含水乙醇表面火蔓延及燃燒特性研究

摘" 要：為研究含水乙醇蔓延燃燒特性，搭建液體火蔓延燃燒實驗系統，采用工業和生活中常見的幾種體積分數含水乙醇（50%、60%、75%、95%）溶液作為燃料，對不同初始溫度下的蔓延火焰的形貌特征、火焰蔓延的速度及穩定燃燒后的平均火焰高度進行探究。結果表明，火焰的蔓延速度隨乙醇體積分數的變大而增大，當初始溫度大于乙醇的閃點時，則隨著乙醇的初始溫度升高，火勢蔓延速率也會增加。當初始溫度增加到一定溫度，速度為最大值，而后隨著初溫的增大，火蔓延速度基本保持不變;火焰的高度與亮度隨初始溫度和乙醇體積分數的增加而增大。因此在高溫狀態下，高體積分數乙醇更具有火災危險性，研究為控制此類火災的蔓延、減小火災造成的損失有重要意義。

關鍵詞：含水乙醇;火蔓延;火焰高度;初始溫度;火災危險性

中圖分類號：X932" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0057-06

Abstract： In order to study the spread combustion characteristics of aqueous ethanol， an experimental system of liquid fire spread combustion was set up， and several volume fraction of aqueous ethanol （50%， 60%， 75%， and 95%） were used as fuel in industry and life. The morphology characteristics of flame spread at different initial temperatures， the speed of flame spread and the average flame height after stable combustion were studied. The results show that the flame spread rate increases with the increase of ethanol volume fraction， and when the initial temperature is higher than the flash point of ethanol， the fire spread rate will increase with the increase of ethanol initial temperature. The initial temperature increases to a certain temperature and the speed is the maximum， and then with the increase of the initial temperature， the fire spread speed remains basically unchanged， and the height and brightness of the flame increase with the increase of the initial temperature and ethanol volume fraction. Therefore， under the condition of high temperature， high volume fraction ethanol is more dangerous to fire， and the research is of great significance to control the spread of this kind of fire and reduce the loss caused by fire.

Keywords： aqueous ethanol; fire spread; flame height; initial temperature; fire hazard

乙醇（CH3CH2OH）通常被稱為酒精，其室溫下為易燃、易爆且易揮發的無色透明液體，可用來制造飲料、醋酸、染料和燃料等。在化工業和生活中，乙醇是一種非常重要而且應用廣泛的易燃液體[1]。含水類乙醇危險性很高，很容易引起火災，對于化工行業和生活來說具有很大的安全隱患，一旦發生火災可能會導致人員和經濟方面的重大損失。我國也是世界白酒產量大國，乙醇通常占白酒體積的50%到60%。隨著酒廠生產規模的不斷擴大，以前小型手工車間生產被機械化和半機械化的大規模工業生產所代替，然而由于乙醇的危險性和管理不當或故障，造成嚴重后果的酒廠火災已成為影響該行業可持續發展的主要問題。受到新型冠狀病毒感染疫情的影響，有專家學者提出“75%的酒精可以有效滅活病毒，新型冠狀病毒怕酒精不能抵抗高溫”[2-3]。大多數居民每天使用醫用酒精進行消毒，但是高體積分數的酒精容易燃燒且容易爆炸，使用不慎將很容易引發火災。

國內外學者針對液體火蔓延燃燒特性作了大量研究，根據發展過程，火災被劃分為不同的4個時期，即燃燒池被點燃著火、火勢蔓延、穩定燃燒和火勢減弱階段[4]。徐曉娟等[5]認為在中藥生產過程中乙醇溶液火災危險性的辨識主要依據是閃點，乙醇含量在38%以上時應考慮防爆。白洪寶等[6-7]研究了乙醇和柴油的混合液體在蔓延時的火焰現象，探討了火焰的外觀形貌、擴散形式、火焰蔓延速率和燃料表面溫度變化規律。陳欽佩[4]通過實驗探究了不同的初溫情況對汽油和柴油的混合物的火焰蔓延特性的作用，包括火焰形狀，主火焰蔓延速度、表面溫度、閃燃火焰速度、脈動頻率和脈動幅度。張笑馳等[8]研究不同體積分數乙醇溶液的燃燒特性，研究表明乙醇的平均熱釋放速率和最大值都與乙醇體積分數呈線性關系。Ji等[9-10]進行了在不同初始燃料溫度下的航空煤油和柴油火焰擴散的對比實驗。研究發現，液相和氣相控制火焰蔓延的初始燃料溫度閾值比2種燃料的閃點高約17 ℃。關于可燃液體火蔓延燃燒的研究，以前學者都是對單向條形火蔓延進行實驗研究，多向球形火蔓延的火焰形態研究較欠缺。本文采用液體火蔓延燃燒實驗臺對方形油池下的幾種常見含水乙醇溶液在不同初始溫度下表面火蔓延及燃燒進行測定，分析溫度和體積分數對乙醇火蔓延及燃燒的影響。

1" 實驗方案

1.1" 實驗裝置

實驗使用方形燃料盤作為燃燒設備，選取了50%、60%（市面上白酒度數）、75%（醫用酒精）和95%（工業酒精）乙醇水溶液作為實驗燃料，實驗過程中采用水浴加熱和冰塊降溫的方式對燃料的初始溫度進行改變，點燃點火區內的燃料使其燃燒至穩定狀態，移除點火槽，讓火焰沿燃料表面自由蔓延。同時開啟旁側攝像機和上方攝像機拍攝火從開始蔓延和后續的燃燒。

實驗布置如圖1所示，搭建的液體火蔓延燃燒實驗臺由幾部分裝置構成，分別是實驗燃料盤、2臺數碼攝像機、熱電偶和數據采集系統;2臺數碼攝像機可以記錄蔓延全程的火焰蔓延外觀圖和穩定燃燒的火焰圖。實驗燃燒部分是一個正方形燃料盤，材料為不銹鋼，為了方便記錄蔓延火焰，燃料盤的上方設置一高硼硅玻璃防止攝像機過熱。油池的大小為0.4 m×0.4 m×0.4 m（長×寬×高），在實驗燃料盤的一角設計了邊長為4 cm的點火區，可以保證點火時點火區以外燃料的初始溫度不會有較明顯的變化。

1.2" 實驗過程

按照圖1搭建乙醇火蔓延實驗臺，檢查各儀器連接完好，線路準確連接，進行乙醇火蔓延實驗準備。將調配好的乙醇液體倒入燃料盤內（燃料厚度2 mm），并測量點燃前燃料初溫。使用點火槍點燃點火區內的燃料使其燃燒至穩定狀態，移除點火槽，讓火焰沿燃料表面自由蔓延。開啟攝像機拍攝火從開始蔓延到后續的穩定燃燒，待火蔓延及燃燒過程結束，清理燃料盤。開啟門窗通氣完成后，開始下一組實驗，重復以上的過程，然后開始另一工況的實驗。

2" 實驗結果及分析

2.1" 乙醇蔓延火焰形貌

實驗過程中，相對濕度大約為68%，外部環境的溫度大約為25 ℃。乙醇蔓延火焰外觀特征如圖2所示。在方形燃料盤一角點火形成火蔓延后，燃料開始快速燃燒并影響該范圍的溫度上升，內部的空氣在浮力的影響下會朝上移動，周圍氣體運動到中部開始補充;藍色火由（偏暗A區）一角向其他方向蔓延而且蔓延的方向和氣流方向相對，此情況和油槽的單向火蔓延相近。其火焰前鋒的蔓延形態均是接近1/4圓形的。在火蔓延過程中，乙醇火是由底部的藍火焰（偏暗A區）與頂層的黃色火（偏亮B區）構成，由于乙醇含碳量小，所以在點火后火焰迅速開始蔓延，火焰表面呈現藍色（偏暗A區），隨著燃燒的進行，液體表面開始出現明亮的黃色火焰（偏亮A區），當火焰蔓延至整個燃料盤后，火焰從藍色（偏暗A區）逐漸轉為黃色（偏亮B區）。

2.2" 乙醇火焰蔓延速度

當t=0.5 s，ξ=50%時不同燃料初始溫度下火蔓延如圖3所示。在燃料初始溫度為17.8 ℃時乙醇火蔓延至一個角，而溫度升至37.6 ℃時，乙醇火焰在0.5 s內已經迅速蔓延至整個燃料盤。隨溫度的不斷變大，火焰蔓延速度也增加。火蔓延過程與液體燃料蒸氣密切相關，當含水乙醇的初始溫度很低時，燃料蒸發出來的氣體含量會減小;當足夠的氧氣供給情況下，蒸發的氣體將會更充足地燃燒，并且產生少量碳煙，所以呈現出較為明顯的藍色光（偏暗A區）和不明顯的黃色光（偏亮B區）。隨著乙醇初始溫度逐漸上升，使得液體蒸發出來的氣體也會變大，并且由于含量的變大，促使了化學反應速度的加快，在一定的氧含量情況下，蒸發的氣體將會在液體表面充分地燃燒而形成大量的含碳煙氣，隨著火焰的向上運動，碳煙進一步被氧化，從而形成了明顯的黃色火焰（偏亮B區），并且隨著乙醇體積分數的增加而增大，火蔓延速度也會增大。

50%、60%、75%和95%的乙醇水溶液火蔓延過程如圖4所示。當乙醇體積分數為50%時，乙醇呈現藍色（偏暗A區）向外擴散，蔓延至整個燃料盤需要12 s，而當乙醇體積分數增大至95%時，乙醇火焰1 s內已經蔓延至整個燃料盤，且黃色火焰（偏亮B區）較明顯。火焰蔓延速度隨著乙醇體積分數的升高而增大，當燃料體積分數高時，液體上方蒸發的氣體含量己經到達燃燒條件。燃料遇到火苗后，火焰會很快地向前方擴散，而且在短時間內到達了燃料盤的另一邊，最終火焰在整個燃料表面上連成一片。

不同體積分數乙醇表面火蔓延過程中的火蔓延速度隨初溫的變化規律如圖5所示。當燃料初始溫度由15 ℃增大到37 ℃時，火蔓延速度緩慢上升。對于給定的初始燃料溫度，乙醇溶液的火焰蔓延速度隨乙醇體積分數的增加而增大。隨著初溫的升高先緩慢增長，超過一定溫度后迅速上升至最大值后不變。乙醇體積分數越高會使溶液的閃點降低，燃料蒸氣含量增加，并且達到燃燒極限所需的預熱時間更短，所造成的火災風險將更大。

2.3" 初始溫度對乙醇火焰高度的影響

除了火蔓延速度之外，乙醇體積分數和初始燃料溫度對火焰穩定燃燒后的高度也有很大影響。含水乙醇首先在存在外部熱源的作用下蒸發，燃料蒸氣會在表面發生反應，然后燃燒分解，由于燃燒初始階段溫度低，液體蒸發速率相對較低，故蒸氣含量較少。隨著燃燒的繼續，乙醇火對沒有燃燒的液體傳熱效果隨時間而變大，此刻其燃料的溫度升高，燃料蒸發速度變大，并且火焰升高。

當初始溫度為25 ℃左右時，50%、60%、75%和95%乙醇依次燃燒進行到10、30、60和90 s時刻的火焰形態如圖6所示。當乙醇火燃燒到30 s之前，各體積分數乙醇溶液的火焰平均高度均在30 cm以下，并且95%乙醇的火焰平均高度明顯高于50%乙醇的火焰平均高度，在燃燒的開始階段，火源在接觸點火區的燃料后立即燃燒，并在30 s左右的時候突然發生了火焰的增高。這是因為池火火焰猛烈燃燒，并出現了劇烈的噴濺，導致火焰突然增高。當乙醇體積分數高時，形態完整而且更高的火焰會迅速呈現，并且四周的溫度也立刻升高。如果體積分數較低，則點燃燃料盤的燃料后僅會出現較弱火，而30 s時的乙醇火仍然不飽滿。隨著燃燒進行到60 s，每種體積分數含水乙醇池火火焰都進行到了發展階段，火焰高度顯著增加。95%乙醇的火焰平均高度達到40 cm上下，明顯大于50%乙醇的火焰平均高度。燃燒過程中，低體積分數乙醇火高度和亮度均小于高體積分數時的火高度和亮度。當乙醇體積分數增大時，火焰的頂部開始變寬，火焰變得更為明亮，并且火焰高度也不同，體積分數大時火焰高度變高。乙醇燃料體積分數的不斷增加不可避免加快了乙醇燃燒反應的進行，所以出現了火焰會變得更高。

不同初始溫度乙醇火焰圖，依次是燃燒進行到10、30、60和90 s時刻的火焰形態如圖7所示。

由圖7可知，當乙醇火燃燒持續至30 s之前，體積分數為60%的乙醇溶液燃燒火焰平均高度都在30 cm以下，并且初溫為30 ℃時的乙醇火焰平均高度均大于初始溫度為20 ℃時的火焰平均高度，在燃燒的開始階段，火源在接觸點火區的燃料后立即蔓延，并在30 s左右的時候突然發生了火焰的增高。這是因為池火火焰猛烈燃燒，并出現了劇烈的噴濺，導致火焰突然增高。當60%的乙醇溶液初始溫度較高時，形態完整且更高的火焰會迅速呈現，并且四周的溫度也立刻升高。當60%的乙醇溶液初始溫度較低時，則點燃油池的燃料后僅會出現較弱火，而30 s處的乙醇火仍然不完整而且火焰微弱。隨著燃燒進行到60 s，每種體積分數含水乙醇池火火焰都開始進入發展階段，火焰高度顯著增加。乙醇溫度低于25 ℃時的池火開始表現出輕微的噴濺現象，而且會有嘶嘶的聲音，而溫度大于25 ℃的乙醇池火己經發生劇烈且連續的噴濺。

不同體積分數乙醇平均火焰高度隨初始溫度變化曲線如圖8所示。從圖8中明顯觀察到初始溫度和乙醇體積分數的增加對火焰高度產生了積極影響，導致了平均火焰高度的增大。火焰變高的原因是隨燃料體積分數和初始溫度的變大，燃料盤內部的可燃蒸氣逐漸增加，其燃燒速率隨著燃料體積分數和初始溫度增大而增加。隨著燃燒速率的增加，乙醇火必須要耗損大量的氧氣來維持燃燒，空氣卷吸強度不斷增大。因此，隨著火焰不斷地進一步攀升，逐漸增大火焰與空氣之間的接觸面積，吸收了更多的氧氣，所以引起了乙醇火的持續升高。

3" 結論

1）乙醇火蔓延過程中，其火焰前鋒的蔓延形態均是接近1/4圓形的。火焰是由底部的藍色火焰（偏暗A區）與頂層的黃色火焰（偏亮B區）組成。由于乙醇含碳量小，所以在蔓延開始階段火焰表面呈現藍色（偏暗A區），當火焰蔓延至整個燃料盤后，火焰由藍色（偏暗A區）逐漸轉為黃色（偏亮B區）。

2）對于給定的初始燃料溫度，當乙醇的初始溫度大于其閃點溫度時，隨著乙醇的初始溫度升高，火勢蔓延速率也會增加。隨后，當初溫上升到一定溫度時，速度為最大值，而后隨著初溫的增大，火蔓延速度基本保持不變，在溶液中添加乙醇或提高溫度可以提高火焰蔓延速率。

3）不同體積分數乙醇平均火焰高度隨初始溫度變化趨勢一致，隨著溫度的增加，火焰高度均呈現出先緩慢增長后迅速上升的趨勢。火焰的高度與亮度隨著乙醇體積分數的增加而增大。初始溫度和燃料體積分數的增大對乙醇池火燃燒產生了積極的影響。

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