全 文 ：文章编号:　1001—9499 (2004)01—0022—05
热带马尾松 ———芒萁林的林火发展特点研究
杨景标　马晓茜
(华南理工大学电力学院 , 广东　广州　510640)
摘要:对南方热带地区典型的马尾松和芒萁进行了工业分析和防火性能实验 , 并基于热解反应动力学方程 , 对
马尾松和芒萁进行了热解实验 , 测算了马尾松和芒萁的热解动力学参数 , 分析了马尾松和芒萁的燃烧和热解特
性。用 Lechteilier 法则计算了马尾松和芒萁木材的挥发分可燃气轰燃的下限浓度 , 对其挥发分在一定时间 、 空间
内是否达到发生轰燃进行预测。分析了木材的传热特性 , 对热带典型树种的林火发展特点进行了分析。
关键词:马尾松;芒萁;热解;轰燃;Lechteilier法则
中图分类号:S 762.1　　　　文献标识码:A
　　马尾松 (Pinus massoniana)是南方热带或亚
热带地区一种常见的乔木 , 大面积的马尾松林留
下了严峻的森林火灾隐患[ 1] , 而在马尾松生长的
地方又普遍长有芒萁等草本植物。因此 , 研究马
尾松与芒萁 (Dicranopteris dichotoma)类植物的
着火与林火蔓延特性对热带地区的林火蔓延规律
的研究有着重要的现实意义 。本文着重对马尾松
和芒萁的工业分析 、 热解特性进行实验 , 探究它
们的热解规律和轰燃特性 , 从而掌握马尾松的林
火蔓延规律。
1　工业分析和防火性能实验
工业分析参照煤的工业分析标准进行实验 。
着火温度的测量方法如下:将 100 mg 的样品放入
坩埚 , 把加热炉门敞开 , 加热炉的升温速度控制
为20℃ min , 逐一对每一种样品进行实验 , 观察
记录样品开始着火时的温度 。实验样本采自广州
市白云山 。实验结果见表 1和表2 , 其中的热值取
自文献 [ 2] 。
表 1　芒萁的工业分析和防火性能实验结果
样本
类型
着火温
度(℃)
外在水
分(%)
内在水
分(%)
灰分
(%)
挥发分
(%)
固定炭
(%)
热值
(kJ kg)
干　
芒萁
鲜　
芒萁
杆 340 23.67 6.35 4.32 86.22 2.11
叶 276 42.34 7.56 5.81 85.05 1.61
杆 380 30.19 11.65 1.88 84.37 2.10
叶 300 69.32 17.67 4.24 76.99 1.09
20168
表 2　马尾松的工业分析和防火性能实验结果
样本
类型
着火温
度(℃)
外在水
分(%)
内在水
分(%)
灰分
(%)
挥发分
(%)
固定炭
(%)
热值
(kJ kg)
干马尾松
叶 343 23.20 9.13 5.05 81.71 4.11 22889
树皮 422 42.24 6.70 5.16 63.72 9.22 21039
树枝 405 38.54 10.84 2.92 83.14 3.09 20808
树干 418 39.66 10.84 1.61 82.04 5.49 20641
鲜马尾松
叶 378 33.20 11.07 7.04 82.70 0.82 22889
树皮 445 74.46 8.91 6.30 70.17 11.62 21039
树枝 430 57.14 12.91 1.49 82.81 2.78 20808
树干 430 60.20 9.83 1.93 84.29 3.95 20641
2　木材热解动力学模型
一般固体材料热分解的动力学方程可描述如
下:
V=da dt=A[ exp(-E RT)] (1-a)n (1)
式中　V ———反应速率 ,min-1 ;
t ———反应时间 ,min;
a ———反应度 , %;对热重法来说 , a =(W 0
-Wt) (W 0 -W∞),其中 W0 为失重前质
量 , g;W t 为时间 t 时的实验质量 , g;W ∞为
失重结束时的质量 , g ;
n ———反应级数 ,根据经验取 n =1;
A ———表观频率因子 , min-1;
E ———表观活化能 ,kJ mol;
R ———通用气体常数 8.31 kJ kmol;
T ———反应时间时的反应温度 ,K 。
对(1)式取对数得
ln[(da dt) (1-a)] =lnA -(E R)(1 T)(2)
第 29卷　第1期 林　业　科　技 Vol.29　No .1
2 0 0 4 年 1 月 FORESTRY SCIENCE &TECHNOLOGY Jan.　 2 0 0 4
国家自然科学基金资助项目 (30070629)
令 y =ln [(da dt) (1 -a)] , m =lnA , k =
-E R , x =1 T ,则得到一直线为
y=m +kx (3)
反应的活化能可由直线的斜率求得 , 频率因
子则可由直线的截距求得 。由实验得到的动力学
离散点的数据经最小二乘法处理可以得到拟合直
线 , 并可得到热解动力学参数 。马尾松的热解动
力学已有一些研究[ 3 ～ 9] , 结果可参见表 3。对于芒
萁 , 取 100 mg 的样品放入坩埚中 , 在 100℃、
200℃、 300℃、 400℃、 500℃、 600℃这 6 个恒定
温度下于加热炉中进行实验 , 时间定为 40 min ,
每隔 5 min 测量一次失重情况 。通过实验得到了
芒萁热解的失重数据离散点 , 以 ln [ (da dt)
(1-a)] 为纵坐标 , 1 T 为横坐标 , 可得到热解
动力学方程的拟合曲线[ 10] , 算得芒萁的热解动力
学参数 。图 1 、 2给出了芒萁的热解失重曲线 , 图
3 、 4给出了芒萁的热解动力学参数的拟合曲线 。
最后算得芒萁的热解动力学参数如表 4。
表 3　马尾松的热解动力学参数
样本类型 温度范围 (℃) E (kJ mol) A (min-1)
马尾松树叶 192～ 400 66.4 1.06×10
5
400～ 544 136.7 1.22×109
马尾松树皮 188～ 400 73.6 4.60×10
5
400～ 578 86.5 1.01×105
马尾松树干 180～ 359 84.4 9.47×10
6
359～ 500 101.6 5.04×106
表 4　芒萁的热解动力学参数
样本类型 温度范围(℃) E(kJ mol) A(min-1)
鲜芒萁 叶 100～ 600 17.59 2.59杆 100～ 600 21.32 4.53
干芒萁 叶 100～ 600 15.32 1.86杆 100～ 600 19.87 3.67
图 1　芒萁杆热解失重曲线 图 2　芒萁叶热解失重曲线
图 3　芒萁杆热解动力学特性拟合曲线 图 4　芒萁叶热解动力学特性拟合曲线
2 3第 29 卷 杨景标等:热带马尾松—芒萁林的林火发展特点研究
3　可燃气体爆炸极限
3.1　Lechteilier 法则
在林火蔓延过程中 ,可燃物的热解燃烧会产生
挥发分 。当这些可燃性气体达到一定浓度时会出
现轰燃现象。而在实际林火中 ,空气量一般都是充
足的 ,为了预测林火的发展情况 ,仅计算可燃挥发
分的着火下限即可 ,其计算公式如下[ 11 ～ 13] :
Lm = 100V 1
L 1
+V 2
L 2
+V 3
L 3
+…+V n
L n
% (4)
式中　Lm ———混合气体的着火极限(体积%);
L 1 , L 2 …L n ———组成混合气体的各组分的
着火极限(体积%);
V 1 , V 2 …V n ———各组分在混合气体中的浓
度(体积%);
V 1+V 2+V3 +…+Vn =100%。
当混合可燃气中含有 N 2 、CO2 等惰性气体时 ,
惰性气体起阻燃作用 ,这时可以利用双组分混合气
体爆炸极限的测试曲线[ 12] 进行计算。这种方法是
将一种惰性气体和一种可燃气体配对 , 然后用
Lechteilier法则来计算混合气的爆炸极限。
3.2　木材挥发分中可燃气的爆炸极限
根据马尾松热解时的挥发分组成 ,可算出其着
火下限 ,从而预测马尾松的轰燃过程 。马尾松和芒
萁不同温度下热解气的成分参考文献[ 13] 。马尾
松和芒萁不同温度 、不同时间下可燃气的析出量根
据热解实验计算 ,减去含水量分别为 39%, 42%。
用双组分混合气的 Lechteilier 法则 ,计算不同温度
下达到轰燃的下限浓度 ,将不同温度 、不同时间下
挥发分的计算浓度与之比较 ,判断是否能够轰燃。
计算时取马尾松 ———芒萁林为控制体 ,通过株距和
马尾松高度算得控制体积。以广州白云山的典型
马尾松林为例 ,马尾松质量为 500 kg ,控制体积为
960 m
3;芒萁质量为 10 kg ,控制体积为 100 m3 。部
分可燃性气体的爆炸极限[ 12] 见表 5 ,预测结果见表
6和表 7。
表 5　部分可燃气体的爆炸极限
挥发分成分 CO CH4 C nHm H2
爆炸极限
范围(%)
上限 15.5 5 2.0 4
下限 94 15 30 75
表 6　马 尾 松 的 轰 燃 预 测
温度
(℃)
热解的挥发分组成(%)
CO 2 CO CH4 CnHm H2
下限
浓度
(%)
5min
浓度
(%)
10min
浓度
(%)
15 min
浓度
(%)
轰燃
判断
300 64.3 29.1 3.6 1.0 2.0 28.41 7.60 23.9 29.1 15 min后能轰燃
400 57.9 29.2 9.3 1.9 1.7 19.82 10.50 26.3 35.9 10 min后能轰燃
500 49.3 29.7 15.7 2.1 3.2 14.75 11.40 29.6 38.7 10 min后能轰燃
表 7　芒 萁 的 轰 燃 预 测
温度
(℃)
热解的挥发分组成(%)
CO2 CO CH4 CnHm H2
下限
浓度
(%)
5 min
浓度(%)
轰燃
判断
300 65.4 30.4 1.6 1.5 1.1 19.21 19.52 5 min后能轰燃
400 57.1 30.2 8.4 2.5 1.8 19.23 27.50 5 min后能轰燃
500 50.7 29.9 14.6 2.2 2.6 15.82 35.5 5 min后能轰燃
4　林木的传热分析
森林火灾一般是由地表植被和枯枝落叶起火
引起的 , 林火是否蔓延常取决于可燃物的种类。
为了预测芒萁对马尾松林火蔓延的影响以及马尾
松林的林火蔓延规律 , 需定量掌握热烟气和林木
间的热量传递。把马尾松看作乔木 , 芒萁看作灌
木。由于存在水平流动和垂直上升运动的热烟气 ,
故要对它们分别进行对流换热的计算[ 15] 。根据传
热分析计算 , 可求得不同烟气温度下各种可燃物
表面与烟气换热的热流密度和总换热量。 (见图 5
和图 6)。
为简便起见 , 把马尾松林进行与实际相近似
的简化 , 即将单株马尾松的主干看做圆柱体 , 则
马尾松林的主干为圆柱束 (管束)。芒萁和枯枝落
叶燃烧后产生的烟气温度 , 垂直上升运动的热烟
气纵掠马尾松主干 , 随着烟气的运动 , 可算出马
尾松树干径向炭化深度。马尾松等松木燃烧时炭
化深度的公式可采用经验公式[ 14] :
X =0.78 (T 100-2.5) t (6)
式中　X ———木材燃烧时炭化深度 , mm;
T ———木材表面被加热的温度 , ℃;
t ———加热时间 , min 。
2 4 林　业　科　技 第 1 期
图 5　树木表面与烟气换热的热流密度 图 6　树木表面与烟气换热的总换热量
表 8　木材燃烧时炭化深度 mm
烟气
温度 (℃)
时间 (min)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
400 1.17 1.65 2.03 2.34 2.62 2.87 3.10 3.31 3.51 3.70
500 1.95 2.76 3.38 3.90 4.36 4.78 5.16 5.51 5.85 6.17
600 2.73 3.86 4.73 5.46 6.10 6.69 7.22 7.72 8.19 8.63
700 3.51 4.96 6.08 7.02 7.85 8.60 9.29 9.93 10.53 11.10
800 4.29 6.07 7.43 8.58 9.59 10.51 11.35 12.13 12.87 13.56
900 5.07 7.17 8.78 10.14 11.34 12.42 13.42 14.34 15.21 16.03
　注:参考文献 [ 16] , 马尾松的平均热释放率取为 107kW m2 , 选热带地区马尾松的株径为 30 cm , 树高为 15m , 密度取为 500kg m3 , 同
时参考表 2的热值可算得马尾松燃烬的时间约为 116.82 min
5　工业分析和防火特性比较分析
　　(1)芒萁的着火温度在 200 ～ 350℃的范围
内 , 马尾松的则在 300 ～ 400℃之间 , 干马尾松的
着火温度接近芒萁的着火温度。所以 , 当芒萁着
火后 , 很容易引燃干的马尾松 , 更由于地表常常
有热量值较大的马尾松枯枝落叶 , 可以产生剧烈
的地表火 , 从而引发马尾松林的林火蔓延。芒萁
与马尾松的热值相差不大 , 说明芒萁燃烧很容易
引起马尾松的燃烧。
(2)马尾松和芒萁的含水量较少 , 而挥发分
含量很大 , 所以利于可燃物的燃烧 。由于马尾松
存有大量的松脂 , 其燃烧过程中热释放率较高 ,
燃烧比较剧烈 。因此 , 当芒萁把马尾松点燃后 ,
其松脂因受热溶化溢出而使燃烧继续进行[ 16] 。
(3)马尾松的活化能比芒萁大 , 说明芒萁更
容易燃烧和热解。从表 6 和表 7 可知 , 芒萁在不
同的温度下 , 5 min后都能发生轰燃;而马尾松只
有当温度达到 400℃以上时 , 10 min 或 15 min 后
才能产生轰燃。而实际上 , 芒萁和马尾松凋落物
叶 5 min后已经烧掉 95%以上[ 16] , 说明芒萁比马
尾松更快就能发生轰燃 。在发生轰燃的时间内 ,
马尾松主干炭化深度可达 10 mm , 当烟气温度较
高时 , 炭化深度甚至可达 20 mm 左右。炭化阶段
生成的可燃气体着火 , 出现有焰燃烧 , 促进轰燃
和林火蔓延 。
(4)虽然单位地表面积上芒萁的负荷量较小 ,
即燃烧时释放的总热量值小。但由于灌木丛主干
比较低矮 , 更接近地表火焰 , 因此更容易热解和
燃烧 。在较低烟温下 , 小乔木主干比大乔木主干
受热的热流密度大 。而在较高烟温下 , 情况则相
反 。另外 , 个别大乔木干燥后 , 还有可能存在回
流区[ 15] 。这就是为什么有时见到大乔木反而比小
乔木易着火的缘故 。由此可知 , 当存在较旺盛的
地表火时 , 垂直上升的热烟气烟温较高 , 烟速较
大 , 这时就有可能造成树冠火。特别是当树冠底
层高度较低 , 火焰较长时 , 更易引燃乔木底层树
冠 。所以芒萁的燃烧有可能引发马尾松林的林火
快速蔓延。
6　结　论
6.1　芒萁与马尾松的工业分析结果比较接近 , 由
于马尾松林中芒萁的大量存在 , 可引发和促进马
尾松林火的产生和蔓延。芒萁的着火温度比马尾
松低 , 所以芒萁比马尾松容易着火 , 加上芒萁与
马尾松的热值相当 , 芒萁的燃烧会引发马尾松林
的燃烧以及林火蔓延 。
6.2　在 300℃以下时 , 芒萁的失重为 40%左右 ,
2 5第 29 卷 杨景标等:热带马尾松—芒萁林的林火发展特点研究
随着温度的升高 , 失重加速 , 温度为 400℃以上
时 , 失重达到 80%～ 90%以上 , 说明芒萁的热解
特性在 300℃～ 400℃之间时发生变化 , 从表 4反
应动力学参数 E 、 A 来看 , 一级反应动力学模
型[ 6]基本上是适用的 。文献 [ 6] 的研究结果表
明 , 林木的热解过程分为两步 , 每一步过程均可
用一级反应动力学模型进行模化。从图 1 和图 2
的结果显示 , 也有符合二级动力学模型[ 6] 的趋势。
6.3　用 Lechteilier法则计算不同温度下达到轰燃的
下限浓度 , 可以达到预测木材热解时挥发分中可燃气
的轰燃与否的效果。根据热解实验 , 计算不同温度 、
不同时间下挥发分中可燃气的浓度 , 并与上述
Lechteilier法则计算的下限浓度相比较 , 若计算的浓
度超过下限浓度 , 则可以预测木材热解时挥发分能够
发生轰燃。芒萁和马尾松发生轰燃之后 , 产生的热烟
气对马尾松主干进行加热和炭化。
6.4　由于热带地区马尾松林中长有大量的芒萁等
植物 , 而芒萁对马尾松林林火蔓延起到促进的效
果 , 加大了马尾松林林火的隐患 , 因此 , 在研究
和扑救马尾松林林火时要对芒萁等植被引起高度
重视 。
参　考　文　献
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第 1 作者简介:杨景标 (1978-), 男 , 硕士研究生 ,
主要研究方向为燃烧科学与技术。
收稿日期:2003-10-02
Study on the Characteristics of Fire Development for
Pinus massoniana and Dicranopteris dichotoma in Tropical Area
YANG Jingbiao
(South China University of Technology , Guangzhou 510640)
Abstract　The experiments on fire prevention performances and proximate analy sis of typical woods
Pinus massoniana and Dicranopteris dichotomain t ropical area were done , the experiments on
pyrolysis of Dicranopteris dichotoma were done as well based on the pyrolysis kinetic equations.The
parameters of pyroly sis kinetic on them were obtained from the results of the experiments , the
pyrolysi and combustion characteristic of Pinus massoniana and Dicranopteris dichotoma were
analy sed.The low est limited concentration fo r fuel gasess f lash over w as calculated based on the
Lechteilier method , and the Pinus massoniana and Dicranopteris dichotomas f lash over were
forecasted in some conditions as well.The heat t ransfer betw een the woods and the characteristics of
fire development fo r typical w oods were analysed.
Key words　Pinus massoniana;Dicranopteris dichotoma;Pyroly sis;Flash over;Lechteilier method
2 6 林　业　科　技 第 1 期