含灭火添加剂细水雾灭火机理研究

含灭火添加剂细水雾灭火机理研究

哈龙灭火剂具有灭火速度快、剂量省、空间浸没性好、应用范围广等优点。然而，它对气候的臭氧层产生了强烈的破坏。因此，联合国环境规划部于1987年通过了关于废物用复合物（以下简称“协议”）协议，该协议应明确所有国家在21世纪初消除hali灭火剂。根据保护臭氧层的该《议定书》及我国《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》,我国消防行业于2005年12月30日完成了哈龙1211灭火剂的淘汰任务,2010年1月1日完全停止了哈龙1301灭火剂的生产和进口。因此,研制开发清洁、无毒、高效和经济的哈龙灭火剂替代产品势在必行。当前人们已经开发了洁净气体、惰性气体、化学干粉、细水雾等哈龙灭火剂的替代产品,但目前为止尚无一种最佳替代产品。细水雾因具有对环境无污染、降温灭火作用强、来源广泛等优点,已成为哈龙灭火剂的主要替代品之一,被广泛应用于船舶机舱、图书馆、飞机机舱等设施设备的火灾扑救。在灭火机理上,普通细水雾主要通过汽化降温作用、隔氧窒息作用、衰减热辐射等来降低化学反应速率,达到控制火焰传播,从而实现灭火目的。但普通细水雾灭火仍属于物理作用灭火,在灭火过程中,细水雾灭火效率受环境温度、水滴粒径和距离等因素影响较大;同时,研究人员发现,普通细水雾难以有效扑灭受到障碍物保护的火焰:这些不足在一定程度上限制了普通细水雾灭火技术的推广应用。拓展细水雾灭火技术的应用范围,进一步增强细水雾的灭火性能,成为当今国际火灾科学前沿的热点研究内容之一。在水中加入化学试剂是一种增强细水雾灭火性能的有效技术措施。目前,根据物理化学性质,细水雾灭火添加剂可分为2类:第1类为碱金属盐(如NaCl,CaCl2,K2CO3等)或金属有机盐,它们主要通过捕获燃烧反应中的高能自由基和中断链反应来增强细水雾的灭火性能;第2类为可以改变细水雾表面性能的有机化合物,它们主要通过提高雾化效果和润湿能力来提升细水雾的灭火性能。研究表明,细水雾的粒径分布是细水雾灭火效能的影响因素之一,因此对细水雾粒径分布场的研究显得尤为重要。本文研究了含各种单一组分添加剂及由这些添加剂构成的复合添加剂的细水雾粒径分布规律,为含灭火添加剂的细水雾灭火提供一定的理论依据。1实验设备1.1表面张力的测试方法表面张力是液体的重要特性之一,在液体与气体接触的自由面上,由于气、液分子的内聚力存在显著差异,使自由表面有收缩拉紧的表面张力。对于溶液则由于溶质会影响表面张力,因此可以通过调节溶质在表面层的质量浓度来改变表面自由能。溶液的雾化效果受到表面张力的直接影响,故有必要对溶液的表面张力进行测试。本文所用的表面张力测试仪为上海衡平仪器仪表厂生产的BZY-1型全自动表面张力仪,其技术指标如下。测试方式:铂金板法;操作方式:样品台自动升降,全自动测量,通常情况3～5s读出张力值;测试范围:0～400.0mN/m;测量精度:0.1mN/m;灵敏度:0.1mN/m(二次蒸馏水或纯酒精,温度控制在20℃);数据显示:LED显示屏;试样温度:0～110℃;温度传感器:PT100;同步曲线软件:显示张力仪测得的实时数据。1.2激光束的工作过程在扑灭火灾时,细水雾的粒径分布将直接影响其降温、控火与灭火效能,因此,对细水雾粒径分布场进行研究很有必要。本文用到的粒度仪是MALVERNSTP5192型实时喷雾激光粒度仪,其工作过程如图1所示。工作过程如下:1)来自激光器(1)的激光束经过准直透镜(2)后展开成平行光束,从而提供更宽的平行光束。2)雾滴群(3)把来自激光器(1)的光线散射开。3)散射光被聚焦透镜(4)用傅里叶排列法聚焦并收集在探测器阵列(5)上。4)非散射光被聚焦透镜聚焦在一起,通过探测器阵列中心的针孔,被光束能量探测器(0号探测器)接收,从而给出激光束在雾滴群上的透光率。5)颗粒衍射光线的角度与其颗粒大小成反比。探测器阵列由逾30个独立的探测器组成,每一个探测器收集一个特定角度范围的散射光,每一个探测器都对应一个数据通道。衍射光角度取决于颗粒粒径的大小。1.3驱动储液罐内液体2级雾化细水雾发生系统如图2所示。高压气瓶中的压缩气体经减压阀调节到所需的气压值,压缩气体中的一部分驱动储液罐中的液体经液体玻璃转子流量计流入两相细水雾喷头,另一部分经气体玻璃转子流量计通入两相细水雾喷头,与流入喷头的液体先后发生2次冲撞,实现液体的2级雾化。通过针形调压阀改变水压和气压,实现不同水压和气压两相细水雾粒径的测试。2实验方法2.1添加稳定剂母液的制备首先在适量水中溶解定量的灭火添加剂,用玻璃棒搅拌溶液以加速添加剂的溶解,遇到难溶添加剂时可适当加热;然后静置5min,过滤除掉杂质,即得到所需质量浓度的含灭火添加剂母液。实验时,根据所需添加剂溶液的质量浓度,把含灭火添加剂母液与水按规定配比混合即可。含灭火添加剂溶液的制备工艺流程如图3所示。2.2细水雾粒径的测定每次测量液体表面张力之前,首先在样品盘里加入适量待测液体,然后用BZY-1型全自动表面张力仪分别测定纯水和含灭火添加剂溶液的表面张力。用MALVERNSTP5192型实时喷雾激光粒度仪分别测定纯水和含灭火添加剂细水雾在不同水压和气压下的粒径。首先通过针形调压阀1和2把水压和气压调节到所需工况,关闭球阀1和2待用。然后测定实时喷雾激光粒度仪的光学背景和电子背景。打开球阀1和2,当水压和气压达到实验压力并稳定30s,点击实时喷雾激光粒度仪的“开始测量”按钮,测试细水雾的粒径;连续采集2组数据后,关闭球阀1和2。3结果分析3.1表面活性剂对表面张力的影响5种溶液的组成及其表面张力测试结果如表1所示。从表中可以看出:磷酸二氢铵和尿素使水的表面张力略有增加;氟表面活性剂(Fc-134)和碳氢表面活性剂(APG)使水的表面张力大幅降低,4种添加剂组成的复合添加剂也使水的表面张力大幅降低。这是由于氟表面活性剂(Fc-134)和碳氢表面活性剂(APG)使水表面张力降低的幅度大于磷酸二氢铵和尿素使水表面张力增加的幅度。3.2复合添加剂对细水雾粒径的影响为了弄清楚灭火添加剂对细水雾粒径分布的影响,研究了纯水和分别含有磷酸二氢铵、氟表面活性剂(Fc-134)、碳氢表面活性剂(APG)以及由4种添加剂组成的复合添加剂在液压0.3MPa和气压0.3MPa工况的粒径分布,测试结果如表2和图4—8所示。从表2可以看到加入灭火添加剂后,细水雾的表征参数Dx(10),Dx(50)和Dx(90)所发生的相应变化。表面化学理论认为细水雾雾化效果与表面张力有着密切的联系,溶液的表面张力越低,雾化效果越好,反之效果越差。表1,2中的数据表明,磷酸二氢铵使细水雾雾化效果变差,氟表面活性剂(Fc-134)使细水雾雾化效果变好。碳氢表面活性剂(APG)和复合添加剂降低了水的表面张力,却使雾化效果变差,是因为碳氢表面活性剂(APG)具有很好的发泡性,喷出的细水雾中夹杂着微小泡沫的缘故。从图4可以看到纯水细水雾的粒径分布情况。其中,Dx(50)时的细水雾粒径为25.64μm,Dx(90)时的细水雾粒径为67.96μm。粒径小于50μm的细水雾就是超细水雾,在液压0.3MPa和气压0.3MPa工况,这部分细水雾占82.69%,说明此两相细水雾喷头的雾化效果较好。从图5可以看到磷酸二氢铵对细水雾粒径的影响。Dx(50)时的细水雾粒径为33.21μm,Dx(90)时的细水雾粒径为75.77μm;粒径为2.09～26.23μm的雾滴数略有减少,而粒径为31.06～462.33μm的雾滴数略有增加。从图6可以看到氟表面活性剂(Fc-134)对细水雾粒径的影响。氟表面活性剂(Fc-134)使细水雾的雾化效果变好,Dx(50)时的细水雾粒径为22.21μm,Dx(90)时的细水雾粒径为65.37μm;粒径为8.05～22.16μm的雾滴数增加,粒径为22.17～278.64μm的雾滴数减少,粒径为278.65～1075.09μm的雾滴完全消失。从图7可以看到碳氢表面活性剂(APG)对细水雾粒径的影响。碳氢表面活性剂(APG)使细水雾的雾化效果变差,Dx(50)时的细水雾粒径为27.69μm,Dx(90)时的细水雾粒径为71.60μm;粒径为2.09～31.06μm的雾滴数减少,粒径为36.77～141.86μm的雾滴数增加:这是由碳氢表面活性剂(APG)的发泡性引起的。从图8可以看到复合添加剂对细水雾粒径的影响。Dx(50)时的细水雾粒径为43.77μm,Dx(90)时的细水雾粒径为95.84μm;粒径为2.09～31.06μm的雾滴数减少,粒径为36.77～198.82μm的雾滴数增加。4碳氢表面活性剂和apg-133的雾滴数对细水雾实雾实力的影响1)磷酸二氢铵和尿素都使水的表面张力略有增加,氟表面活性剂(Fc-134)和碳氢表面活性剂(APG)以及由4种添加剂组成的复合添加剂使水的表面张力大幅降低。2)磷酸二氢铵对细水雾粒径的影响较小。它使粒径为2.09～26.23μm的雾滴数略有减少,而粒径31.06～462.33μm的雾滴数略有增加。3)氟表面活性剂(Fc-134)使细水雾的雾化效果变好,使得粒径为8.05～22.16μm的雾滴数增加,粒径为22.17～278.64μm的雾滴数减少,粒径为278.65～1075.09μm的雾滴完全消失。小粒径雾滴数增加,有利于增强细水雾的降温作用。4)碳氢表面活性剂(APG)