刨花板热解及燃烧特性热重模拟实验研究

第8卷第4期中国安全生产科学技术Vol 8 No 42012年4月Journal of Safety Science and TechnologyApril 2012文章编号:1673-193X(2012)-04-0050-06刨花板热解及燃烧特性热重模拟实验研究岳海玲(中国人民武装警察部队学院消防工程系,廊坊065000)摘要:对刨花板的变工况热解行为进行了热重分析和差热分析研究。将试样分别加热到一定温度做空气变氮气热重试验模拟实际火场中由富氧到缺氧的状态;在试样加热过程中,在不同的温度点由空气转变为氮气经过一段时间的升温后,再由氮气转变为空气模拟火场中的回燃情况。通过结果分析,深人研究了环境气氛变化对试样热解的影响。用一级的动力学模型进行了模拟给出了热解主反应阶段的动力学参数关键词:刨花板;热解;热分析;模型中图分类号:X932文献标识码:AStudy on the characteristics of pyrolysis and combustion by thermogravimetricanalysis for simulating typical fire condition of particleboardYUE Hai-lingDepartment of Fire Protection Engineering, Chinese Peoples Armed Police Force Academy, Langfa065000,hina)Abstract: TG and DTG experiments were carried out to study the pyrolysis kinetic behavior of the particleboard invarious conditions. The atmosphere was changed from air to nitrogen when the sample was heated to a certain tem-perature. The aims of these experiments were to simulate the cases of local poor oxygen caused by fire and rich oxy-gen caused by the fresh air-flow. The atmosphere changed from air to nitrogen in the process of heating, and aftera period of heating it changed back to air, to simulate the backdraft phenomena. Through the experiments, theeffects of atmosphere on the pyrolysis characteristics were understood. Based on the"First Order Kinetic Modelthe apparent activation energy and frequency factor of the samples in main reactive phase were obtainedKey words: particleboard; pyrolysis; thermal analysis; model刨花板作为室内装修中的常用材料,是导致室对火场中硬木地板材料变氧浓度燃烧过程进行了研内火灾发展和蔓延的客观条件之一。研究刨花板对究,分析了氧浓度对燃烧热失重过程的影响。陈室内火灾发生和发展的影响规律,建立相关的数学海翔等对木材油茶树试样在正常空气条件下木材内模型,首先要对其燃烧特性进行研究。部微观分解机理研究,以及各因素对热解和燃烧结目前国内外对于以木材为主要成分的材料的热果的影响2。高亚萍等对不同氧浓度下白杨、白解条件过程及模型等进行了大量的研究。李迎旭桦红松以及这三种材料的阻燃品,在不同氧浓度条件中国煤化工兵等在常压热重收稿日期:201-08-15分析CNMHG屑进行了热解实作者简介:岳海玲,女,讲师,硕土。验,利用热重分析法对其热解行为特性和动力学规律进行了分析。这些研究中大多侧重于正常空第4期中国安全生产科学技术51反应气氛对刨花板热分解和燃烧过程的影响。热解格、30t35S避气条件下或者不同氧气浓度下木材内部微观分解机表1验方案理研究。浙江大学的宋常忠沈德魁等对杉木在中气氛空气氯空气方法代号途一次变气氛的情况56,以期模拟真实火灾场景200-3350600下木材的热解情况。但目前尚未有模拟真实火灾场400-600景下回燃状况下刨花板的热解研究。本文在上述研究的基础上,主要针对室内火灾发生过程中氧气浓度逐渐降低,而后又突然补充新400-600b鲜空气的回燃情况,利用热重分析仪研究不同阶段300-500500-600过程用一级的动力学模型进行了模拟,并确定了热400-500500-600解主反应段的动力学参数。50-400400=60050-500500-600d1试验条件及方法0-60050-6001.1试验样品及设备实验采用环保等级为E1级5cm刨花板为样(注:反应气氛流速30m,min;整个反应过程升温速品实验前将物料磨细,在CS01-E电热鼓风干燥辜20℃·mn)箱中,0℃下烘干12h,之后多次称其质量,直到质2结果和讨论量不再发生变化时,从干燥箱内取出放人干燥皿中待用。热重分析是在梅特勒-托利多 TGA/SD-21氮气和空气气氛TA851e热重分析仪上进行。图1图2所示分别为刨花板在空气和氮气气1.2实验方法氛下TG和DTG曲线图。由图1、图2可以看出,刨用热重法TG和微商热重法DT研究在反应过花板在氮气与空气气氛下的低温度区间(低于程中不同温度处变换气氛情况下,刨花板热解情况150℃时)为水分蒸发过程,质量损失约为4%从TG曲线上可以详细地了解到不同温度下样品的8%,整个失重过程都分为三个部分。在空气气氛下失重情况。对TG曲线进行微分得到DTG曲线,根主要的失重过程500℃附近结束在氮气气氛下为据DTG曲线上峰的个数可以确定该样品在热解失重时是分几个阶段进行的。在实验中,对每个340℃。在空气中失重曲线在310℃附近出现了拐试样都做两个同样工况的重复试验,以验证实验的点在氮气中则较为平滑。在空气中DTG曲线在实际火灾中,常会发生气氮变化的情况。本出现一八℃出现两个放热峰,可重复性。试验主要考虑两种气氛变化情况下刨花板的热解在空气气氛下,250-490℃之间是主要热分解分为三种情况空气在某一温度下变为氮气气氛;氮失重阶段该阶段失重量约占总失重量的9%。在气气氛在某一温度下转变为空气气氛;空气在某一此阶段的T曲线上有一个拐点将主要热分解失温度下氧气耗尽变为氮气气氛然后又在某一温度重分为两个阶段其中第阶段主要为刨花板中木材的半纤维素、纤维素热分解过程,产生挥发分物下,突然有空气补充实验时将样品放入体积为70u的AI2O3坩埚旦伴随着太材由太质素热分解的焦炭中通过加热炉使温度上升,获得样品反应所需热的燃中国煤化工度的升高,试验试量。实验方案见表1所示。样CNMHG残留物的缓慢热分解过程。试验结束后,试样残留物为灰分和不可分解的氧化物。在氮气气氛下,260-400℃是主要热申中国安全生产科学技术第8卷方法a-315025035045055065075050150250350450550650750温度C温度c图1空气和氮气气氛下的TG曲线图图3200℃C时换气的TG曲线图0.0020.0030.0030.005方2≡0.006气0.0075015025035045055065075050150250350450550650750温度C图2空气和氮气气氛下的DTG曲线图4200℃时换气的DTG曲线图失重阶段,该阶段失重量占整个热解失重的65%左右;390℃以后试样中残留物质的缓慢热解最终形成焦炭。直到试验结束,残留物为黑色焦炭和不可分解的氧化物。22中途变气氛工况方法b3图2-图10为刨花板在a-1、a2、a3;b1、b2、b-3;c-1、c2;d方法下以及全程为空气氮气气氛下方法b的TG和DIG曲线对比图。由图2-图10可见50150250350450550650750(1)500℃时变气氛与全程为500℃前气氛下热温度严C解失重趋势基本相同;200℃时变气氛与全程为图5300℃C时换气的TG曲线图200℃后气氛下热解失重趋势基本相同。说明材料200℃以前及500℃以后的气氛变化对热解失重无20℃后,沿空气气氛下失重趋势进行明显影响。)产物最终剩余质量和主要反应结束时间(2)200℃时变氮气工况中,约330℃前沿氮气主要中国煤化工反应气氛。在主要气氛下失重趋势进行。300℃400℃变氮气工况中,反CNMHG,则反应结束时间在变气氛后升温大约20℃后,沿氮气气氛下失重趋以及最终剩余物质量基本与全程空气气氛下相同;势进行。再次变换为空气气氛后,则在升温大约在主要反应结束之后开始换为空气的,则反应结束第4期中国安全生产科学技术53≈C1009000003方法b三〓氤气方法b2方法0005方法b-3501502503504505506507550150250350450550650750温度~C温度C图6300℃C时换气的DTG曲线图图9500℃时换气的TG曲线图方法c-2方法c1”方法d9501502035045056507550150250350450550650度/C温度鬥C图7400℃C时换气的TG曲线图图10500℃时换气的DTG曲线图质量。方法c2由以上分析可得第一阶段热解的气氛对最终的热解失重趋势影响较小,而第二阶段反应气氛却影响较大。说明空气气氛下第一阶段的着火只发生0003方法c1在气相,不会影响焦炭的生成量,而空气气氛下失重0004第二阶段可认为是炭的氧化过程,如果此时处于缺氧状态则焦炭处于阴燃阶段热解速度缓慢。当高0006氮气温状态下的焦炭骤然与富含氧的新鲜空气接触时,50150250350450550650750会发生强烈的氧化反应,反应速率增加失重明显加温度PC大,直至所有焦炭全部反应最终形成灰烬。图8400℃时换气的DTG曲线图3刨花板热解动力学模型时间与空气气氛下结束时间相应的推后,但最终产物质量与空气气氛下基本相同。在反应结束之前为氮气气氛的,在对应于空气气氛下,第二热解阶段前序中国煤让飞为m的样品在程CNMH间t质量变变换气氛的最终产物质量以及主要反应结束时间为m,则共力肝叫小与全程氮气气氛下基本相同;在第二热解阶段后变d(a)/dt= kf(a)(1)换气氛的则最终产物质量要少于全程氮气下最终中国安全生产科学技术第8卷式中:k=Aexp(-E/RT);fa)=(-a)";表3创花板在空气气氛和氮气气氛下热解主反应段的动力学参数X100%样品温度范活化能频率因子相关B dT/dt(2)(反应气氛)围℃/NJ.ml-/min系数(y)由以(1)、(2)式可以得到:d(a)/f(a)=240-31081.286832.45E+050.98526Bexp(-E/RT)dT(3)空气31044020.498251.57E+060.9146326834983.92001204E+050.98549对式(3)积分,令g(a)=1d(a)fa)则:氮气3495077.541614.86E+040.97119(a)=gexp(- E/rT)dT由表3可知创花板在空气中与氮气中第一热为试样的最终质量,mg;a为时刻材料的解阶段活化能与频率因子差别不大说明此阶段气失重百分率,%;A是频率因子,min;E为活化能,氮对反应进程影响不大。这是因为材料中木屑成分MJ/mo;R为气体常数831×10kJ/(mol·K);B中木质素和半木质素的热分解过程,产生挥发分物为升温速率,本研究中β为20℃/min;T是反应温质。而在第二热解阶段中,空气中的活化能要远低度,K。于氮气中频率因子要高于氮气,说明此阶段氧气对本文采用CRem积分方法,通过对温度反应进程影响较大。积分的近似推导,推导出下式近似的积分型方程:g(g2]=1nA1-2r结语1-Rr(5)以m(∠(2]对1作图,其斜率为-层而截(1)材料在空气和氮气中失重曲线均为三个部分,其中在空气中,第二失重部分出现拐点,在氮气距中包含频率因子A。因此可以从图线的斜率项和中则较为平滑。材料在200℃以前及500℃以后的截距项中分别求出活化能E和频率因子A。该图线气氛变化对热解失重无明显影响。是否呈现线性决定了g(a)选取值是否正确。(2)变气氛过程中,200℃时变氮气工况中,约通常用于固体反应动力学研究的g(a)见330℃前沿氮气气氛下失重趋势进行。30℃400℃表29。变氮气工况中,在变气氛后升温大约20℃后,沿氮气气氛下失重趋势进行。再次变换为空气气氛后,表2固体反应动力学研究的g(a)形式常用则沿空气气氛下失重趋势进行。而对氮气变空气工反应模型零级三级况下,由于氧化反应曲线有一个突然的下凹。(3)试样均在50-200℃发生脱水,在250500℃g(a)a-m(1-a)(1-a)(1-a)2是失重的主要阶段,主要热解过程符合两阶段热解模型。在空气和氮气气氛下,刨花板的TG曲线明显(4)通过一级反应模型求解出了刨花板在空气的分为两个阶段,每一阶段对应不同的组分的热分气氛和氮气气氛下两阶段热解动力学参数,并由此解。参考文献[5、79],并将部分实验数据进行拟得到反应气氛对材料的第一热解阶段进程影响不合选取g(a)=-ln(1-a)。本文认为刨花板的大,一阶响士,热解符合双组分、两阶段一级反应模型。由此模型中国煤化工计算刨花板在空气气氛和氮气气氮下热解主反应段参考CNMHG的动力学参数,见表3。[1]李迎旭火场木材热解燃烧表观动力学研究[D]硕士学位论文浙江大学,0052第4期中国安全生产科学技术552]陈海翔,刘乃安范维澄基于差示扫描量热技术的生[5]宋长忠火灾可燃物热解动力学及着火特性研究[D]物质热解两步连续反应模型研究[J]物理化学学报博士学位论文浙江大学,20069200,22(7):786-7906】沈德魁热辐射下积炭类可燃物热解与着火特性的机CHEN Hai-xiang LIU Nai-an, FAN Wei-cheng. 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Thermocomposition of natural cellusic materials in air atmosphgravimetric analysis of ligneous biomass[ J]. Energy Re-[J]. Joumal of Analytical and Applied Paralysis 2002arch& Utilization, 2005, ( 3)303325本刊征集职业卫生稿件根据中央编办《关于职业卫生监管部门职责分工的通知》(中央编办发[2011]104号)文件和全国人民代表大会常务委员会《关于修改(中华人民共和国职业病防治法)的决定》(2011年12月31日,第十一届全国人民代表大会常务委员会第二十四次会议通过),对有关职业卫生监督职责进行了调整,用人单位职业卫生监督检查、作业场所职业病危害因素检测和评价管理、制订职业病危害因素工程控制及职业防护相关标准等职责划归国家安全生产监督管理总局。为更好地配合新修订《职业病防治法》的实施,促进职业卫生相关领域的科学研究、理论与实践探索,扩大交流国内外职业卫生研究的最新进展及成果推动我国职业卫生工作的发展,《中国安全生产科学技术》面向全国长期征集稿件,征文内容包括职业卫生法律法规和标准研究,职业卫生管理理论与技术,职业卫生工程与技术,职业卫生检测与评价技术,职业危害控制技术与装备,职业危害防护技术与防护设施,人机工效学,突发职业卫生事故应急救援,职业卫生事故调查分析等。《中国安全生产科学技术》是由国家安全生产监督管理总局主管、中国安全生产科学研究院主办,集科学性先进性实用性为一体的综合性学术期刊。入选中文核心期刊、中国科技核心期刊,并被美国化学文摘数据库收录,在国内外具有广泛的影响力。本刊竭诚欢迎广大从事职业卫生的科研和管理人员踊跃投稿。稿件书写格式说明请浏览本刊网站www.aqskj.com并在线投稿。热爱劳动和生命,关注职业卫生与健康!中国煤化工CNMHG