艾條燃燒性能試驗研究

白　婧

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊　065000)

0　引言

近年來，艾灸養生方興未艾，各種艾灸養生館數量逐年增加，這些養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，燃燒的艾條可能引燃附近可燃物，引發火災事故。此外，艾條燃燒屬于無明火的陰燃，在艾灸結束后，如果艾條未完全熄滅，內部處于陰燃狀態的艾條在一定條件下也有可能引燃附近可燃物進而導致火災。目前，由艾條引發的火災事故雖然報道不多，但由于艾條陰燃時間長、燃燒初始速度慢等特點，在起火點處很難留有引火源或與引火源有關的物體，因此，火調人員很難找到可以直接證明起火原因的證據。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行試驗研究，對于預防艾條火災、火災原因調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行燃燒性能分析，測定在不同風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模型，計算其動力學參數。

1　試驗部分

1.1　試驗儀器及材料

試驗所用儀器有：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，網上購買。

1.2　試驗方法與步驟

1.2.1艾條燃燒速率測試

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

為測定不同風速條件下，艾條燃燒速率的變化情況，對水平垂直燃燒測定進行了簡單的改進，將電風扇置于不同距離以改變燃燒室內的風速，并用風速測試儀測試風速。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)標記一條刻度線，將標記好的試樣固定在鐵架臺上，如圖1～2所示。調節火焰長度和試樣位置高度，分別進行水平燃燒測試和垂直燃燒測試，改變風速條件，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，氮氣氣氛，升溫速率為20 ℃·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模型，計算動力學參數。

2　試驗結果與分析

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，測量不同風速下，水平放置艾條的燃燒時間，進而比較其燃燒性能。不同風速下艾絨純度為35∶1艾條的燃燒時間、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進行對比。

從表1可以看出，無風條件下，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物顏色為灰色，帶有包裝紙的為灰黑色，因包裝紙炭化后顏色為黑色所致。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　不同風速下艾條的水平燃燒性能

從表1還可以看出，風速從0升至0.5 m·s-1時，艾條的燃燒時間從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速影響較大，燃燒時間隨風速升高逐漸降低，且風速越大，這種降低的趨勢越明顯；燃燒速率則隨風速升高逐漸增大，且風速越大，這種增大的趨勢越明顯。

在試驗過程中還發現，艾條外包裝紙與艾條的燃燒速度必須相匹配，能夠基本達到同步燃燒，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外包裝紙中，最終艾條因缺乏氧氣供應而造成艾條熄滅。燃燒速度過快的話，會加劇燃燒錐內部缺氧，導致有害成份產生。因此，在外包裝紙適應艾條燃燒速度的前提下，應使艾條向著均勻燃燒的方向發展。

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的艾條試樣進行垂直燃燒試驗，風速為0 m·s-1，得到的結果如表2所示。從表2中可以看出，艾絨純度較高時，艾條的單位長度垂直燃燒時間較短、燃燒速率較快，艾絨純度較低時，艾條的單位長度垂直燃燒時間較長、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生火災時，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動力學研究

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行了熱重分析，結果如圖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，且質量損失率較小，質量殘留率在95%以上，此階段主要應為水分及一些揮發性油類物質的散失。在第二個失重階段，主要為揮發性油類物質和木質纖維素等物質的熱分解，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 ℃，且質量殘留率較低，為43.09%，這是因為35∶1的艾絨純度較高，雜質較少，因此其熱穩定性較好。

(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熱分解動力學分析

在艾條的熱分解動力學分析中，采取普適性較強的Coats-Redfern法，此方法為積分法，表達式為：

(1)

式中，g(α)是機理函數；α是質量變化率，%；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，8.314×10-3kJ·mol-1·K-1；T是反應溫度，K。

顯然，2RT/E?1，對于正確的g(α)形式，以ln[g(α)/T2]對1/T的圖線應為一條直線，其斜率為-E/R，根據斜率可計算出活化能E，根據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行分析。對曲線進行擬合，并比較R2值從而選定各對應的模型，R2值見表5。

從表5可以看出，三種純度艾絨試樣的反應機理函數均與一維擴散模型D1的相關性較好，R2值均在0.99以上，因此取該模型進行運算。經運算，純度5∶1艾絨所對應的熱解機理函數為y=-1540.4x-8.1648，純度10∶1艾絨所對應的熱解機理函數為y=-2138.5x-6.4214，純度35∶1艾絨所對應的熱解機理函數為y=-2722x-4.6516。將各函數的截距以及斜率代入公式(1)，得到對應的活化能及頻率因子，計算結果如表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動力學參數

從表6中可以看出，隨著艾絨純度的提高，艾絨發生熱分解反應的活化能呈逐漸增大的趨勢，但數量級保持一致，結合熱分解反應初始溫度的變化規律來看，艾絨純度對于熱分解反應進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、儲存時間等因素都會影響反應的進行。

3　結論

本文選取傳統中醫保健常用的三種不同純度的艾條進行試驗，利用水平垂直燃燒測試儀、熱重分析儀得到燃燒參數，對比分析了其燃燒性能，主要結論為：(1)在風速為零的情況下，艾條的燃燒速度相對較小，火災危險性相對較小。但在實際生活中，考慮開窗產生的自然風，空調產生的冷/熱風，風速條件不可忽略。艾條的燃燒速度隨著風速的增加而增大，其火災危險性也不斷增大。在其他條件一致的情況下，艾絨純度較高的艾條發生火災時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，熱穩定性較好。(3)三種純度艾絨試樣的熱解反應機理函數均與一維擴散模型D1的相關性較好，熱解機理函數分別為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活化能分別為12.81，17.78和22.63 kJ·mol-1。

本試驗測定了直徑為12 mm的幾種常見艾條的燃燒時間，計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參數進行了分析。通過分析，得出了一定的規律性結論，具有一定的參考價值，但艾條的燃燒性能包括諸多方面，其影響因素也很復雜，例如艾絨純度較高的艾條垂直燃燒速度較快，而其熱穩定性卻相對較好，因此，要全面準確地概括艾條的燃燒性能，特別是探索艾條內在化學成分對燃燒性能影響的機理，還有待進一步深入研究。