木材燃烧时Φ和Ts对CO释放特性的影响研究.pdf

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木材燃烧时"和!A对,/释放特性的影响研究"

"张政伟!吕子安"!彭!华!李定凯!徐旭常清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室!北京!$$$%,

摘要!!利用自行设计的+烟气发生装置’二次加热装置’=,6F@0B@红外变换气体分析仪#=QS:$联用实验系统对木材燃烧时产生的烟气中的>L气体进行了实时在线的定量检测#结果表明木材燃烧时>L的释放明显呈两个阶段%燃烧前期的有氧热解阶段和燃烧后残炭的不完全氧化阶段#在小尺寸火灾模型中!二次加热温度!3和燃空比7是影响>L释放过程和产率的主要因素#证实了烟气温度偏低是导致小尺寸火灾试验中>L产率较真实火灾中偏低的重要原因!适当提高烟温可以显著提高>L产率!但过高的!3又抑制了>L的生成#关键词!!,/!木材!火灾烟气毒性!燃空比!:56D!!木材是应用最为广泛的家居建筑材料!其主要成分是纤维素&半纤维素和木质素#虽然不同的树种在物理结构&特性等方面有许多不同!但它们有机质的元素成分是一样的!约含,*#+c的碳!

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’#&c的氢和,,#"c的氧!#木材热分解反应是上述&种主要成分热分解的总和!半纤维素在""+)&"+d&纤维素在&"+)&)+d下分解形成大量挥发物!木素则在"+$)+$$d的温度内逐渐分解形成木炭!而燃烧的实质是木材在热分解过程中产生的可

"(燃性产物的燃烧’#木材的热解和燃烧都能释放出

应过程!对材料的烟气进行检测!一般以>L产率*或>L>L这两个参数作为评价小尺寸火灾模型可"

靠性的重要依据#目前国际上STL文件所列的小尺

’)(寸火灾模型中>L产率较全尺寸来说显著偏低,)!

通过小尺寸火灾模型对材料产烟毒性的评价不能反映实际火灾中的材料产烟毒性#虽然文献’认为$)(-除了样品加热条件不同之外!空气和燃料比以及不同程度的不完全燃烧过程导致小尺寸模型中>L产率比真实火灾中>!但对小尺寸火灾L的产率低.模型中>L的生成机理尚没能进行深入研究#

据此!通过分析实际火灾过程尤其是轰燃后火灾过程中>L的生成机理可以发现!实际火灾烟气中>%L主要来自以下几个途径$#>L是含碳材料!分子一次热裂解产物"#L是含碳材料中碳的"%>不完全氧化#燃烧%产物"#&%烟气中的碳氢化合物和焦油在高温作用下进一步发生热裂解现象产生%烟气中的碳氢化合物和焦油在高温作用下,>L"#

发生不完全氧化反应产生>!L#人们对上述第#!%两种>!#%L生成途径认识比较充分!但对于第#"&%%两种途径!目前的研究成果较少!尤其对>#,L释放过程和产率影响程度的大小和影响规律均缺乏了

大量的>L气体!而>L又是火灾中使人致死的最主要的毒性气体!所以研究木材在燃烧情形下>L的释放特性具有重要的科学意义#

火灾的烟气毒性实验研究分为全尺寸和小尺寸两种实验方法#全尺寸实验是利用一个或多个房间来模拟真实火灾的全部特征!检测烟气中毒害物质的生成和分布规律#其优点是过程与真实火灾较为接近&研究结果可靠!但过程复杂&成本太高#所以!目前国际上普遍用小尺寸火灾模型研究真实火

(&

灾中各种毒性物质的生成规律’#小尺寸实验是在

特定加热和通风情况下模拟火灾不同阶段的化学反

$$’($)(!&收稿!"$$’($*("!收修改稿!"

九七三.项目资助#批准号$"%$$!>?,$*’$+!"国家-$(./011F]0/4/01#O304WF/#BEF#54!""通信作者!-!.H

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解#通过观察以往生物质实验结果!我们发现小尺寸火灾模型实验中未燃尽的碳氢化合物和焦油的数量是非常大的!而小尺寸模型中烟气温度较真实火灾尤其是轰燃后的烟气温度明显偏低!这势必会导

%

致小尺寸实验结果中>L产率偏低!#据此!本文

烟气发生装置)二次加热器)=设计了-QS:.联用的实验系统!对木材燃烧时产生的烟气中>L!>LD,等气体进行了实时在线的定量检测!分"!>析木材在燃烧时>L的释放规律及其对烟气毒性的作用!综合考查在二次加热温度&燃料与空气之比对>L产率的全面影响#

%!实验系统

整个实验系统如图!所示!采用氮气与氧气混合供气!两者流量分别由两个质量流量控制器控制#为了模拟实际火灾!实验中采用的燃烧气氛为模拟空气#氧气体积分数为"!c%#氧气和氮气充分混合后通过进气舱进入燃烧室与木材发生反应!并将产生的烟气通过密闭管道带出燃烧室!炉膛两侧最透过石英玻璃采用红外石英灯对样品进行加热#

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*大辐射热流密度可达到’%!加热过程中不.$JV

断使用电子打火器进行点火!直至样品开始燃烧#试样燃烧后生成的烟气首先通过二次加热装置发生二次反应后!再经干燥&除尘净化后直接进入=Q(S:进行检测!最终排入大气#各连接管道尽可能短

且要采取伴热措施!以减小烟气中未燃尽的碳氢化合物和焦油冷凝在管壁上

#

%李晓辉#流化床生物质热解气化焦油生成及催化裂解的试验研究#硕士学位论文#北京$清华大学热能工程系!!***!!

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首先对=QS:进行标定#火灾烟气成分非常复杂!会发生红外吸收光谱相互干扰和重叠现象!这就需要选择一个或几个恰当的吸收峰#也称分析峰%#我们在>L标准谱图中选择了,个波数段进行标定!分别测定后再取平均值!较好地保证了分析精度#标定时还应对标定时的压力进行记录!以便进行修正#标定时气体检测池温度为!+$d!与实验温度一致#

!实验参数设定

本实验系统主要考查!3和7对木材燃烧时生成烟气中>L的影响!在其中一个参数#!3或7%不变的情况下通过改变另一参数#7或!3%以考查该因素对实验结果的影响#

!3的实现主要通过改变二次加热装置的预设电流来实现!温度范围为室温g)$$d#二次加热装置采用北京电炉厂生产的TY"("(!"管式电阻炉!最高工作温度为!"$$d!控制箱为YTK(,型可控硅供电装置#

实验用木材为自然水曲柳!几何形状为宽i高f&5.i$#+5.&长度依据所需量截取的长方体!于室温环境中放置",W!实验前!$+d干燥"W#具体样品元素分析见表!#

表%!水曲柳元素分析结果

元素>D8TL:含量*c

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如果只考虑木材中的>!D两元素发生完全氧化反应分别转化为>L"!D"L!参照上述元素分析结果可以计算单位质量水曲柳完全燃烧需!#""$N氧气#本实验中!每一工况下保持气体流量&N*.04不变!每次采集有效时间为&$.04!7值变化主要通过改变样品质量来实现#分析>L浓度随时间变化曲线图#图"%!可以发现>L的释放主要集中在#+)’#$.04时间范围内!其间生成量占>L全部释放量的%!c以上#对于不同实验工况下>L释放基本上都有此规律!详见实验结果分析%#

据此!在该实验条件下我们可以选取!#+).04时间范围内通入的气体量作为计算7值的有效气体流量!当样品质量Qf"#")H时!可以计算得出

$

""$N

A$(

*%同样!表"示出了不同7值工况所对应的样品质量及其他实验参数#

表’!实验参数设定

样品

质量气体流量7

伴热温度*H*#N,.04g!%

*d!#"%

&$#+!+$水曲柳

"#")&!#$!+$&#"%

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!实验结果及讨论

&%!"对,/产率的影响

7分别取$#+)!#+范围内的&个点$$#+$!#$$和!#+$!各自代表充分供氧燃烧&化学当量供

氧燃烧和缺氧燃烧&种情况#图&给出的实验结果表明!在其他条件不变时!>L生成与燃空比7之间具有良好的关联性!随着7值增加>L产率不断提高!并于7f!#+$时达到最大值#这是因为随着燃料的增加#7值增大%!燃烧工况由充分供氧燃烧向缺氧燃烧过渡!导致材料的不完全燃烧进一步加剧!这样更有利于>L的生成#这一解释可以从图所示的单位质量样品在不同7值下>L浓度随时间变化曲线图看出$

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图(!,/产率随"的变化趋势图%不同!A’

图)!!AT

)+*U时单位质量样品,/浓度随时间变化曲线&’!!A对,

/产率的影响二次加热温度分别取’$$!++$!+$$!,+$!$$d和无二次加热#也即!仅保持管道伴热温度!3f!+$d%’种工况!在保持7值不变的情况下!>L产率随!3的变化趋势如图+所示$不论7处于何值!每一7值下!3为!+$),+$d时>L产率随!3的升高而增大!并在每个都在,+$d时达到各自最大值#>L峰值产率出现在!3f,+$d&7f!#+这

一工况!>./Rf$#!%%H>L*HV66E#此后当!3-+$d时!产率随!3的升高迅速减小#

&(!,/释放规律及其分析

为了深入分析二次加热的作用!有必要首先清楚了解一次炉膛内所发生的反应过程#根据木材本身的结构特性!反应开始阶段#$)".

04%首先发生图+!,/产率随!A的变化趋势%

不同"值’半纤维素&纤维素的有氧热解反应!生成大量挥发性气体!包括>L!>L"!>D,以及大量碳氢化合物&焦油等#这时的炉温未达到挥发分的着火温度!未能燃烧的挥发分被气流带至二次加热器#此后!随着炉温的升高和半纤维素&纤维素热解的减弱!挥发分产量减小!由木质素热解生成的残炭与氧发生氧化反应着火燃烧!生成>L"!>L等#可用下列框图来表示一次炉膛内的反应过程

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图9!"T%&+时,/浓度随时间的变化趋势%不同!A’

!3-,+$d时!>L浓度随时间先增大达到第一个峰值浓度!但于!#+.04左右突然几乎降至零!并持续几分钟#其后随着时间的推移>L浓度又迅速达到第二个峰值!其后缓慢降低至零!整个过程有两个峰值浓度出现#这是由于当!3超过,+$d时!从一次炉膛内被带来的大量挥发分在二次加热器内被加热达到其着火点发生二次燃烧!检测到的两个峰值之间的->L空白.正是由于这一燃烧过程!使得在一次炉膛内因木材的有氧热解而生成的L基本上全部被氧化成>L"!也就是说二次炉膛温度的提高为这些有机类碳氢化合物和焦油的着火燃烧提供了充分条件!而这一燃烧过程使局部温度升高足以使>L被氧化生成>L"!并且!3越高燃烧过程持续时间就越长!两峰值浓度之间的时间差就越大!这与图+所示的1!f+$$d+1f’$$d比3!3较相符合#同时!实验过程中我们也观测到了二次加热装置内的燃烧现象!如图)所示#

图%示出了7f$#+时>L浓度随一次炉膛温度

\的变化趋势!其特性与上述基本相同!在此不再

详述#

!结论

本文利用自行设计的-烟气发生装置)二次加热装置)=QS:.实验系统对木材燃烧时产生的烟气中的>L气体进行了实时在线的定量检测!着重考查了燃空比7和二次加热温度!3对>L释放过程和产率的影响#结果表明$

图;!"T%&+$!AT

+**U时二次炉内的燃烧现象图

#!

%在小尺寸火灾实验中!随着7增大!>L产率不断增加#

#"%证实了小尺寸模型中>L产率比真实火灾中偏低的一个重要原因!即小尺寸实验中较低的烟气温度限制了未燃尽的碳氢化合物和焦油的进一步热裂解和高温作用下不完全氧化的进行#据此!我们认为>L不仅来源于含碳材料本身的一次裂解和不完全氧化!而且还来自于烟气中的碳氢化合物和焦油在高温作用下进一步发生的热解和不完全氧化#

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%进一步分析了二次温度对>L生成的影响方式$一定温度范围可以加速热裂解和不完全氧化的进行从而有助于>L的生成"但当温度过高时!容易形成挥发分的有焰燃烧!这样形成局部高温有

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助于>L被完全氧化反而削弱了>L的释放"同时!当温度更高时#!发生>+$d%L与氧的直接反-’应!大大削弱>L在整个实验过程中的浓度#

参!考!文!献

!!柯兹洛夫?D!尼蒙威茨基99#木材热解工艺学$黄律先!章

济元!程!芝!译#北京$森林工业出版社!!*+%#%’)%*"!胡去楚!刘!元!吴志平!等#木材的化学组成与阻燃技术的

#发展方向#木材工业!"%$,$$,!!%"%)&!

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"国家突发公共事件应急管理中的科学问题#

"$$’年!"月!国家自然科学基金委员会政策局&管理科学部&工程与材料科学部&信息科学部在北京

共同组织召开了"双清论坛.国家突发公共事件应急管理中的科学问#本期论坛主题为-$$’年度第!)期-题.#大会主席由郭重庆&范维澄和戴汝为院士担任!论坛开幕式由管理科学部副主任张维教授主持!政策局韩宇副局长致辞并介绍了有关双清论坛的情况!来自全国,$余所大学&研究院所的’$余名专家学者及国务院应急管理办公室&国家自然科学基金委员会有关科学部和局室的同志参加了此次论坛#

中国科技大学#清华大学%范维澄院士&北京化工大学高金吉院士&中国科学院数学与系统科学研究所汪寿阳研究员&加拿大阿尔伯特大学饶明教授&中国科学院自动化研究所王飞跃研究员&复旦大学朱道立教授&中国安全生产科学研究院刘铁民研究员等)名专家作了大会报告#

与会专家分别对上述报告和相关内容进行了热烈的讨论#他们结合自身专业背景和研究基础!针对自然灾害&事故灾难&公共卫生事件和社会公共事件等,类突发公共事件应急管理过程中所涉及到的基础科学问题进行较为深入&充分的交流#

与会专家认为!突发事件的应急管理应该从多学科交叉的角度开展研究!该领域有如下科学问题需要深入探讨$

!#从管理科学角度研究$#!%突发公共事件本质性认知"#"%应急管理系统性复杂性与管理决策"#%应急心理与行为管理及应急疏散理论与基础技术"#&,%突发公共事件的风险评估和多尺度预测预警的%风险管理理论与控制方法"#科学问题"#+’%恢复重建与后评估"#)%基于人工社会理论的应急管理中%突发公共事件的信息资源管理等#系统建模与分析方法"#%

!%多参数实时动态信息获取""#从信息科学的角度研究$突发公共事件的信息获取及分析!包括$##%网络信息监测"#%海量数据的集成&挖掘与融合"#%特征参数识别&探测及其预警分析模型研究""&,#%网络信息传播&扩散的机理机制及其仿真研究"#%信息交互与共享和信息安全#+’

%公众的危机*灾害认知和心理变化规律"#!"%危机*灾害环&#从生命科学的认知与心理角度研究$#%公众心理行为预测与干预机制"#境对公众行为能力的影响机理"#&,%非常态下人员个体与群体运动特征#!下转第+"%页#