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Jourmal 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驗研究岳海玲(中國人民武裝警察部隊學(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?模擬實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)?經(jīng)過一段時間的升溫后,再由氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榭諝?模擬火場中的回燃情況。通過結(jié)果分析,深入研究了環(huán)境氣氛變化對試樣熱解的影響。用-級的動力學(xué)模型進(jìn)行了模擬，給出了熱解主反應(yīng)階段的動力學(xué)參數(shù)。關(guān)鍵詞:刨花板;熱解;熱分析;模型中團(tuán)分類號:X932文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudy on the characteristics of pyrolysis and combustion by thermogravimetrieanalysis for simulating typical fire condition of particleboardYUE Hai-ling(Department of Fire Proection Engineering, Chinese People' s Amned Police Force Academy, Langfang065000, China)Abstract: TG and DTG experiments were carried out to study the pyrolysis kinetie behavior of the particleboard invarious conditions. The atmosphere was changed from air to nitrogen when the sample was heated to a cetain 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 ar-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 undertood. Based on the “First Order Kinetic Model" ,the apparent activation energy and frequency factor of the samples in main reactive phase were obtained.Key words: particleboard; pyrolysis; thermal analysis; nodel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,分析了氡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”。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,在不同氧濃度條件下進(jìn)行了對比熱分析P)。沈永兵等在常壓熱重分析儀和加壓熱重分析儀上對木屑進(jìn)行了熱解實收稿日期: 2011-08-15驗,利用熱重分析法對其熱解行為特性和動力學(xué)規(guī)作者簡介:岳海玲,女,講師,硬士。律進(jìn)行了分析[4]。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)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實驗方案理研究。浙江大學(xué)的宋常忠、沈德魁等對杉木在中氣氛空氣氨氣空氣方法代號途一次變氣氛的情況'S-6) ,以期模擬真實火災(zāi)場景下木材的熱解情況。但目前尚未有模擬真實火災(zāi)場200 - 350350- 600a-景下回燃狀況下刨花板的熱解研究。50 -200200 -400400 -600.a-2本文在上述研究的基礎(chǔ)上,主要針對室內(nèi)火災(zāi)200 -600a-3發(fā)生過程中氧氣濃度逐漸降低,而后又突然補(bǔ)充新300 -400400-600b-1鮮空氣的回燃情況,利用熱重分析儀研究不同階段50-300300-500500 -600b-2反應(yīng)氣氛對刨花板熱分解和燃燒過程的影響。熱解加熱溫度300-600過程用-級的動力學(xué)模型進(jìn)行了模擬，并確定了熱(C)400-500500-600解主反應(yīng)段的動力學(xué)參數(shù)。50-400c1試驗條件及方法50-500 500-600d50-600/1.1 試驗樣品及設(shè)備50 -600實驗采用環(huán)保等級為E1級Sem刨花板為樣(注:反應(yīng)氣氛流速30ml . min"';整個反應(yīng)過程升溫速品,實驗前將物料磨細(xì),在CSI01-1E電熱鼓風(fēng)干燥率20●min~")箱中,70C下烘干l2h,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,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TGAVSD-2.1氮?dú)夂涂諝鈿夥誘A851e熱重分析儀上進(jìn)行。1.2實驗方法圖1、圖2所示分別為刨花板在空氣和氮?dú)鈿庥脽嶂胤═G和微商熱重法DTC研究在反應(yīng)過氛下TG和DITG曲線圖。由圖1、圖2可以看出,刨程中不同溫度處變換氣氛情況下,刨花板熱解情況?；ò逶诘?dú)馀c空氣氣氛下的低溫度區(qū)間(低于從TG曲線上可以詳細(xì)地了解到不同溫度下樣品的150C時)為水分蒸發(fā)過程,質(zhì)量損失約為4% -失重情況。對TG曲線進(jìn)行微分得到DTC曲線,根8% ,整個失重過程都分為三個部分。在空氣氣氛下?lián)﨑TG曲線上峰的個數(shù)可以確定該樣品在熱解失主要的失重過程500C附近結(jié)束,在氮?dú)鈿夥障聻橹貢r是分幾個階段進(jìn)行的“41。在實驗中，對每個340%。在空氣中失重曲線在310C附近出現(xiàn)了拐試樣都做兩個同樣工況的重復(fù)試驗，以驗證實驗的點(diǎn),在氮?dú)庵袆t較為平滑。在空氣中DTG曲線可重復(fù)性。286心和421C出現(xiàn)兩個放熱峰,氮?dú)庵兄辉?14C在實際火災(zāi)中，常會發(fā)生氣氨變化的情況。本出現(xiàn)-一個。試驗主要考慮兩種氣氛變化情況下創(chuàng)花板的熱解，在空氣氣氛下,250 - 490C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94%。在氣氣氛在某- -溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈿夥?空氣在某一此階段的TG 曲線上有一個拐點(diǎn)，將主要熱分解失溫度下氧氣耗盡變?yōu)榈獨(dú)鈿夥?然后又在某- -溫度重分為兩個階段,其中第- -階段 主要為刨花板中木下,突然有空氣補(bǔ)充。材的半纖維索、纖維素?zé)岱纸膺^程,產(chǎn)生揮發(fā)分物實驗時將樣品放人體積為70pμl的AL2O,坩堝質(zhì),第二階段是伴隨著木材中木質(zhì)索熱分解的焦炭中,通過加熱爐使溫度上升,獲得樣品反應(yīng)所需熱的燃燒過程。500C以后,隨著溫度的升高，試驗試量。實驗方案見表1所示。祥失重基本不變，該階段是試樣殘留物的緩慢熱分解過程。試驗結(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●52.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第8卷100 I10090三一二8070氮?dú)夥椒╝-36050空氣方法-2三自三方法a-1.2050 150250350450550650 75050150250350450550650750溫度PC圖1空氣和氮?dú)鈿夥障碌腡G曲線圍圖3 200C時換氣的 TG曲線圉.000-0.00-0.001-0.002方法a-0.003-000-0.004- 0.004-0.005方法2三空注-0.006氬氣-0.007l在-0.008s0 150250350 450550 650 750溫度rC圖2空氣和氮?dú)鈿夥障碌腄TG曲線圖圖4200C時換氣的 DTG曲線圖失重階段,該階段失重量占整個熱解失重的65%左右;390C以后試樣中殘留物質(zhì)的緩慢熱解最終形成焦炭。直到試驗結(jié)束,殘留物為黑色焦炭和不可分解的氧化物。2.2中途變氣氛工況圖2-圖10為刨花板在a-1、a-2、a-3;b-1、b-2、40 tb-3;c-1 、c2;d方法下以及全程為空氣、氮?dú)鈿夥障路椒╞-1一-方法b-2的TG和DTG曲線對比圖。由圖2-圖10可見::(1)500C時變氣氛與全程為500C前氣氛下熱解失重趨勢基本相同;200C時變氣氛與全程為圄5300C時換氣的 TG曲線圖200C后氣氛下熱解失重趨勢基本相同。說明材料200C以前及500C以后的氣氛變化對熱解失重?zé)o20C后,沿空氣氣氛下失重趨勢進(jìn)行。明顯影響。(3)產(chǎn)物最終剩余質(zhì)量和主要反應(yīng)結(jié)束時間，(2)200C時變氮?dú)夤r中,約330C前沿氮?dú)庵饕獩Q定于主反應(yīng)階段結(jié)束前的反應(yīng)氣氛。在主要?dú)夥障率е刳厔葸M(jìn)行。300C .400變氮?dú)夤r中，反應(yīng)結(jié)束之前反應(yīng)氣氛為空氣的,則反應(yīng)結(jié)束時間在變氣氛后升溫大約20心后,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●1000.00190530t氮?dú)?0.0020t-0.003方法b-1氟氣-0.0040方法b-2 n -20 t方法d -一空氣-0.005方法b-3-00150 250350450550650750550 250 350 4550 650 75溫度PC溫度rC圖6 300C時換氣的DTG曲線圉團(tuán)9500C時換氣的 TG曲線圖I/C00 t90 t-0.00130 t50 5空氣Sx5x-方法c-2方法c1空氣--0.006方法d50 150250350450550650 75050150250350450550650 750溫度rC .圖7400C時換氣的 TG曲線圄圈10 500C時換氣的 DTG曲線圖質(zhì)量。1/9由以上分析可得,第-階段熱解的氣氛對最終方法c2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)生在氣相,不會影響焦炭的生成量，而空氣氣氛下失重空氣第二階段可認(rèn)為是炭的氧化過程，如果此時處于缺0.005氧狀態(tài),則焦炭處于陰燃階段,熱解速度緩慢。當(dāng)高0.006溫狀態(tài)下的焦炭驟然與富含氧的新鮮空氣接觸時，50 150250350450550650750會發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率增加失重明顯加大,直至所有焦炭全部反應(yīng)最終形成灰燼。圖8400C時換氣的 DTG曲線圍3刨花板熱解動力學(xué)模型時間與空氣氣氛下結(jié)束時間相應(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)束之前為由阿累尼烏斯定律:初始質(zhì)量為mo的樣品在程氮?dú)鈿夥盏?在對應(yīng)于空氣氣氛下,第二熱解階段前序控制下升溫發(fā)生分解反應(yīng),在某一時間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)束時間為m，則其分解速率可表示為137: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， 54.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第8卷式中:k = Aexp(-E/RT) ;f(a) =(I-a)" ;表3創(chuàng)花板在空氣氣氛和氨氣氣氛下a=mo一m- x 100%熱解主反應(yīng)段的動力學(xué)參數(shù)mg-ma樣品溫度范活化能頻率因子相關(guān)β = dT/dt(2)(反應(yīng)氣氛)圍/C /kJ.mol-' /min-' .系數(shù)(y)由以(1)、(2)式可以得到: d(a)/f(a) =240-310 81. 286832. 45E+050. 98526Aexp(- E/RT)dT(3)空氣310440 20. 49825 1.57E+06 0.91463268-349 83. 920012.04E +050. 98549對式(3)積分,令g(a) = |d(a)/f(a) 則:氮?dú)?9-500 77.54161 4. 86E +04 0.97119g(x) = f -exp(- E/RT)dT(4)由表3可知,刨花板在空氣中與氮?dú)庵械谝粺醡.為試樣的最終質(zhì)量,mg;a為l時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，氛對反應(yīng)進(jìn)程影響不大。這是因為材料中木屑成分kJ/mol; R為氣體常數(shù),8.31 x10~'kJ/(mol. K);β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20C/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)低于氮?dú)庵?頻率因子要高于氮?dú)?說明此階段氧氣對度,K。本文采用Coats Redfermn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: .4結(jié)語In[B(3)] = In{4R[1 _2R]_晶(5)以1n[8(a)]對T作圖,其斜率為一只,而截E(1)材料在空氣和氮?dú)庵惺е厍€均為三個部分,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和中則較為平滑。 材料在200C以前及500個以后的截距項中分別求出活化能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時變氮?dú)夤r中,約通常用于固體反應(yīng)動力學(xué)研究的g(x)見330C前沿氮?dú)鈿夥障率е刳厔葸M(jìn)行。300C、400C表29。變氮?dú)夤r中,在變氣氛后升溫大約20C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)模型零級一級二級三級況下，由于氧化反應(yīng)曲線有一個突然的下凹。(3)試樣均在50-200個發(fā)生脫水,在250-500Cg(a)x -ln(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- -級反應(yīng)模型求解出了刨花板在空氣的分為兩個階段,每一階段對應(yīng)不同的組分的熱分氣氛和氮?dú)鈿夥障?兩階段熱解動力學(xué)參數(shù),并由此解。參考文獻(xiàn)[5、7_9],并將部分實驗數(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,對第二階段影響較大。熱解符合雙組分、兩階段-級反應(yīng)模型。由此模型計算刨花板在空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障聼峤庵鞣磻?yīng)段參考文獻(xiàn)的動力學(xué)參數(shù)，見表3。[1]李迎旭. 火場木材熱解燃燒表觀動力學(xué)研究[D].碩士學(xué)位論文.浙江大學(xué),2005.2第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),55●[2] 陳海翔,劉乃安,范維澄基于差示掃描量熱技術(shù)的生[S]宋長忠 火災(zāi)可燃物熱解動力學(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，博士學(xué)位論文,浙江大學(xué),206.92006, ,2(7); 786-790{6]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. 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Joumnal of Analyical and Applied Paralysis 2002,search & Uilization, 2005 ,(3)63 :303-325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常務(wù)委員會《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常務(wù)委員會第二十四次會議通過)，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、實用性為一-體的綜合性學(xué)術(shù)期刊。人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。熱愛勞動和生命,關(guān)注職業(yè)衛(wèi)生與健康!