苏 洁，牛 奕

(1.中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院，克拉玛依，834000；2.武汉理工大学安全科学与应急管理学院，武汉，430070)

0 引言

碳黑是火灾中烟气的主要成分，是碳氢类燃料燃烧不完全的产物，其主要成分是碳，是火灾中热辐射的主要来源[1]；碳黑的比表面积较大，常常吸附有各种有毒的重金属元素、二噁英类以及多环芳香烃类(PAHs)等有机污染物[2]；同时，碳黑颗粒对感烟探测器的响应、火场能见度以及有毒气体的生成[3]也具有重要影响，因此研究固体碳氢燃料的碳黑生成及氧化规律对建立火灾预警监测机制和火灾危险评估研究具有重大意义。

国内外[4-6]对于碳氢燃料火焰中碳黑的研究工作主要集中在气液燃料层流扩散火焰的实验测量[7]以及数值模拟[8]方面。由于固体可燃物的燃烧过程十分复杂、热解成分多样，对建筑火灾主要的可燃物——固体碳氢燃料[8]的碳黑浓度分布及生成机理研究较少。Guo等[9]和Kailasanathan等[10]分别选取了三种森林燃料，将其破碎筛选后进行燃烧实验，得到了非稳定态的轴对称非预混层流扩散火焰，并对火焰的温度分布、质量损失速率以及燃料热解的气体成分进行了测量，结果表明燃料的质量损失速率及热解气体成分对火焰热动力学参数有重要影响。Muoz-Feucht等[11]将1.5 g干枯马尾松针破碎并堆放成圆柱形堆垛，用无水乙醇引燃形成层流火焰，然后对马尾松针堆垛火中的碳黑浓度分布进行了实验研究，结果发现燃烧主要分为两个阶段：酒精燃烧的湍流阶段和马尾松针稳定燃烧的层流扩散火焰阶段。

本文选取家居装饰中常用的三种木材(马尾松针、柚木、红橡木)，通过激光消光法原理分别测量其层流扩散火焰的碳黑浓度以及相应的燃烧速率，从而对这三种木材燃料的碳黑生成特性进行分析。

1 实验原理及设备

1.1 消光法原理

消光法是一种基于路径积分或视线的技术[7]，其原理是：当一束光通过火焰时，火焰中碳黑颗粒的存在会导致入射光衰减，其衰减的程度可以用Beer-Lambert定律描述：

(1)

式中，τ为透射率，I为透射光强度，I0为入射光强度，L为光通过火焰的距离，κλ为碳黑对波长为λ的光的吸收系数。

根据瑞利散射理论[12,13]，当碳颗粒直径远小于激光波长，散射作用可忽略不计，碳黑颗粒消光系数与浓度的关系为:

(2)

式中，fv为碳黑的体积分数，λ为光的波长，E(m)为碳黑的折射率函数，在可见光范围内一般假设E(m)为常数[14]，E(m)=0.26。

对于轴对称扩散火焰，在某一高度截面内，碳黑浓度为半径r的函数，可以通过反演算法得到碳黑浓度分布的真实值[7]。如图1所示，取火焰任一高度的横截面，并将火焰截面沿半径方向划分为M个单元，第i条光路的投射率的离散化形式为：

(3)

式中，ΔSi,j为第i条光路在第j个单元内经过的光程。上式可以写成矩阵形式：

lnτ=ΔS·κ

(4)

需要注意的是，如果视线没有经过网格，则对应的光程ΔSi,j= 0，导致系数矩阵ΔS大多数元素为零，方程组的求解是一个典型的病态问题，广泛用于最小二乘问题求解的正交化方法对该病态超定方程组的求解得不到令人满意的结果[15]。因此，本文采用LSQR算法对上述线性方程组进行求解，得到了较好的结果。

图1 层流扩散火焰横截面划分图Fig. 1 Cross-section of laminar flow diffusion flame

1.2 实验平台

基于上述消光法原理，搭建轴对称火焰碳黑浓度测量平台，用于测量固体燃料层流扩散火焰中的碳黑浓度分布规律。实验平台的结构示意图如图2，该实验平台由燃料加热及质量损失测量系统、可调激光系统、激光光路传播系统以及实验图像记录系统组成。

1.激光器；2.可调电源；3.梅特勒天平；4.电热丝加热板；5.计算机1；6.燃料堆垛及火焰；7.凸透镜；8.小孔光栅；9.高速摄影仪；10.计算机2；11.火焰记录相机图2 消光法实验平台示意图Fig. 2 Schematic diagram of extinction experiment platform

1.2.1 燃料试样及平台

实验选用马尾松针、柚木、红橡木三种燃料。试样破碎后用干燥箱在60 ℃下烘干12 h并筛选，所用固体燃料试样如图3(a)所示。经过多次实验确定使用直径0.7 mm～1.4 mm，长度5 mm左右的针状燃料质量为1.3 g，并将燃料试样堆成直径3.5 cm的圆台状燃料堆垛进行实验时，试样火焰达到稳定层流状态，实验效果最佳。

实验中，将0.5 mL无水乙醇均匀滴在固体燃料堆垛上，在引燃酒精的同时，开启电热丝加热板电源进行持续加热，以延长火焰的持续燃烧时间。电热丝加热板如图3(b)所示，实验中电热丝工作电压为25 V，加热功率为110 W。

图3 燃料试样及电热丝加热板Fig. 3 Wood fuel sample and Electric heating wire heating plate

1.2.2 激光及图像采集系统

实验选用直径40 mm、波长650 nm的红光单色平行激光器作为光源。由于木材燃料的燃烧速率随燃烧时间发生变化，所以实验采用反复快速遮挡激光并撤出的方法，对火焰进行连续拍摄，再逐帧选取遮挡前和完全遮挡后的激光火焰图及火焰图。激光图及背景图在点火之前拍摄，以马尾松针为例，如图4所示。火焰透射率可通过公式(5)进行计算。

(5)

图4 马尾松针火焰图像Fig. 4 Pine needle flame image

2 实验结果分析及讨论

2.1 燃料元素成分

采用CHNSO元素分析仪对马尾松针、柚木、红橡木这三种碳氢燃料进行元素分析，测得三种燃料的元素成分如表1所示。三种固体燃料测得的各元素含量基本一致，其中马尾松针的N元素含量较高，而O元素含量较低，可能是由于马尾松针属于树叶，而柚木和红橡木属于树干。

根据三种燃料的元素组成,可以利用门捷列夫理论热值计算公式[16]估算其完全燃烧时的热值：

QH=4.18×[81C+300H-26(O-S)]

(6)

式中：QH为门捷列夫高位发热量；C、H、O、S分别表示碳氢氧硫的质量分数。

表1 固体燃料元素占比分析

2.2 层流火焰实验结果分析

2.2.1 质量损失速率

图5给出电子天平测得的马尾松针燃烧过程质量损失曲线，对燃料质量损失曲线进行4阶多项式拟合并求导[17]，得到相应的燃料质量损失速率曲线。固体燃料堆垛的燃烧过程可分为三个阶段：不稳定湍流燃烧阶段、层流稳定燃烧阶段和熄灭阶段，图5中同时给出三个阶段的典型火焰图像。Kailasanathan等[10]在类似实验中对火焰进行了温度曲线频域分析，结果显示不稳定湍流燃烧阶段主要是酒精燃烧，仅有少部分燃料参与燃烧，而层流稳定燃烧阶段酒精已燃烧完全。因此，本文以层流稳定燃烧阶段为研究对象分析木材火焰碳黑浓度特征。柚木和红橡木的质量变化和质量损失速率曲线如图6所示。

图5 马尾松针质量损失速率及燃烧阶段图Fig. 5 Mass loss rate and combustion stage of pine needles

图6 质量变化及质量损失速率变化图Fig. 6 Mass change and mass loss rate

在层流稳定燃烧阶段，马尾松针、柚木、红橡木分别在60 s、47 s、52 s左右火焰燃烧最为稳定，此时马尾松针、柚木、红橡木的质量损失速率分别为10.2 mg/s、17.12 mg/s、13.3 mg/s。根据表1中得到的三种燃料热值，计算可知相应的热释放速率分别为0.207 7 kW、0.306 9 kW、0.240 5 kW。在本文所述工况下柚木在稳定燃烧阶段的热释放速率最大，红橡木次之，马尾松针最小。

2.2.2 火焰碳黑浓度

根据公式(5)，马尾松针、柚木、红橡木分别在60 s、47 s、52 s的火焰透射率如图7所示。由于实验平台镜片尺寸的限制，图7中显示的是燃料层流扩散火焰约2 cm～4.5 cm高度内的区域。

图7 三种燃料火焰透射率图Fig. 7 Flame transmittance diagrams of three fuels

根据1.1节中所述消光法原理，对透射率数据进行均值滤波平滑处理后，沿高度方向逐层利用LSQR算法对公式(4)进行求解，得到三种燃料层流扩散火焰碳黑体积分数分布，如图8所示。

图8 三种燃料火焰碳黑浓度分布云图Fig. 8 Flame carbon black concentration distribution cloud map of three fuels

图9 三种燃料火焰碳黑浓度径向分布图Fig. 9 Radial distribution of carbon black concentration in the flames of three fuels

从图8中可以看出，在本文所述工况下，马尾松针火焰的碳黑浓度最高，柚木火焰碳黑浓度低于马尾松针火焰，红橡木火焰碳黑浓度最低。

图9给出了三种燃料火焰在4个高度上的碳黑浓度径向分布曲线。从图9中可以看出：在不同高度上火焰的碳黑浓度均为马尾松针>柚木>红橡木；柚木火焰较宽，是由于在层流稳定燃烧阶段燃烧床面积最大；在稳定燃烧阶段，马尾松针的质量损失速率与热释放速率均小于柚木和红橡木，而碳黑浓度却大于柚木与红橡木，说明马尾松针发烟能力最强。对比马尾松针与其他两种燃料的元素含量可以发现，马尾松针的碳含量最多，氧含量最少，可以推测燃料发烟能力与碳元素和氧元素含量有关。在本文工况下，根据已知条件，无法判定柚木与红橡木发烟能力的大小。

3 结论

基于消光法原理，对典型木材燃料(马尾松针、柚木、红橡木)的堆垛燃烧层流扩散火焰的碳黑浓度进行了实验研究。通过测量固体燃料堆垛燃烧过程的质量损失速率和火焰碳黑体积分数，并结合三种燃料的元素分析，对马尾松针、柚木、红橡木的碳黑生成特性进行了对比分析，得出如下结论：

1)将固体碳氢燃料破碎成直径0.7 mm～1.4 mm、长度约5 mm的针状试样，并堆成直径3.5 cm的堆垛，利用酒精引燃后可形成稳定的层流扩散火焰，同时可通过电热丝辅助加热延长稳定燃烧的时间。

2)对比三种燃料的火焰碳黑浓度、质量损失速率及元素组成，马尾松针发烟能力最强；固体碳氢燃料的碳黑生成能力可能与其碳元素和氧元素的含量有关，燃料碳元素含量越多，氧含量越少，其碳黑生成能力越大。