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氣熱重試驗?zāi)M實際火場中由富氧到缺氧的狀態(tài);在試樣加熱過程中,在不同的溫度點由空氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨饨?jīng)過一段時間的升溫后,再由氮氣轉(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。用一級的動力學(xué)模型進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;模型中圖分類號:X932文獻標識碼: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?？諝鈼l件下木材內(nèi)模型,首先要對其燃燒特性進行研究。部微觀分解機理研究,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屑進行了熱解實作者簡介:岳海玲,女,講師,碩土。驗,利用熱重分析法對其熱解行為特性和動力學(xué)規(guī)律進行了分析。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)部微觀分解機表1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氯空氣方法代號途一次變氣氛的情況56,以期模擬真實火災(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過程用一級的動力學(xué)模型進行了模擬,并確定了熱400-500500-600解主反應(yīng)段的動力學(xué)參數(shù)。50-400400=60050-500500-600d1試驗條件及方法0-60050-6001.1試驗樣品及設(shè)備實驗采用環(huán)保等級為E1級5cm刨花板為樣(注:反應(yīng)氣氛流速30m,min;整個反應(yīng)過程升溫速品實驗前將物料磨細,在CS01-E電熱鼓風干燥辜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,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氮氣和空氣氣氛TA851e熱重分析儀上進行。圖1圖2所示分別為刨花板在空氣和氮氣氣1.2實驗方法氛下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)過花板在氮氣與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)為水分蒸發(fā)過程,質(zhì)量損失約為4%從TG曲線上可以詳細地了解到不同溫度下樣品的8%,整個失重過程都分為三個部分。在空氣氣氛下失重情況。對TG曲線進行微分得到DTG曲線,根主要的失重過程500℃附近結(jié)束在氮氣氣氛下為據(jù)DTG曲線上峰的個數(shù)可以確定該樣品在熱解失重時是分幾個階段進行的。在實驗中,對每個340℃。在空氣中失重曲線在310℃附近出現(xiàn)了拐試樣都做兩個同樣工況的重復(fù)試驗,以驗證實驗的點在氮氣中則較為平滑。在空氣中DTG曲線在實際火災(zāi)中,常會發(fā)生氣氮變化的情況。本出現(xiàn)一八℃出現(xiàn)兩個放熱峰,可重復(fù)性。試驗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曲線上有一個拐點將主要熱分解失溫度下氧氣耗盡變?yōu)榈獨鈿夥杖缓笥衷谀骋粶囟戎胤譃閮蓚€階段其中第階段主要為刨花板中木材的半纖維素、纖維素熱分解過程,產(chǎn)生揮發(fā)分物下,突然有空氣補充實驗時將樣品放入體積為70u的AI2O3坩堝旦伴隨著太材由太質(zhì)素熱分解的焦炭中通過加熱爐使溫度上升,獲得樣品反應(yīng)所需熱的燃中國煤化工度的升高,試驗試量。實驗方案見表1所示。樣CNMHG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。在氮氣氣氛下,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空氣和氮氣氣氛下的TG曲線圖圖3200℃C時換氣的TG曲線圖0.0020.0030.0030.005方2≡0.006氣0.0075015025035045055065075050150250350450550650750溫度C圖2空氣和氮氣氣氛下的DTG曲線圖4200℃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;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氣氣氛下方法b的TG和DIG曲線對比圖。由圖2-圖10可見50150250350450550650750(1)500℃時變氣氛與全程為500℃前氣氛下熱溫度嚴C解失重趨勢基本相同;200℃時變氣氛與全程為圖5300℃C時換氣的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無20℃后,沿空氣氣氛下失重趨勢進行明顯影響。)產(chǎn)物最終剩余質(zhì)量和主要反應(yīng)結(jié)束時間(2)200℃時變氮氣工況中,約330℃前沿氮氣主要中國煤化工反應(yīng)氣氛。在主要氣氛下失重趨勢進行。300℃400℃變氮氣工況中,反CNMHG,則反應(yīng)結(jié)束時間在變氣氛后升溫大約20℃后,沿氮氣氣氛下失重趨以及最終剩余物質(zhì)量基本與全程空氣氣氛下相同;勢進行。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時換氣的DTG曲線圖圖9500℃時換氣的TG曲線圖方法c-2方法c1”方法d9501502035045056507550150250350450550650度/C溫度鬥C圖7400℃C時換氣的TG曲線圖圖10500℃時換氣的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,不會影響焦炭的生成量,而空氣氣氛下失重0004第二階段可認為是炭的氧化過程,如果此時處于缺氧狀態(tài)則焦炭處于陰燃階段熱解速度緩慢。當高0006氮氣溫狀態(tài)下的焦炭驟然與富含氧的新鮮空氣接觸時,50150250350450550650750會發(fā)生強烈的氧化反應(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℃時換氣的DTG曲線圖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)束之前為氮氣氣氛的,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)束時間為m,則共力肝叫小與全程氮氣氣氛下基本相同;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)量要少于全程氮氣下最終中國安全生產(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氣氣氛下熱解主反應(yīng)段的動力學(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:氮氣3495077.541614.86E+040.97119(a)=gexp(- E/rT)dT由表3可知創(chuàng)花板在空氣中與氮氣中第一熱為試樣的最終質(zhì)量,mg;a為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,氮對反應(yīng)進程影響不大。這是因為材料中木屑成分MJ/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低度,K。于氮氣中頻率因子要高于氮氣,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)材料在空氣和氮氣中失重曲線均為三個部分,其中在空氣中,第二失重部分出現(xiàn)拐點,在氮氣距中包含頻率因子A。因此可以從圖線的斜率項和中則較為平滑。材料在200℃以前及500℃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無明顯影響。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℃時變氮氣工況中,約通常用于固體反應(yīng)動力學(xué)研究的g(a)見330℃前沿氮氣氣氛下失重趨勢進行。30℃400℃表29。變氮氣工況中,在變氣氛后升溫大約20℃后,沿氮氣氣氛下失重趨勢進行。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行。而對氮氣變空氣工反應(yīng)模型零級三級況下,由于氧化反應(yīng)曲線有一個突然的下凹。(3)試樣均在50-200℃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。在空氣和氮氣氣氛下,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階段,每一階段對應(yīng)不同的組分的熱分氣氛和氮氣氣氛下兩階段熱解動力學(xué)參數(shù),并由此解。參考文獻[5、79],并將部分實驗數(shù)據(jù)進行擬得到反應(yīng)氣氛對材料的第一熱解階段進程影響不合選取g(a)=-ln(1-a)。本文認為刨花板的大,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算刨花板在空氣氣氛和氮氣氣氮下熱解主反應(yīng)段參考CNMHG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),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),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CHEN 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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力學(xué)研究[]]tion by dSC[J. Chinese Journal of Chemical Physics太陽能學(xué)報,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)督職責進行了調(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)防護相關(guān)標準等職責劃歸國家安全生產(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,擴大交流國內(nèi)外職業(yè)衛(wèi)生研究的最新進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)和標準研究,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)危害防護技術(shù)與防護設(shè)施,人機工效學(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。《中國安全生產(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)性先進性實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。熱愛勞動和生命,關(guān)注職業(yè)衛(wèi)生與健康!中國煤化工CNMHG