磷酸二氢铵对汽油池火灭火效果的影响

磷酸二氢铵对汽油池火灭火效果的影响

为了提高薄水雾的灭火效率，降低薄水雾的灭火能耗，许多科学家在细水雾中引入了化学灭火机，使细水雾在火中具有自己的火自由基，大大提高了薄水雾的灭火效率。磷酸二氢铵是干粉灭火剂的主要成分,具有灭火效率高,灭火范围广泛,同时对环境污染小的特点。磷酸二氢铵的灭火机理主要以化学灭火机理为主,在火焰中受热产生PO·自由基,该自由基能够捕捉火焰中的H·和OH·自由基,中断自由基的燃烧循环反应,从而起到灭火的作用。笔者通过在标准受限空间下利用自制的细水雾小尺度灭火实验平台,研究2.0MPa压力下,添加磷酸二氢铵不同量对细水雾扑灭汽油池火的有效性影响,并分析磷酸二氢铵加入细水雾中灭火机理的不同。1实验布置实验装置如图1所示,由3m×3m×3m受限空间、燃烧系统、细水雾系统、热电偶测温及摄像系统组成。实验采用93#汽油为燃料,每次取750mL置于直径33cm、高2cm的油盘中,油盘用40cm的铁制支架固定,置于受限空间中央。实验时新鲜空气由下部进风口进入,产生的烟气从受限空间上部排烟口排出。细水雾喷头布置在油盘正上方2.5m处。实验采用高压水泵作为动力源,产生的水压使水流在喷头内剧烈碰撞产生细水雾。将一系列直径为2mm的镍铬/镍硅铠装热电偶布置在油盘中心竖直轴线上(见图1所示),距油盘上沿5cm处布置第1根热电偶,以后每隔10cm布置1根,共布置6根,由下向上依次编号1、2、3、4、5、6号。热电偶采集的温度电信号经过温度数据处理器转换成数字信号反应在PC机上,用来测定火焰的温度变化和分布情况,主要是观察细水雾施加后火焰温度的变化,用于分析纯水细水雾及含不同浓度磷酸二氢铵添加剂细水雾的降温。实验灭火过程全程由摄像机拍摄,通过视频回放精确测得灭火时间,用于分析纯水细水雾及含不同浓度磷酸二氢铵添加剂细水雾的灭火效能。实验工作压力选为定压2MPa,添加剂质量分数分别为0、3%、6%、9%。实验时点燃油盘火,预燃1min,使油盘火完全达到稳定燃烧,打开管路阀门,施加细水雾,记录灭火时间,待油盘火熄灭10s后关闭阀门,观察是否复燃。为了提高实验精确度,每种工况实验重复3次,取平均值。2分析与讨论的结果2.1偏磷酸及聚磷酸铵磷酸二氢铵加入细水雾后,一方面使雾滴中水的质量减少,雾滴的蒸汽压减小,平均蒸发速率减慢,且随着添加剂浓度增大,雾滴中的水的质量减少,雾滴的蒸汽压减小的越多,平均蒸发速率减慢越显著,导致水雾的物理灭火作用减弱;另一方面磷酸二氢铵将发生异相和均相反应增强水雾的灭火作用。在异相反应中,溶解于水雾中的磷酸二氢铵从水相中析出,在卷吸和重力的作用下,在火焰区发挥类似于磷酸二氢铵干粉灭火剂对火焰的分解吸热降温、固相抑制和化学抑制作用。磷酸二氢铵受热时,主要发生吸热分解反应,见式(1)。NH4H2PO4−→160℃NH3+H3PO4ΝΗ4Η2ΡΟ4→160℃ΝΗ3+Η3ΡΟ42H3PO4−→360℃H4P2O7+H2OH4P2O7→高温2HPO3+H2O2Η3ΡΟ4→360℃Η4Ρ2Ο7+Η2ΟΗ4Ρ2Ο7→高温2ΗΡΟ3+Η2ΟnH3PO4−→220℃(HPO3)n+nHnΗ3ΡΟ4→220℃(ΗΡΟ3)n+nΗ2O(1)上述吸热分解反应最终产生偏磷酸或聚磷酸铵,这类物质一方面能够在可燃物表面熔化形成玻璃状覆盖层,对可燃物起隔热隔氧作用,发挥固相抑制作用使火焰熄灭;另一方面在高温作用下,偏磷酸能够发生一系列反应,见式(2)。H3PO4→HPO2+HPO+POΗ3ΡΟ4→ΗΡΟ2+ΗΡΟ+ΡΟ·H⋅+PO⋅→HPOHPO+H⋅→H2+PO⋅Η⋅+ΡΟ⋅→ΗΡΟΗΡΟ+Η⋅→Η2+ΡΟ⋅PO·+OH·→HPO+O→ΗΡΟ+Ο·OH⋅+H2+PO⋅→HPO+H2OΟΗ⋅+Η2+ΡΟ⋅→ΗΡΟ+Η2Ο(2)因此,PO·能够像卤素一样捕获火焰中的H·和OH·,使磷酸二氢铵在异相中发挥化学灭火抑制作用。而在均相反应中,溶解于水雾中的磷酸二氢铵在高温下,理解成NH4+和H2PO-4离子,这两种离子均有火焰抑制作用。常见的烃类燃烧燃烧时产生大量活性游离基H+、O2-和OH-,并发生链式反应:RH+O2→H++O2−+R+O2−+H+→OH−2OH−→H2O+O2−(3)RΗ+Ο2→Η++Ο2-+R+Ο2-+Η+→ΟΗ-2ΟΗ-→Η2Ο+Ο2-(3)其中第一步为可燃物分解,是吸热反应,第三步是强烈的放热反应,并且放热量远远大于可燃物分解的吸热量,同时再次分解出游离O-。使燃烧持续。水雾中均相反应产生的NH4+和-H2PO4离子均能参与上述燃烧链的反应,夺走燃烧链中的活性游离基H+和OH-,使燃烧终止,见式(4)。NH4++OH−→NH3+H2OΝΗ4++ΟΗ-→ΝΗ3+Η2ΟNH3+H+→NH4+−H2PO4+OH−→−HPO4+H2OΝΗ3+Η+→ΝΗ4+-Η2ΡΟ4+ΟΗ-→-ΗΡΟ4+Η2Ο−H2PO4+H+→H3PO4-Η2ΡΟ4+Η+→Η3ΡΟ4−HPO4+H+→−H2PO4-ΗΡΟ4+Η+→-Η2ΡΟ4(4)NH4+和-H2PO4连续不断地再生,不断地夺走燃烧链反应中的活性游离基H+和OH-直至燃烧反应终止。因此,含磷酸二氢铵细水雾的灭火机理除了常规细水雾的物理火焰抑制作用外,还具有类似于卤素的化学灭火抑制作用,对于提高细水雾的灭火效能具有重要作用。2.2含磷酸二氢铵细水雾灭汽油池火实验结果含磷酸二氢铵的细水雾与火焰的相互作用是一个复杂的物理化学过程,灭火效能受多种外界因素的影响,笔者主要研究磷酸二氢铵不同添加量时细水雾扑灭汽油池火的有效性。当汽油池火处于稳定燃烧时,火焰包括两个部分:持续火焰和间歇火焰,其中以持续火焰最为稳定。实验时1#～4#热电偶的温度测点都处于持续火焰中,其中4#热电偶的温度最高。为便于比较磷酸二氢铵不同添加量细水雾的冷却效果,以4#热电偶的温度为冷却效果的特征温度。图2为2.0MPa下磷酸二氢铵不同含量细水雾施加后4#热电偶温度变化情况。从图2可以看出,在预燃阶段,4种含量细水雾施加前的温度升高趋势以及稳定燃烧时温度恒定情况是相似的;细水雾施加前,温度迅速上升,在较短的时间内达到恒定阶段,说明汽油池火预燃充分;细水雾施加后,温度都开始下降,但下降的幅度不同;与不含磷酸二氢铵细水雾相比,磷酸二氢铵的加入使细水雾的降温效果明显增强;磷酸二氢铵质量分数为6%时,细水雾的降温效果最明显,这时的灭火效果最佳。表1为2.0MPa压力下,磷酸二氢铵不同添加量细水雾扑灭汽油池火的平均灭火时间。表1表明磷酸二氢铵添加后,细水雾扑灭油盘火的时间明显缩短,有效地提高了细水雾的灭火效能,而且在不同含量中,以磷酸二氢铵的质量分数为6%时,灭火时间最短,灭火效能最佳。同时表明含磷酸二氢铵细水雾扑灭汽油火的时间与含量之间不是简单的线性关系,而是存在一个最高效的灭火浓度:在较低浓度时,随着浓度的增加,灭火时间显著下降,灭火效率显著提高;一旦超过最高效灭火浓度,继续增加添加剂的浓度,细水雾的灭火效率不升反降。图3为用数码摄像机对含6%磷酸二氢铵的细水雾灭火汽油油池火的实验过程进行拍摄后在相应时刻截取的图像。从这些图像中可以清楚地观察不同时刻细水雾作用下火焰的形态。与其他细水雾添加剂一样,磷酸二氢铵的加入使雾滴中水的质量减少,雾滴的蒸汽压减小,平均蒸发速率减慢,且随着添加剂质量分数越大,雾滴中水的质量越少,雾滴的蒸汽压减小的越多,平均蒸发速率减慢越显著,单位时间内生成的细水雾数量减少,使得细水雾的效能降低。另外,磷酸二氢铵的分解吸热、固相抑制,特别是化学灭火作用,将利于提高细水雾的灭火效能。含磷酸二氢铵细水雾的灭火效能提高或降低,取决于这两种作用在火焰抑制中谁占主导作用。含磷酸二氢铵细水雾灭火时间都比纯细水雾的灭火时间短,证明磷酸二氢铵的加入总是提高细水雾的灭火效能。磷酸二氢铵质量分数为6%时,细水雾表现出最高的灭火效能。磷酸二氢铵的质量分数小于6%时,磷酸二氢铵的分解吸热、固相抑制,特别是化学灭火作用占主导作用;磷酸二氢铵的质量分数大于6%时,细水雾的雾滴蒸发速率有成了灭火时的主导作用。4铵添加剂细水雾对汽油油池火的灭火有效性在3m×3m×3m的受限空间中,通过在恒定压强下