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非连续介质热解挥发分对其着火的影响

牛贵来

（驻马店市消防支队，河南驻马店463000）

    摘 要：建立非连续介质热解挥发分的运动填充模型，推导出热解挥发份的空间浓度分布函数表达式，得出非连续介质热解质量通量对其着火影响的函数关系，并用小规模燃烧实验进行验证。结果表明，室内火灾时非连续介质表面上方一定高度的某点处热解挥发分的浓度与其在该点的质量通量成正比，与其在该点的流动速度成反比；室内火灾时非连续介质要着火燃烧，其热解质量通量必须达到临界值，该临界值大小与烟气层达到稳定时的高度有关。

关键词：室内火灾；非连续介质；热解挥发分；着火

中图分类号：X913.4, TK121,  文献标志码：B

文章编号：1009-0029(2017)01-0034-03

室内火灾发生时，经常出现一种现象，即在某一时刻和起火点间隔一定距离的可燃物即非连续介质也被点燃，开始着火燃烧，火灾蔓延扩大，甚至发生轰燃。根据燃烧学原理，结合火灾案例和实验，室内火灾中非连续介质着火是因为非连续介质表面及内部温度随着火灾发展逐渐升高并发生分解，热解挥发分在热浮力的作用下向上运动，接触到下降的高温烟气层被点燃。其中，高温烟气提供“热源”，非连续介质热解挥发分提供燃料，是着火燃烧的物质基础。如何确定和表征非连续介质表面上方空间热解挥发分的浓度分布，对进一步深入研究着火时间、着火判据等非连续介质着火问题，具有重要意义。笔者建立非连续介质热解挥发分的运动填充模型，理论推导浓度的函数关系式，将浓度问题转化为非连续介质的热解质量通量问题，并通过小规模火灾实验进行验证，为深入研究室内非连续介质着火判据、着火时间等问题提供了思路方法和理论指导。

1 热解挥发分的空间浓度分布

非连续介质热解挥发分的空间浓度分布状况是决定其能否着火燃烧的重要因素，受材料性质、受热面积、辐射热、受热时间等因素的影响。在室内火灾环境下，气体的流动状态极为复杂，涉及到热量传递、动量传递和质量传递等物理化学过程。为便于研究，需要对问题进行合理简化。作如下假设：

（1）热解挥发分从非连续介质表面析出后，因为温度稍高于周围气体温度，密度变小，所受浮力大于自身重力，产生向上的加速度，垂直向上运动，忽略空气阻力，刚析出时的速率为零。

（2）将热解挥发分视为理想气体，忽略其运动中的分子扩散和空气流动对其运动的影响。

（3）由于热解挥发分产生的量和空气相比小得多，认为其一旦从非连续介质表面析出，即能和周围空气迅速混合，混合前后气体压力不变。

在上述假设的基础上，建立如图１所示的热解挥发分在空间的运动填充模型。非连续介质表面上方高度Z处有面积为ΔS的微元面，t时刻热解挥发分在该处的速度为u（Z），经Δt时间向上运动ΔZ的距离。设热解挥发分的摩尔质量为M，微元体内填充的热解挥发分的质量为Δm。

该微元体内热解挥发分的浓度可表示为式（1）。

对式（1）取极限，得到某时刻t，点Z处热解挥发分的浓度，如式（2）所示。

式中：P为t时刻Z点处的气体压力；T为温度；R为通用气体常数；（Z,t）为流过的热解挥发份的质量通量。

由式（2）可以看出，非连续介质表面上方一定高度的某点处热解挥发分的浓度与其在该点的质量通量成正比，与其在该点的流动速度成反比。

根据牛顿运动定律，可得式（3）、式（4）。

式中：a为热解挥发份向上运动的加速度；ρ、ρａ分别为热解挥发份和空气的密度；M、Mａ分别为摩尔质量；T、Tａ分别为两者的温度。

热解挥发分温度可认为等于其析出时非连续介质表面的温度，根据有关实验结果，热解挥发分与周围环境气体温度的差值在100℃左右，由热浮力产生的加速度并不是很大，因此热解挥发分向上的运动速度也较慢。

将式（3）、式（4）代入式（2），得式（5）。

由式（5）可知，非连续介质热解挥发分在某点的浓度和其在该点的质量通量呈一一对应关系，浓度大小可以用质量通量来表征，质量通量达到一定大小时便能达到着火浓度，那么和热解挥发分着火浓度下限相对应的即是热解挥发分的临界质量通量。因此，室内火灾时当非连续介质表面上方某点处的热解挥发分质量通量达到某临界值时将被高温烟气点燃而开始发生着火燃烧。

式中：Lｃｒ（Z,t）、（Z,t）分别为非连续介质在某点处被高温烟气点燃而着火燃烧时热解挥发分的着火浓度下限和临界质量通量。

2 实验设计

在SNHZ-01实验系统中模拟室内火灾实验。火灾实验箱尺寸和内部布置，如图2所示。实验箱内非连续介质托盘放在电子天平上，电子天平通过专用数据线与计算机相连，根据设置的时间间隔将测量出的非连续介质质量数据即时传入计算机。

实验箱内燃料盘内盛放厚度为８ｍｍ的正方形有机玻璃，边长分别选用12.8、15.2、17.8 cm，为实验提供火源。通风口宽度分别选用5.0、10.0、15.0、20.0、28.5 cm，通风口高度分别选用17.5、22.5、27.5、32.5、37.5 cm。非连续介质选用常见的木材，为消除木材自身性质对实验的影响，均采用粒径为50目（0.355 mm）的樟松粉末。在不同的火源大小和通风口宽度、通风口高度条件下分别进行实验，记录木材被点燃开始发生着火燃烧的时间和火灾过程中木材质量变化情况，进而得出木材着火时的临界质量通量。

3 结果与讨论

在前文所述实验条件下，式（6）中，各参数可按如下取值：

为木材自燃的最低温度，为按木材在400℃时热解产生的气体组成计算所得，

按木材在400℃时热解挥发分的组成，并考虑温度对着火体积分数极限的影响，计算得400℃时木材热解挥发分的着火体积，分数下限为约为13％。

可得木材热解可燃挥发分在点Z处被点燃所需的临界质量通量的表达式，如式（7）所示。

在各组实验中，Z为室内烟气层的稳定高度，可以分别计算出木材在不同实验条件下被点燃开始着火燃烧时的热解临界质量通量。

不同实验条件下木材开始着火燃烧时热解临界质量通量的实验值和计算值，如表1所示。

将表1中数据作图，可以更直观地观察其吻合程度，如图3所示。

由图3可以看出，计算值与实验值具有较好的一致性，说明热解挥发分的运动填充模型能够和实际相吻合。

4 结 论

（1）室内火灾时非连续介质表面上方一定高度的某点处热解挥发分的浓度与其在该点的质量通量成正比，与其在该点的流动速度成反比。

（2）室内火灾中，当非连续介质表面上方某点处的热解挥发分质量通量达到某临界值时，将被高温烟气点燃而开始着火燃烧，该临界质量通量与烟气层的稳定高度有关。

（3）通过热解挥发分的运动填充模型能够得出室内火灾时非连续介质热解挥发分的空间浓度分布状况，有效解决室内火灾研究中关于可燃挥发分浓度分布的定量计算问题；通过热解挥发分浓度与其质量通量的一一对应关系，可以将实验中难以测量的浓度参数用相对易于测量的质量通量来表征，为室内火灾中非连续介质着火相关问题研究提供便利。