康 涛,李云涛,刘乃安＊

(1.福建省泉州市消防支队,福建泉州,362000;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

金属网篮交叉点法预测烟草的临界自燃条件

康 涛1,李云涛2,刘乃安2＊

(1.福建省泉州市消防支队,福建泉州,362000;2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥,230026)

使用金属网篮模拟了小尺寸的烟草热自燃实验,利用交叉点法测量自热过程烟草内部温度数据并求解反应动力学参数,根据求解所得动力学参数成功预测了大尺寸情况下堆积烟草的热自燃临界条件,得到烟草贮存的临界堆积厚度与临界环境温度之间的函数关系,为烟草的安全存贮提供方法指导。

烟草贮存;热自燃;动力学参数;交叉点法

0 引言

烟草是一种季节性生产、集中收购、常年销售、用途单一的特殊商品,因受丰年、歉年影响,产量波动较大,加之烟草经过一定时间储存,会自然醇化,其色泽变佳,香味变纯,所以必须储备一定数量的货源,以保证常年市场和卷烟工业生产需要。各地烟草的存贮方式不尽相同,且因烟草成分复杂,影响烟草燃烧的因素十分多样,如果存贮措施不当,极易造成堆积烟草自燃火灾。

国内外学者对烟草燃烧的研究多集中于讨论烟草燃烧产物和影响烟草燃烧特性因素的经验性分析[1-3],对导致堆积中烟草发生自发着火的临界条件与特性研究并没有太多的定性分析。本文采用小尺寸的金属网篮盛放烟草,通过改变堆积烟草所处的环境温度获得多组热自燃实验过程的温度数据,利用金属网篮交叉点法求解烟草自热反应的动力学参数,进而研究烟草自发着火过程,并根据实际尺度燃料的堆积状态,预测烟草的自燃倾向性,为烟草的安全存贮提供方法指导。

1 基本理论

堆积烟草发生热自燃是由于氧化反应导致的产热速率大于对外的散热速率。Frank-Kamenetskii模型描述了固体可燃物热自燃过程的能量平衡方程:

对式(2)取对数并调整,得:

金属网篮法是一种基于Frank-Kamenetskii模型的热动力学参数求解方法,为按比例增大的计算提供了实验数据,但由于每次改变几何尺寸或几何形状,都需要反复测量自燃临界温度,由此而造成实验工作量大,实验耗时长。Chen X.D.在20世纪末提出了一种新的金属网篮测试方法-非稳态测试法。他通过在实验样品几何中心和偏离几何中心不远的位置各放置一个热电偶来进行温度测量。当这两个热电偶所测得的温度相等时,则认为能量平衡方程式(1)中的导热项为零[6]。后来,Jones提出了一种和Chen’s Method类似的方法。Jones假定当中心点温度等于环境温度时,系统与环境之间无传热,能量平衡方程式(1)中的导热项也为零[7]。得到方程式(4):

对上式取对数得:

如果烟草发生热自燃,说明此时的 F-K参数δ已经大于其临界值δc。

而由 F-K参数的定义式(2)可知,对于同一种材料,其燃烧热 Q、化学反应置前因子 A、热传导系数k以及活化能E均可以看作定值,此时的δ受到堆积密度ρ、环境温度 Ta和堆积厚度r这三个参数的影响。

将实验过程和实际工况下的各项参数分别代入式(2),并相比可得下式:

式中下标1代表模拟实验结果,下标2代表实际情况。

2 实验装置

实验装置主要由电热恒温鼓风烘箱、金属网篮和数据采集与处理系统等组成,如图1所示。

图1 堆积烟草热自燃模拟实验设备图(1-控制面板;2-金属网篮;3-测温元件)Fig.1 Schematic Diagram of Apparatus for Experiment

电热恒温鼓风烘箱为不锈钢内胆,正前方开门,用于放置金属网篮。多孔的金属网篮可保证置于其中的烟草在烘箱中能均匀受热,并始终处于相同的温度环境,其尺寸为5 cm×5 cm×5 cm,测温元件为铠装 K型热电偶。

3 实验

3.1 实验过程

实验时,将烟草样品称重后置入金属网篮,随后将热电偶分别植入样品几何中心、偏离几何中心上下各1cm处和网篮表面,如图2所示。把盛有样品的金属网篮平稳地放置在烘箱中,设置一个初始环境温度,用数据采集器每隔1秒钟采集一次数据并记录。

实验中通过可利用中心差值的方法改变烘箱温度以确定烟草在该堆积状态下的热自燃临界温度,同时记录该多组实验的温度数据,用于求解烟草自热反应的动力学参数。

图2 金属网篮内置热电偶示意图Fig.2 Schematic Diagram of Thermal-couple in Metal B asket

3.2 实验现象

图3是电热恒温烘箱显示温度为164℃时的样品温升曲线图。此时的网篮尺寸是5cm×5cm×5cm,烟草质量是86.8g(挤压密度为0.694g/cm3)。图中以时间 t(s)为横坐标,以温度 Temperature(℃)为纵坐标,T1表示环境温度,T2表示金属网篮中心点上方1cm处温度,T3表示中心点温度,T4表示中心点下方1cm米处温度,T5表示金属网篮表面温度(本文若不再具体说明,下文所举图例内的温度都按此方法表示)。图3显示,用于测量烟草中心点和偏离中心点附近的热电偶都有明显的温度跃升,表明烟草在164℃的环境温度作用下,通过一段时间的热分解,积聚的热量达到了烟草的自燃点,引起烟草的自发着火。现场观察到的现象是电热恒温烘箱排风口出现大量的白色烟雾,实验室内伴有浓郁的烟草燃烧时的气味。

图3 环境温度164℃时的实验数据Fig.3 Temperature Data of Sample at 164℃

图4是电热恒温烘箱显示温度为163℃时的样品温升曲线图。此时的网篮尺寸是5cm×5cm×5cm,烟草质量是86.6g(挤压密度为0.693g/cm3)。由图3和图4对比可以看到,当环境温度为163℃时,烟草中心点和偏离中心点附近的温度虽然经过一段时间的积聚后已经超过了环境温度,但仍然没有达到烟草的自燃点,因此,温度曲线趋于平缓,没有出现跃升。而环境温度为164℃时烟草中心点和偏离中心点附近的热电偶也都出现了明显的温度跃升,发生热自燃。由此可判断,烟草发生热自燃的热临界温度应在163℃至164℃之间。取其平均温度作为热自燃临界温度,即163.5℃。

图4 环境温度163℃时的实验数据Fig.4 Temperature Data of Sample at 163℃

3.3 数据处理

由图3可知,烟草在环境温度为164℃时发生了热自燃,根据Jones的方法,中心点温度(T3)和环境温度(T1)相交时的温度即为交叉点温度 Ta,将图3的图像在8000s～12000s区间作局部放大,如图5。

图5 环境温度164℃时温度数据在8000～12000s区间的局部放大图Fig.5 Enlarged Partial Viewof Fig 3 within 8000～12000s

由上图可知,中心点温度(T3)和环境温度(T1)相交于8748秒,求得此时刻温度随时间的导数为0.01614k/s

表1 不同环境温度下的交叉点数据Table 1 Data of cross point at different temperature

4 应用与分析

实验中使用的是立方体网篮,其临界 F-K参数δ1=2.569。实际中烟草在仓库中堆放的横向距离远远大于其堆积厚度,可将其视为无限长水平板,其临界 F-K参数δ1=0.857[8]。

以某仓库为例,若烟草包装袋每包重量30kg,每包体积0.06m3,得其密度约为500kg/m3。由模拟实验的结果模拟实验的结果:

在实际自然条件下,T2的取值范围可以设定在10℃～40℃的范围内,若每隔5摄氏度取一次值,由7式可得其对应的临界堆积厚度,如表2所示:

表2 环境温度10℃～40℃范围内对应的临界堆积厚度Table 2 Maximum thickness related to temperature within 10℃～40℃

由式7可以得到临界堆积厚度随环境温度变化曲线,如图6所示。

图6 实际工况下临界堆积厚度随环境温度变化曲线Fig.6 Curve of Maximum Thickness Related to T emperature

由图6可知,在现实工况中,烟草在仓库中的堆积厚度应该有所限制。为了防止仓库中的堆积烟草发生自发着火现象,在不同的环境温度条件下,要严格控制烟草的堆积厚度。若仓库中烟草已经堆积成垛,且进行翻堆清垛所需的工作量较大时,也可以通过实时监测环境温度,采取通风换气等措施,控制其温度低于该堆积厚度所对应的环境温度值,即可有效地抑制烟草的自发着火,确保仓库内堆积烟草的安全。

5 结论

本文使用金属网篮对堆积烟草进行了小尺寸的热自燃模拟实验。通过改变环境温度进行多组实验,测量了自热过程烟草内部特定点的温度数据,并采用金属网篮交叉点法求解获得了烟草样品自热过程的化学反应动力学参数。依据所得动力学参数对实际工况下的堆积烟草热自燃临界环境温度和临界堆积厚度进行了预测。结果证明,可以通过控制堆积厚度和环境温度两种途径确保贮存烟草安全。本文给出了两个临界量之间的函数关系,为烟草贮存提供了定量的安全标准。

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[4]孙金华.化学物质热危险性评价[M],科学出版社,2005.

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Prediction on critical conditions of spontaneous ignition of storage tobacco using CPT method

KANG Tao1,LI Yun-tao2,LIU Nai-an2

(1.Fire brigade detachment,Quanzhou,Fujian Quanzhou,362000,China;2.State Key Laboratory of Fire Science,USTC,Anhui Hefei,230026,China)

This paper is aimed at revealing quantitative relation between maximum thickness of storage tobacco and its critical temperature of spontaneous ignition.Micro-scale experiments were conducted by metal basket filled with tobacco sample in oven of different temperature.Self-ignition kinetic parameters of tobacco were calculated by temperature data measured at given points,using the method of Cross Point Temperature(CPT).Critical conditions of thickness and temperature for spontaneous ignition in industrial situation were predicted,with parameters of micro-scale experiments and self-ignition kinetics extracted.

Tobacco;Self-ignition;Kinetics;CPT

TD75

A

1004-5309(2010)-0171-05

2010-06-21;修改日期:2010-07-26

国家自然科学基金项目(No.51076148);霍英东青年教师基金资助

康涛,男,江西南昌人,福建省泉州市消防支队工程师,武警少校。

刘乃安,研究员,liunai@ustc.edu.cn。