复合粉体对食用油火的抗复燃性研究

复合粉体对食用油火的抗复燃性研究

0添加剂种类对红相燃性的影响柴油火属于油火。与一般的丁烷火相比，它被分为k类火。常见的食用油主要有玉米油、花生油、大豆油、棕榈油和调和油等,它们的闪点在160℃和282℃之间,自燃温度在315～445℃之间,远高于常见的烃类油火,而且食用油的平均燃烧速率比烃类油的平均燃烧速率大。在烹饪时,食用油被加热到很高的温度,接近其闪点,一旦起火燃烧,很难将其温度降至自燃温度以下。由于在结构设计上更能有效防止热量散失的现代油锅上使用,更加大了食用油火的潜在风险。此外,食用油在燃烧的过程中,其成分也会发生变化,研究表明,食用油燃烧以后,其再次自燃的温度比原来的自燃温度降低约28℃。因此,相比于其他的烃类油火,食用油火很难被扑灭,若不能将食用油的温度快速降低到其新的自燃温度以下,即使火被扑灭也很容易发生复燃。由食用油火而引发的火灾在家庭、饭店、宾馆等场所很常见,这类场所建筑结构复杂、可燃物多、人员疏散困难、一旦发生火灾,往往会带来很大的经济损失和人员伤亡。有统计数据表明,家庭、宾馆、饭店及快餐厅中发生的火灾50%是由厨房火引起的。随着经济的快速发展,在飞机场、商厦等场所内建造的大型商用厨房不断增多,若在这种厨房中发生食用油火灾,后果更为严重。用于扑救食用油火的灭火剂有气体灭火剂、水系灭火剂、泡沫灭火剂和干粉灭火剂等多种。气体和泡沫尽管可以快速熄灭食用油火,但是却难以阻止食用油火的快速复燃。水系灭火系统虽然可以灭火,但是效率不高,且会引发高温油的溅射和火焰强化,且需要对水雾喷头的位置进行特殊设计,喷射时也需要特别操作[12,13,14,15,16,17]。粉体灭火剂在众多灭火剂中灭火效率最高,尽管可以快速熄灭食用油火,但是同样存在抗复燃性较差的问题。针对传统碳酸氢钠(BC)干粉灭火剂在抑制食用油火时抗复燃性差的不足,笔者通过选择合适的化学添加剂来改善其灭火效能,以期研究开发出灭火效率高、抗复燃性好的复合干粉灭火剂。研究结果可望为新型干粉灭火剂的研发及相关理论研究提供新的思路。1试验过程1.1添加剂的制备聚磷酸铵(标记为APP)、溴化钾(标记为KBr)和一水合草酸钾(标记为KOx)均购于上海国药集团,为分析纯级。BC干粉购于淮南市安吉宁消防器材有限公司。3种添加剂先用QM-WX4卧式行星球磨机对其进行研磨细化,然后将细化的添加剂粉体和普通BC干粉以质量比1∶1的比例进行充分混合。样品分别标记为a——纯BC干粉,b——BC与APP复合干粉,c——BC与KBr复合干粉,d——BC与KOx复合干粉。1.2温度测量系统全尺度灭火试验在3m×3m×3m的试验间中进行,在一个模拟铁锅的油盘中将食用油引燃,用压缩氮气驱动粉体进行灭火,主要试验装置如图1所示。在图中,自上而下的6条横线CH-1-6表示热电偶,这些热电偶和温度数据采集系统相连,用于实时测量食用油燃烧过程中的温度变化。热电偶CH-1埋在食用油之下,用于测量油温,其余5根在油面上方排列,每相邻2根热电偶的距离是15cm。试验中所用的油盘直径为250mm,深度是30mm,每次试验约加入400mL食用油,用200mL的乙醇将其引燃后即移开引燃源。2试验结果与分析2.1复燃与火焰灭火试验灭火试验分为4个工况,分别用了纯BC干粉,BC与APP复合干粉,BC与KBr复合干粉,BC与KOx(K2C2O4)复合干粉4种,试验结果见表1。从表1中的数据来看,普通BC干粉不能快速熄灭食用油火,且不能防止其复燃。在试验工况条件下,首次施加BC干粉8s后,食用油火被扑灭,6s后发生复燃。第二次施加粉体后,由于这次火势比第一次稍小,2s即将火焰扑灭,但4s后再次复燃,第三次施加粉体后,直至全部BC干粉施加完毕也未能将火焰扑灭。BC与APP的复合干粉在同样的试验条件下,一直到粉体施加完毕,都未能将火焰扑灭,仅使火焰燃烧受到一些抑制作用。BC与KBr复合干粉在4s内即将火焰扑灭,但是2s后即发生复燃,第二次施加粉体后,直至粉体施加完毕,也未能将火焰再次熄灭。BC与KOx的复合粉体在同样的试验条件下,首次施加粉体2s内即可将食用油火熄灭,7s后发生复燃,再次施加粉体,2s内又将火焰扑灭,且没有再发生复燃。2.2温度的变化情况图2d是4种工况条件下各热电偶所记录的温度变化情况,对比发现,图2a—图2d中的6条温度曲线的走势大致相同。酒精点燃后,随着时间的推移,食用油的温度逐渐升高,但这时食用油并没有被引燃,油面上方的5根热电偶仅接受了食用油的少量热辐射,温度只是缓慢地增加,直到食用油面频繁出现闪火,热电偶才接受到了比之前更多的热辐射,温度上升速率稍微加快,但是仍然很慢。待食用油被点燃之后,由于火焰热辐射及其直接加热作用,各热电偶的温度快速上升。相比于图2a和图2b,图2c和图2d中食用油被点燃(温度上升到最高值)的时间明显缩短,前2组工况下,食用油被引燃的时间都超过800s,而在后2组工况下,食用油被引燃的时间缩短到680s左右,这是因为试验时气温较低,只有5℃左右,由于环境温度的影响,前2组工况下,食用油被点燃的时间较长;进行到后2组工况时,燃烧室内的环境温度由于前2组燃烧试验的进行,已经被加热到一个较高的温度,因此在保持其他的试验条件不变,食用油被点燃的时间缩短。图3将距离油面15cm处的热电偶温度进行了比较,曲线BC中有3个峰,对应于初次燃烧和2次复燃在内的3次火焰;曲线BC+APP中只有一个峰,表示只有初次燃烧而没有复燃,但是火焰并没有被扑灭;曲线BC+KBr中有2个峰,对应初次燃烧和一次复燃在内的2次火焰;曲线BC+KOx中有2个峰,代表了包括初次燃烧和一次复燃在内的2次火焰。和曲线BC+KBr不同的是,曲线BC+KOx中的两峰之间没有明显的温度降低。这种现象主要与灭火时间和环境温度有关,因为这组工况下灭火时间很短,且作为4组工况中的最后一组,周围环境已经被前面的3组工况加热到了一个较高的温度,因此,食用油首次燃烧和复燃时热电偶所探测到的温度峰值没有明显的下降。相比于前3组工况,第四个工况下,食用油火焰本身达到的温度峰值也比之前要高,这在曲线的峰值比较上也可以看出来:前3组曲线的峰值都没有能够超过700℃,而第四组工况对应的(d)图的峰值接近800℃。图4给出了4组工况条件下食用油温度的变化情况对比。和其他位置的热电偶温度变化不同,食用油的温度呈现稳定的上升趋势。食用油在被引燃后,其温度有一个明显的提升,这是因为食用油被引燃后,油面上方的火焰给了食用油大量的热量反馈,使得食用油的温度快速上升。从曲线BC和曲线BC+APP来看,油温在灭火剂施加后仍然继续上升,超过了400℃。这一方面说明灭火剂没能有效地降低食用油的温度,另一方面,持续上升的温度也表明火焰也没有被有效地抑制,即使被扑灭也快速复燃,导致向食用油反馈热量的源头仍然存在,大量的热量传向食用油,使其温度继续上升。在曲线BC+KBr,曲线BC+KOx中,在灭火剂施加后,油温上升速度放缓或停止上升,温度值在400℃以下。这表明灭火剂降低了食用油的温度,另外火焰也被灭火剂有效地抑制或扑灭了,使得食用油的热源消失,温度停止上升,并逐渐下降,即使会发生复燃,复燃的时间也较长,使食用油有较长的时间散发热量。2.3复合粉体中随添加剂变化的变化针对食用油火,干粉灭火剂的优劣体现在灭火时间的长短、抑制复燃的效果和灭火剂用量等多个方面,根据以上对试验现象和结果的分析,可知:1)按灭火时间的标准进行排序,4种粉体灭火效果的顺序是BC+KOx>BC+KBr>BC>BC+APP。2)按抑制复燃的效果进行排序,4种粉体灭火效果的顺序是BC+KOx>BC>BC+KBr>BC+APP。3)按灭火剂用量进行排序,4种粉体灭火效果的顺序是BC+KOx>BC+KBr>BC>BC+APP。综合来看,在4种粉体中,BC和KOx所组成的复合粉体的灭火效果最好,抗复燃性也较其他的粉体有明显的提高。在同样的试验条件下,灭火剂的组成是影响其灭火效果的关键因素。3种添加剂的性质不同是导致复合粉体灭火效果差异的主要原因。粉体灭火是物理化学复合作用过程,既有粉体吸热分解对火焰的物理降温作用,又有粉体及其分解产物捕获燃烧自由基中断链反应的过程,此外还包括粉体分解所释放的惰性气体对氧气的稀释作用以及粉体的覆盖隔氧作用等,其中化学中断链反应是干粉的主要灭火机理。图5给出了4种单一粉体样品的热重曲线,从中可以看出KOx的起始热分解温度最低,在75℃时已经开始分解,而其他3种粉体的起始热解温度均在100℃以上,因此,KOx添加剂的降温作用显著。从图5看,在4种粉体中,APP的热解最完全,KBr几乎不发生分解;但是从灭火效果来看,KOx添加剂对BC干粉的灭火效果改善作用最明显。APP聚磷酸铵,是一种高分子化合物,主要用作阻燃剂,亦可作为灭火剂。APP的灭火机理主要是其受热脱水后生成的非挥发性磷氧化物及聚磷酸的覆盖作用,以及受热分解释放出CO2,N2,NH3等气体稀释氧浓度等物理作用,因而对提高BC干粉的灭火效率的效果不明显。溴化钾中所含的K和Br等2种元素都具有高效的化学灭火作用,可以明显提高BC干粉的化学灭火效果,但是由于KBr热稳定性高,几乎很难分解,因此降温效果较差,在扑救易于复燃的食用油火的试验中并没有体现出优势。一水合草酸钾易分解,是常见的无机盐类灭火剂,不仅具有物理降温作用,且所含的一水合草酸钾中含有具有高效捕捉自由基能力的钾离子和草酸根离子,能快速中断燃烧链反应,可大大提高粉体的化学灭火作用,热分解所生成的CO2等气体还可以起到稀释氧浓度的作用,其物理化学复合灭火机理决定了其很高的灭火效率,从试验结果来看,一水合草酸钾对提高BC干粉的灭火效率及其抗复燃性能都有很明显的改善作用。3添加碳酸氢钠干法灭油炸火剂的筛选1)针对食用油火,粉体灭火剂效果优劣体现在灭火时间、抗复燃性和灭火剂用量等