气溶胶灭火剂的研究进展

气溶胶灭火剂的研究进展/邢 军等#69#

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气溶胶灭火剂的研究进展

邢 军, 杜志明, 阿苏娜

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京100081)

摘要 作为一种环保型高效的灭火剂, 气溶胶灭火剂越来越受到世界各国科研人员的重视, 特别是近30年来人们对其进行了较为深入的研究和应用开发。综述了气溶胶灭火剂的类型、灭火机理、使用效果以及当今气溶胶灭火剂的主要研究方向, 分析了最新气溶胶灭火产品的性能和原理, 并展望了气溶胶灭火剂的发展前景。

关键词 气溶胶灭火剂 消防 综述中图分类号:T Q569

Research Progress in Aerosol Fire Ext inguishing Ag ent

XIN G Jun, DU Zhiming, A Suna

(State K ey L abo rato ry of Pr evention and Contr ol of Ex plosion Disaster s, Beijing I nstit ute T echnolo gy , Beijing 100081)

Abstract Because of the low co ntam inat ion and hig h efficiency, this aer osol fir e ext inguishing ag ents hav e r e -ceiv ed mo re and mo re recog nitio n. In this paper the ty pes, exting uishing mechanism and effects of aero so l fir e ext in -g uishing ag ents are discussed. T he perfo rmance and pr inciple of this kind of pr oducts are analyzed by r esear ching the exting uishing mechanism of both co ol and hot aero so l ex tinguishing ag ents. In the end, the development pro spect of aeroso l fire ext ing uishing ag ents is pro po sed.

Key words aer osol fire ex ting uishing agent, fire ext inguisher, review

0 引言

长期以来, 国内外普遍使用的灭火剂主要有清水灭火剂、干粉灭火剂、惰性气体灭火剂、泡沫灭火剂和哈龙灭火剂等。就其总体灭火性能而言, 哈龙系列灭火剂以其灭火效率高、安全清洁、低毒无残留、腐蚀性小、易储存、适用性广等特点而被广泛使用[1]。但是20世纪80年代的研究表明, 哈龙灭火剂对大气中的臭氧有很大的破坏作用, 现已基本停止生产和使用[2]。所以人们一直在寻找一种新型的高效能灭火剂来代替它。

气溶胶灭火剂是一种新型的灭火剂, 具有环保、灭火快、效果持久、价格便宜、灭火范围广等优点, 尤其是它的臭氧消耗潜在值(O DP) 和温室效应潜能值(GW P) 均很低, 可常压贮存、工程造价低, 近几年发展迅速。由于其设备结构简单、占地面积小、安装方便, 特别适于小防护区、电缆沟、地下通道、吊顶夹层等场所, 越来越受到人们的青睐[3]。气溶胶灭火剂与其他灭火剂的性能比较见表1。

1. 1 物理抑制作用

气溶胶进入火焰后, 由于胶体粒子非常小, 比表面积非常大, 所以极易从火焰中吸收热量而使温度升高, 达到一定温度后

固体微粒发生溶化、气化直至分解而吸收大量热量, 液体微滴也同时吸热升温或气化。由于灭火气溶胶中固体微粒大多为1L m 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。任何火灾在较短时间内放出的热量都是有限的, 而气溶胶中的固体颗粒能在较短的时间内吸收火源所放出的一部分热量, 使火焰的温度降低。

1. 2 化学抑制作用

气溶胶的化学抑制作用可以归纳为两个方面:(1) 均相化学抑制作用。在热的作用下, 气溶胶中的固体颗粒离解, 以蒸气或阳离子的形式存在, 在瞬间可能与燃烧中的活性基团H #、OH #和O #发生多次链反应, 消耗抑制其之间的放热反应, 从而对燃烧反应起到抑制作用; (2) 非均相化学抑制作用, 微米级气溶胶离子有表面能量很高的大比表面积, 能够吸附链式反应传播者H #、O H #和O #, 并催化它们重新组成稳定的分子, 从而使火源中燃烧过程的分支链式反应中断, 其反应快速且反复进行, 从而产生瞬时灭火并能有效防止再次着火的发生[5]。

1 气溶胶灭火剂的灭火机理

气溶胶指的是悬浮于气体介质中、直径必须在1~0. 5L m 之间的一种液体或固体微粒物质。气溶胶灭火剂属于烟火药的一种, 由氧化剂、还原剂及粘合剂构成, 通过燃烧反应产生大量的灭火介质, 均匀地分布在被保护空间, 通过物理、化学的双重协同作用来熄灭火灾[4]。其灭火机理主要在于物理抑制和化学抑制两个方面的作用。

*北京理工大学和北京保宁源消防科技有限公司合作项目 x 2 气溶胶灭火剂类型及其配方的研究

现在使用的气溶胶灭火剂根据产生气溶胶温度的不同, 可以分为热气溶胶灭火剂和冷气溶胶灭火剂。

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北京理工大学的杨荣志等在以硝酸钾为氧化剂的气溶胶灭火剂中添加硝酸锶(钡) 改性配方[11], 可降低气溶胶产物的腐蚀性, 提高热气溶胶灭火剂的安全性。

潘仁明教授通过实验证明, 将不同的影响因素配合起来共同作为气溶胶灭火剂的组分, 得到不同的燃速, 从而达到被保护场所对于灭火剂燃速的要求[12]。

江西三星气龙新材料有限公司生产的Q L 200洁净型固定式气溶胶自动灭火装置、Q L110电力专用型固定式气溶胶自动灭火装置能有效地扑灭A 类及B 类火灾, 特别是烃类物质, 如石油、柴油、液压油、润滑油等, 也可用于扑救电气火灾。对于B 类火灾和非阴燃的A 类火灾来说, 气溶胶灭火装置

2. 1 热气溶胶灭火剂

热气溶胶灭火剂的释放经过了燃烧反应, 产物中既有固体又有气体, 其中60%为气体, 主要是由N 2、CO 2、CO 、O 2和微量的碳氢化合物组成。固体颗粒是钾盐和钾的氧化物。固体产物冷却、凝聚时产生极为细小的微粒, 微粒的直径一般小于1L m 。由于微粒极为细小, 具有非常大的比表面积, 有利于对自由基的吸附及散热, 而气体分散固体颗粒形成的溶胶状态又使固体颗粒的作用范围增大、作用时间延长而提高灭火效果, 因此成为性能优良的灭火剂[6]。

热气溶胶灭火剂是通过吸热分解降温作用、气相和固相的化学抑制作用以及惰性气体稀释氧作用等来达到灭火目的。它的燃烧产物中含约40%的固体组分和60%的惰性气体组分, 在密闭空间以单位质量中40%的灭火组分微粒的化学抑制作用为主, 60%的惰性气体稀释作用为辅来灭火, 其效率较高。国外对热气溶胶灭火剂的研究较早, 已研究出各自不同、比较成熟的配方, 如:(1) 20世纪60年代中期前苏联研制的配方:含有35%~50%的氧化剂, 如氯酸钾、硝酸钾、硝酸钠或硝酸铵, 15%~40%的燃料(含氮有机物) , 如二氰胺、硝基胍或尿素, 22%~35%的铵、钠、钾、钙、镁的碳酸盐, 以及少量的艾杜糖醇; (2) 美国发明的灭火剂组分中含有卤碳化合物, 氧化剂(高氯酸钾、氯酸钾、硝酸钾) , 组分分散剂和粘结剂燃料, 采用浇铸固化成型工艺; (3) 易安龙(P YRO GEN ) 灭火剂, 硝酸钾62. 3%, 硝化纤维22. 4%, 碳9%, 工艺混合物6. 3%。各国开发的气溶胶灭火剂在组成上尽管各具特色, 但它们的组成原理基本相似[7]。

在国内, 北京理工大学早期研制成功了一种新型气溶胶灭火剂EBM 。该灭火剂的灭火效率高, 速度快, 不危害人体、动物及物体, 对大气臭氧层无破坏作用。另外它还具有稳定的非爆轰性能, 在极强烈的引爆条件下也不会爆轰且具有良好的物理安定性和化学安定性[8]。北京理工大学的罗震等在前人的基础上对EBM 配方进行了改性, 增强了灭火剂的抗潮解能力[9], 提高了EBM 灭火药剂的可靠性及使用寿命。

南京工业大学的王华等通过测定不同空间位置的pH 值, 讨论了室内不同位置火灾模型的熄灭情况, 以及灭火剂位置对灭火浓度的影响, 研究了HEA E 气溶胶灭火介质的空间运动与灭火效果的关系[10], 为灭火效率的提高奠定了理论基础和实验的最低设计浓度仅为100g/m 3, 比哈龙1301的最低

设计浓度330g/m 3约低1/3[13]。

2. 2 冷气溶胶灭火剂

冷气溶胶灭火剂是在热气溶胶灭火剂的基础上发展起来的[14]。与热气溶胶不同, 冷气溶胶是将灭火剂的主要组分制成超细颗粒, 用惰性压缩气体作为动力源及气体源。气溶胶灭火剂释放之前, 气体分散介质和被分散介质是稳定存在的, 释放过程中气体分散液体或固体灭火剂形成冷气溶胶。冷气溶胶灭火剂与热气溶胶灭火剂相比, 由于在产物组分比例上有一定的差别, 因而在灭火机理上略有不同[15], 其灭火机理主要是在密闭空间内靠单位质量中80%灭火组分微粒的化学抑制作用来达到灭火目的, 其中较小的微粒保证了在空间的停留时间, 有效地与火焰中活性物质反应, 从而抑制燃烧; 较大的微粒能保证灭火剂组分穿过火焰的动量和密度, 快速灭火。

国外冷气溶胶灭火剂目前主要是通过气相化学反应或溶解后喷雾干燥等方法制备粒径小于5L m 的碳酸氢钠粉末, 再经表面处理后用于冷气溶胶灭火剂[16]。Bennett 等[17]在研究干粉灭火剂时主要考虑了其与火焰作用时从火焰上吸收热辐射的能力, 以衡量其性能的优劣。

我国主要采用超音速气流粉碎的方式, 并添加少量粉碎助剂制得粒子表面形态规整、粒径主要分布在10L m 以内、平均粒径5L m 、比表面积2. 2m 2/cm 3[18]的超细干粉灭火剂。四川大学的赵春霞以超细磷酸二氢铵为主料, FC -118C 为表面改性剂, 采用干法工艺, 用最佳工艺条件和配方制备的抗复燃超细磷酸铵盐干粉灭火剂, 平均粒度为5L m, 比表面积达到2. 11m 2/cm 3, 疏水率达99%, 疏油率达96. 8%, 流动性为5. 9s, 吸湿率为1. 68%, 斥水性和斥油性均合格, 各项指标均优于国标[19]。南京理工大学的叶明泉等制备了高灭火性能的N a 2CO 3/白炭黑复合冷气溶胶灭火剂, 并对其性能进行了测试[20]。

2. 3 热、冷气溶胶灭火剂的比较

热气溶胶灭火剂属于含能材料, 在释放过程中经过了燃烧反应, 会产生高温火焰, 由此会出现一系列由热反应引起的连带问题, 如:(1) 产生高温, 带来二次危害; (2) 设备表面温度过高; (3) 在较高温度情况下, 气溶胶粒子上浮时间较长。与热气溶胶灭火剂相比, 冷气溶胶灭火剂的释放不经过燃烧反应, 可有效克服热气溶胶灭火剂的缺点, 且冷气溶胶灭火剂的灭火效率较高, 2的比

气溶胶灭火剂的研究进展/邢 军等

较见表2[21]。

表2 冷、热气溶胶灭火剂灭火性能对比

T able 2 T he co mpar e on the capability o f hot and cold

aero so l fire ex tinguishing ag ent s

性能指标组成灭火效率扑救火灾类型使用场所储存情况

热气溶胶灭火剂氧化剂、还原剂、燃烧速度控制剂和粘合剂等哈龙灭火剂2~4倍A 类表面火灾、B 、C 、E 类火灾产生高温, 附带二次危害

易贮存

冷气溶胶灭火剂干粉灭火剂、助磨剂、分散剂、防潮剂、防静电剂和流动剂等高于热气溶胶灭火剂A 、B 、C 类火灾不附带二次危害小颗粒间的吸附力使其粘结, 不易贮存

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保护对象和人有腐蚀作用等, 还不能完全替代哈龙系列产品。

今后气溶胶灭火剂的研制与开发应综合考虑灭火效率、环保效应、使用安全方便、无毒无公害、价格低等几个方面的因素。现代气溶胶灭火技术的研究应主要放在新型气溶胶灭火剂、改性冷气溶胶灭火剂和复合型气溶胶灭火剂的研究上。其中应以改性冷气溶胶灭火剂和复合型气溶胶灭火剂的研究为主。

(1) 复合型气溶胶灭火剂

复合型气溶胶灭火剂是在热(冷) 气溶胶灭火剂使用时加入其他的灭火剂、阻燃剂或是某种惰性气体来提高气溶胶灭火剂的灭火效果, 同时降低其副作用, 现已收到一定的效果。水蒸气喷雾式气溶胶干粉灭火系统[23]就是利用水蒸气的压力喷射气溶胶干粉的特种固定式管网灭火系统, 是水蒸气与超细干粉协同作用的创举, 它主要利用水蒸气与气溶胶干粉作用之间存在的协同作用灭火, 物理灭火剂对降低火场温度的作用虽不明显, 但对产生自由基团的速度却有很大的影响。实验结果是:链终止灭火剂在经过物理灭火剂稀释后的可燃气体分解产物中用于熄灭火焰的浓度, 比未经稀释要求的灭火浓度低得多。化学灭火剂的浓度可以减少到原有的3/4; 同时, 在灭火剂混合物中所需隋性气体的浓度也可减少到原来单独熄灭火焰所需数量的1/2[24]。

3 气溶胶灭火技术的应用

气溶胶灭火技术作为一种具有显著优越性的哈龙替代技术, 已在国内外得到广泛应用。国外Olin A ero Space (奥林航天公司, 美国) , P yr ogen(普罗根, 澳大利亚) , Spectr ex (斯派克斯, 美国, 以色列) 等公司已将气溶胶灭火技术应用到飞机、数据库、汽车、军事设备、船舶等领域。特别是在澳大利亚, 已在1997年的国家标准中明文规定:气溶胶产品可应用在计算机、数据处理中心等精密电子设备机房中。当今气溶胶灭火技术已广泛应用于军事和生活中。

(2) 改性冷气溶胶灭火剂

改性冷气溶胶灭火剂是在冷气溶胶灭火剂的基础上对干粉灭火剂进行一定加工而生成的特种气溶胶灭火剂, 它可以把

灭火剂的灭火效果提高数倍。N aHCO 3/SiO 2复合粒子气溶胶灭火剂就是一种新型的改性冷气溶胶灭火剂, 它是将NaH CO 3制成超细粉, 通过改性处理后, 把其比表面积大、活性高、在空气中能形成相对稳定的气溶胶的优异特性应用于冷气溶胶灭火剂, 灭火效能可望得到较大提高[25]。

3. 1 军事领域

美国空军、海军、陆军已将开发的气溶胶灭火技术用于飞机油箱、发动机、车辆发动机、船舶发动机和机舱的灭火系统; 俄罗斯K har kovde 的M o ro zo v 机械制造设计局研制成功的U PG -92灭火推进装置, 被安装在由M a lyshev 工业公司制造的作战坦克上, 作战武器被5个可齐射的炮管代替, 每个炮管中装备有200kg 的特殊药粉(气溶胶灭火剂) , 1t 药粉齐射可覆盖整个火区并将火扑灭[22]。

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3. 2 民用领域

A 类表面火灾:气溶胶灭火剂及其固定式灭火器已用于邮电、档案室、图书馆、货仓控制间等场所火灾的扑救。

B 类火灾:德国梯尔市的公众保险商与科研研究所开发了一种气溶胶灭火器, 通过控制灭火物质硝基纤维与硝化钾的化合, 在灭火器内形成气溶胶式的碳酸钾, 经灭火器冷却单元内降温后喷射出去, 可用于扑救B 类火灾。

C 类火灾:莫斯科化学力学科研所研制的自动防非常事故/卡帕斯0装置用于排除煤矿中瓦斯粉尘混合物的爆炸。一旦探测到火灾, 电启动装置立即动作, 可扑灭火焰峰速达320m/s 的甲烷空气混合气体的爆燃。

电器火灾:国内开发的气溶胶灭火装置还适用于某些场所电气设备火灾的扑救, 如变配电房、发电机房、电器老化间、船舶、飞机、火车、汽车的引擎间等。

4 气溶胶灭火技术的展望

热气溶胶灭火系统的冷却和气溶胶灭火装置的良性改造一直是科研人员研究的重点。现在使用的气溶胶灭火剂仍然, (页)

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