杜伟¹, 程海涛¹, 邹彪¹, 任伟达¹, 朱晓康¹, 李聪²
1. 国网通用航空有限公司, 北京 102219;
2. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083
收稿日期：2021-12-28
基金项目：国网通用航空有限公司科技项目（1100/2021-44003B）；国家自然科学基金联合基金项目（U2033206）；国家重点研发计划项目（2018YFC0809500）；中央高校基本科研业务经费项目（2020XJAQ02）
作者简介：杜伟(1982-), 男, 高级工程师
通讯作者：李聪, 讲师, E-mail: 18600156862@163.com

摘要：该文开展了圆柱形堆积秸秆的燃烧实验，测量并研究了不同堆积直径和堆积厚度条件下秸秆火焰发展蔓延过程、火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等，推导并建立了关于质量损失速率（?）、无量纲火焰温度的定量模型。结果表明：秸秆燃烧过程中随着燃烧区域的扩大，火焰结构会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态；秸秆质量损失速率呈现先增加后减少的趋势，其峰值与秸秆初始质量具有良好的线性关系，表明秸秆的初始质量越大越有助于燃烧过程的热量积累；火焰轴心温度也呈现先增大后减小的趋势，无量纲火焰温度与（z-z₀）?^-2/5具有幂函数关系，随（z-z₀） ?^-2/5增加呈现不同斜率的线性下降趋势，其中z-z₀为火焰相对高度。该研究结论有助于加深对秸秆火灾发展蔓延过程的认识。
关键词：山火点状火源火焰蔓延环形火焰质量损失速率
Flame spread and combustion characteristics of straw bales from a point fire source
DU Wei¹, CHEN Haitao¹, ZOU Biao¹, REN Weida¹, ZHU Xiaokang¹, LI Cong²
1. State Grid General Aviation Company Limited, Beijing 102219, China;
2. School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China

Abstract: Combustion experiments were conducted with cylindrical straw bales with various diameters and thicknesses. The flame spread and flame structure were analyzed with a model developed to predict the mass loss rate (?) and flame temperature. The flame structure progresses from a hollow conical flame to a separated annular flame and then a broken annular flame. The mass loss rate first increases and then slowly decreases. The peak mass loss rate is linearly related to the initial straw mass, which implies that a larger initial mass increases the heat accumulation during the straw combustion. The flame temperature distribution along the vertical axis has the same trend as the mass loss rate with the dimensionless flame temperature decreasing slowly with increasing (z-z₀)?^-2/5 for small values of this parameter and then decreasing more quickly at larger values of (z-z₀)?^-2/5. (z-z₀ is the relative flame height.) The conclusions deepen the understanding of straw fire development and spread characteristics.
Key words: wildfirespoint fire sourceflame spreadannular flamemass loss rate
农作物收获之后产生的秸秆是常见可燃物之一。烟头、雷击、短路漏电产生的电弧电火花等，其形式都接近于点状火源。当堆积的秸秆不慎被点状火源点燃后，会发生燃烧并向四周蔓延，进而导致更大规模的火灾^[1]。为了准确描述秸秆蔓延燃烧过程，揭示其对环境可能造成的影响，亟待开展秸秆燃烧的相关实验研究。
关于秸秆的高温热解和燃烧特性，已经有****开展了相关研究。魏博等^[2]开展了秸秆颗粒的高温热解实验，根据秸秆的失重速率与挥发分析出过程，将秸秆的高温热解和燃烧过程分为先快后慢两个阶段。谢腾等^[3]研究了不同混配比例秸秆的成形特性，分析了混合秸秆的燃烧特性，研究了秸秆质量分数、种类对混合成形燃料稳定性的影响。刘佳政等^[4]研究了不同热解温度、粒度、种类的秸秆燃烧特性，发现超微生物炭的着火温度、燃尽温度和活化能最低且综合燃烧指数最高，棉花秸秆生物炭更适合用作固体燃料。司耀辉等^[5]选用华中地区典型的麦秆、稻秆、棉秆为研究对象，利用热重/差热综合热分析仪研究了其燃烧特性，将秸秆燃烧过程分为挥发分的析出燃烧和固体焦炭的燃烧两个阶段。
物质组成与化学结构会影响秸秆燃烧的难易程度。吕薇等^[6]将动态热重法与微分热重法联用对玉米秸秆的燃烧反应热动力学特性进行了研究，发现秸秆的燃烧性能、燃烧稳定性以及挥发分析出的难易程度均与升温速率呈正相关；田松峰等^[7-8]将秸秆在不同升温速率下进行燃烧试验，得出了不同温度区间玉米秸秆燃烧反应热动力学方程，并提出了相应的燃烧机理；刘郁珏等^[9]研究了不同种农作物秸秆的燃烧特性，发现燃烧阶段的起始温度与燃烧时的升温速率呈正相关。
从上述介绍可以看出，现有研究主要着眼于秸秆受热时的热解过程、热解产物等，而对秸秆燃烧宏观过程的研究不够丰富。为此，本文以堆积的秸秆为研究对象，使用点状火源在秸秆中心处将其点燃，记录并分析了火焰蔓延扩散现象、质量损失数据、火焰温度等一系列燃烧特性，揭示了秸秆燃烧过程中燃烧特性的变化规律。
1 实验方法本研究采用水稻秸秆作为燃料。将秸秆均匀铺设在一块厚度为1 cm的防火板上，铺设的形状是圆柱形，如图 1所示。堆积直径分别为60 cm和90 cm，密度均为18 kg/m³。针对两种堆积直径，分别选择不同的初始质量与堆积厚度，如表 1所示。由于实验中均采用自然堆积的方式铺设秸秆，可近似认为秸秆的密度是不变的，因此初始质量与堆积厚度呈线性关系。采用点火枪作为火源，在实验前将点火枪头伸入圆形秸秆中心位置进行点火，当观察到稳定的明火火苗后，即说明秸秆已被点燃。

图 1 实验装置及设备示意图

图选项

表 1 环形油池形状特征参数设置

堆积直径/cm	初始质量/g	堆积厚度/cm
60	100	1.96
	200	3.93
	300	5.89
	400	7.86
	500	9.82
	600	11.79
90	400	3.49
	600	5.24
	800	6.99
	1 000	8.73
	1 200	10.48
	1 400	12.23

表选项






把秸秆与防火板放置在一个高精度电子天平上，用来实时记录测量秸秆在燃烧过程中的质量损失。电子天平测量精度是0.01 g，采样频率是1 Hz。在秸秆中心线的正上方等间隔距离放置9个热电偶(TC1—TC9)，用以测量秸秆中心线上的火焰温度。热电偶型号为K型铠装，测量端直径为2 mm，测量精度是0.1℃。各个热电偶之间的距离是10 cm。在秸秆侧面的斜上方布置一个高清视频摄像机，用以记录燃烧过程中的火焰蔓延过程。
2 结果与讨论2.1 火焰蔓延过程图 2展示了秸秆堆积直径为60 cm时不同堆积厚度工况下从初始点状火焰逐步发展蔓延的过程，分别取典型时刻的图像进行展示。首先，对于同一堆积直径的秸秆，堆积厚度越大，燃烧过程越剧烈，持续时间越短。例如，堆积厚度为2.94 cm时需要超过200 s才能烧完，而堆积厚度为7.85 cm时超过100 s后秸秆即将耗尽。其次，与液体可燃物的燃烧现象不同，秸秆燃烧时的火焰呈现不同的空间形态结构。在秸秆被点状火源引燃后，燃烧面积逐渐增大，燃烧逐渐旺盛。随着燃烧面积的扩大，中间秸秆逐渐耗尽，只有边界区域的秸秆在燃烧，使得燃烧区域呈现环形。同时，火焰从环形燃烧区域产生，在空气卷吸的作用下在中心线处汇聚，形成了中空的锥形火焰结构。例如，图 2b中堆积厚度7.85 cm工况下30 s时，这种中空锥形火焰尤为明显。随着燃烧的进一步发展，中空区域越来越大，当火焰不足以在中心线处汇聚时，就呈现出分离的环形火焰形态。例如，图 2c中堆积厚度7.85 cm工况下80 s时。最终，随着秸秆的持续消耗，边界处秸秆也逐步被耗尽，导致环形火焰出现断裂，如图 2d所示。

图 2 不同堆积厚度下堆积直径60 cm的秸秆火焰蔓延过程

图选项

图 3展示了中空的锥形火焰和分离的环形火焰的结构示意图。图中：①表示待燃烧的秸秆，②表示正在燃烧的秸秆，③表示中空的锥形火焰，④表示燃烧剩余的秸秆灰烬。由图 3a可见，由于环形燃烧区域尚小，因此火焰能够在中心线处汇聚，从右侧实验照片中也能够直观地看到燃烧中心处的灰烬区域。图 3b则展示了当环形燃烧区域过大时，火焰无法汇聚而形成的分离的环形火焰结构，此时火焰高度明显降低，燃烧强度逐渐减弱。

图 3 秸秆燃烧过程中典型结构示意图

图选项

由上述分析可知，基于点状火源的秸秆燃烧过程会受到秸秆堆积厚度的影响，堆积厚度越大，秸秆燃烧过程越短。不论何种工况，秸秆燃烧过程中依次出现中空的锥形火焰和分离的环形火焰阶段；尽管出现时间不同，但各阶段都会稳定出现。
2.2 质量损失速率根据电子天平测量到的秸秆质量损失数据，可以直观地得到秸秆燃烧强度变化趋势。图 4展示了所有工况下秸秆质量损失曲线。可见，秸秆燃烧过程中的质量损失呈现3个趋势：1) 起初由于燃烧面积较小，导致秸秆质量消耗的速率较为缓慢。2) 随着燃烧面积的不断增大，环形火源外沿与空气的接触面积增加，加快了燃烧的进程，秸秆燃烧越来越旺盛，表现为质量快速下降。3) 在燃烧过程末期，火焰蔓延已经接近秸秆边缘区域，此时质量的下降趋于平缓，直至达到某非零值保持稳定。质量下降趋势平缓是由于秸秆燃烧完之后剩余部分的阴燃作用^[10-11]，会以非常缓慢的速度消耗一些秸秆质量。

图 4 不同堆积厚度下秸秆质量损失曲线

图选项

将质量损失数据对时间进行求导，可以得到秸秆的质量损失速率曲线，如图 5所示。将质量损失速率的峰值位置对齐，设置为零时刻。可以看到，不同工况下的秸秆质量损失速率分布均呈现锥形，即开始燃烧后质量损失速率先是快速增加，达到峰值后立即出现快速下降，但是下降速度逐渐降低，质量损失速率曲线越来越平缓，极其缓慢地向零靠近。这与纸箱火等典型固体火灾是基本一致的^[12-13]。如图 5所示，在开始燃烧的初期，质量损失速率位于较低水平，处于初始发展阶段。随后，由于燃烧区域逐渐扩大，中心区域秸秆燃烧成灰烬，导致火焰呈现中空的锥形结构。再然后，环形燃烧区域继续增大，火焰呈现分离的环形火焰结构，在此阶段内质量损失速率达到了峰值。在燃烧的最后阶段，环形燃烧区域秸秆被耗尽，处于衰减熄灭阶段。

图 5 不同堆积直径和堆积厚度下秸秆质量损失速率

图选项

为了定量衡量秸秆质量损失速率峰值$\dot{m} $_max与初始质量m₀的关系，将两者的对应关系进行线性拟合，如图 6所示。可见，在同一堆积直径下，秸秆的质量损失速率峰值与初始质量呈明显的线性关系，初始质量越大，质量损失速率峰值越大。由不同堆积直径带来的差异非常小，通过线性拟合得到两者线性关系的斜率为0.013 1，相关性系数达到0.987，即得到两者的函数关系为

$\dot{m}_{\max }=0.013\ 1 m_{0}-1.34 .$

(1)

图 6 秸秆质量损失速率峰值与初始质量的对应关系

图选项

可见，随着秸秆初始质量的增加，秸秆的质量损失速率峰值也呈现线性增加的趋势。这可能是由于秸秆的初始质量越大，其体积越大，燃烧过程中产生的热量越容易被未燃烧的秸秆吸收，向外界传热而损失的热量越少，因此燃烧得越旺盛。基于式(1)，通过统计秸秆的初始质量，即可估测秸秆燃烧时所能达到的最大质量损失速率。
2.3 火焰温度采用热电偶测量得到火焰正上方轴心温度。由于篇幅限制，以堆积直径60 cm、厚度1.96 cm和3.93 cm秸秆燃烧过程为例，火焰轴心温度变化情况如图 7所示。可见，火焰轴心温度的变化也呈现先快速增加，再缓慢降低的趋势。

图 7 堆积直径60 cm秸秆火焰轴心温度变化趋势

图选项

可燃物燃烧时的热释放速率$\dot{Q} $可以由质量损失速率$\dot{m} $计算得到，

$\dot{Q}=\dot{m} \Delta H_{\mathrm{c}}.$

(2)

其中ΔH_c是秸秆的燃烧热，kJ/mol。无量纲热释放速率$ \dot{Q}{}^{*}$可以表示为^[14-15]

$\dot{Q}{}^{*}=\frac{\dot{Q}}{\rho_{\infty} c_{p} T_{\infty} \sqrt{g D_{\mathrm{eq}}^{5}}} .$

(3)

其中：ρ_∞为周围空气密度，kg/m³；c_p为空气比热容，J/(kg·K)；T_∞为周围空气温度，K；g为当地重力加速度，m/s²；D_eq为秸秆燃烧区域的等效圆形直径，cm。根据Wang等^[16]和Li等^[17]的研究，等效圆形直径可以表示为$D_{\mathrm{eq}}=\sqrt{D_{\mathrm{O}}^{2}-D_{\mathrm{I}}^{2}}$。其中：D_I和D_O分别为环形燃烧区域的内外径，可以通过图像进行估算。为了计算火焰温度，还需要再引入虚拟火源点高度z₀ ^[18]，

$\frac{z_{0}}{D_{\mathrm{eq}}}=-1.02+1.38\left(\dot{Q}{}^{*}\right)^{\frac{2}{5}} .$

(4)

最终，可以得到竖直方向上无量纲火焰温度^[19-20]，

$\frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\infty}}{T_{\infty}}=C_{T}\left(\frac{1-X_{\mathrm{r}}}{c_{p} T_{\infty} \sqrt{g}}\right)^{\frac{2}{3}}\left(\left(z-z_{0}\right) \frac{\rho^{\frac{2}{5}}}{\dot{Q}{}^{\frac{2}{5}}}\right)^{k} .$

(5)

其中：T_f是高度z处的火焰温度，K；T_∞是环境温度，K；C_T是模型常数，X_r是辐射分数。由于环境压力未发生变化，因此式(5)可以简化为

$\frac{T_{\mathrm{f}}-T_{\infty}}{T_{\infty}} \propto\left(\left(z-z_{0}\right) \dot{m}{}^{-\frac{2}{5}}\right)^{k}.$

(6)

从图 8可知，无量纲火焰温度与(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5具有良好的幂函数关系，但是其变化规律随(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5的大小逐渐发生变化。当(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5较小时，无量纲火焰温度的变化幅度不大，说明在高度较低处火焰温度受到质量损失速率的影响是比较弱的。随着(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5逐渐增大，无量纲火焰温度的下降趋势越来越明显，曲线斜率越来越大。最后，当(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5增大到一定程度时，温度下降趋势已经非常明显并保持稳定。

图 8 无量纲火焰温度和(z-z0)$ \dot{m}^{-\frac{2}{5}}$的对应关系

图选项

3 结论本文开展了堆积直径分别为60 cm和90 cm的秸秆在不同堆积厚度条件下的燃烧实验，研究了从点状火源发展蔓延过程中的火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等燃烧特性变化规律，具体结论如下：
1) 对于同一堆积直径的秸秆，堆积厚度越大，燃烧过程越剧烈，持续时间越短。秸秆火焰会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态。
2) 秸秆质量损失速率呈现先快速增加再缓慢下降的趋势。质量损失速率峰值与初始秸秆质量呈现良好的线性关系，初始质量越大，质量损失速率所能达到的峰值也越大，线性关系的斜率为0.013 1。
3) 秸秆火焰轴心温度的变化与质量损失速率的趋势基本一致；无量纲火焰温度与(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5具有良好的幂函数关系，随着(z-z₀)$ \dot{m}$^-2/5的增大，无量纲火焰温度的下降趋势越发明显。

参考文献

[1]	狄丽颖, 孙仁义. 中国森林火灾研究综述[J]. 灾害学, 2007, 22(4): 118-123. DI L Y, SUN R Y. Summarization of research on forest fire in China[J]. Journal of Catastrophology, 2007, 22(4): 118-123. (in Chinese)
[2]	魏博, 陈丽娟, 阿依谢姆古丽·赛来, 等. 玉米秸秆成型颗粒高温热解和燃烧特性研究[J]. 新疆大学学报(自然科学版), 2021, 38(6): 685-690. WEI B, CHEN L J, AYIXIEMUGULI S, et al. Study on high-temperature pyrolysis and combustion characteristics of corn straw briquettes[J]. Journal of Xinjiang University (Natural Science Edition in Chinese and English), 2021, 38(6): 685-690. (in Chinese)
[3]	谢腾, 王雅君, 丛宏斌, 等. 玉米秸秆炭和典型农业废弃物混合成型与燃烧特性试验[J]. 农业工程学报, 2020, 36(15): 227-234. XIE T, WANG Y J, CONG H B, et al. Experiment on combustion characteristic and densified biomass pellets from maize stalk char mixing typical agricultural wastes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(15): 227-234. (in Chinese)
[4]	刘佳政, 牛文娟, 钟菲, 等. 不同类型秸秆生物炭的燃烧特性与动力学分析[J]. 太阳能学报, 2019, 40(6): 1647-1655. LIU J Z, NIU W J, ZHONG F, et al. Combustion characteristics and kinetic analysis of different types of crop residue biochars[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2019, 40(6): 1647-1655. (in Chinese)
[5]	司耀辉, 陈汉平, 王贤华, 等. 农业秸秆燃烧特性及动力学分析[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2012, 40(1): 128-132. SI Y H, CHEN H P, WANG X H, et al. Combustion characteristics and kinetic analysis of agricultural straw[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2012, 40(1): 128-132. (in Chinese)
[6]	吕薇, 李彦栋, 柳建华, 等. 生物质秸秆燃烧动力学特性分析[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2010, 15(5): 129-131. Lü W, LI Y D, LIU J H, et al. Combustion kinetics property analysis of biomass stalk[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2010, 15(5): 129-131. (in Chinese)
[7]	田松峰, 罗伟光, 荆有印, 等. 玉米秸秆燃烧过程及燃烧动力学分析[J]. 太阳能学报, 2008, 29(12): 1569-1572. TIAN S F, LUO W G, JING Y Y, et al. Analysis of corn straw combustion process and combustion dynamics[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008, 29(12): 1569-1572. DOI:10.3321/j.issn:0254-0096.2008.12.022 (in Chinese)
[8]	田松峰, 薛海亮, 付小倩, 等. 玉米秸秆燃烧特性的实验分析[J]. 电站系统工程, 2008, 24(1): 21-23. TIAN S F, XUE H L, FU X Q, et al. Combustion characteristics experimental analysis of cornstalk[J]. Power System Engineering, 2008, 24(1): 21-23. (in Chinese)
[9]	刘郁珏, 张涵斌, 张歆然. 秸秆热解·燃烧特性及动力学研究[J]. 安徽农业科学, 2019, 47(4): 12-17, 21. LIU Y J, ZHANG H B, ZHANG X R. Study on dynamics and character of straw pyrogenic decomposition and combustion[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2019, 47(4): 12-17, 21. (in Chinese)
[10]	冯瑞, 田润和, 陈科位, 等. 低气压环境对固体燃烧特性影响的实验研究[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2019, 59(2): 111-121. FENG R, TIAN R H, CHEN K W, et al. Experimental study of the effect of low pressures on solid fuel combustion characteristics[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2019, 59(2): 111-121. (in Chinese)
[11]	石美, 韦善阳, 高布桐. 相邻木结构建筑火灾蔓延临界值研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2021, 17(5): 149-154. SHI M, WEI S Y, GAO B T. Study on critical value of fire spread in adjacent wooden structure buildings[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2021, 17(5): 149-154. (in Chinese)
[12]	刘长春, 刘新磊, 周莎莎, 等. 火焰脉动在火灾领域相关研究进展[J]. 中国安全生产科学技术, 2018, 14(3): 48-56. LIU C C, LIU X L, ZHOU S S, et al. Research progress on flame pulsation in fire field[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2018, 14(3): 48-56. (in Chinese)
[13]	周洋, 陈飞, 卜蓉伟, 等. 中空结构可燃物竖直向上火蔓延特性实验研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2021, 17(8): 5-10. ZHOU Y, CHEN F, BU R W, et al. Experimental study on vertical upward flame spread characteristics of combustible with hollow structure[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2021, 17(8): 5-10. (in Chinese)
[14]	庄文昌, 闫繁华, 王欲晓. 氧弹式量热法测定农业秸秆的燃烧热[J]. 科教导刊, 2014(4): 187-188. ZHUANG W C, YAN F H, WANG Y X. Oxygen bomb calorimetry to measure combustion heat of agricultural straw[J]. The Guide of Science & Education, 2014(4): 187-188. (in Chinese)
[15]	LIU J H, ZHOU Z H, CHEN M Y. Experimental investigation on the effect of ambient pressure on entrainment coefficient of pool fires[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 148: 939-943.
[16]	WANG C J, GUO J, DING Y M, et al. Burning rate of merged pool fire on the hollow square tray[J]. Journal of Hazardous Materials, 2015, 290: 78-86.
[17]	LI C, YANG R, LI C W, et al. Experimental investigation on the influence of annular pool shape characteristics on n-heptane ring fires[J]. Fire and Materials, 2020, 44(5): 640-647.
[18]	HESKESTAD G. Virtual origins of fire plumes[J]. Fire Safety Journal, 1983, 5(2): 109-114.
[19]	KONG D P, HE X, YANG H B, et al. Experimental study for flame base drag and burning efficiency of spilled crude oil during in-situ burning on water[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2019, 131: 48-54.
[20]	ZHAO Y L, CHEN J, CHEN X, et al. Influence of high atmospheric pressure on flame spread over electric wire at different inclinations[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2020, 136: 66-75.