CC BY
94
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ ГОРЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ
Б.Б. СЕРКОВ, нач. учебно-научного комплекса «Проблемы пожарной безопасности в строительстве» Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, проф., д-р техн. наук, А.Б. СИВЕНКОВ, препод. каф. «Пожарная безопасность в строительстве» Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, канд. техн. наук,
БУИ ДИНЬ ТХАНЬ, адъюнкт Академии Государственной противопожарной службы МЧС России,
P.M. АСЕЕВА, проф. Института биохимической физики РАН, д-р хим. наук
Древесина является природным растительным материалом, широко используемым в строительстве и других областях техники и быта. Она представляет собой сложный композиционный материал, основными структурными элементами которого являются волокна. Известно, что макро- и микроструктура, химический состав, влажность, плотность, пористость, механические, теплофизические свойства древесных материалов зависят от породы деревьев, условий их произрастания, возраста и других факторов [1].
Древесина - горючий материал. Главной причиной возникновения и развития процесса горения древесины является выделение тепла. От соотношения скорости тепловыделения и скорости потери тепла из зоны реакции горения зависит режим и интенсивность этого процесса.
Настоящая работа направлена на определение характеристик тепловыделения при горении древесины различных пород, типичных для средней полосы России, а также тропического и субэкваториального региона Вьетнама. Цель исследования - выяснить основные факторы и отличительные признаки древесины, влияющие на выделение тепла при ее горении. На первом этапе представляло интерес экспериментально определить основной химический состав древесины разных пород (содержание голоцеллюлозы, лигнина, экстрагируемых веществ), а также оценить значения теплоты полного сгорания древесины.
Литературные данные [1,2], касающиеся рассматриваемых аспектов, трудно сравнивать между собой из-за отсутствия детальной характеристики образцов, (преж-
де всего, - степени их влажности и плотности), ограниченного числа охарактеризованных образцов. Считается [3], что мягкие и твердые породы древесины существенно отличаются друг от друга по своему поведению при огневом воздействии.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования были взяты образцы древесины 11 хвойных и лиственных пород средней полосы России и 5 тропических пород Вьетнама, характеризующихся быстрым ростом деревьев (2-2,5 м/год). Эти породы деревьев были импортированы во Вьетнам в 70-80 годы прошлого столетия для восстановления уничтоженных во время военных действий лесных угодий страны. Из-за почти круглогодичного роста деревьев, ранняя и поздняя древесина практически не различаются. Исследуемые образцы тропических деревьев включали 2 хвойные породы - тхонкарибэ (pinus massoniana), ваншам (picea koraiensis nakai), а также 3 лиственные породы - бачдан (eucalyptus са-mandulensis), кео тай тыонь (acacia mangium) и кео лай (acacia auriculiformis).
Содержание основных компонентов древесины определяли по известным методикам [1]. При этом следует отметить, что в таблице 1 для образцов древесины средней полосы России приведено содержание веществ, экстрагируемых в Сокслете бензолом и спиртом, а для тропических пород - веществ, экстрагируемых горячей водой.
Значения низшей теплоты полного сгорания древесины с учётом энтальпии испарения воды определяли с помощью кислородной калориметрической бомбы по стандарт-
ному методу ГОСТ 147-74. Соответствующие теплоты сгорания тропических пород древесины рассчитывали по результатам элементного анализа по формуле Д.И. Менделеева:
= 339,4 С + 1257 Я- 108,9 {0 + Я) -- 25,1 (9 Я+ ¡У), Дж*г'’ (1)
где С, Я, О, /V, 5 - % содержание элементов в составе древесины, Ж - % содержание воды в образце.
Элементный состав образцов, высушенных до постоянного веса при 105°С, определяли на автоматическом приборе - Карло Эрба 1106 С, Н, Ы, 5 анализаторе (Италия). Влажность исходных образцов оценивали обычным весовым методом, а также по данным термогравиметрического анализа на приборе 0-1500 при нагревании мелко-измельченных образцов весом 50 - 100 мг на воздухе со скоростью 10 град »мин'1.
Плотность (объёмную массу) образцов древесины определяли, исходя из их веса и геометрических размеров при нормальных комнатных условиях (табл. 1).
Результаты и обсуждение
Обычно принято подразделять древесину на твердые и мягкие породы [4].
Эти понятия, йе имеют отношения к твёрдости древесины. С позиций ботаники твёрдые породы древесины происходят из лиственных деревьев, а мягкие - из хвойных [5].
Изучение статической твердости тропических разновидностей древесины показывает, что действительно хвойные породы тхонкарибэ и ваншам имеют более низкие средние значения статической твердости в поперечном направлении (37,4 и 43,7 МПа соответственно при влажности 12 %), чем лиственные породы бачдан, кео тай тыонь и кео лай (78,8; 74,8 и 65,5 МПа). Статическая твёрдость древесины лиственных пород снижается в 1,35-1,4 раза при увеличении содержания влаги в образцах до 21 %, а у древесины хвойных пород - в 1,1 -1,2 раза.
Как следует из табл. 1, плотность классических мягких пород древесины [2] находится в пределах 400 - 540 кг»м~3, в то время как плотность твёрдых пород древесины превышает 560 кг*м'3. Таким образом, к мягколиственным породам древесины можно отнести берёзу и осину. Кео тай тыонь по плотности является мягколиственной породой, а по значению статической твёрдости -твердолиственной. Среди изучаемых хвойных образцов древесины к твёрдым породам должна относиться лиственница.
Исследуемые разновидности древесины имеют близкие значения низшей теплоты полного сгорания, которые колеблются в пределах от 18,04 до 19,62 кДж.г'1. Это связано с близким элементным составом древесных материалов.
Таблица 1
Теплота сгорания и химический состав древесины разных пород
А. Древесина средней полосы России
№ п/п Образец Р, кг.м 3 IV, % £?« КДж.’г1 Голоцеллюлоза, % Лигнин, % Экстрагир.в-ва, %
1 Ель 430 18,90 62,7 27,3 10,0
2 Сосна 450 19,62 62,9 28,0 9,1
3 Лиственница 660 - 18,61 - -
4 Кедр 400 18,84 61,4 30,8 7.8
5 Бук 600 9,2 18,26 74,1 21,0 4,9
6 Ясень 740 - 18,40 - - —
7 Клен 610 18,04 71,9 23,2 4,9
8 Дуб 570 7,0 18,66 68,7 23,6 7,7
9 Берёза 540 18,08 73,3 20,6 6,1
10 Граб 595 - 18,42 - -
11 Осина 480 18,14 74,6 21,5 3,9
Продолжение табл. 1
Б. Древесина тропических пород
№ п/п Образец Р’.з кг*м 0", % в», КДж.г'1 Целлю- лоза, % Геми- целлюлоза, % Лигнин, % Экст. в-а,%
12 Тхонкарибэ 430 4 18,62 55,0 10,5 27,0 7,93
13 Ваншам 400 4 18,84 54,67 11,24 27,5 5,06
14 Бачдан 595 5 18,55 48,1 19,16 25,4 6,40
15 Кео тай тыонь 420 4 18,11 48,95 21,03 24,75 5,09
16 Кео лай 560 4 18,53 49,02 20,10 25,16 5,56
Таблица 2
Элементный состав тропических разновидностей древесины
№ п/п Образец С,% Н,% 0,% (по разности)
1 Тхонгкарибэ 50,43 6,14 43,43
2 Ваншам 51,01 6,10 42,8
3 Бачдан 51,19 5,81 44,1
4 Кео тай тыонь 50,06 5,84 45,06
5 Кео лай 50,34 6,11 43,55
В табл. 2 представлены результаты элементного анализа тропических лиственных и хвойных пород древесины. Видно, что содержание углерода в сухих образцах изменяется от 50,06 % до 51,19 %, а содержание водорода - от 5,81 до 6,14 %. Содержание основных компонентов в химическом составе хвойных и лиственных пород древесины заметно различается. Это касается, прежде всего, содержания лигнина, определяемого по методу кислотного гидролиза в 72% Н2804.
Как видно из табл. 1, у образцов хвойных пород древесины содержание лигнина колеблется в пределах 27,0 - 30,8 % , а у образцов лиственных пород древесины содержание лигнина составляет 20,6 - 25,4 %. Хвойные породы древесины Вьетнама характеризуются почти вдвое меньшим содержанием гемицеллюлозы, чем лиственные породы.
Экстрагируемые вещества представляют собой сложную смесь низкомолекулярных сахаров, терпенов, инозитолов, фенолов, смол, эфирных масел, восков и других веществ [1]. Наиболее высокое содержание экстрагируемых веществ установлено в древесине хвойных пород средней полосы
России (7,8 -10%). Однако это не является общим правилом. Хвойная древесина ван-шам, например, содержит 5,06 % экстрагируемых веществ, а лиственные породы дуб и берёза по этому показателю (7,7 и 6,1 % соответственно) приближаются к хвойным породам.
Химический состав древесины сказывается на значениях низшей теплоты полного сгорания. На рисунке представлена графическая зависимость низшей теплоты полного сгорания исследуемых разновидностей древесины от суммарного содержания лигнина и экстрагируемых компонентов в их составе. Экспериментальные и расчётные значения теплоты полного сгорания древесины приведены с учётом наблюдаемого разброса результатов для двух- трёх параллельных опытов.
Как видно из рисунка, наблюдается линейная корреляция теплоты полного сгорания древесины с суммарным содержанием лигнина и экстрагируемых компонентов. Линейное уравнение регрессии, полученное по методу наименьших квадратов, отвечает следующей функциональной зависимости:
= 15,45 + 0,1 * (Хл + Хэ), кДж/г'1, (2)
где Х„ и Хэ - содержание в сухой древесине лигнина и экстрагируемых компонентов, %.
Коэффициент корреляции полученного уравнения регрессии К = 0,86. Наибольший разброс значений теплоты полного сгорания наблюдается для образцов древесины с повышенным содержанием экстрагируе-
мых веществ. Анализ уравнения (2) позволяет сделать вывод, что в отсутствие лигнина и экстрагируемых веществ, т.е. при условии: Х„ + Хэ = 0 %, низшая теплота полного сгорания оставшейся части древесины, а именно, - голоцеллюлозы, должна быть равна
15,45 кДж/г'1.
к
о
24 28 32 36 40 44
Содержание лигнина+экстрагируемые вещества,%
Рисунок. Низшая теплота полного сгорания образцов древесины в зависимости от суммарного
содержания лигнина и экстрагируемых веществ. Номера образцов соответствуют приведенным в табл. 1
В другом случае, когда Хл + Хэ = 100 %, значение низшей теплоты полного сгорания смеси лигнина и экстрагируемых веществ должно достигнуть 25,45 кДж+г'1.
Подобные выводы справедливы, если предположить, что, во-первых, - теплоты полного сгорания целлюлозы и гемицеллюлозы, входящих в состав голоцеллюлозы, имеют одинаковые или очень близкие значения, во-вторых, - относительный энергетический вклад лигнина и экстрагируемых веществ в общее выделение тепла при сгорании древесины пропорционален их содержанию.
Установленная в настоящей работе функциональная зависимость значений низшей теплоты полного сгорания древесины от суммарного содержания лигнина и экстрагируемых компонентов показывает, что фактором, определяющим выделение тепла при полном сгорании образцов, является не порода древесины (твёрдая или мягкая), а её химический состав. По данным [6] лигнин имеет более высокие значения высшей теплоты полного сгорания (25,6 кДж*г-1), чем голоцеллюлоза (17,5- 18,6 кДж-г'1).
Элементный состав лигнина из разных пород древесины практически одинаков и в среднем включает 63,54 % углерода; 5,54% водорода и 30,92 % кислорода (по разности) [1]. Тогда низшая теплота полного сгорания лигнина, рассчитанная по формуле Д.И. Менделеева, должна быть равна 23,91 кДж.г’1,
Некоторая неопределённость существует в отношении влияния экстрагируемых веществ на тепловыделение при сгорании древесины из-за отсутствия сведений об их точном химическом составе. Считается, что из числа экстрагируемых из древесины веществ самое значительное влияние на поведение древесины при пожаре оказывают терпены и смолы, у которых значения высшей теплоты полного сгорания могут достигать 32 -35 кДж*г‘\
Следует подчеркнуть, что в настоящей работе нами использованы в качестве основной характеристики тепловыделения значения не высшей теплоты полного сгорания древесины и её компонентов, а низшей, так как именно последние значения используются при моделировании пожаров. Тем не менее, опубликованная в научной литературе информация о значениях высшей теплоты полного сгорания компонентов древесины очень полезна. Она даёт возможность предвидеть основные тенденции в изменении ха-
ТРПТГГШКТТТ**ТГеииЯ ттпрт ГППРТЛШ
древесины разных пород, связанные с её химическим составом. В частности, можно утверждать, что теплота полного сгорания древесины той или иной разновидности должна возрастать с увеличением содержания высокоэнергетических компонентов -лигнина и экстрагируемых веществ.
Воспользуемся полученными в настоящей работе результатами для оценки значений низшей теплоты сгорания веществ, экстрагируемых из древесины. Например, в образце кедровой древесины суммарное содержание лигнина и экстрагируемых веществ составляет 38,6 % (табл. 1). Из них доля лигнина равна 0,798 , доля экстрагируемых веществ равна 0,202.
Значение низшей теплоты полного сгорания, экстраполированное на величину ХЛ + Хэ = 100 %, равно 25,45 кДж.г'1. Следовательно, можно представить следующее уравнение:
25,45 - 0,798 0/ + 0,202 0„э, кДж*гл (3) где <2„л и ()нэ - низшая теплота полного сгорания лигнина и экстрагируемых веществ соответственно.
Из уравнения (3) легко рассчитать низшую теплоту полного сгорания веществ, экстрагируемых из кедровой древесины.
2„Э = (25,45 - 0,798*2/) / 0,202 =
= (25,45 - 0,798.23,91) / 0,202 =
= (25,45 - 19,08)/ 0,202 = 31,85 кДж.г'1.
Аналогичным образом можно оценить значения низшей теплоты полного сгорания веществ, экстрагируемых из других разновидностей древесины. Так, для веществ, экстрагируемых из сосновой древесины, рассчитанное значение ()нэ = 30,2 кДж*г-1 .
На примере указанных двух разновидностей хвойной древесины можно видеть, что теплоты сгорания веществ, экстрагируемых из разных образцов, не являются одинаковыми. Это может быть обусловлено различием в химическом составе экстрагируемых веществ и пропорциях отдельных компонентов.
Для трёх разновидностей древесины, а именно - лиственницы, ясеня и граба не был проведён экспериментальный анализ содержания основных компонентов древесины. Установленная функциональная зависимость (рисунок) позволяет сделать оценку содержания голоцеллюлозы, а также суммарного количества лигнина и экстрагируемых веществ при известных значениях теплоты полного сгорания древесины. В частности, суммарное содержание лигнина и веществ, экстрагируемых из образцов, должно быть в среднем равным 37,7 % - для лиственницы; 30,9 % - для ясеня и 29,8 % - для граба. Соответственно, содержание голоцеллюлозы будет увеличиваться в последовательности: 62,3 %; 69,1 % и 70,2 %.
В реальных процессах горения древесины выделение тепла осложняется тем, что её разложение сопровождается обугливанием. Образующийся на начальной стадии развития пожара поверхностный угольный слой выполняет роль барьера, затрудняющего передачу тепла к нижележащему слою исходной древесины, а также массоперенос продуктов её разложения. После окончания пламенного горения наблюдается стадия гетерогенного выгорания угольного слоя. Таким образом, характеристики тепловыделения при горении древесины базируются на
эффективной теплоте сгорания материала с учётом коэффициента полноты его сгорания. К наиболее важным характеристикам тепловыделения при горении материалов отнесены: максимальная и средняя скорость выделения тепла; общее тепловыделение за определенный период времени; средняя скорость, с которой происходит нарастание скорости тепловыделения до максимальной величины или время её достижения, считая с момента воспламенения древесины. Все перечисленные характеристики зависят от плотности внешнего радиационного теплового потока.
В какой степени и каким образом влияет природа и разновидность древесины на глобальные характеристики тепловыделения при горении - эти вопросы, будут находиться в центре внимания следующего этапа исследования.
Список литературы
1. Никитин В.М. Химия древесины и целлюлозы. -Ленинград: Гослесбумиздат, 1951. -495 с.
2. Калниньш Л.Я. Древесина: Энциклопедия полимеров-М.: Советская энциклопедия, 1972.-Т. 1. - 764 с.
3. Sweet М. S. Fire Performance of Wood: Test Methods and Fire Retardant Treatments // Proceedings of 4-th Annual BCC Conference on Recent Advances in Flame Retardancy of Polymeric Materials, May 1993, Stamford, USA, 8 p.
4. Parker W.J., LeVan S.L. Kinetic Properties of the Components of Douglas-Fir and the Heat of Combustion of Their Volatile Pyrolysis Products // Wood and Fiber Science 1989, v.21, №3, pp. 289-305.
5. Tran H.C. Experimental Data on Wood Materials, In: Heat Release in Fires by Eds V. Babrauskas , S.J. Grayson , N.Y., Elsevier Applied Science, 1992, Ch. 11, partb, pp. 357-372.
6. Baker A.J. Wood fuel properties and fuel products from woods // Proceedings of Fuel Wood Management and Utilization Seminar, November, 1982, Michigan State University, East Lansing, MI, USA, pp. 14-25.
