排烟条件对聚氨酯泡沫材料阴燃传播的影响
路长，李芳，谢艳鹏
(河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作，54003)
摘要：为了解在不同排烟条件下的阴燃机制，对竖直放置在实验体中的聚氨酯泡沫进行阴燃实验研究。在自然对流的条件下，通过改变排烟口的面积研究不同的排烟条件对阴燃的传播过程的影响。用热电偶来测量阴燃过程中材料内部的温度变化，并由此计算出阴燃的传播速度。研究结果表明：当排烟口的面积增大时，阴燃传播过程中的最高温度随之升高，阴燃的传播速度也随排烟口面积的增大而增大。在排烟口完全密闭的情况下，阴燃虽不会向有焰火过渡，但仍可自维持地向上传播，不过传播速度却很慢，持续时间较长。随着排烟口面积的增大，阴燃传播过程中会产生小火苗，炭燃烧的平均升温速率逐渐增大，并且阴燃燃烧后剩余的残炭量逐渐减少。
关键词：排烟条件；阴燃；聚氨酯泡沫；自然对流
中图分类号：X931 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)11-4006-06
Effects of smoke exhaust conditions on smoldering propagation of polyurethane foam
LU Chang, LI Fang, XIE Yanpeng
(School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)
Abstract: In order to understand the mechanism of smoldering of polyurethane foam in different smoke exhaust conditions, smoldering experiments were conducted with vertically-oriented polyurethane foam with natural convection. The effects of smoke exhaust conditions on smoldering propagation were studied by changing the area of the exhaust port. Thermocouples were used to measure the temperature histories inside the polyurethane foam material, and the smolder propagation velocities were obtained from the temperature histories. The results show that the maximum temperature in the smoldering propagation process and the propagation rate increase with the increase of the area of the exhaust port. In the case of the exhaust port fully closed, the smolder propagation doesn’t transit to flame, but can still sustain itself with low velocity. With the increase of area of the exhaust port, a small flame will appear in the smoldering propagation process, the average heating rate of char burning is gradually increasing, and smoldering combustion residual carbon reduces.
Key words: smoke exhaust conditions; smoldering; polyurethane foam; natural convection
阴燃是指材料主要依靠固体与氧气之间的异相表面反应所放出的热量维持自身传播的燃烧反应[1]。由于阴燃的燃烧温度较低，传播速度较慢，在反应中释放的热量通常也很低，故其反应比较微弱，但是，阴燃仍是一个重大的火灾隐患。据统计，在美国，25%的住宅火灾死亡人数是由阴燃火灾所造成的[2]。在我国，虽然没有将“阴燃”作为火灾原因进行统计，但对“吸烟”这一典型阴燃特性的统计显示，每年由于“吸烟”而导致的火灾数占总数的7%左右[3]。阴燃的研究在消防安全领域也具有显著的重要性，因为与明火相比它只需较低的热量就可点燃，并且可以缓慢地在材料内部传播很长时间，不易被人们发现并难以熄灭[4-5]。在一定条件下会突然向明火转化，造成比正常的明火燃烧更为严重的损失[6]。它通常还会产生大量的有毒烟气[7]，特别是CO和HCN，严重危害人的身体健康，使人中毒甚至窒息死亡。由于聚氨酯泡沫材料被广泛地应用于家具中，而其疏松、多孔的特性又使其很容易发生由初期阴燃所导致的火灾，因此研究聚氨酯泡沫材的阴燃对火灾安全及预防阴燃火灾的发生具有重大的意义。阴燃火灾不仅造成巨大的生命和财产损失，而且会对生态环境造成严重的破坏[8-9]，因此国内外的专家学者对阴燃火灾的研究也越来越重视。Walther等[10]分析了氧气浓度对聚氨酯泡沫材料阴燃点燃过程的影响，发现随着氧化剂流速的增加，阴燃反应会更加激烈，阴燃的点燃时间会缩短，并基于此建立了阴燃的点燃模型，得到了成功点燃材料所需要的最小炭层厚度为40 mm。Bar-Ilan等[11]将小平行六面体的聚氨酯泡沫材料竖直放置在风道中，通过降低风速，增加氧气浓度或者增加辐射通量，可以促进阴燃向明火的转化。Putzeys等[12]则通过超声探测技术探测材料中与热电偶相同高度的平均渗透率，发现二次炭氧化反应对阴燃向明火转化的重大作用，并且建立了一个简化的能量守恒模型，可以预测氧气浓度与辐射热通量对二次炭氧化反应速率的影响。另外，郭晓平等[13-17]也分别通过实验、理论分析和数值模拟对阴燃的机理进行了研究。在以往的阴燃研究中，主要进行空气正常流通情况下的实验和理论分析，但也有一些特殊的情形，如娱乐场所、建筑物地下室、船舱、车辆、航天器等封闭的空间，一旦发生火灾烟气不能有效排出，这些问题仍需要进一步的研究。例如：2008-09深圳舞王俱乐部发生火灾，造成44人死亡，88人受伤的重大事故，其中大部分死者主要死于一氧化碳和氰化物中毒，是俱乐部屋顶的装修材料聚氨酯隔音棉燃烧产生的毒气。这场没有特别大明火、受火面积仅为100多m2的火灾之所以导致了44人死亡，关键因素就是排烟不畅且阴燃持续蔓延。因此，本文作者针对在密闭空间中发生阴燃，烟气不能有效排出的情形，研究烟气积聚情况下阴燃的传播规律，这对今后阴燃火灾的预防有重要的意义。
1 实验装置
在自然对流的竖直装置内进行实验，实验装置如图1所示。自然对流下的阴燃是指在没有外加强迫气流的条件下，依靠热浮力与扩散使空气中的氧气组分到达阴燃反应区与材料进行反应，反应区所放出的热量推动阴燃在材料中的进一步传播[18]。在以往的阴燃研究中，已有部分学者采用类似的实验装置[15, 18-19]，本实验装置可控制进排气口的气体流量与初始加热条件。实验体四周封闭，装置的外壳为0.2 cm厚的钢板，实验体的内壁用3 cm厚的硅酸铝纤维作为隔热材料与外界隔绝，下部用5 cm的硅酸铝纤维隔热，内腔体的高度为35 cm，截面长×宽为31.5 cm×20 cm；排烟口长×宽为7.3 cm×4.3 cm。聚氨酯泡沫以自然方式填充于实验体内，材料之间不留缝并与实验体内壁面紧密接触。本实验采用3根固定功率400 W的加热棒作为加热器，加热棒放置在实验体底部，对材料进行均匀加热，可通过调节加热棒上的电压来改变其加热功率。实验过程中的温度变化可以通过一组安放在聚氨酯泡沫材料中心线上的热电偶来进行实时测量，热电偶的材料为镍铬-镍硅合金，直径为2 mm，相邻2根热电偶的距离为2 cm，第1根热电偶放置在材料底端，但不接触加热器。所测得的温度通过多通道数据采集器传送到计算机进行同步采集和记录，每2 s采集一次实验数据。
图1 实验装置图
Fig. 1 Schematic of experimental apparatus
2 实验结果与分析
实验采用的聚氨酯泡沫材料,孔隙度为0.975，密度为26.5 kg/m3，材料的尺寸(长×宽×厚)为24 cm× 17 cm×3 cm，每次试验用8块，聚氨酯泡沫材料的截面积为408 cm2。排烟口面积为7.3 cm×4.3 cm。实验过程中保持进气口畅通，在自然对流情况下，采用加热棒在底部进行加热而非明火点燃，通过控制加热时间使阴燃发生和传播。实验中通过调节排烟口的面积，来改变不同的排烟条件，由此观察在不同的排烟条件下阴燃的传播现象，进而分析其传播规律。
实验中分别将排烟口完全密闭、密闭3/4、密闭1/2、密闭1/4、完全敞开来进行对比实验，得到阴燃的温度随时间的变化曲线如图2~6所示。图2~6中，8根热电偶T1~T8到材料底部的距离分别为0.6，2.6，4.6，6.6，8.6，10.6，12.6和14.6 cm。
图2和图6所示分别代表密闭条件下(即将排烟口完全封闭) 和正常通气排烟条件下的阴燃的传播过程。2种工况的加热时间均为480 s左右。由图2可见：密闭条件下阴燃传播大致持续了将近4 000 s，最高达到369 ℃。由于排烟口的密闭，阴燃区的高温热解可燃气无法向外界排出，新鲜的空气不利于进入反应区，而二次炭氧化速率在很大程度上影响着阴燃向明火的转化[12]，当传播到材料上部，由于聚氨酯泡沫材料本身孔隙里的氧气的消耗，多孔炭无法进一步氧化，因此阴燃无法向明火转化，但仍可维持较高的温度。最后聚氨酯泡沫材料的外形保持完好，内部微弱阴燃，材料下部变为多孔炭。
图2 排烟口完全密闭时的阴燃温度-时间曲线
Fig. 2 Smoldering temperature histories with exhaust port fully closed
图3 排烟口密闭3/4时的阴燃温度-时间曲线
Fig. 3 Smoldering temperature histories with 3/4 of exhaust port closed
图4 排烟口密闭1/2时的阴燃温度-时间曲线
Fig. 4 Smoldering temperature histories with half of exhaust port closed
图5 排烟口密闭1/4时的阴燃温度-时间曲线
Fig. 5 Smoldering temperature histories with 1/4 of exhaust port closed
图6 排烟口完全敞开时的阴燃温度-时间曲线
Fig. 6 Smoldering temperature histories with exhaust port fully opened
由图6可见：正常通气排烟条件下阴燃传播大致持续了2 600 s左右，阴燃稳定传播时温度为430 ℃左右，而转化为有焰火燃烧时的最高温度达到831 ℃。阴燃能够自维持的向前传播，并且传播速度不断加快，当传播到实验体上端，大量的空气进入反应区，阴燃向明火发生了转化。此时炭的氧化反应十分剧烈，在温度时间变化曲线上可以明显地观察到，温度急剧的上升，随即温度又迅速下降，而这代表着炭氧化反应的结束。在阴燃转化为明火之后，由于聚氨酯泡沫材料和氧气的完全消耗，导致了阴燃的熄灭，最后全部烧成灰烬。
由图3和图4可见：在1 700~3 000 s时，各热电偶的温度几乎不变，近似一条直线，这说明在阴燃前锋经过后，聚氨酯泡沫材料变为多孔碳，由于排烟口的部分密闭，阴燃反应区缺乏氧气，因此无法进行炭的氧化反应，不能放出热量，温度近似不变。但随着反应的进行，聚氨酯泡沫材料下部全变为多孔炭，由于多孔炭的收缩现象，使材料与周围隔热材料之间的距离变大，有利于空气从下部进气口的进入，炭层开始进行氧化反应，释放出大量的热量，此时可以观察到炭层区偶尔发红，出现小火苗，但由于氧气的不足，最后残留很多炭，使得阴燃没有完全燃烧，阴燃持续时间较长。
由图5可以看出：在阴燃传播3 500 s左右时，全部热电偶的温度几乎呈直线上升的趋势，说明此时正在进行剧烈的炭的氧化反应，随后温度又很快下降，各热电偶的温度下降趋势几乎一样。而此时排烟口密闭1/4的温度时间变化曲线也与排烟口完全敞开时的温度时间变化曲线有着大致一样的变化趋势(最为相似)，但阴燃传播的时间却增加了2倍多。
炭燃烧的升温速率如图7所示。不同工况下炭燃烧的升温速率如表1所示。从图7和表1可以看出：当排烟口完全敞开时，热电偶的最大升温速率要可达到3.57 ℃/s，而排烟口部分密闭时最高达到1.75 ℃/s，由此说明在炭的氧化升温过程中，排烟条件对其产生很大的影响，则对阴燃的传播过程也有很大影响。由表1 可以看出：炭燃烧的平均升温速率随排烟口的增大而增大，当排烟口增大时，有利于热解可燃气从排烟口的流出和空气的进入，即有利于多孔炭的氧化反应，故其升温速率增大。
图7 炭燃烧的升温速率
Fig. 7 Heating rates of char combustion
表1 不同工况下炭燃烧的升温速率
Table 1 Heating rates of char combustion under different conditions
表2 不同工况下的阴燃传播特征
Table 2 Smoldering propagation characteristics under different conditions
由图2~6可知：排烟口面积的变化对聚氨酯泡沫材料阴燃的传播有影响。随着排烟口面积的增大，阴燃传播过程中的最高温度与传播速度也随之增大。由于阴燃是一种缓慢的不完全燃烧，其反应速度主要取决于燃料与空气的接触机会，因此正常通气排烟情况下的阴燃传播速度最快。不同工况下的阴燃传播特征如表2所示。
3 结论
1) 不同的排烟条件对阴燃传播的温度场有明显的影响，当排烟口面积增大时，阴燃传播过程中的最高温度逐渐升高，阴燃的平均传播速度也随之增大。
2) 在排烟口完全密闭时，阴燃无法向明火转化，但仍可维持传播，不过阴燃的传播速度很慢。当排烟口面积增大时，阴燃过程中开始产生小火苗，不过阴燃燃烧的持续时间却逐渐减小。
3) 随着排烟口面积的增大，炭燃烧的平均升温速率随之增大，剩余的残炭量越来越少，当排烟口完全敞开时，阴燃的传播速度达到最大，最后材料全部烧成灰烬。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-11-09；修回日期：2014-02-10
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50906023)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(092300410045)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2011GGJS-051) (Project(50906023) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(092300410045) supported by the Basic and Advanced Technology Research Program of Henan Province; Project (2011GGJS-051) supported by High Education Young Scholars Program of Henan Province)
通信作者：路长(1975-)，男，广西融水人，博士，副教授，从事火灾防治理论及技术研究；电话：0391-3987456；E-mail: luch@hpu.edu.cn
