Ξ灭火气溶胶发生剂灭火机理及配方设计

Ξ灭火气溶胶发生剂灭火机理及配方设计
杨　杰
(江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡　214036)
摘要:通过研究烟雾灭火剂与干粉灭火剂,探讨了灭火气溶胶发生剂的主要组分的选择原则,论述了灭火气溶胶发生剂的灭火机理,并由正交试验确定了发生剂的基本配方,试验证明灭火效果符合要求。

关键词:气溶胶;灭火剂;灭火机理;配方
中图分类号:TQ 569 文献标识码:A 文章编号:100727812(2003)0420084203
Co m position D esign of Aerosol Genera ti ng Agen t and F ire Exti ngu ish i ng M echan is m
YAN G J ie
(Sou thern Yangtse U n iversity ,W ux i 214036,Ch ina )
Abstract :　T h rough studying the s moke fire 2ex tingu ish ing agen t and the pow er fire 2ex tingu ish ing agen t ,the selecti on p rinci p le of m aj o r compo siti on fire 2ex tingu ish ing m echan is m of aero so l generating agen t w ere dis 2cu ssed ,the basic compo siti on of aero so l generating agen t w as confirm ed by o rthogonal experi m en t .T he effect of fire 2ex tingu ish ing test acco rds w ith the requ irem en t .
Key words :　aero so l ;fire 2ex tingu ish ing agen t ;fire ex tingu ish ing m echan is m ;compo siti on
引 言
灭火气溶胶是近年来开发应用的一类灭火剂,它具有无毒、无腐蚀、不导电、容积效率高、贮存周期长、全淹没全方位灭火等优点,尤其是其OD P 值和G W P 值均为0的特点备受瞩目,成为H alon 类卤代烷灭火剂的主要替代产品之一[1～2]。

干粉固体微粒小至一定尺寸时,其灭火能力会发生阶越性提高,如能制得粒径小于10Λm 的碱金属碳酸盐,就能较大幅度地提高灭火能力。

因此,制备小粒径的固体微粒成为新型灭火剂开发的关键。

K 4Fe (CN )6·3H 2O 灭火效力最高,但毒性也很高。

K 2CO 3、K 2C 2O 4·H 2O 、N a 2CO 3、K 2SO 4等的灭火效力也较高,并能通过燃烧反应产生,可作为灭火气溶胶的主要成分[2]。

灭火气溶胶发生剂有以下特点:是一种自供氧的氧化还原反应,其燃烧环境相对密闭,难以大量利用空气中的氧气,是一种固相反应,燃烧性能与热物理性能如粒度、颗粒间接触面等密切相关;它的燃烧为链式反应。

灭火气溶胶与其他类型的灭火剂最大的区别在于其为次生型灭火剂,使灭火气溶胶的开发和改进具有一定的困难。

其中关键是选择氧化剂与还原剂。

灭火气溶胶发生剂主成分的选择原则是:理想的氧化剂应满足纯度尽可能高,重金属盐含量与水分含量低(<0.5%);吸湿性小;性质稳定,敏感度低,毒性与腐蚀性小等要求。

目前符合要求的是硝酸钾。

理想的还原剂应满足易被氧化剂氧化;燃烧时耗氧量少,在-40～+60℃稳定性好;本身不吸湿或吸湿性小;无毒或低毒,来源广泛,价格低;发热量与燃速适中,发火点低;常温的聚集态为固体。

符合此要求的有蔗糖、六次甲基四胺和尿素等[2～8]。

1　灭火气溶胶的灭火机理[6～8]
灭火气溶胶的主要成分是碳酸盐、碳酸氢盐及金属氧化物等固体微粒,约占气溶胶总量的50%。

水蒸气及溶解于其中的盐类形成的液体微滴。

N 2、CO 2、CO 、N H 3和微量碳氢化合物等气体。

灭火气溶胶的灭火48火炸药学报Ch i nese Journa l of Explosives &Propellan ts 第26卷第4期
2003年11月
Ξ收稿日期:2002-09-09作者简介:杨杰(1963-),男,工程师,从事环境科学研究与教学工作。

机理为物理抑制作用和化学抑制作用的结合,灭火效率高且对人无窒息及毒害作用。

1.1　物理抑制作用
气溶胶进入火焰区后从火焰中吸收热量而温度上升(热容作用),达到一定温度后固体微粒发生熔化、气化(相变作用)直至分解而吸收大量热量;液体微滴也升温、汽化而吸热,使火焰区温度下降,可燃物的气化蒸发减少,热辐射降低,同时使火焰区的氧气浓度下降,惰性气体含量增加,产生隔离、窒息和冷却作用,抑制了燃烧反应的进行。

由于灭火气溶胶中固体微粒大多为1Λm 左右,因而具有良好的悬浮能力和绕障能力,扩散迅速,易于进入火焰区并渗透到火焰出现的各种地方(深部火灾),且有效保留时间长。

1.2　化学抑制作用
灭火气溶胶中的固体微粒进入火焰区后发生均相与非均相化学反应。

其中均相过程发生在气相,固体微粒分解出的K 以蒸气或离子形式存在,能与火焰中的自由基进行多次链反应:
K +O H ·+M
KO H +M K +O ·KO KO H +H ·H 2O +K KO H +O H ·
H 2O +KO M 为从火焰中输入的能量。

非均相过程发生在固体微粒表面,由于它们相对于活性基团H ·、O H ·、O ·的尺寸要大的多,因而产生一种“围墙”效应,活性基团(A ·)与固体微粒S 相碰撞时被瞬时吸附并发生化学反应,即
A ·+S A S A S +A ·A 2+S
活性基团的能量被消耗在这个“围墙”上,导致断链反应,固体微粒起到了负催化的作用。

对于灭火气溶胶来说,均相化学抑制起主导作用。

气溶胶中的低浓度氨气对火焰的作用与卤代烷灭火剂的作用相似,有化学抑制作用,被用于贫煤矿的防火和灭火,但其效率低于固体微粒。

2　灭火气溶胶发生剂配比计算
灭火气溶胶发生剂发生的反应主要是氧化还原反应,在选定各种药剂后,首先通过计算确定各组分间的大致配比。

由于氧化剂和还原剂的配比符合一定的比例,故可将氧化剂与还原剂组成各种二元混合体系分别计算后再汇总。

2.1　二元混合物的计算
二元混合物的燃烧反应按可燃物完全被氧化生成H 2O 和CO 2计算,如K 2CO 3与蔗糖的反应:
48KNO 3+5C 12H 22O 11K 2O +
24N 2+60CO 2+55H 2O
但KNO 3与有机可燃物混合燃烧时还会生成一部分KNO 2和K 2O ,而K 2O 与CO 2化合后生成K 2CO 3,计算时会产生一定的误差。

此外,一些氧化剂与可燃物的燃烧反应十分复杂,甚至有时难以写出准确的方程式,因此,可用生成氧化物所需氧化剂的量和单位氧气可氧化可燃物的量来计算。

如KNO 3燃烧时按下式分解:
4KNO 3K 2O +N 2+5O 2
所以生成1g 氧气所需KNO 3为2.35g 。

又C 12H 22O 11+12O 2CO 2+11H 2O
C 12H 22O 11+6O 2
CO +11H 2O 与1g 氧气完全反应所需可燃物的量为0.89g ,与1g 氧气部分反应所需可燃物的量为1.78g 。

多元混合物体系可看成由多个二元混合物间的反应,即可用多个二元混合物计算后合成。

2.2　氧平衡值的近似计算
发生剂燃烧时燃速较慢,因而空气中的氧气也参与燃烧反应,一方面有利于降低成本,另一方面也使反应结果较为复杂,不遵循贝特罗的最大放热定律。

故在近似计算中可应用马雅尔和吕·查德里假说,即计算负氧平衡火药分解产物的成分时,应假定火药中所含的氧,先将碳氧化成一氧化碳,然后将所剩余的氧平均分配将一氧化碳氧化成为二氧化碳,氧化氢为水。

2.3　主要成分配比的计算示例
58　第26卷第4期杨　杰:灭火气溶胶发生剂灭火机理及配方设计
灭火气溶胶发生剂主要成分为蔗糖、硝酸钾和六次甲基四胺。

可采用二元混合物计算方法先计算出大致配比,再用正交试验法进行优选试验。

灭火性能需综合考虑喷射时间、灭火时间、喷口温度、烟雾浓度等指标,难以提出一个综合的量化标准,故采用10分制记分评比。

采用B 类火灭火试验。

实验室容积为5000mm ×4000mm ×3000mm 。

下部大火火源:油盘直径500mm ,高200mm ,离油面300mm 高处加直径700mm 的盖,油盘内水高90mm ,油层厚30mm ;上部小火火源与下部小火火源:油盘直径50mm ,高80mm ,油盘内水高40mm ,油层厚20mm 。

点燃汽油(90#),60s 后关闭实验室门,启动灭火装置,灭火装置喷射结束3m in 后,打开实验室门,未出现复燃,各盘内应仍有汽油。

依据上述条件,使用正交试验法先确定主要成分相互间的比例,结果见表1。

根据初试结果缩小范围进行复试,结果见表2。

表1　灭火剂主要成分配比正交试验(初试)
实验号
因素
蔗糖硝酸钾六次甲基四胺结果1
1(40g )1(58g )1(2g )32
2(28g )12(4g )63
12(66g )2342215表2　灭火剂主要成分配比正交试验(复试)实验号因素蔗糖硝酸钾六次甲基四胺结果11(35g )1(63g )1(2g )622(30g )12(3g )8312(61g )2742216
在此基础上,综合考虑发生剂的燃烧速度、火焰温度、生成气溶胶的毒性、加工贮存等性能,得出以下基本配方:蔗糖30%;硝酸钾63%;六次甲基四胺1.5%;尿素1%;碳酸钾2%;碳黑0.1%;凡士林0.5%;其它0.9%。

该灭火剂灭火时间为25～35s ,灭火效果符合要求。

气溶胶灭火剂灭火性能的影响因素还与发生剂的物理性状(粒度、混合度、药柱尺寸、药柱密度、含水率等)、药箱形状与材质、喷口的流体力学设计等有密切关系。

3　结论
(1)气溶胶灭火剂的灭火机理以化学抑制为主,物理抑制为辅。

(2)气溶胶发生剂组成为氧化剂、还原剂、粘合剂和工艺助剂。

配方各组分的选择应从能生成最多的固体颗粒、气溶胶温度适中、气溶胶无毒性以及发生剂燃烧速度、加工贮存性能等方面综合考虑。

(3)灭火汽溶胶的基本配方为:蔗糖30%,硝酸钾63%,六次甲基四胺1.5%,尿素1%,碳酸钾2%,碳黑0.1%,凡士林0.5%,其它0.9%。

其灭火效果符合要求。

参考文献:
[1]　蒋彦胤,雷志明.新型气体灭火系统[M ].北京:中国环境科学出版社,1999.
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U SP 5915480,1999.
68火炸药学报第26卷第4期　。