冷气溶胶灭火技术

冷气溶胶灭火技术

1气溶胶国际干法本材料应具有的特点干燥、流动性好的纤细固体粉末。单位灭火剂的灭火效果与灭火颗粒的粒径密切相关。干粉灭火剂粒径较大(约10~70μm)、粒子弥散性较差、比表面积较小、灭火能力有限。每种灭火粒子都存在一个临界粒径,大于临界粒径的粒子灭火能力是十分微弱的,粒径降至临界粒径以下时,灭火效能急剧提高。当粒径小于5μm甚至0.5μm时,这种超细型干粉灭火剂比表面积大,活性高,形成均匀分散、悬浮于空气中相对稳定的气溶胶,受热分解速度快,捕获自由基能力强,灭火效能高。气溶胶灭火剂是液体或固体灭火微粒悬浮于气体介质中形成的一种新型灭火剂。冷气溶胶灭火剂,又称气溶胶干粉灭火剂,是粒径极细的灭火粒子如碳酸氢钠(NaHCO3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)等分散在气体中形成的胶体灭火剂,是干粉灭火剂的发展,最终起灭火作用的是超细干粉粒子。冷气溶胶灭火剂在释放之前,气体分散介质和被分散介质是稳定存在的,由于粒度极小,可以绕过障碍物并在火灾空间有较长的驻留时间,其庞大表面积使其具有更突出的灭火效率,是普通干粉灭火剂灭火效能6~10倍,并能有效防止复燃。其应用范围广,能扑灭B类、C类火灾和A/B类混合火灾,具有不破坏大气臭氧层、灭火效率高等优点,可用于相对封闭的空间及开放空间。2气溶胶干法本底消除盐的作用机理分散粒子的大小决定了气溶胶的分散度、稳定性和扩散性,对灭火能力有很大影响。分散度是评价其灭火效能的重要因素,是气溶胶粒子尺寸的函数。气溶胶必须有能力绕障碍物流动,穿透四周的物体以及渗入微小的空隙之内。分散度决定了灭火剂粒子的扩散能力大小,以及气溶胶悬浮稳定时间长短。粒子越大,其改变方向的能力越小,悬浮时间也愈短,灭火能力下降。灭火剂粒径如果太小,粒子沉降时间无限延长,在灭火以后,火场上会留下灭火剂无法沉降的粉尘,污染环境,形成对人健康有害的气溶胶。因此,实际应用上气溶胶干粉粒径小于3μm的粒子应控制在一定范围内。当干粉灭火剂的粒子分布在0.25~10μm之间时,冷气溶胶灭火剂不但灭火效能高,防复燃;且在灭火后的火场上不留下无法沉降的灭火剂粉尘,不污染环境。在空气中形成的气溶胶干粉灭火剂具备如下的物理化学性质:①气溶胶中干粉粒子与空气中的分子一样,都按分子运动论的规律在不停地运动着。将干粉灭火剂制成冷气溶胶灭火剂,赋予其气体灭火剂的动力性质,有利于灭火剂扩散、分布,达到全淹没灭火的目的。②随灭火剂粒径减小,其分散度提高,比表面积越大,界面能也越大,化学活性显著提高,越容易与周围介质和粒子产生相互作用,灭火效能也大幅度提高。如干粉粒径达纳米尺度或更小时,颗粒或许已不再是惰性体,可能是供给电子和捕获电子的活性体,其化学活性极高,极易迅速捕捉燃烧反应产生的自由基,从而迅速中断燃烧过程的链式自由基反应。超细冷气溶胶稳定性好,作为防火、防爆剂有效防护时间长,性能比普通干粉灭火剂更优越。3冷气溶胶灭火机理冷气溶胶灭火机理既不同于惰性气体灭火剂,也不同于热气溶胶灭火剂。惰性气体灭火机理是在密闭空间内稀释氧来达到灭火的,灭火效率低。热气溶胶灭火剂中含40%固体组分和60%惰性气体,灭火机理主要是在密闭空间内以单位质量中的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达到灭火的,灭火效率高。冷气溶胶灭火机理是靠在密闭空间内单位质量中的80%超细灭火微粒的化学抑制作用来达到灭火的。超细微粒灭火机理:窒息、冷却及对有焰燃烧的化学抑制作用是灭火效能的集中体现,其中化学抑制作用是灭火的基本原理,起主要灭火作用。冷气溶胶灭火剂中灭火组分是燃烧反应的非活性物质,当其进入燃烧区域火焰中时,分解所产生的自由基与火焰燃烧反应中产生的H·和OH·等自由基相互反应,捕捉并终止燃烧反应产生的自由基,降低了燃烧反应的速率。当火焰中粒子浓度足够高,与火焰接触面积足够大,自由基中止速率大于燃烧反应生成的速率时,链式燃烧反应被终止,从而火焰熄灭。此外,灭火剂在燃烧火焰中吸热分解,因每一步分解反应均为吸热反应,故有较好的冷却作用。NH4H2PO4高温分解时在固体物质表面生成一层玻璃状薄膜残留覆盖物覆盖于固体表面,阻止燃烧进行,并能有效防止复燃。4粉体灭火性能测定冷气溶胶灭火剂在干粉灭火剂的基础上对其进行一定加工而生成的特种气溶胶灭火剂,其优异的灭火效能是由于它具有细小的粒径、较大的容积效率,以及良好的分散性和弥漫性的能力,在很短的时间内扩散到被保护空间的各个部位,快速扑灭火灾,并将着火空间保护起来,有效防止火灾复燃。碳酸氢钾(KHCO3)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、硫酸钾(K2SO4)、NH4H2PO4、NaHCO3都可以用来制备气溶胶灭火剂,例如,KHCO3气溶胶灭火浓度仅为卤代烷1301的2.0%,灭火效能相当于它的50倍,且灭火后沉积物不明显,对火场造成污染很少。英国KIDD公司生产的粒径小于5μm的KHCO3超细高效干粉灭火剂,经全淹灭式灭火试验表明,灭火效能是干粉灭火剂的10倍。冷气溶胶灭火技术中超细粒子的制备是该技术的关键之一,由于超细粒子极易团聚,很难分散成单颗小粒子而使用,通常以很多小粒子团聚体的形态被使用,团聚体的比表面较分散颗粒小得多,弥漫性也变差,进而降低冷气溶胶灭火剂的灭火效能。通常经超细粉碎后的灭火剂粒子需要及时进行物理或化学表面包覆处理,使得粒子得以稳定存在,防止团聚产生和结块发生。表面改性的超细KHCO3粉体比未经表面改性处理的超细KHCO3粉体灭火时间减少了1/5~2/3,这是因为表面改性后的超细粉体有着较好的抗团聚性能,故和未经表面改性处理的超细粉体相比,有着较大的比表面积,更利于捕获自由基,切断燃烧链反应,且受热快速分解,空气中悬浮时间长,粉体粒径分布也更为均匀,故灭火效率有较大的提高。对3种粉体(NH4H2PO4、NaHCO3、改性超细NaHCO3)的灭火性能进行对比研究表明:与干粉相比,经改性细化的粉体的灭火时间缩短了1/2,灭火性能显著提高。采用超音速气流粉碎机可获得超细粒子,改性剂可采用硅油。将90%(wt)NH4H2PO4(ABC)干粉进行超细化和表面改性,制得具有良好流动及分散性的平均粒度在2~10μm的超细灭火剂。结果表明粒度在4.11μm以下的微粒灭火剂能在空中滞留15min以上,并且其灭火质量浓度随着灭火剂的体积平均直径的减小而减少;平均粒径为2.48μm时,其灭火质量浓度仅为59~64g/m3,平均灭火时间小于6s。超细灭火剂具有良好的空间流动扩散能力,可用于全淹没火灾保护,作用于B类油火时,灭火质量浓度低且灭火时间短,灭火效率很高。含氢硅油是工业上提高灭火剂粒子斥水性的主要改性剂。唐聪明采用超音速气流粉碎机和特殊的表面处理方法对NH4H2PO4干粉进行超细化和硅化处理。制备出了平均粒径为7.28μm的超细NH4H2PO4系列干粉灭火剂。实验结果表明:超细NH4H2PO4干粉灭火剂有效灭火次数由原来的2次增加到6次,有效灭火时间由原来的4s缩短到1s,其灭火效能约为普通型的4倍。同样,采用超音速气流粉碎、添加少量粉碎助剂,以及甲基含氢硅油处理等方式制得了粒子表面形态规整、平均粒径5μm、比表面积2.2m2/cm3的超细NH4H2PO4干粉灭火剂。其流动性和疏水性好,抗结块性强,其流动性为6.5s,疏水保持率达98%,吸湿率为1.71%,抗结块性(以针入度表示)为30.1mm。灭火效果对比实验表明,NH4H2PO4干粉灭火剂经超微细化后,有效灭火时间由原来的4s缩短到1s,有效灭火次数由原来的2次增加到7次,灭火效能约为NH4H2PO4干粉灭火剂的4.6倍硬脂酸镁处理灭火剂粒子表面也能获得良好效果。利用气流粉碎方法制得粒度满足要求的NH4H2PO4超细冷气溶胶,在表面改性剂硬脂酸镁浓度为0.5%的情况下,其粉体分散效果较好,不易团聚。硅烷、钛酸酯偶联剂以及其它表面活性剂均可用来改善灭火剂粒子疏水性,将上述处理剂复合使用可进一步提高疏水性。采用湿法工艺分别使用钛酸酷偶联剂(NDZ-311)、硅烷偶联剂(KH-550)、铝锆偶联剂(Y)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、十八烷基胺和聚乙烯醇缩丁醛复合,以及铝锆偶联剂和聚乙烯醇缩丁醛复合对NH4H2PO4超细粉体进行表面改性,并考察了改性后体系的吸湿性和抗结块性效果。实验表明偶联剂的改性效果要好于聚乙烯醇缩丁醛,铝锆偶联剂改性的超细NH4H2PO4抗结块效果最好,1.0%铝锆偶联剂改性后的超细NH4H2PO4吸湿率降低。铝锆偶联剂与聚乙醇缩丁醛双层包覆改性后的超细NH4H2PO4吸湿率降低64%。采用干法工艺利用铝锆偶联剂、硅油以及白炭黑复合对NH4H2PO4超细体进行改性,最大压缩载荷降低91.04%。将不易分散的灭火剂小粒子与某种比表面积较大、密度较小的粒子(如气相白碳黑)通过机械化学法进行复合,制成结合紧密、粒子形状近似球体的灭火剂复合粒子,用于冷气溶胶灭火剂可以改善灭火剂粒子的分散性及综合灭火效能。叶明泉研究了超细NaHCO3与白炭黑复合粒子的制备及复合粒子粒径形态、结构及应用性能进行了测定与表征。结果表明,NaHCO3与白炭黑的复合,是NaHCO3被分散后复合于白炭黑的表面及其空隙、凹陷处,并使之球形化形成紧密结合的复合粒子;复合过程不产生新物质。强烈机械作用力可使NaHCO3表面晶体结构发生畸变,随着复合时间增加,畸变不断向颗粒内部扩散,颗粒表面无定形化程度增加。通过复合提高了NaHCO3粉体的分散性及其在空气中的悬浮稳定性,复合粒子冷气溶胶灭火剂显示了极佳的灭火效能。研究证明NaHCO3/SiO2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,灭火效能可望得到较大提高。目前国内已开发出气溶胶ABC干粉灭火剂,如武汉绿色消防器材有限公司发明并生产的超细干粉则是一种无毒、无害,对人体皮肤无刺激,对保护物无腐蚀;在常态下不分解、不吸湿、不结块,具有良好的流动性、弥散性和电绝缘性的新型灭火剂,平均粒径小于5μm,是ABC干粉灭火剂灭火效率的6~10倍、是七氟丙烷的10倍、是二氧化碳的12倍。此外,苏州吴越合成化工厂研究出平均粒径为5μm的气溶胶ABC灭火剂。干粉经硅化处理后具有很好的防潮、防腐、防结块性能,但在扑灭油类火灾时,一旦干粉粒子喷射到油面上,由于粒子表面的疏水膜具有很强的亲油性,导致干粉粒子很快沉入油中。又因干粉灭火剂的冷却作用甚微,局部残存的小火苗又会引燃整个油面,这就是干粉使用中遇到的最具挑战的问题—抗复燃性问题。用含氟共聚物对干粉粒子表面进行微胶囊化处理后,可在干粉粒子的表面形成一个既有疏水性又有疏油性的微胶囊膜,制得抗复燃干粉灭火剂。干粉落到油面后不为油品所浸润,能浮在油面上形成一层抑制油品挥发,并把油品与空气隔绝形成粒子薄层,从而实现抗复燃的目的。可将经硅油处理过的干粉剂粒子再经含氟活性剂进行二次处理,得到斥水、斥油的综合性能良好的冷气溶胶灭火剂。用5.0μm的NH4H2PO4进行疏水和疏油表面处理。高含氢硅油用量为3.5%,丙酮稀释后于65~70℃下表面改性。得到松密度为0.60、吸湿率2.49%,斥水性好、流动性0.23s、活化指数达0.56的冷气溶胶灭火剂。外加1.0%的含氟聚丙烯酯后,在100℃下处理1h,斥油性显著提高,在油面漂浮18min以上。用0.25%十八烷基胺与0.8%的氟碳表面活性剂进行二次包覆,灭火剂吸湿率为2.77%,油面漂浮时间3.22min,具备良好斥水性。用2.5%硅油与0.8%的氟碳表面活性剂进行二次处理,吸湿率1.42%,活化指数达0.72。低表面张力的氟碳表面活性剂很容易在干粉粒子表面更好地包膜,含氟共聚物在干粉粒子表面形成整体排列的三氟甲基(CF3)低表面能表面。液体(油或水)无法在其表面润湿,从而达到抗复燃目的。抗复燃灭火剂技术关键在于控制粒子的大小,表面形态和膜层的耐温强度。如果氟碳膜层受热易破,则起不到疏油性的作用;如果干粉粒子过大过重,即使有疏油膜也易沉入油中,粒子的表面形态也会直接影响氟碳膜层的形成和强度。为提高超细ABC干粉灭火剂的抗复燃性能,选定2%的FC-118C氟碳表面活性剂为处理剂,加5倍重量的丙酮稀释后,于35~40℃分散于干粉中,高速搅拌下在120~140℃下2h完成对颗粒表面包覆。得到疏水率为99%,疏油率为96.8%,流动性5.9s,吸湿率1.68%的各项指标均优于国标的超细抗复燃ABC干粉灭火剂。氢氧化镁[Mg(OH)2]是一类高效阻燃剂,在约350℃温度下发生热分解反应,生成MgO固体,并释放出水蒸气。生成的MgO可在燃烧物表面形成一层固体保护层,隔绝O2与燃烧物的接触;释放出的水蒸气作为“惰性”气体,可稀释燃烧物表面附近的O2,降低其浓度;H2O的挥发也要吸收一定的热量,可降低燃烧物表面温度;同时,Mg(OH)2的分解吸收热为84.1kJ/mol,高的吸收热值可显著降低燃烧物的表面温度。上述诸因素使得Mg(OH)2能成为一种有效的灭火剂。此外,Mg(OH)2生产原料来源丰富,制备工艺成本较低,对生产设备无腐蚀,与干粉基料相比更加符合“绿色”环保要求。Mg(OH)2固体粉末作为新型的干粉灭火剂基料,从灭火作用机理、原料来源、生产及储运成本和环境保护等方面,与BC干粉灭火剂基料NaHCO3、ABC干粉及氨基干粉等进行比较,其理论可行性及成本优势均较佳,且符合环保要求,市场前景广阔。王立采用小型固定式粉体灭火装置,对制备的超细Mg(OH)2粉体和ABC干粉的灭火性能进行了对比研究,结果表明超细Mg(OH)2粉体熄灭油池火是物理和化学灭火机理综合作用的结果,其灭火时间明显短于ABC干粉。灭火效能是衡量超细微粒灭火剂的一个重要性能指标,是超细干粉灭火剂工程化应用的基础数据之一。刘爱华对NH4H2PO4和NaHCO3粒度与灭火剂浓度之间关系的研究表明:对于同一类型的超细微粒灭火剂,平均粒径较小时,灭火剂浓度较低,灭火效能高;对B类火,主料为NH4H2PO4和NaHCO3时,粒度接近时其灭火效率没有明显差别。郑斌通过自行设计的基于爆发原理的灭火剂释放装置对平均粒径为6.0μm的NH4H2PO4干粉灭火剂的流动特征进行了研究。发现动力气体发生剂装药的能量释放功率和灭火粒径对灭火剂释放效果有较大影响。功率越大,释放效果越好;平均粒径约小,效果越好。此外,曹丽英对冷气溶胶灭火剂的应用标准、规范的制订进行了有益探讨,借助于干粉灭火剂规范和参考冷气溶胶的物理化学特征,针对冷气溶胶灭火剂的粒径、松密度、流动性、吸湿、斥水性、抗结块、灭火效能及装置等系列检测方法均进行了探索,并提出相应的参考方法和思路。5非贮压式或连续喷射型目前,围绕超细干粉灭火剂开发的灭火装置有两大系列,一种是贮压式(包括:悬挂式、壁装式、柜式、车用型),产品规格齐全,品种多。贮压式灭火器所用的是超细干粉,为了提高干粉的分布特性和长期稳定性,预先对超细干粉微粒进行了专门的特殊表面处理。另一种是非贮压式产品(包括工程型和车用型两种),又名脉冲式或超音速等。非贮压式产品所用的是干粉,通过开启贮气瓶,压缩气体自动进人干粉仓与干粉形成两相流,在超声波气溶胶发生器中使普通干粉被进一步粉碎细化。贮压式灭火装置和非贮压式两大类产品都是采用气体驱动灭火剂喷射到保护区实施灭火,即“脉冲喷射方式”与“连续喷射方式”,见图1及图2所示。超细干粉灭火装置采用氮气驱动,有温控、电控和热启动三种方式,双重保险,快速反应,既适合相对封闭场所全淹没灭火,也适合在敞开场所局部保护方式灭火,其灭火效率是目前世界上所查明的灭火剂中:灭火速度最快、灭火效率最高的一种灭火方式。6超细粉体的制备方法公安部GA578-2005《超细干粉灭火剂》和GA602-2006《干粉灭火装置》两个标准相继出台,近年来在国内掀起了一股超细干粉热潮,继此之后,在全国有多家消防企业涉足超细干粉行业。目前气溶胶干粉灭火剂制备与生产方法大致有:球磨法、溶液喷雾干燥技术、超音速气流粉碎技术、超声破碎法、水相合成法以及其它方法等。如以球磨法对冷气溶胶灭火剂原料进行了超细化处理,可得到了粒度小于5μm粉体,研究表明球磨机的转速、粉碎时间、球配比及装料量对粒度及分布有重要影响。采用机械化学法和乳化法两种方法对超细化粉体进行防团聚改性,研究表明两种方法都能有效地提高粉体的防团聚和流动能力。机械化学法工艺简单,但存在包覆不均、包覆率低等不足;而乳化法效果好,但工艺复杂。采用超音速超细粉碎机可将干粉粒子粉碎至气溶胶粒子尺寸范围,由于超细粒子处于热力学不稳定状态,时刻都在自发地聚结,故需进行特殊的表面处理,降低表面能,阻止粒子相互聚结,从而得以稳定贮存。将原料水溶液经适当的喷嘴引入喷雾干燥箱以产生细小的液滴,液滴蒸发便生成灭火气溶胶。对不同的操作参数进行调整,即可获所需要的颗粒尺寸范围。利用喷雾干燥技术已经生产出了K2CO3、KHCO3、NaHCO3干粉灭火剂。利用超声波破碎法可将普通干粉瞬间破碎成超细粒子,喷射出去,迅速扑灭火灾。采用水相合成法可制备粒径在100~500nm的超微细NH4H2PO4,加入滑石粉、云母粉、活性白土、硅油、白炭黑、硅酸钠等附料,成功制备纳米尺度干粉灭火剂,具备超高灭火效能。此外,还有冷冻干燥法和反溶剂法等技术。朱红亚采用了直接冷冻法和喷雾冷冻法,均能够制备得到颗粒细微、粒径分布均匀、团聚少的超细粉体。其中用喷雾冷冻法制备的粉体颗粒更细、更均匀,而直接冷冻法存在离析现象。7冷气溶胶执法应加强对民法知识的保护(1)特色、应用。冷气溶胶灭火剂具有气体灭火剂的动力性质如可压缩性、流动性、弥散性,有利于扩散、分布,可以达到全淹没灭火的目的;又具有自身的优点,如分散度增高,总比表面积增大,极易与周围介质相互作用,灭火效能大幅度提高、宜于存储和可实现大流量、远距离的喷射。此外,被扑灭的火焰难再复燃,干粉本身及其灭火后的残留物性质稳定,不会污染设备,且易于清理。高机动性的冷气溶胶消防车,可在扑灭楼房火灾、古建筑火灾、隧道火灾、仓库火灾、抑制泄漏出的可燃性气体爆燃、爆轰方面发