輻射熱流作用下皮棉燃燒特性

卓 萍， 倪照鵬, 李向梅, 李 強, 閆克勤

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

21世紀初期棉花在我國重要商品儲備體系中排列第三，是僅次于糧食、石油的重要儲備商品[1]。對中國棉花市場進行合理的宏觀調控，加強棉花儲備的有效管理，確保國家儲備棉的安全，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，在儲備棉倉庫設計和儲備棉安全管理中，避免火星引入，預防火災發生，盡最大可能減少火災造成的損失顯得尤為關鍵。

皮棉的燃燒和熱釋放特性直接影響著棉花儲備倉庫中火災的形成、火災蔓延的速率以及火災強度。特定輻射熱源作用下皮棉試樣的著火試驗可用來模擬皮棉棉包在倉庫中遭受火災熱源輻射的起火過程[3-4]。錐形量熱儀作為一種標準化的小尺度燃燒特性測試手段，已在研究煙葉、塑料、木板等材料的燃燒和著火特性方面發揮了一定的作用[5-7]，但在應用于棉花研究方面，多集中于棉織物阻燃特性和阻燃機制的研究[8-11]，研究棉花倉儲過程中的燃燒特性和火災機制相對較少[11]。我國棉花儲備庫中棉花大部分采用GB 6975—2013《棉花包裝》中規定的I型棉包，密度約為437 kg/m3，較大的棉包密度導致棉包中心區域的氧氣含量極低，大大降低了發生燃燒的可能性。本文利用錐形量熱儀，研究最大密度達到140 kg/m3的皮棉試樣，在10～50 kW/m2輻射熱流強度下燃燒行為，并比較不同密度的皮棉試樣在該輻射熱流強度區域下的燃燒差異，同時通過定溫條件下的熱質量損失分析對皮棉熱解行為進行深入分析。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

采用陳放4 a的細絨皮棉，從棉花倉庫取出試驗用棉包，去除外包裝和捆扎帶并進行取樣。由于棉花初始形態為松散纖維，形態糾纏、結塊且分布不均，制作樣品前采用YG 232型纖維混合器對皮棉進行梳理加工。稱取一定質量的梳理過的皮棉放入底面尺寸為100 mm×100 mm的測試盒中，采用平板硫化機壓實，然后在表面以內嵌入方式覆蓋網格數為7×7、質量為7 g的金屬網柵固定。為盡可能接近實際棉包的密度，制樣時將測試盒中充填滿棉花，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 試驗方法

1.2.1燃燒性能測試

采用英國FTT公司的0007型錐形量熱儀對皮棉試樣進行燃燒性能測試，試驗方法參照ISO 5660-1：2015《燃燒性能測定 熱釋放、產煙量和質量損失速率 第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)和產煙速率(動態測量)》。試驗時設定輻射熱流強度分別為10、15、25、35、50 kW/m2，并通過是否采用點火器分別模擬棉花倉庫內棉包燃燒初期是單獨輻射引燃，還是同時存在輻射引燃和外引火源引燃的情況。不同輻射熱流強度對應的輻射錐錐體溫度和棉花試樣表面溫度見表1。

表1 不同輻射熱流強度對應溫度Tab.1 Correspondence of radiant heat flux for series tests to temperatures

1.2.2熱穩定性分析

采用德國耐馳TG 209 F1 Iris?型熱重分析儀對皮棉在不同溫度下的熱分解行為進行測試。結合皮棉試樣的表面溫度，選定溫度分別為200、250、300、350 ℃，試驗時，直接將測試爐爐溫升至試驗溫度，空氣氣氛下保持60 min，皮棉試樣質量為3～10 mg。

2 結果與討論

2.1 燃燒現象

表2示出不同密度皮棉試樣在不同輻射熱流強度下的試驗現象觀測結果。當輻射熱流強度范圍為15～35 kW/m2時，密度為70.0、140.0 kg/m3皮棉試樣的燃燒現象呈現出一致性，均為使用點火器時發生燃燒，而不使用點火器時僅為陰燃。通常，不同的輻射熱流強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生脫水，并逐步將熱量向內部傳遞，溫度達到一定程度時棉花發生分解并最終燃燒。

表2 皮棉試樣在不同輻射熱流強度下的觀測結果Tab.2 Observation results of ginned cotton samples under different radiation heat fluxes

錐形量熱儀所采用的點火器通常為10 kV高壓火花發射器，用于模擬火災中發生的高溫明火情況。上述試驗現象表明，如果不出現外加點火源或者沒有被引燃，僅周邊棉垛出現燃燒時，相對致密的皮棉棉包在輻射強度處于15～35 kW/m2，即棉體表面溫度在520 ℃以下時通常不會出現明火燃燒現象，而是經歷漫長而穩定的陰燃，但當輻射熱流強度進一步提高到50 kW/m2時，在不使用點火器條件下，密度為140.0 kg/m3的皮棉試樣發生了明火燃燒，表明棉花倉庫發生火災時，即使不存在外加點火源，伴隨著棉垛陰燃形成的輻射熱流強度不斷升高，也可能出現明火，繼而對周邊棉包形成明火和輻射熱流的雙重作用，從而進一步引發大規模的燃燒。在輻射熱流強度為10 kW/m2時，棉花試樣的表面溫度低于300 ℃，3種密度的皮棉試樣經點火后表現為變黃，說明棉纖維僅發生脫水反應，此輻射熱流強度對于棉包和棉垛的儲存相對安全。

對于相對松散的密度為17.5 kg/m3的皮棉試樣，在使用點火源時伴隨著輻射強度的增大，燃燒狀態出現變黃—炭化—陰燃—燃燒4個階段的明顯轉變，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生穩定的燃燒，而是在不同的輻射熱流強度下顯示出不同的燃燒狀態。在輻射熱流強度為15、25 kW/m2時，是否外加點火器對其燃燒狀態影響不大，但當輻射熱流強度達到35 kW/m2時，點火后發生明火燃燒，說明表明皮棉棉包密度較小時，外加點火源對棉包燃燒狀態的影響必須在輻射熱流達到一定強度后方可發揮作用。

圖1 不同輻射熱流強度下相對松散皮棉試樣燃燒現象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 點燃時間

點燃時間可以表征棉花倉庫中棉包被引燃的難易程度，反映處于不同輻射熱流強度下棉包的火災危險性。表3示出點火時不同輻射強度下棉試樣點燃時間。外加點火源時，密度為70.0、140.0 kg/m3皮棉試樣在輻射熱流強度為15～35 kW/m2區間時，從試驗現象上看均為明火燃燒。由表3可知，輻照熱流強度增大后，點燃時間大幅縮短，火災危險程度顯著提升。當輻射強度達到35 kW/m2時，不同密度的皮棉試樣點燃時間接近，均為7 s左右，極易引燃；因此，棉花倉庫中輻射強度達到35 kW/m2時可被認定為相對危險的情況。

表3 點火時不同輻射強度下棉花試樣點燃時間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度下棉包燃燒的劇烈程度和形成火災的火場強度，重點比較了外加點火源時密度為140.0 kg/m3的皮棉試樣燃燒熱釋放速率和總釋放熱量情況，結果如圖2所示。可看出，皮棉試樣一旦被引燃，燃燒熱釋放速率迅速達到峰值，之后緩慢下降。隨著輻射熱流強度的增大，燃燒熱釋放速率峰值增大，達到峰值的時間提前，且總熱釋放量增大。這是因為輻射熱流強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程，發生燃燒的時間縮短，燃燒反應速度加快，從而促使更多的皮棉參與了燃燒，火災危險性更大。當輻射強度達到35 kW/m2時，燃燒熱釋放速率峰值已經達到100 kW/m2，總熱釋放量達到10.0 MJ。

圖2 點火時不同輻射強度下皮棉試樣(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度如表4所示。可看到，在點火條件下，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度的升高而增大，且增長幅度在25～35 kW/m2區間加速明顯，皮棉試樣的密度越小增長幅度越大。明火燃燒時，輻射熱流強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，皮棉試樣的密度越小，試樣內部的縫隙更多，供氧量更大，也加劇了皮棉的燃燒。不點火條件下，燃燒熱釋放速率峰值在輻射強度25～35 kW/m2區間內增長速率減弱，且密度越大幅度越小，這與燃燒狀態為陰燃存在很大關系。皮棉的陰燃狀態通常是穩定而持續的，持續升高的輻射熱流強度并不能大幅增加陰燃狀態下皮棉的熱釋放速率峰值，對于密度為140.0 kg/m3皮棉試樣，熱釋放速率峰值在35 kW/m2時較之其在25 kW/m2時稍有下降。這是因為皮棉密度較大時，皮棉試樣縫隙中的氧氣含量較低，燃燒也相對緩慢，熱釋放速率峰值的最大值出現在25 kW/m2附近。

表4 皮棉試樣在不同輻射熱流強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，考察皮棉試樣的質量損失速率，結果如圖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，皮棉纖維的等溫熱質量損失曲線為一條直線，表明200 ℃時皮棉基本不存在熱分解反應；250 ℃時，皮棉纖維起始質量損失為2.2%，隨著時間延長皮棉試樣緩慢分解，在60 min后質量損失達到25.8%。由于輻射強度在10 kW/m2時測試的皮棉表面溫度約為280 ℃，表觀看到的試驗現象僅為變黃，則表明此時僅發生前期脫水反應；300 ℃時，皮棉纖維起始質量損失為8%，恒溫下皮棉試樣逐步分解，分解速度明顯高于250 ℃時的分解速度，60 min后質量損失達到72.6%，過程質量損失達到64.6%。表明在300 ℃時皮棉自身分解速率大反應劇烈，發生了鏈的斷裂反應。此溫度對應的是輻射強度在10～15 kW/m2之間時皮棉表面溫度，由上述試驗現象可見點火條件下直接由脫水變黃轉變為陰燃和燃燒現象；350 ℃時，皮棉纖維起始質量損失為79.7%，60 min后皮棉試樣僅殘余6.0%，質量損失94.0%。表明當輻射強度超過15 kW/m2時，皮棉試樣表面迅速發生分解反應，如若持續時間較長，可達到基本完全分解。當皮棉倉庫中某棉包發生陰燃時，可能對周圍棉包造成長時間的低強度熱輻射影響，當滿足上述輻射強度和時間后，盡管可能未產生明火，周圍棉包也會因為熱分解而消耗殆盡。

3 結 論

1)相對致密的皮棉棉包(密度大于70 kg/m3)在輻射強度為15～35 kW/m2時，不外加點火源時發生陰燃，僅在輻射熱流強度達到50 kW/m2時發生明火燃燒；外加點火源時發生明火燃燒，但在輻射熱流強度低至10 kW/m2時僅為變黃。外加點火源時松散皮棉棉包(密度17.5 kg/m3)在輻射強度為10～35 kW/m2區間內燃燒狀態為變黃—炭化—陰燃—燃燒4個階段。

2)輻照熱流強度增大，皮棉棉包點燃時間大幅縮短，當輻射強度達到35 kW/m2時，不同密度的皮棉試樣點燃時間均為7 s左右，極易引燃。

3)輻射強度達到35 kW/m2時，燃燒熱釋放速率峰值已經達到100 kW/m2，總熱釋放量達到10.0 MJ。隨著輻射熱流強度的升高，熱釋放速率峰值的增長在點火時出現加速，在不點火時出現減速，這與皮棉的燃燒狀態不同存在很大的關系。

4)皮棉在300 ℃下持續60 min后熱質量損失率達到64.6%。皮棉在長時間經受超過15 kW/m2的輻射強度時可完全分解。