含滅火添加劑細水霧滅火機理研究

含滅火添加劑細水霧滅火機理研究

哈龍滅火劑具有滅火速度快、劑量省、空間浸沒性好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。然而，它對氣候的臭氧層產(chǎn)生了強烈的破壞。因此，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃部于1987年通過了關(guān)于廢物用復(fù)合物（以下簡稱“協(xié)議”）協(xié)議，該協(xié)議應(yīng)明確所有國家在21世紀(jì)初消除hali滅火劑。根據(jù)保護臭氧層的該《議定書》及我國《中國消防行業(yè)哈龍整體淘汰計劃》,我國消防行業(yè)于2005年12月30日完成了哈龍1211滅火劑的淘汰任務(wù),2010年1月1日完全停止了哈龍1301滅火劑的生產(chǎn)和進口。因此,研制開發(fā)清潔、無毒、高效和經(jīng)濟的哈龍滅火劑替代產(chǎn)品勢在必行。當(dāng)前人們已經(jīng)開發(fā)了潔凈氣體、惰性氣體、化學(xué)干粉、細水霧等哈龍滅火劑的替代產(chǎn)品,但目前為止尚無一種最佳替代產(chǎn)品。細水霧因具有對環(huán)境無污染、降溫滅火作用強、來源廣泛等優(yōu)點,已成為哈龍滅火劑的主要替代品之一,被廣泛應(yīng)用于船舶機艙、圖書館、飛機機艙等設(shè)施設(shè)備的火災(zāi)撲救。在滅火機理上,普通細水霧主要通過汽化降溫作用、隔氧窒息作用、衰減熱輻射等來降低化學(xué)反應(yīng)速率,達到控制火焰?zhèn)鞑?從而實現(xiàn)滅火目的。但普通細水霧滅火仍屬于物理作用滅火,在滅火過程中,細水霧滅火效率受環(huán)境溫度、水滴粒徑和距離等因素影響較大;同時,研究人員發(fā)現(xiàn),普通細水霧難以有效撲滅受到障礙物保護的火焰:這些不足在一定程度上限制了普通細水霧滅火技術(shù)的推廣應(yīng)用。拓展細水霧滅火技術(shù)的應(yīng)用范圍,進一步增強細水霧的滅火性能,成為當(dāng)今國際火災(zāi)科學(xué)前沿的熱點研究內(nèi)容之一。在水中加入化學(xué)試劑是一種增強細水霧滅火性能的有效技術(shù)措施。目前,根據(jù)物理化學(xué)性質(zhì),細水霧滅火添加劑可分為2類:第1類為堿金屬鹽(如NaCl,CaCl2,K2CO3等)或金屬有機鹽,它們主要通過捕獲燃燒反應(yīng)中的高能自由基和中斷鏈反應(yīng)來增強細水霧的滅火性能;第2類為可以改變細水霧表面性能的有機化合物,它們主要通過提高霧化效果和潤濕能力來提升細水霧的滅火性能。研究表明,細水霧的粒徑分布是細水霧滅火效能的影響因素之一,因此對細水霧粒徑分布場的研究顯得尤為重要。本文研究了含各種單一組分添加劑及由這些添加劑構(gòu)成的復(fù)合添加劑的細水霧粒徑分布規(guī)律,為含滅火添加劑的細水霧滅火提供一定的理論依據(jù)。1實驗設(shè)備1.1表面張力的測試方法表面張力是液體的重要特性之一,在液體與氣體接觸的自由面上,由于氣、液分子的內(nèi)聚力存在顯著差異,使自由表面有收縮拉緊的表面張力。對于溶液則由于溶質(zhì)會影響表面張力,因此可以通過調(diào)節(jié)溶質(zhì)在表面層的質(zhì)量濃度來改變表面自由能。溶液的霧化效果受到表面張力的直接影響,故有必要對溶液的表面張力進行測試。本文所用的表面張力測試儀為上海衡平儀器儀表廠生產(chǎn)的BZY-1型全自動表面張力儀,其技術(shù)指標(biāo)如下。測試方式:鉑金板法;操作方式:樣品臺自動升降,全自動測量,通常情況3～5s讀出張力值;測試范圍:0～400.0mN/m;測量精度:0.1mN/m;靈敏度:0.1mN/m(二次蒸餾水或純酒精,溫度控制在20℃);數(shù)據(jù)顯示:LED顯示屏;試樣溫度:0～110℃;溫度傳感器:PT100;同步曲線軟件:顯示張力儀測得的實時數(shù)據(jù)。1.2激光束的工作過程在撲滅火災(zāi)時,細水霧的粒徑分布將直接影響其降溫、控火與滅火效能,因此,對細水霧粒徑分布場進行研究很有必要。本文用到的粒度儀是MALVERNSTP5192型實時噴霧激光粒度儀,其工作過程如圖1所示。工作過程如下:1)來自激光器(1)的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(2)后展開成平行光束,從而提供更寬的平行光束。2)霧滴群(3)把來自激光器(1)的光線散射開。3)散射光被聚焦透鏡(4)用傅里葉排列法聚焦并收集在探測器陣列(5)上。4)非散射光被聚焦透鏡聚焦在一起,通過探測器陣列中心的針孔,被光束能量探測器(0號探測器)接收,從而給出激光束在霧滴群上的透光率。5)顆粒衍射光線的角度與其顆粒大小成反比。探測器陣列由逾30個獨立的探測器組成,每一個探測器收集一個特定角度范圍的散射光,每一個探測器都對應(yīng)一個數(shù)據(jù)通道。衍射光角度取決于顆粒粒徑的大小。1.3驅(qū)動儲液罐內(nèi)液體2級霧化細水霧發(fā)生系統(tǒng)如圖2所示。高壓氣瓶中的壓縮氣體經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)到所需的氣壓值,壓縮氣體中的一部分驅(qū)動儲液罐中的液體經(jīng)液體玻璃轉(zhuǎn)子流量計流入兩相細水霧噴頭,另一部分經(jīng)氣體玻璃轉(zhuǎn)子流量計通入兩相細水霧噴頭,與流入噴頭的液體先后發(fā)生2次沖撞,實現(xiàn)液體的2級霧化。通過針形調(diào)壓閥改變水壓和氣壓,實現(xiàn)不同水壓和氣壓兩相細水霧粒徑的測試。2實驗方法2.1添加穩(wěn)定劑母液的制備首先在適量水中溶解定量的滅火添加劑,用玻璃棒攪拌溶液以加速添加劑的溶解,遇到難溶添加劑時可適當(dāng)加熱;然后靜置5min,過濾除掉雜質(zhì),即得到所需質(zhì)量濃度的含滅火添加劑母液。實驗時,根據(jù)所需添加劑溶液的質(zhì)量濃度,把含滅火添加劑母液與水按規(guī)定配比混合即可。含滅火添加劑溶液的制備工藝流程如圖3所示。2.2細水霧粒徑的測定每次測量液體表面張力之前,首先在樣品盤里加入適量待測液體,然后用BZY-1型全自動表面張力儀分別測定純水和含滅火添加劑溶液的表面張力。用MALVERNSTP5192型實時噴霧激光粒度儀分別測定純水和含滅火添加劑細水霧在不同水壓和氣壓下的粒徑。首先通過針形調(diào)壓閥1和2把水壓和氣壓調(diào)節(jié)到所需工況,關(guān)閉球閥1和2待用。然后測定實時噴霧激光粒度儀的光學(xué)背景和電子背景。打開球閥1和2,當(dāng)水壓和氣壓達到實驗壓力并穩(wěn)定30s,點擊實時噴霧激光粒度儀的“開始測量”按鈕,測試細水霧的粒徑;連續(xù)采集2組數(shù)據(jù)后,關(guān)閉球閥1和2。3結(jié)果分析3.1表面活性劑對表面張力的影響5種溶液的組成及其表面張力測試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出:磷酸二氫銨和尿素使水的表面張力略有增加;氟表面活性劑(Fc-134)和碳氫表面活性劑(APG)使水的表面張力大幅降低,4種添加劑組成的復(fù)合添加劑也使水的表面張力大幅降低。這是由于氟表面活性劑(Fc-134)和碳氫表面活性劑(APG)使水表面張力降低的幅度大于磷酸二氫銨和尿素使水表面張力增加的幅度。3.2復(fù)合添加劑對細水霧粒徑的影響為了弄清楚滅火添加劑對細水霧粒徑分布的影響,研究了純水和分別含有磷酸二氫銨、氟表面活性劑(Fc-134)、碳氫表面活性劑(APG)以及由4種添加劑組成的復(fù)合添加劑在液壓0.3MPa和氣壓0.3MPa工況的粒徑分布,測試結(jié)果如表2和圖4—8所示。從表2可以看到加入滅火添加劑后,細水霧的表征參數(shù)Dx(10),Dx(50)和Dx(90)所發(fā)生的相應(yīng)變化。表面化學(xué)理論認(rèn)為細水霧霧化效果與表面張力有著密切的聯(lián)系,溶液的表面張力越低,霧化效果越好,反之效果越差。表1,2中的數(shù)據(jù)表明,磷酸二氫銨使細水霧霧化效果變差,氟表面活性劑(Fc-134)使細水霧霧化效果變好。碳氫表面活性劑(APG)和復(fù)合添加劑降低了水的表面張力,卻使霧化效果變差,是因為碳氫表面活性劑(APG)具有很好的發(fā)泡性,噴出的細水霧中夾雜著微小泡沫的緣故。從圖4可以看到純水細水霧的粒徑分布情況。其中,Dx(50)時的細水霧粒徑為25.64μm,Dx(90)時的細水霧粒徑為67.96μm。粒徑小于50μm的細水霧就是超細水霧,在液壓0.3MPa和氣壓0.3MPa工況,這部分細水霧占82.69%,說明此兩相細水霧噴頭的霧化效果較好。從圖5可以看到磷酸二氫銨對細水霧粒徑的影響。Dx(50)時的細水霧粒徑為33.21μm,Dx(90)時的細水霧粒徑為75.77μm;粒徑為2.09～26.23μm的霧滴數(shù)略有減少,而粒徑為31.06～462.33μm的霧滴數(shù)略有增加。從圖6可以看到氟表面活性劑(Fc-134)對細水霧粒徑的影響。氟表面活性劑(Fc-134)使細水霧的霧化效果變好,Dx(50)時的細水霧粒徑為22.21μm,Dx(90)時的細水霧粒徑為65.37μm;粒徑為8.05～22.16μm的霧滴數(shù)增加,粒徑為22.17～278.64μm的霧滴數(shù)減少,粒徑為278.65～1075.09μm的霧滴完全消失。從圖7可以看到碳氫表面活性劑(APG)對細水霧粒徑的影響。碳氫表面活性劑(APG)使細水霧的霧化效果變差,Dx(50)時的細水霧粒徑為27.69μm,Dx(90)時的細水霧粒徑為71.60μm;粒徑為2.09～31.06μm的霧滴數(shù)減少,粒徑為36.77～141.86μm的霧滴數(shù)增加:這是由碳氫表面活性劑(APG)的發(fā)泡性引起的。從圖8可以看到復(fù)合添加劑對細水霧粒徑的影響。Dx(50)時的細水霧粒徑為43.77μm,Dx(90)時的細水霧粒徑為95.84μm;粒徑為2.09～31.06μm的霧滴數(shù)減少,粒徑為36.77～198.82μm的霧滴數(shù)增加。4碳氫表面活性劑和apg-133的霧滴數(shù)對細水霧實霧實力的影響1)磷酸二氫銨和尿素都使水的表面張力略有增加,氟表面活性劑(Fc-134)和碳氫表面活性劑(APG)以及由4種添加劑組成的復(fù)合添加劑使水的表面張力大幅降低。2)磷酸二氫銨對細水霧粒徑的影響較小。它使粒徑為2.09～26.23μm的霧滴數(shù)略有減少,而粒徑31.06～462.33μm的霧滴數(shù)略有增加。3)氟表面活性劑(Fc-134)使細水霧的霧化效果變好,使得粒徑為8.05～22.16μm的霧滴數(shù)增加,粒徑為22.17～278.64μm的霧滴數(shù)減少,粒徑為278.65～1075.09μm的霧滴完全消失。小粒徑霧滴數(shù)增加,有利于增強細水霧的降溫作用。4)碳氫表面活性劑(APG)