood pyrolysis; wood ignition; influencing factor木材是典型的生物質(zhì)材料,由于其易燃性和良木材能量轉化和燃燒的初始階段,木材受熱后首先好的可加工性能,被廣泛地應用于燃燒和建筑裝潢是內(nèi)部所含水分的蒸發(fā),隨著溫度的升高,木材組織領域.如能控制木材燃燒有利于工業(yè)生產(chǎn)和人們的開始分解,形成揮發(fā)分物質(zhì)和焦炭.木材的熱解和著生活,燃燒一旦失去控制,將會演變成火災熱解是火是一個非常復雜的物理和化學變化過程,深入了收稿日期:2006-08-12.浙江大學學報(工學版)網(wǎng)址;www.journals.zju,edu,cn/eng基金項目:國家“973”重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2001CB409600)作者簡介:宋長忠(1964-),男呼和浩特人博土生,主要從事可燃物熱解與著火特性研究.E-mail:sc057l@163.com通訊聯(lián)系人;方夢祥,男博導.Emil: xiang@u,edu,cn512浙江大學學報(工學版)第41卷解和掌握木材的熱解和著火機理,是固定床生物質(zhì)min,保證系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性;用輻射熱流計校核輻射熱化學轉化以及火災研究的重要基礎有關木材的強度,保證試驗工況設定的輻射熱流在5min內(nèi)連熱解和著火特性,國內(nèi)外學者進行了大量的研測3次保持恒定;打開通風系統(tǒng)送風,維持恒定流究,這些研究大部分是為促燃和獲得某種中間產(chǎn)量;將布好熱電偶的試樣用鋁箔包覆(受熱面裸露),物服務的,為火災研究服務的不多,尤其是國內(nèi)的研用遮熱板遮護放入燃燒室內(nèi);待稱重系統(tǒng)穩(wěn)定,迅速究更是鳳毛麟角,為此,本研究選取建筑裝潢中常見封閉爐門,開始計時;同一工況(輻射熱流強度、風的木材,設計了一種研究木材熱解和著火早期特性量)對同一試樣實驗重復兩次,如果兩次結果差別過的試驗臺,對大尺度的木材熱解和著火早期特性進大,再重新進行測量,直至連續(xù)兩次所測數(shù)據(jù)相差不行了系統(tǒng)的試驗,得出了不同因素對木材熱解和著大,取兩次試驗結果的平均值作為結果輸出.火特性的影響.本研究為我國建立固體可燃物熱解選取白松、杉木、椴木3種軟木和花梨木、蒙古和著火特性數(shù)據(jù)庫提供了基礎數(shù)據(jù)櫟2種硬木以及中密度板和膠合板2種人造板材作為樣品同一種類試樣嚴格保證從同一板材上切割,1試驗裝置及方法尺寸100mm×100mm,厚度不大于50mm.試樣外表面刨光,保證受熱表面不平整度小于士1mm.所11試驗臺簡介有制備好的試樣均久置于環(huán)境中,保證試樣的含水圖1所示為自行設計的火災固體可燃物熱解和率在10%~15%不同含水率試樣制備,首先在105著火早期特性試驗臺試驗臺主體采用雙層不銹鋼℃烘箱里將試樣烘干24h,烘干后的試樣置于密封板焊接,中間填充隔熱硅酸鋁纖維,燃燒室完全密袋內(nèi),通過人工噴水得到試樣材料的不同含水率封.加熱器采用錐形、電加熱,功率0~120kW連續(xù)可調(diào).2試驗結果及分析該試驗臺的獨特優(yōu)點在于燃燒室完全密封,環(huán)境氧氣體積分數(shù)在0~21%連續(xù)可調(diào)能夠模擬封2.1外加輻射熱流對熱解和著火特性的影響閉的建筑室內(nèi)可燃物燃燒造成的缺氧氣氛.試驗時本文選擇輻射面積熱流分別為20、25、30、40、利用高壓鋼瓶提供氮氣,通過和空氣配比從而改變50、60kW/m2作為試驗工況.圖2是幾種試驗木材燃燒室內(nèi)氧氣體積分數(shù)的著火時間和輻射熱流強度q之間的關系曲線試驗中,質(zhì)量損失采用瑞士 METTLER TO圖3和4分別給出了杉木在不同輻射熱流條件下0.3m鎳鉻鎳硅熱電偶通過多通道高速HP儀在圖3可以看出在”冬bLEDo10mg精度電子天平在線連續(xù)測量;溫度用表面溫度及質(zhì)量損失隨加熱時間的變化曲線由線測量;熱流強度用輻射熱流計測量所有測量數(shù)據(jù)下,木材吸收輻射熱使其表面溫度逐漸升高,分別在均輸入計算機綜合處理229、74和18s時表面溫度有一個階躍,出現(xiàn)這種情孔板流釁計集罩況主要是在木材著火發(fā)生的瞬間,由于大量揮發(fā)分煙氣測量取樣孔物質(zhì)的析出,木材內(nèi)部壓力分布發(fā)生改變,表面產(chǎn)生瞬間的收縮,表面敷設的測溫熱電偶跳出,感受到的是火焰溫度,因此表面溫度階躍點對應的時刻就是著閥門氣、蒸機|門氣體混合箱180三合板1可燃物熱解與警火特性試驗臺Fig. 1 Apparatus of pyrolysis and ignition characteris-圖2輻射熱流和著火時間關系1.2試驗方法及試樣制備Fig 2 Ignition time as functuion of external heat flux試驗前接通加熱器電源,通電升溫預熱30for various wood species第12期方夢祥,等:木材熱解與著火特性試驗研究513(H2O)為5%、15%30%的白松表面溫度和質(zhì)量損失速率(m1)隨加熱時間的變化曲線由圖5可見,在著火發(fā)生以前,低v(H2O)的木材表面升溫速kw/m率高,著火發(fā)生時的表面溫度低,著火時間短;這是由于w(H2O)的增加,導致木材的導熱系數(shù)、比熱容和密度等物性參數(shù)增大,木材的熱慣性增加,而熱慣性大的木材著火時間延長10.由圖6可見,隨著木材中v(H2O)的增加,其最大質(zhì)量損失相應減少.對圖3不同輻射熱流下表面溫度變化應5%、15%30%3種v(H2O)下,白松材料的著Fig 3 Influence of heat fluxes on surface temperature火溫度分別為410、430、559℃,著火時間分別為火時刻同時參考人工秒表記錄時間和質(zhì)量損失速18、4745,最大質(zhì)量損失速率分別為181、17.5、率達到峰值的時間這3個時間若相差不大即以秒表16.7g/(m2·s)所測時間為準,以此確定木材的著火時間.圖4給出了杉木在不同輻射熱流條件下的質(zhì)量損失速率(m1)曲線整個質(zhì)量損失過程是由水分析出過程、揮發(fā)分析出過程、氣相著火過程和焦炭形成5%過程組成;其中,水分析出過程和揮發(fā)分析出過程決定了杉木著火時間的長短.隨著輻射熱流的增加,揮發(fā)分析出速率逐漸增大,當揮發(fā)分濃度達到著火的020406080100120臨界濃度時,著火發(fā)生,表現(xiàn)在質(zhì)量損失曲線上就是圖5白松不同w(H2O)表面溫度變化曲線出現(xiàn)質(zhì)量損失速率峰值.著火發(fā)生以后,所有熱Fig. 5 Influence of moisture content on surface tempera-流下質(zhì)量損失速率曲線的趨勢幾乎相同同時從圖ture of white pine中還可以看出,隨著輻射熱流的增加,最大質(zhì)量損失速率也逐漸增加.這與楊立中等人試驗結果是致的對應于輻射熱流25、30、40、50、60kW/m2著火時的最大質(zhì)量損失速率分別為10.4、12.3、21.6、23.5、28.8g/(m2·s)30%會2420406080100120140圖6白松不同w(H2O)質(zhì)量損失變化Fig.6 Influence of moisture content on mass loss rate of2002503002.3木材紋理方向?qū)峤夂椭鹛匦缘挠绊懩静膶儆诟飨虍愋圆牧?其生長的年輪造成在圖4不同輻射熱流下質(zhì)量損失速率變化Fig 4 Influence of heat fluxes on mass loss rate切割使用木材時,材料上出現(xiàn)不同的紋理,常見的紋理有平行和垂直兩種,如圖7所示,木材在不同紋理2.2木材含水率對熱解和著火特性的影響方向上,表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì),不同紋理方向的木含水率的大小,決定于木材中的水分質(zhì)量分數(shù)材試樣在外加輻射熱流條件下其熱解與著火特性也(H2O)的大小,一般以干木材中w(H2O)表示.木不同,本文選取椴木試樣,分別在垂直于紋理方向和材中(H2O)的高低,直接影響木材的熱物性參數(shù),平行于紋理方向施加輻射熱流,研究其不同的熱解如導熱系數(shù)比熱容、密度等均隨w(H2O的增加而和著火特性增加0)圖8是椴木試樣在40kW/m2輻射熱流條件圖5和6是在40kW/m2輻射熱流密度下,下,兩種紋理方向上測得的表面溫度隨加熱時間的514浙江大學學報(工學版)第41卷垂直紋理方向平行紋理方向圖7木材板塊紋理方向示意圖20021%Fig 7 Illustration of grain orientations of wood變化曲線由圖8可見,由于紋理方向的不同,同0100200300400500600加熱熱流下試樣表面升溫速率也有差異.在垂直紋圖9不同氧氣體積分數(shù)下白松表面溫度變化理方向上施加輻射熱流的試樣,表面升溫速率比平ig.9 Influence of oxygen concentration on surface行紋理方向上施加輻射熱流的試樣表面升溫速率明temperature of white pine顯要高,當著火發(fā)生以后兩者之間的溫差逐漸縮小據(jù)本文試驗結果可知:在g(O2)為15%~18%的環(huán)直至基本重合這是由于木材平行紋理方向上透氣境中,應該有一個氧氣體積分數(shù)臨界著火值當環(huán)境性好導熱系數(shù)高,而垂直紋理方向透氣性差,導熱中的g(O2)在該臨界值以下處于高熱輻射情況下系數(shù)小,研究表明平行于紋理方向的導熱系數(shù)的木材將不會出現(xiàn)明火但此時由于木材的陰燃,產(chǎn)大約是垂直紋理方向的兩倍因此在同一外加輻射生大量的CO氣體,易造成火場被困人員的中毒死熱流的作用下垂直于紋理方向的白樺試樣受熱容亡.對于消防人員來說撲救此種情況下的火災不易形成局部高溫,對熱解、氣化有利,較平行于紋理應該突然地打開房門或者窗子,而是要用水龍噴水方向試樣容易著火從所測得的著火時間也可以看降溫否則將會造成室內(nèi)可燃物產(chǎn)生的可燃揮發(fā)分出,垂直于紋理方向的著火時間是41s,而平行與紋轟然的發(fā)生,從3種木材不同g(O2)的著火時間來理方向的著火時間是50s.看,隨著gp(O2)的降低,著火發(fā)生的時間將延長2.5不同材料對熱解和著火特性的影響不同材料的著火特性有一定差異.圖10給出了軟硬兩種不同木材在外加輻射熱流40kW/m2條件平子理方向下的表面溫度曲線.由圖可見,硬木類木材的花梨木著火時間為60s,而軟木類木材的白松著火時間為010015020025024s.著火前白松的表面升溫速率要快于花梨木的表面升溫速率,這是由于白松的密度小,導熱系數(shù)也圖8不同紋理方向表面溫度曲線小,表面受到外界輻射加熱后,輻射熱量在材料縱深Fig 8 Surface temperature of wood with different grain傳遞熱阻大,沿著厚度方向的溫度梯度大;而花梨木orientations密度較大,導熱系數(shù)大接受外界輻射熱以后,熱量2.4環(huán)境氣氛對熱解和著火特性的影響在材料縱深傳遞熱阻要比白松的小,由此導致在加可燃物發(fā)生火災過程主要有4個階段:首先是熱過程中軟硬兩種木材表面溫度的差異可燃物的受熱分解,釋放出可燃性揮發(fā)分;其次是揮發(fā)分燃燒形成明火;接下來是火勢充分發(fā)展階段;最后是可燃物燃燼熄滅.對于建筑室內(nèi)火災,當火勢處于充分發(fā)展階段時,可燃物在有限空間內(nèi)燃燒,消耗大量的氧氣,使得其后的燃燒和熱解通常是處于變花梨木化的氧氣體積分數(shù)情況下.圖9給出了白松在輻射熱流密度為40kW/m24種不同g(O2)條件下的表面溫度隨加熱時間變化曲線.由圖可見,在4種g(O2)下,白松試樣在受熱以后,其表面溫度均隨加圖10兩種不同密度木材的表面溫度變化熱時間而增加,在p(O2)為18%及空氣氣氛Fg10 Surface temperature of two different species of woo(g(O2)=21%)條件下發(fā)生著火而在g(O2)為2.6木材的不同尺寸對熱解和著火特性的影響15%和5%條件下未見著火發(fā)生,只是表面陰燃.依木材在實際火災環(huán)境中,受到輻射加熱,發(fā)生熱第12期方夢祥,等:木材熱解與著火特性試驗研究5分解這一過程中即涉及質(zhì)量的輸運又有能量的傳可知其基本形式是一致的,均為Ln05正比于外加遞.傳質(zhì)和傳熱與木材的尺寸有很大關系,尺寸較大輻射熱流q唯一不同的是數(shù)值因子.為此本文經(jīng)的木材在受熱分解過程中,將會在材料沿輻射熱流過量綱分析,通過試驗數(shù)據(jù)的回歸,得出了一個考慮的照射方向,在材料內(nèi)部形成較大的溫度梯度,材料材料物性影響的著火時間和外加輻射熱流的關系:的熱解將分層進行;熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分物質(zhì)在材tn=1.63(k)(a-00)2/q2料內(nèi)部空隙流動過程中,會發(fā)生氣固兩相之間的二式中:t是著火時間(s);κ、c分別為材料的導熱系次反應,一些可凝結物質(zhì)會在揮發(fā)分流動過程中再數(shù)(W/(m·℃)密度(kg/m3)、比熱容(J/(kg次的凝結,發(fā)生傳質(zhì)現(xiàn)象這些都將使木材的熱分解℃),q.是外加輻射熱流密度(kW/m2),n、分特性發(fā)生很大的變化.別是著火溫度和環(huán)境溫度(℃)圖11給出了厚度為3mm和15mm兩種不同木材物性參數(shù)隨u(H2O)的變化分別由文獻厚度椴木的表面溫度隨加熱時間的變化曲線,從圖16,17給出:中可以看出在加熱一開始,兩種厚度的表面升溫速k=k0+p×(2+0.247XX)×10-,(2)率就有差異,3mm厚度的試樣表面升溫速率比15=(1+X)Ac=co+{[△H+(100-)Xcm]X}/n.(4mm的要快,且3mm的試樣首先發(fā)生著火,著火時間是31s,而15mm厚的試樣在49s時發(fā)生著火.式中:、p、c分別為干燥木材的導熱系數(shù)、密度、厚度不同的同一種木材,在熱分解和著火特性方面比熱容,X為木材的含水率,△H為水的汽化潛熱(2.1736MJ/kg)表現(xiàn)出來的不同差異,可以用“熱薄性”和“熱厚性根據(jù)式(1)對白松的著火時間進行了預測.圖12物體來解釋所謂“熱薄性”物體是指物體受熱后,其是40kW/m2輻射熱流下,不同w(H1O)的白松著火內(nèi)部各處溫度值均可以看作是同一個溫度,物體內(nèi)時間的預測值和試驗值的對比曲線,由圖可見,高熱的溫度只是時間的函數(shù)2;“熱厚性”物體剛好相流下試驗值和計算值差別不大低熱流下由于流過木反,物體受熱后由于其內(nèi)部存在溫度梯度物體內(nèi)部材表面氣體流速以及表面炭化層的厚度等因素對著各處的溫度值不但是時間的函數(shù),而且還是空間坐火時間影響非常大,所以測得的著火時間有較大誤標的函數(shù).因此,就椴木試樣兩種厚度尺寸來說,3差,造成了計算值和試驗值的差異較大總體來看,擬mm厚的試樣表現(xiàn)出了“熱薄性”物體的特征,受熱合公式的著火時間計算值和試驗值趨勢是相同的以后內(nèi)部溫度基本和表面溫度一致,其加熱較快,表面溫升速率也大;而15mm厚的椴木試樣,明顯地·5%試驗值表現(xiàn)出是“熱厚性”物體,受熱后沿著厚度的方向,材料內(nèi)部存在溫度梯度,熱量要由外向內(nèi)傳遞,導致表-30%計算面加熱較慢,溫升速率明顯比3mm厚的材料要低2.7著火時間預測著火時間是火災研究中的一個重要參數(shù),材料q/(kw→m2)著火時間的長短,直接影響被困人員的逃生和消防人員的施救分析有關著火時間理論計算公式314圖12著火時間試驗值和預測值比較Fig 12 Comparison experimental and calculated ignition結論-15mm(1)輻射熱流強度對木材的熱解和著火影響非常大,在本試驗條件下,30kW/m2以下低輻射熱流除杉木發(fā)生著火外,其他幾種木材都沒有著火發(fā)生,圖11兩種不同厚度椴木的表面溫度變化只是表面的陰燃.而高于30kW/m2熱流下,所有試Fig 1l Surface temperature of bass wood under differ樣均發(fā)生著火.隨著輻射熱流的增加,材料的著火時ent sizes間減小516浙江大學學報(工學版)第41卷(2)在一定輻射熱流下,含水質(zhì)量分數(shù)越高木材[6] OHLEILLER T J, KASHIWAGI T, WERNER K.的著火時間越長環(huán)境中氧氣體積分數(shù)的不同,木材Wood gasification at fire level heat flux [J]. Combustion的熱解和著火特性也有差異.在本試驗條件下,當氧and Flame,1978,69:155-170氣體積分數(shù)在15%以下時所有木材均未見著火發(fā)71T7 AKASHI K. Experimental observation of radiative ig生,在18%以上時均發(fā)生著火,同一熱流下,硬木和nition mechanisms [J]. Combustion and Flame, 197934:231-244.軟木著火時間差別很大;輻射熱流垂直于和平行于[8] ATREYA A. Pyrolysis, ignition and fire spread on hor木材的紋理方向,著火時間也有差別,垂直于紋理方izontal surface of wood [D]Massachusetts, USA: Har-向比平行于紋理方向易著火ard University, 1983.(3)給出了一個考慮木材物性參數(shù)影響的著火[9]楊立中,鄧志華,陳曉軍.可燃材料火災性能參數(shù)的實時間和輻射熱流關系式,通過理論預測的著火時間驗研究[J.火災科學,2000,9(4):32-3和試驗測量值吻合較好YANG Li-zhong, DENG Zhi-hua, CHEN Xiao-jun. Ex-perimental study on fire characteristics of material [J]參考文獻( References):Fire Safety Science, 2000,9(4): 32-37.[1] HUGGT C. Estimation of rate of heat release by means L1o] HARADA T. Time to ignition, heat release rate andof oxygen consumption measurements [J]. Fire and Mafire endurance time of wood in cone calorimeter testterials,1980,4:61-65.U]. Fire and Materials, 2001, 25:161-167.[2] BABRAUSKAS V. 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