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细水雾灭火系统实验研究
中北大学化工与环境学院 张 慧 曹 雄
[摘 要]含添加剂细水雾灭火系统是当今火灾科学研究的热点之一。本文通过以煤油为燃料,结合细水雾灭火系统的灭火机理和特点,对用含盐类NaCl化合物作为添加剂的细水雾的灭火效果进行了试验,分析了含添加剂NaCl的细水雾灭火系统对灭火性能的影响。
[关键词]添加剂 NaCl 细水雾 灭火机理
1.前言
火灾是人类所面临的最严重的灾害之一。近年来,城市与工业火灾重大恶性事故频繁发生,对人民生命和国家财产造成巨大损失,对我国经济和社会可持续发展造成了不利影响,面对控制火灾,保障安全的重大需要,科技减灾是必由之路。我国计划与2005完全停止生产哈龙1211,2012年停止生产哈龙1310[1]。细水雾灭火技术以其无环境污染(不会损耗臭氧层或产生温室效应)、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点,已被看作是卤代烷系列灭火剂的主要替代产品。在此背景性下,含添加剂细水雾灭火技术的研究受到越来越多的关注。
2细水雾技术介绍
在NFPA750中[2],细水雾(watermist)的定义是:在最小设计工作压力下、距喷嘴1米处的平面上,测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv0.99不大于1000Lm。按水雾中水微粒的大小,细水雾分为3级,如图1所示。Herterich认为,雾滴平均直径为100Lm～1000Lm水雾比较适合灭火。
灭火系统由氮气瓶、储水瓶、控制阀、压力表、管路、喷头等元件组成。实验以氮气作为动力源,细水雾喷头型号XSWT3.5/2.0,水雾喷头的流量特性系数K=3.5,喷头在距离油盆中心100cm处,喷头出口压力保持1.0MPa,实验试剂煤油100ml放在300mm×300mm×30mm的不锈钢燃料盘中。本实验采用了热电偶测温系统。在火盆上方位置安置4个镍铬-镍硅热电偶,以测量在施加细水雾前后火焰温度的变化过程。1号热电偶距离燃烧器10cm,热电偶间距为20cm。数据采集系统的核心部件是直流放大器和数字采集仪。该设备将电信号经过硬件、软件处理,使之成为具有便于分析的可视信息。
实验通过引燃装置,使煤油100ml着火,先对试样在不施加水雾时的自燃时间进行确认,平均自燃时间为132秒。后对每一组浓度实验进行三次,当煤油表面完全燃烧,开始施加细水雾。在进行下次实验之前,先打开通风机,使周围环境恢复至初始实验条件,其余实验条件都相同,对比测量纯细水雾时和含不同浓度NaCl添加剂细水雾时的灭火时间和火焰温度的变化,试验测试时间采用机械秒表测定,用数码摄相机拍下试验过程,最后对采集的实验数据进行处理并生成相应的曲线图,对实验结果进行分析。
4.实验结果分析
实验现象表明,煤油在自燃状态下,燃烧稳定,火焰明亮向上,有黑烟冒出,燃烧充分。细水雾开始作用时,火焰拉伸,尺度急剧增加,颜色变化明显,时明时暗,但是只有很短的时间,紧接着火焰尺度就急剧下降。这是由于煤油燃烧时燃料蒸气与氧气混合得不够均匀,扩散火焰中存在大量不完全燃烧析出的碳黑,烟气较浓,增强了辐射热传热损失,而细水雾作用后,一方面液滴受热气化,促进了燃料与氧化剂的混合,强化了燃烧;随着细水雾的继续施加,抑制作用占了主导地位,使得火焰被抑制而最终熄灭。
细水雾灭火系统对保护对象可实施灭火、抑制火、控制火、控温和降尘的多种方式的保护,其物理灭火机理可归纳如下:冷却、窒息、阻隔热辐射、浸润作用,另外还有对液体的乳化和稀释作用。化学灭火机理:就是在含添加剂的细水雾灭火系统中使用的添加剂与链式反应的中间体自由基反应,从而使燃烧的链式反应中断,燃烧不能持续进行[3]。以NaCl为例,添加剂中电离出Na+和Cl-能够捕捉燃烧反应的H、OH和O自由基,阻断链式反应,实现更迅速有效的灭火以及防止复燃。在含添加剂的细水雾灭火系统进行水雾灭火时往往是物理和化学机理同时作用,使其灭火机理在普通细水雾作用机理的基础上发生了质的飞跃。
3.实验装置和实验内容
如图2所示,实验装置及测试系统主要由细水雾灭火系统、热电偶测温系统、数字采集仪、微机工作站等设备组成,细水雾
NaCl水雾初始作用于煤油火时,细水雾液滴可穿透火焰羽
流层进入燃料燃烧区,燃烧反应区呈现暗黄色火焰,瞬时产生火焰膨胀现象,并伴随有火焰拉伸、撕裂等现象,这是因为雾滴受热气化,产生微爆效应和高温下水分子分解,促进了燃料蒸汽与空气的混合,强化了燃烧。随着水雾量的增大,笼罩在细水雾区域内的火焰高度被抑制,随后进入抑制阶段,NaCl水雾作用于煤油火,其对火焰的抑制效果非常明显,火焰高度明显降低,在低于无水雾作用时的平均火焰高度,不再出现火焰膨胀、燃烧加剧现象。这是由于随着NaCl水雾的持续作用,NaCl水雾不仅吸收大量的热,同时火羽流卷吸大量NaCl水雾,使得维持燃烧所需的空气量减小,导致供氧不足,造成火焰窒息而灭。而且火焰卷吸NaCl水雾形成带有旋涡的预混气火焰,在脉动旋涡的作用下造成火焰正拉伸,当拉伸率达到一定程度就会造成火焰的熄灭。
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表1 NaCl添加剂灭火实验数据表(时间单位:s)
质量浓度实验次数第一次第二次第三次
0%536558
1%485347
3%353931
5%232118
7%272422
够捕捉燃烧反应的H、OH和O自由基,阻断链式反应,实现更迅速有效的灭火以及防止复燃的目的。
但对于含添加剂细水雾,其灭火机理并非只是物理和化学灭火作用简单的同时存在,而是化学灭火作用与物理灭火作用的复杂耦合[5]。此类含碱金属化合物添加剂加入后,随着溶解盐浓度的增加,一方面雾滴平均质量蒸发速率减小,雾气运动减缓,不利于灭火;另一方面,化学灭火作用相应增大,有利于灭火。这两种效果同时起作用,灭火效果的提高或降低,取决于这两种作用的相对强弱。当化学灭火作用的增加程度大于雾滴蒸发速率的减少程度时,灭火效果就提高;反之,反映出来灭火效果就降低。只有当添加量处于最优浓度比时,取得最佳灭火效果。
5.结论
细水雾灭火是目前比较先进的灭火技术,它有许多优点:清洁、高效。实现了多种灭火效应(气相冷却、隔氧窒息、阻隔热辐射、浸润作用)的组合。通过试验研究表明:向普通细水雾中加入NaCl添加剂,能显著提高其灭火性能,在一定的浓度范围内细水雾的灭火时间随加入的NaCl添加剂的浓度增大而减小。灭火效果比普通细水雾好。
参考文献
[1]刘江虹,廖光煊,厉培德等.细水雾灭火技术研究与进展[J].火灾科学,2001,10(1):34-38
[2]NFPA750StandardforWaterMistFireSuppressionSystems[S].2000
[3]李晓丽,程远平,魏东等.对含添加剂细水雾灭火系统的分析[J].消防科学与技术,2006,25(5)662-6
[4]丛北华,毛涛,廖光煊.含NaCl添加剂细水雾对不同燃料池火灭火性能的实验研究[J].热科学与技术,2004,3(1):65-70
[5]李定启,余明高,刘剑飞等.化学灭火添加剂的灭火有效性实验研究[J].河南理工大学学报,2005,24(3)176-180
表1和图3反映比较了不同NaCl质量分数下的细水雾平均灭火时间。从图中可以看出,无NaCl以及NaCl质量为1%、3%的细水雾灭火效果不太明显,随着质量分数增大到5%细水雾灭火效果有了明显的提高且达到本实验的最短时间,在7%时灭火时间有所延长。
当然,NaCl的存在也影响细水雾雾滴速度的大小和分布[4]。总的来说,加入NaCl后,雾滴的动量有所增加,雾滴更容易穿透火焰面,到达火焰基部,从而能够更有效的吸热隔氧,NaCl的化学灭火作用也可以得到更有效的发挥。通过观察Na-Cl水雾对煤油火实验的火焰大小的周期变化规律,结合热电偶的温度变化,分析得出含NaCl细水雾熄灭煤油池火的机理是通过对火焰的冷却作用和NaCl添加剂中电离出Na+和Cl-能
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