气溶胶灭火剂的配方及优化设计的研究(1).pdf

2 0 1 2 年6 月气溶胶灭火剂的配方及优化设计的研究赵宇等 气溶胶灭火剂的配方及优化设计的研究 赵宇①陈斌⑦黄寅生①戴晓静①张文成① ①南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②江西三星气龙消防安全股份有限公司 江西南昌，3 3 0 0 0 0 [ 摘要] 文章为了研究气溶胶灭火剂在工程应用中的灭火能力及所遇到的腐蚀问题，采用对比实验方法对K 型和s 型的气溶胶灭火剂的配方进行了研究。主要选择了以锶盐为主、钾盐为辅的氧化剂，设计并优化了几种配 方。结果表明从灭火效能、喷射时间、c u 板颜色变化等性能参数可以看出，当S r N O ， 与K N O ，的比值在1 ．4 5 ．0 范围内效果最好，灭火效能为9 5e ／m 3 ，喷射时间为4 2s ，且c u 板没有明显地变绿，既保证了气溶胶的灭火能 力，又较好地解决了腐蚀性的问题。 [ 关键词] s 型气溶胶 灭火剂 配方设计 灭火效能 [ 分类号] T Q 5 6 9 T J 5 3 3 引言 2 0 世纪7 0 年代，前苏联配制的灭火剂中选用 的氧化剂主要有K N O ，、K C l 0 ，及N a N 0 3 ，燃料有硝 酸胍和双氰胺等，还在配方中加了一些性能调节剂 碳酸盐[ 1 】。美国F i l t e r ．等[ 2 】研制的灭火剂组分中 有卤碳化合物，且灭火能力低。如可夫呤1 针对上述 的配方进行了改进，在原料选择方面选择了硝酸钾、 铁氰化钾、碳粉及少量的调节剂。 2 0 0 1 年，乔海涛H 1 介绍了气溶胶灭火剂的配方 组成和性质。讨论了灭火剂的灭火机理。2 0 0 2 年， 张文超[ 5 】研究出了水基气溶胶灭火剂，即S Q 灭火 剂。2 0 0 3 年，王华【6 』对H E A E 灭火剂在原材料方面 选择了钾盐物质。2 0 0 4 年，罗震L _ 等通过改变配方 来减少残留物对被保护物的腐蚀。2 0 0 6 年，马文 丽【8 1 对新型气溶胶灭火剂的配方进行了配制，得出 了氧化剂与可燃剂质量的最佳比为2 ．8 7 8 。2 0 1 0 年，罗国庆p 】研究的配方中氧化剂的质量分数为 6 5 ％一9 7 ％，可燃剂的质量分数为3 ％一3 5 ％，使其 更加环保且充分利用本地资源。2 0 1 0 年，郭洪 宝【1 刨研究了气溶胶灭火剂的组成对普通电子设备 的影响，选用钾盐的质量分数为1 5 ％一2 0 ％，锶盐 的质量分数为4 8 ％一5 2 ％，此种配方比先前的更科 学环保。 本文主要选择了氧化剂以S r N O ， 为主、 K N O 。为辅的复合型灭火剂，这样设计既保证了气 溶胶灭火剂的灭火能力，又使其具有一定的抗腐蚀 性。由于S r O 的熔点为2 4 5 0 。C ，远高于灭火剂生成 的反应温度区，不会使其过多地挥发，因此，灭火气 体中固体微粒含量少且粒径小，不易沉降，更接近洁 净气体灭火剂，同时也使灭火能力提高。 1 配方设计 1 ．1 气溶胶灭火剂原料的组成 气溶胶灭火剂由氧化剂、可燃剂和粘结剂等组 成，氧化剂要选择含有效氧多、燃烧易释放、安全性 能好且不易形成毒性的化合物，本文选用了K N O ， 和S r N O ， 。在选择燃料时，要选择极易被氧化且 燃烧需氧量少、化学安全性好的化合物，因此选用了 硝酸胍、双氰胺、碳粉。粘结剂选择了粘合力强且安 定性好的化合物，如环氧树脂、糯米粉等。 1 ．2 气溶胶灭火剂的配方设计原理 气溶胶灭火剂也叫烟火型灭火剂，在进行配方 设计时要以零氧平衡为基础，设计成负氧平衡，对气 溶胶灭火剂的配方进行理论分析与计算。首先通过 正交试验来确定部分成分的优化参数，进而算出氧 化剂与可燃剂的配比。 K 型灭火剂的灭火能力较高，在原料的初步选 择方面。主要选择了以钾盐为主的氧化剂，为了生成 更多的惰性气体，使产物具有更好的灭火效果，可燃 剂选择了双氰胺、石墨等。初步设计了4 种配方，配 方1 、2 、3 为K 型气溶胶灭火剂；配方4 为S 型气溶 胶灭火剂。K 型灭火剂是以K N O ，为主氧化剂的气 溶胶发生剂，S 型灭火剂是以S r N O ， 为主氧化剂 的气溶胶发生剂，见表1 所示。 2 实验 收疆日期2 0 1 2 “ 0 3 - 2 2 作者简介赵宇 1 9 8 5 一 ，女，硕士，主要从事气溶胶灭火剂方面的研究。 通讯作者黄寅生 1 9 6 2 一 男，博士，教授，主要从事军事化学与烟火技术的研究。E - m s i l h u s m g y i n s h e n g s i n s ．c o n t l 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 1 卷第4 期 表l 原料配方的质量分数 ％ 配方S r N O ， K N O ，可燃剂粘结剂燃速调节剂 2 ．1 实验结果与分析 按表1 的原料配方，每种药剂量取5g ，放在 0 ．1 4m 3 的密闭容器中，对每种配方进行预点火，观 察其燃烧性能。实验所选的火源为蜡烛和柴油。其 中，灭火剂的喷射时间为灭火剂从点燃到燃烧结束 所需要的时间；灭火时间为灭火剂从点燃到火源熄 灭所需要的时间；反应速率为1s 内燃烧的药柱的 长度，其燃烧性能参数如表2 所示。 表2 不同配方性能参数的测试 由表2 看出配方1 、2 、3 的灭火效率高，火焰燃 烧剧烈，残渣呈团状；配方4 产烟量较小，火焰比较 剧烈，残渣呈粒状且燃速较低。产生这种现象的原 因是K 型灭火剂的固体产物主要有K O 、K C O ，、 K H C O ，3 种物质，且极易吸湿，并且均能与水溶液 形成强碱性溶液，对被保护对象具有较强的腐蚀性； S 型灭火剂固体颗粒的熔点较高，不易形成腐蚀性 物质，更接近洁净气体灭火剂。 2 ．2 配方的优化设计 综合K 型灭火剂的灭火能力高，s 型灭火剂的 腐蚀性小的优点，选择了氧化剂以S r N O ， 为主， K N O ，为辅的S 型复合气溶胶灭火剂；可燃剂选用 了硝酸胍，其质量分数为3 5 ％。通过正交实验得到 的优化参数为调节剂A 的质量分数为3 ％，调节剂 B 的质量分数为1 ％，调节剂C 的质量分数为2 ％， 糯米粉的质量分数为5 ％，碳粉的质量分数为6 ％， 在此基础上，加入S 4 N O ， 2 和K N 0 3 两种氧化剂， 重新设计了l O 种配方，如表3 。 表3 不同配方氧化剂的质量分数 ％ 配方 1234567891 0 s r N 0 3 2 4 84 33 83 32 82 31 81 380 K N 0 3 051 01 52 02 53 03 54 04 8 表3 的配制也是根据上述的配方设计原理，利 用正交试验来确定灭火剂配方的优化参数，先确定 可燃剂的质量分数，进而算出氧化剂中S r N O ， 与K N O ，质量分数的比例。配制上述1 0 种配方的 药剂量各5g ，预点燃后均燃烧，实验参数见表4 。 通过表4 中的实验结果看出 1 配方3 、4 、5 的性能参数符合条件，S t N O ， 与K N O ，的配比为1 ．4 ～5 ．0 ；2 喷射时间越长，残 渣量越少，灭火效果越好；3 随着S r N O 。 与 K N O ，比值的降低，喷射时间增大，产烟量增强，残 渣率降低，但当降低到一定值时，喷射时间降低，产 烟量降低，残渣呈团状，结块严重。随着灭火剂中 K N O 。含量的增加，分解热越多，燃烧速度越慢，灭 火剂不能完全燃烧，当K N O ，含量增加到一定数值 时，使燃烧面的热平衡不能稳定，以致于燃烧无法持 续下去。 鉴于以上的实验结果，对配方进行筛选和优化， 配制4 种配方，如表5 列出。每种配方的药剂量为 5g ，预点燃的结果显示为配方5 产烟量大，火焰燃 烧剧烈；配方1 1 喷射时间为3 0s 火焰燃烧柔和且 完全，产烟量较大，残渣呈疏松状；配方1 2 喷射时间 为2 8 s ，产烟量大，火焰燃烧剧烈；配方1 3 喷射时间 为2 5s ，火焰柔和且产烟量大，残渣呈均匀的疏松 状。 表4 不同优化配方的性能试验 一 一 2 ～ 5 5 5 5 9 6 O 6 3 2 3 2 6 9 3 3 5 6 6 2 一 一 一 铂 1 2 3 4 万方数据 2 0 1 2 年6 月气溶胶灭火剂的配方及优化设计的研究赵宇等 袁5筛选及优化后的质量分数 ％ 2 ．3 在l I n 3 的密闭空间内灭火能力的测试 2 ．3 ．1 灭火能力的表征 通常所说的灭火能力主要体现在气溶胶灭火剂 的灭火浓度和灭火时间上。灭火浓度是指不考虑任 何安全系数，在确定的实验条件下扑灭单位体积的 火灾所需要的灭火剂的最小质量，通常用g ／c m 3 来 表示[ 1 1 | 。灭火时间是指从灭火剂的点燃到火灾熄 灭所需要的时间，它与灭火剂的配方、火灾类型及火 源的燃烧程度有关，一般情况下对火灾的灭火时间 越短越有利⋯。 本实验是在实验室条件下进行的，由于实验设 备及条件受限制，粗略地模拟了灭火浓度测试的试 验条件，计算出的灭火浓度同样可以作为灭火能力 的表征。用表5 配方各配制1 0 0g 气溶胶发生剂， 在l m 1 m l m 的空间进行灭火能力的测试，灭火 剂的药柱直径为8 0i n n l 。 2 ．3 ．2 实验条件 1 环境温度2 7 3 0 0 C ； 2 启动电流启动系统是由点火具、导线、直流 电源组成。其中直流电流为1 A ，电压为1 2 V ； 3 火灾实验模型【I3 1 如图1 所示，灭火室的尺 寸为l m 1 m l m ；火源9 0 。汽油；反应器内径8 0 m ／l l ，高度8 3m m ；油罐内径8 0l n n l ，高度1 0 0m r n ； 底部用水作垫层，水层7 0m m ；油层2 0i n t o ；油罐 A 、B 的放置高度分别为6 1 0m m 和1 2 0I n i n ，它们距 ＼圉 ／ 匕 匿 ＼ ，／／1 In ／I 1 一油罐A ；2 一C u 板D 放置处；3 一油罐B ； 4 一灭火剂燃烧反应器；5 一C u 板C 放置处 图1 火灾装置模拟实验图 容器壁的距离都为1 5 0m m ，把经过打磨的C u 板D 、 C u 板C 分别放在2 、5 位置，通过C u 板的颜色变化 来测试产生的固态沉降物是否具有腐蚀性4 。，其 中，2 、5 位置距离容器壁都为1 8 0m l n ，位置5 的高 度为1 1 5n l l n ，位置2 的高度为4 5 0m m 。实验在l m 3 的密闭空间内进行，取两个油罐，里面放人9 0 。汽 油。把配制的气溶胶发生剂放在密闭容器的中间位 置。 2 ．3 ．3 实验结果与分析 从表6 的实验可以看出配方5 和配方1 2 的灭 火浓度都较低，但是腐蚀性严重；配方1 1 的抗腐蚀 性好，缺点是灭火浓度较高；配方1 3 的灭火浓度低， 抗腐蚀较好，在工程应用中是可以运用的。 3 结论 1 s 型气溶胶灭火剂比K 型气溶胶灭火剂的抗 腐蚀性好，在选择氧化剂原料时应尽量选择锶盐； 2 通过合理的配方设计，添加一些性能调节剂 对配方的性能参数有一定影响； 3 S r N 0 3 2 与K N O ，的最佳配比为1 ．4 5 ．0 ， 随着S r N O ， 与K N O ，比值的降低，喷射时间增 大，产烟量增强，残渣率降低，但当降低到一定值时， 燃烧不完全，其喷射时间降低，产烟量降低，残渣呈 团状，结块严重； 4 配方1 3 的综合灭火能力强且抗腐蚀性较 好，可应用于实际工程中。 袁6 不同配方的性能试验‘1 5 】 配方灭火 g - 冀 灭火时间／8 AB喷射，缈 铜板c 颜色铜板。颜色 残≯ 5 1 1 1 2 1 3 1 0 0 1 3 0 9 0 9 5 4 0 4 6 4 7 3 5 6 6 8 2 6 8 5 0 5 4 5 8 5 7 4 2 稍微变绿 不明显 变绿 不觋显 变绿 不明显 明显变绿 稍微变绿 2 9 ．7 2 9 ．3 3 4 ．0 2 9 ．1 万方数据 3 6 - 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 1 卷第4 期 参考文献 [ 1 ] 李晓东，杨荣杰，李建民，等．固体微粒气溶胶灭火剂 产物腐蚀性研究[ J ] ．火灾科学，2 0 0 2 ，1 1 3 1 4 2 ．1 4 6 ． [ 2 ] 潘功配，杨硕．烟火学[ M ] ．北京北京理工大学出版 社，1 9 9 7 1 0 8 - 1 2 5 ． [ 3 ] K o r o s t e l e vV ．G ．A e r o s 0 1 ．G e n e r a t i n gP y r o t e c h n i cC o m p o - s i t i o n sw i t hC o m p o n e n t sI n t e r a c t i n gi n t h eC o m b u s t i o n W a v e [ J ] ．C o m b u s t ．E x p b ．S h o c k ，2 0 0 5 ，4 1 3 3 1 5 3 1 8 ． [ 4 ] 乔海涛，杨荣杰．气溶胶灭火剂的研究概括[ J ] 。消防 技术与产品信息，1 9 9 8 3 2 7 - 2 9 ． [ 5 ] 张文超．s Q 灭火剂在自动灭火系统中的应用[ D ] ．南 京南京理工大学，2 0 0 2 2 7 ．3 4 ． [ 6 ]王华，潘仁明，张永丰．配方组成对气溶胶灭火剂燃速 的影响规律的研究[ J ] ．化工时刊，2 0 0 3 ，1 7 1 2 5 1 ． 5 3 ． [ 7 ] 罗震，刘艳平，景中兴．E B M 气溶胶灭火剂产物的潮解 研究[ J ] ．河北化工，2 0 0 4 1 3 4 - 3 6 ． [ 8 ]马文丽．新型防腐气溶胶灭火剂制备及性能研究[ D ] ． 西安西安科技大学，2 0 0 6 2 5 - 3 1 ． 罗国庆．一种新型气溶胶灭火荆配方中国， c N l 0 1 8 1 0 9 1 9 A [ P ] ．2 0 1 0 - 0 4 ．1 2 ． G u oH ．．Z h a n gZ ．F i r e - e x t i n g u i s i t i n gA e r o s o lC o m p o s i - t i o n f o rC o m m o nE l e c t r i c A p p a r a t u s e s U S ，2 0 1 0 ／ 0 1 8 7 4 6 5A I [ P ] ．2 0 1 0 - 0 7 - 2 9 ． 中国公安部．G B ／T 5 9 0 7 - 1 9 8 6 消防基本术语第一部分 [ S ] ．1 9 8 6 ． B a c kG ．，B o e s i n g e rM ．，F o m s c l lE ．，e ta 1 ．A nE v a l u a f i o n o fA e r o s o lE x t i n g u i s h i n gS y s t e m sf o rM a c h i n e r y S p a c eA p p l i c a t i o n s [ J ] ．F i r eT e c h n d o g y ，2 0 0 9 ，4 5 I 4 3 - 6 9 ． g a k h a r o vY u ．A ．，N a z a r o v ，Y u ．G ．，S h c h e r b a t o v aS ．V ．， e ta 1 ．A t o m i cA b s o r p t i o nS p e c t r o m e t r yo fF i r e - e x t i n g u i s h i n gA e r o s o l s [ J ] ．J ．A p p l ．S p e c t r o s c ．，2 0 0 2 ，6 9 6 9 3 6 - 9 4 2 ． 马剑，刘向荣，麻梅侠，等．钾盐型气溶胶灭火剂弥漫 性及二次损害性研究【J ] ．消防科学与技术，2 0 1 0 ，2 9 1 6 0 - 6 3 ． 杨杰．灭火气溶胶发生剂灭火机理及配方设计[ J ] ． 火炸药学报，2 0 0 3 ，2 6 4 8 4 - 8 6 ． R e s e a r c ho nt h eF o r m u l a t i o no fA e r o g e lE x t i n g u i s h e ra n dt h eO p t i m i z a t i o nD e s i g n Z H A OY u ①，C H E NB i n ⑦，H U A N GY i n s h e n g ①，D A IX i a o j i n g o ，Z H A N GW e n c h e n g 王 S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n c e f i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 逗 J i a n g x iS a m s t m gA e r l d r a g o nC o n t r o lS a f e t yC o ．，L t d J i a n g x iN a n c h a n g ，3 3 0 0 0 0 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt os t u d yt h ef i r ee x t i n g u i s h i n gc a p a c i t ya n dt h ec o r r o s i o np r o b l e mo ft h ef i r ee x t i n g u i s h i n ga e r o - 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