第8卷第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)Vol 8 No 42012年4月Journal of Safety Science and TechnologyApril 2012文章編號:1673-193X(2012)-04-0050-06刨花板熱解及燃燒特性熱重模擬實(shí)驗(yàn)研究岳海玲(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防工程系,廊坊065000)摘要:對刨花板的變工況熱解行為進(jìn)行了熱重分析和差熱分析研究。將試樣分別加熱到一定溫度做空氣變氮?dú)鉄嶂卦囼?yàn)?zāi)M實(shí)際火場中由富氧到缺氧的狀態(tài);在試樣加熱過程中,在不同的溫度點(diǎn)由空氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)饨?jīng)過一段時(shí)間的升溫后,再由氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榭諝饽M火場中的回燃情況。通過結(jié)果分析,深人研究了環(huán)境氣氛變化對試樣熱解的影響。用一級的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了模擬給出了熱解主反應(yīng)階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)關(guān)鍵詞:刨花板;熱解;熱分析;模型中圖分類號:X932文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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刨花板作為室內(nèi)裝修中的常用材料,是導(dǎo)致室對火場中硬木地板材料變氧濃度燃燒過程進(jìn)行了研內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和蔓延的客觀條件之一。研究刨花板對究,分析了氧濃度對燃燒熱失重過程的影響。陳室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的影響規(guī)律,建立相關(guān)的數(shù)學(xué)海翔等對木材油茶樹試樣在正常空氣條件下木材內(nèi)模型,首先要對其燃燒特性進(jìn)行研究。部微觀分解機(jī)理研究,以及各因素對熱解和燃燒結(jié)目前國內(nèi)外對于以木材為主要成分的材料的熱果的影響2。高亞萍等對不同氧濃度下白楊、白解條件過程及模型等進(jìn)行了大量的研究。李迎旭樺紅松以及這三種材料的阻燃品,在不同氧濃度條件中國煤化工兵等在常壓熱重收稿日期:201-08-15分析CNMHG屑進(jìn)行了熱解實(shí)作者簡介:岳海玲,女,講師,碩土。驗(yàn),利用熱重分析法對其熱解行為特性和動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了分析。這些研究中大多側(cè)重于正?？盏?期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)51反應(yīng)氣氛對刨花板熱分解和燃燒過程的影響。熱解格、30t35S避氣條件下或者不同氧氣濃度下木材內(nèi)部微觀分解機(jī)表1驗(yàn)方案理研究。浙江大學(xué)的宋常忠沈德魁等對杉木在中氣氛空氣氯空氣方法代號途一次變氣氛的情況56,以期模擬真實(shí)火災(zāi)場景200-3350600下木材的熱解情況。但目前尚未有模擬真實(shí)火災(zāi)場400-600景下回燃狀況下刨花板的熱解研究。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,主要針對室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生過程中氧氣濃度逐漸降低,而后又突然補(bǔ)充新400-600b鮮空氣的回燃情況,利用熱重分析儀研究不同階段300-500500-600過程用一級的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了模擬,并確定了熱400-500500-600解主反應(yīng)段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。50-400400=60050-500500-600d1試驗(yàn)條件及方法0-60050-6001.1試驗(yàn)樣品及設(shè)備實(shí)驗(yàn)采用環(huán)保等級為E1級5cm刨花板為樣(注:反應(yīng)氣氛流速30m,min;整個(gè)反應(yīng)過程升溫速品實(shí)驗(yàn)前將物料磨細(xì),在CS01-E電熱鼓風(fēng)干燥辜20℃·mn)箱中,0℃下烘干12h,之后多次稱其質(zhì)量,直到質(zhì)2結(jié)果和討論量不再發(fā)生變化時(shí),從干燥箱內(nèi)取出放人干燥皿中待用。熱重分析是在梅特勒-托利多 TGA/SD-21氮?dú)夂涂諝鈿夥誘A851e熱重分析儀上進(jìn)行。圖1圖2所示分別為刨花板在空氣和氮?dú)鈿?.2實(shí)驗(yàn)方法氛下TG和DTG曲線圖。由圖1、圖2可以看出,刨用熱重法TG和微商熱重法DT研究在反應(yīng)過花板在氮?dú)馀c空氣氣氛下的低溫度區(qū)間(低于程中不同溫度處變換氣氛情況下,刨花板熱解情況150℃時(shí))為水分蒸發(fā)過程,質(zhì)量損失約為4%從TG曲線上可以詳細(xì)地了解到不同溫度下樣品的8%,整個(gè)失重過程都分為三個(gè)部分。在空氣氣氛下失重情況。對TG曲線進(jìn)行微分得到DTG曲線,根主要的失重過程500℃附近結(jié)束在氮?dú)鈿夥障聻閾?jù)DTG曲線上峰的個(gè)數(shù)可以確定該樣品在熱解失重時(shí)是分幾個(gè)階段進(jìn)行的。在實(shí)驗(yàn)中,對每個(gè)340℃。在空氣中失重曲線在310℃附近出現(xiàn)了拐試樣都做兩個(gè)同樣工況的重復(fù)試驗(yàn),以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)在氮?dú)庵袆t較為平滑。在空氣中DTG曲線在實(shí)際火災(zāi)中,常會(huì)發(fā)生氣氮變化的情況。本出現(xiàn)一八℃出現(xiàn)兩個(gè)放熱峰,可重復(fù)性。試驗(yàn)主要考慮兩種氣氛變化情況下刨花板的熱解在空氣氣氛下,250-490℃之間是主要熱分解分為三種情況空氣在某一溫度下變?yōu)榈獨(dú)鈿夥?氮失重階段該階段失重量約占總失重量的9%。在氣氣氛在某一溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈿夥?空氣在某一此階段的T曲線上有一個(gè)拐點(diǎn)將主要熱分解失溫度下氧氣耗盡變?yōu)榈獨(dú)鈿夥杖缓笥衷谀骋粶囟戎胤譃閮蓚€(gè)階段其中第階段主要為刨花板中木材的半纖維素、纖維素?zé)岱纸膺^程,產(chǎn)生揮發(fā)分物下,突然有空氣補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品放入體積為70u的AI2O3坩堝旦伴隨著太材由太質(zhì)素?zé)岱纸獾慕固恐型ㄟ^加熱爐使溫度上升,獲得樣品反應(yīng)所需熱的燃中國煤化工度的升高,試驗(yàn)試量。實(shí)驗(yàn)方案見表1所示。樣CNMHG殘留物的緩慢熱分解過程。試驗(yàn)結(jié)束后,試樣殘留物為灰分和不可分解的氧化物。在氮?dú)鈿夥障?260-400℃是主要熱申中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第8卷方法a-315025035045055065075050150250350450550650750溫度C溫度c圖1空氣和氮?dú)鈿夥障碌腡G曲線圖圖3200℃C時(shí)換氣的TG曲線圖0.0020.0030.0030.005方2≡0.006氣0.0075015025035045055065075050150250350450550650750溫度C圖2空氣和氮?dú)鈿夥障碌腄TG曲線圖4200℃時(shí)換氣的DTG曲線圖失重階段,該階段失重量占整個(gè)熱解失重的65%左右;390℃以后試樣中殘留物質(zhì)的緩慢熱解最終形成焦炭。直到試驗(yàn)結(jié)束,殘留物為黑色焦炭和不可分解的氧化物。22中途變氣氛工況方法b3圖2-圖10為刨花板在a-1、a2、a3;b1、b2、b-3;c-1、c2;d方法下以及全程為空氣氮?dú)鈿夥障路椒╞的TG和DIG曲線對比圖。由圖2-圖10可見50150250350450550650750(1)500℃時(shí)變氣氛與全程為500℃前氣氛下熱溫度嚴(yán)C解失重趨勢基本相同;200℃時(shí)變氣氛與全程為圖5300℃C時(shí)換氣的TG曲線圖200℃后氣氛下熱解失重趨勢基本相同。說明材料200℃以前及500℃以后的氣氛變化對熱解失重?zé)o20℃后,沿空氣氣氛下失重趨勢進(jìn)行明顯影響。)產(chǎn)物最終剩余質(zhì)量和主要反應(yīng)結(jié)束時(shí)間(2)200℃時(shí)變氮?dú)夤r中,約330℃前沿氮?dú)庵饕袊夯し磻?yīng)氣氛。在主要?dú)夥障率е刳厔葸M(jìn)行。300℃400℃變氮?dú)夤r中,反CNMHG,則反應(yīng)結(jié)束時(shí)間在變氣氛后升溫大約20℃后,沿氮?dú)鈿夥障率е刳呉约白罱K剩余物質(zhì)量基本與全程空氣氣氛下相同;勢進(jìn)行。再次變換為空氣氣氛后,則在升溫大約在主要反應(yīng)結(jié)束之后開始換為空氣的,則反應(yīng)結(jié)束第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)53≈C1009000003方法b三〓氤氣方法b2方法0005方法b-3501502503504505506507550150250350450550650750溫度~C溫度C圖6300℃C時(shí)換氣的DTG曲線圖圖9500℃時(shí)換氣的TG曲線圖方法c-2方法c1”方法d9501502035045056507550150250350450550650度/C溫度鬥C圖7400℃C時(shí)換氣的TG曲線圖圖10500℃時(shí)換氣的DTG曲線圖質(zhì)量。方法c2由以上分析可得第一階段熱解的氣氛對最終的熱解失重趨勢影響較小,而第二階段反應(yīng)氣氛卻影響較大。說明空氣氣氛下第一階段的著火只發(fā)生0003方法c1在氣相,不會(huì)影響焦炭的生成量,而空氣氣氛下失重0004第二階段可認(rèn)為是炭的氧化過程,如果此時(shí)處于缺氧狀態(tài)則焦炭處于陰燃階段熱解速度緩慢。當(dāng)高0006氮?dú)鉁貭顟B(tài)下的焦炭驟然與富含氧的新鮮空氣接觸時(shí),50150250350450550650750會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng),反應(yīng)速率增加失重明顯加溫度PC大,直至所有焦炭全部反應(yīng)最終形成灰燼。圖8400℃時(shí)換氣的DTG曲線圖3刨花板熱解動(dòng)力學(xué)模型時(shí)間與空氣氣氛下結(jié)束時(shí)間相應(yīng)的推后,但最終產(chǎn)物質(zhì)量與空氣氣氛下基本相同。在反應(yīng)結(jié)束之前為氮?dú)鈿夥盏?在對應(yīng)于空氣氣氛下,第二熱解階段前序中國煤讓飛為m的樣品在程CNMH間t質(zhì)量變變換氣氛的最終產(chǎn)物質(zhì)量以及主要反應(yīng)結(jié)束時(shí)間為m,則共力肝叫小與全程氮?dú)鈿夥障禄鞠嗤?在第二熱解階段后變d(a)/dt= kf(a)(1)換氣氛的則最終產(chǎn)物質(zhì)量要少于全程氮?dú)庀伦罱K中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第8卷式中:k=Aexp(-E/RT);fa)=(-a)";表3創(chuàng)花板在空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障聼峤庵鞣磻?yīng)段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)X100%樣品溫度范活化能頻率因子相關(guān)B dT/dt(2)(反應(yīng)氣氛)圍℃/NJ.ml-/min系數(shù)(y)由以(1)、(2)式可以得到:d(a)/f(a)=240-31081.286832.45E+050.98526Bexp(-E/RT)dT(3)空氣31044020.498251.57E+060.9146326834983.92001204E+050.98549對式(3)積分,令g(a)=1d(a)fa)則:氮?dú)?495077.541614.86E+040.97119(a)=gexp(- E/rT)dT由表3可知?jiǎng)?chuàng)花板在空氣中與氮?dú)庵械谝粺釣樵嚇拥淖罱K質(zhì)量,mg;a為時(shí)刻材料的解階段活化能與頻率因子差別不大說明此階段氣失重百分率,%;A是頻率因子,min;E為活化能,氮對反應(yīng)進(jìn)程影響不大。這是因?yàn)椴牧现心拘汲煞諱J/mo;R為氣體常數(shù)831×10kJ/(mol·K);B中木質(zhì)素和半木質(zhì)素的熱分解過程,產(chǎn)生揮發(fā)分物為升溫速率,本研究中β為20℃/min;T是反應(yīng)溫質(zhì)。而在第二熱解階段中,空氣中的活化能要遠(yuǎn)低度,K。于氮?dú)庵蓄l率因子要高于氮?dú)?說明此階段氧氣對本文采用CRem積分方法,通過對溫度反應(yīng)進(jìn)程影響較大。積分的近似推導(dǎo),推導(dǎo)出下式近似的積分型方程:g(g2]=1nA1-2r結(jié)語1-Rr(5)以m(∠(2]對1作圖,其斜率為-層而截(1)材料在空氣和氮?dú)庵惺е厍€均為三個(gè)部分,其中在空氣中,第二失重部分出現(xiàn)拐點(diǎn),在氮?dú)饩嘀邪l率因子A。因此可以從圖線的斜率項(xiàng)和中則較為平滑。材料在200℃以前及500℃以后的截距項(xiàng)中分別求出活化能E和頻率因子A。該圖線氣氛變化對熱解失重?zé)o明顯影響。是否呈現(xiàn)線性決定了g(a)選取值是否正確。(2)變氣氛過程中,200℃時(shí)變氮?dú)夤r中,約通常用于固體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的g(a)見330℃前沿氮?dú)鈿夥障率е刳厔葸M(jìn)行。30℃400℃表29。變氮?dú)夤r中,在變氣氛后升溫大約20℃后,沿氮?dú)鈿夥障率е刳厔葸M(jìn)行。再次變換為空氣氣氛后,表2固體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的g(a)形式常用則沿空氣氣氛下失重趨勢進(jìn)行。而對氮?dú)庾兛諝夤し磻?yīng)模型零級三級況下,由于氧化反應(yīng)曲線有一個(gè)突然的下凹。(3)試樣均在50-200℃發(fā)生脫水,在250500℃g(a)a-m(1-a)(1-a)(1-a)2是失重的主要階段,主要熱解過程符合兩階段熱解模型。在空氣和氮?dú)鈿夥障?刨花板的TG曲線明顯(4)通過一級反應(yīng)模型求解出了刨花板在空氣的分為兩個(gè)階段,每一階段對應(yīng)不同的組分的熱分氣氛和氮?dú)鈿夥障聝呻A段熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù),并由此解。參考文獻(xiàn)[5、79],并將部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬得到反應(yīng)氣氛對材料的第一熱解階段進(jìn)程影響不合選取g(a)=-ln(1-a)。本文認(rèn)為刨花板的大,一階響士,熱解符合雙組分、兩階段一級反應(yīng)模型。由此模型中國煤化工計(jì)算刨花板在空氣氣氛和氮?dú)鈿獾聼峤庵鞣磻?yīng)段參考CNMHG的動(dòng)力學(xué)參數(shù),見表3。[1]李迎旭火場木材熱解燃燒表觀動(dòng)力學(xué)研究[D]碩士學(xué)位論文浙江大學(xué),0052第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)552]陳海翔,劉乃安范維澄基于差示掃描量熱技術(shù)的生[5]宋長忠火災(zāi)可燃物熱解動(dòng)力學(xué)及著火特性研究[D]物質(zhì)熱解兩步連續(xù)反應(yīng)模型研究[J]物理化學(xué)學(xué)報(bào)博士學(xué)位論文浙江大學(xué),20069200,22(7):786-7906】沈德魁熱輻射下積炭類可燃物熱解與著火特性的機(jī)CHEN Hai-xiang LIU Nai-an, FAN Wei-cheng. Two step理研究[D]博土學(xué)位論文浙江大學(xué)2009consecutive reaction model of biomass thermal decomposi-[7]林木森蔣劍春楊木屑熱解過程及動(dòng)力學(xué)研究[]]tion by dSC[J. Chinese Journal of Chemical Physics太陽能學(xué)報(bào),2008,29(9)2006,22(7):786-790LIN Mu-sen, JIANG jian-chun. Process and kinetics of[3]高玉萍,周霞.阻燃與未阻髂裝飾裝修木材在不同氧poplar sawdust pyrolysis[J]. Acta Energiae Solaris Sini-濃度下的熱分析[門.火災(zāi)科學(xué),2007,16(4):214219ca,2008,29(9)GAO Ya-ping, ZHOU Xia Thermal analysis of flame-re-. [8] Fang, M. X, Shen, D. K, Li,Y X, Yu, C.tardant and non-flame-retardant decorative woods underLuo, Z. Y, Cen, kF Kinetic study on pyrolysis and com-different oxygen concentration[J. Fire Safety Sciencebustion of wood under different oxygen concentrations by214219using TG-FTIR analysis [J]. Joumal ofAnalytical and[4]沈永兵,肖軍沈來宏,木質(zhì)類生物質(zhì)的熱重分析研究Applied Pyrolysis, (2006). 77 P 22-27[J]能源研究與利用,2005,(3)[9]N.A Liu, W C. Fan. Kinetic modelling of thermal de-SHEN Yong bing, XIAO Jun, SEHN Lai-hong. 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本刊征集職業(yè)衛(wèi)生稿件根據(jù)中央編辦《關(guān)于職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)管部門職責(zé)分工的通知》(中央編辦發(fā)[2011]104號)文件和全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)《關(guān)于修改(中華人民共和國職業(yè)病防治法)的決定》(2011年12月31日,第十一屆全國人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十四次會(huì)議通過),對有關(guān)職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)督職責(zé)進(jìn)行了調(diào)整,用人單位職業(yè)衛(wèi)生監(jiān)督檢查、作業(yè)場所職業(yè)病危害因素檢測和評價(jià)管理、制訂職業(yè)病危害因素工程控制及職業(yè)防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等職責(zé)劃歸國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局。為更好地配合新修訂《職業(yè)病防治法》的實(shí)施,促進(jìn)職業(yè)衛(wèi)生相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、理論與實(shí)踐探索,擴(kuò)大交流國內(nèi)外職業(yè)衛(wèi)生研究的最新進(jìn)展及成果推動(dòng)我國職業(yè)衛(wèi)生工作的發(fā)展,《中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)》面向全國長期征集稿件,征文內(nèi)容包括職業(yè)衛(wèi)生法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)研究,職業(yè)衛(wèi)生管理理論與技術(shù),職業(yè)衛(wèi)生工程與技術(shù),職業(yè)衛(wèi)生檢測與評價(jià)技術(shù),職業(yè)危害控制技術(shù)與裝備,職業(yè)危害防護(hù)技術(shù)與防護(hù)設(shè)施,人機(jī)工效學(xué),突發(fā)職業(yè)衛(wèi)生事故應(yīng)急救援,職業(yè)衛(wèi)生事故調(diào)查分析等?！吨袊踩a(chǎn)科學(xué)技術(shù)》是由國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局主管、中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院主辦,集科學(xué)性先進(jìn)性實(shí)用性為一體的綜合性學(xué)術(shù)期刊。入選中文核心期刊、中國科技核心期刊,并被美國化學(xué)文摘數(shù)據(jù)庫收錄,在國內(nèi)外具有廣泛的影響力。本刊竭誠歡迎廣大從事職業(yè)衛(wèi)生的科研和管理人員踴躍投稿。稿件書寫格式說明請瀏覽本刊網(wǎng)站www.aqskj.com并在線投稿。熱愛勞動(dòng)和生命,關(guān)注職業(yè)衛(wèi)生與健康!中國煤化工CNMHG