熱氣溶膠滅火劑配方的優(yōu)化實驗

錢小華

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熱氣溶膠滅火劑配方的優(yōu)化實驗

錢小華

（江西新余國泰特種化工有限責任公司，江西 新余，338034）

通過單因素法和正交實驗法對以硝酸鍶和硝酸鉀為氧化劑的熱氣溶膠滅火劑配方進行優(yōu)化設計，并對氣溶膠滅火發(fā)生裝置進行了改進性研究。以滅火時間、滅火效能作為考核指標，獲得了此熱氣溶膠滅火劑的最佳配方為48%氧化劑（(Sr(NO3)2)：(KNO3)= 2.5 : 1）、43%可燃劑（自制KLJ，以胺化合物為主的復合型）、5.0%散熱降溫劑（超細硼酸改性配方）、2.50%燃速調(diào)節(jié)劑，最佳配方的實驗結(jié)果表明其滅火效能和滅火時間分別為81.03 g·m-3和12.8s。

氣溶膠；滅火劑；滅火效果；配方優(yōu)化

氣溶膠滅火劑是近年來開發(fā)并得到廣泛應用的一類綠色、環(huán)境安全的新型滅火劑，其具有無毒、無或低腐蝕、不導電、容積效率高、可常壓貯存且貯存期長的特點，同時具有全方位覆蓋淹沒式滅火、滅火快、效果持久、滅火后不產(chǎn)生復燃、成本和造價較低、維修簡單等諸多優(yōu)點，尤其是其臭氧消耗潛能值（ODP）、溫室效應潛能值（GWP）和大氣存留時間（ALT）均為零，特別適于小防護區(qū)、電纜溝、地下通道、吊頂夾層等場所使用[1]，已日益成為Halon類滅火劑的替代品[2-3]。但目前的K型氣溶膠滅火劑在使用中會形成腐蝕性殘留物，對儀器設備等產(chǎn)生二次危害[4]。為解決此問題，國內(nèi)外對滅火劑配方提出了眾多改進報道[5-20]。筆者在S型氣溶膠滅火劑的基礎上，利用干粉固體微粒小至一定尺寸時，由于尺寸效應會使其滅火性能大幅度提高的特性[6]，再根據(jù)影響氣溶膠滅火性能的因素和設計原理[5-9,19-20]，設計了一種氣溶膠滅火劑的新配方，并用直觀分析和方差響應面優(yōu)化分析法對配方進行優(yōu)化，得到了滅火性能優(yōu)良和安全性高的配方組合。

1 氣溶膠滅火劑的配方設計

1.1 配方設計原理

氣溶膠的滅火機理主要包括物理抑制作用及化學抑制作用。物理抑制作用機理主要是：氣溶膠粒徑大約1μm，具有良好的懸浮流動擴散特性和繞過障礙滲入微小空間的能力，且有效保留時間長，其進入火焰區(qū)后從火焰中吸收熱量，升溫后固體微粒發(fā)生熔化、氣化等相變和分解，從而吸收大量熱量，使火焰區(qū)降溫、氧氣濃度下降，惰性氣體含量增加，產(chǎn)生隔離、窒息和冷卻作用，從而抑制了燃燒[21]。化學抑制作用機理主要是：氣溶膠進入火焰區(qū)后在氣相中發(fā)生均相化學反應，形成的活性基團與溶膠固體微粒表面發(fā)生非均相化學反應，產(chǎn)生一種“圍墻”效應，阻斷了均相鏈反應，使燃燒得到有效抑制[6]。進行配方設計時應以零氧平衡為基礎，設計成負氧平衡[5,8]，通過負氧平衡可以對氣溶膠滅火劑的配方進行理論分析，確定配方各組分間的大致配比計算。由于配方是由氧化劑、還原劑、可燃劑、粘結(jié)劑和功能調(diào)節(jié)劑等組成的復雜多元混合物，同時，參與燃燒反應也使反應結(jié)果復雜，應采用Meyer和Principle of Le Chatelier的假說進行近似計算，然后再采用多個二元混合物體系計算之后匯總求代[6]，從而確定配方各組分間的大致配比。

1.2 配方原料的組成

在前人研究[5]的基礎上，本實驗氣溶膠滅火劑配方選擇的氧化劑為KNO3和Sr(NO3)2，可燃劑為尿素、雙氰胺、炭粉，粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，化學降溫劑為Na2B4O7?10H2O、H3BO3，燃速調(diào)節(jié)劑為NH4H2PO4、(NH4)2HPO4、NaH2PO4、Na2HPO4、KHCO3、K2CO3、NaHCO3、Na2CO3，包覆劑為硬脂酸、十八胺等功能調(diào)節(jié)劑，配方組成見表1。

表1 改良復合型氣溶膠滅火劑原料配方

Tab.1 The basic composition of the modified compound aerosol fire extinguishing agent

注：氧化劑為復合型，其組成的質(zhì)量比為：(Sr(NO3)2):(KNO3)= 1.4~5.0∶1。

2 實驗

2.1 實驗原材料及裝置

實驗用硝酸鉀、硝酸鍶、硼砂、硼酸、尿素、雙氰胺、磷酸二氫銨、硬脂酸和環(huán)氧樹脂等藥劑為化學純試劑。

氣溶膠滅火劑及其發(fā)生器為自制。設計的實驗裝置如圖1所示。為使出口溫度較低，在裝置中增加特殊多孔材料的球珠和絲片進行物理降溫[17]，為提高氣溶膠擴散速率，在裝置上增加微風機驅(qū)動氣流，使氣流定向排放（底部吸氣，頂部排氣）。

圖1 氣溶膠滅火劑發(fā)生器

2.2 實驗方法

2.2.1 氣溶膠滅火劑的制備

按表1氣溶膠滅火劑配方，將各組分預先制備成粒度為80~100目的粉末，并按一定的順序混合均勻，按比例加入添加劑后再進行混合，均勻后分兩次裝入圓筒形鋁質(zhì)模具中，在油壓機上壓制成密度1.35~ 1.50g/cm3的藥柱（每次壓力為10MPa，保壓5~10s）。藥柱成型后在其上端放置引燃劑和導線，固定但不退模(以保證藥柱沿模具軸向線性燃燒)，放入干燥器中備用。

2.2.2 滅火實驗方法

在環(huán)境溫度25 ~ 30℃下，制作1m3滅火實驗箱（1.0m×1.0m×1.0m）[15]；火源為兩個內(nèi)徑100mm、高85mm油盤，內(nèi)裝15mm 92#汽油層和20mm水層，分置于箱底的對角，距離中心55cm處；并將氣溶膠滅火劑發(fā)生器置于箱中央。關閉實驗箱頂面，在箱外開啟開關，點燃油盤引線引燃油盤，待油盤燃燒穩(wěn)定后，再點燃另一根引線，引燃氣溶膠滅火劑產(chǎn)生氣溶膠。從油盤被點燃開始計時，約2~4s后氣溶膠滅火劑被點燃，記錄油盤從點燃到熄滅的時間。5min后打開實驗箱頂面，觀測油盤是否復燃；若不復燃則取出發(fā)生器，并對發(fā)生器中氣溶膠滅火劑反應后的情況進行檢測分析。同時，以無氣溶膠滅火劑，僅采用關閉實驗箱頂面密封而使其油盤火熄滅的時間（9次測得的平均值為163.8s）進行對比。

2.2.3 滅火效能的測定與表征方法

（1）釋放速度與釋放區(qū)溫度測量按文獻[23]的方法進行；（2）滅火性能指標主要為氣溶膠滅火劑的噴射時間、滅火時間、噴口溫度、滅火濃度等。本實驗按文獻[23]的方法測算出不同配方的氣溶膠滅火劑的滅火性能指標。

2.2.4 配方優(yōu)化實驗方法

在根據(jù)配方設計原理計算得到配方的大致配比后，采用先單因素考察確定主要影響氣溶膠滅火劑性能的配方組成，再用L9(34)正交試驗法對配方進行優(yōu)化。

2.2.5 實驗數(shù)據(jù)的處理方法

實驗測得數(shù)據(jù)均用Excel 2010軟件處理。

3 實驗結(jié)果

3.1 可燃劑的選定

氣溶膠滅火劑的燃溫直接影響其噴口溫度，噴口溫度不宜過高，否則不僅會影響氣溶膠滅火劑的滅火效果，而且會導致其使用受限。在氣溶膠滅火劑配方中，無機物可燃劑易使殘渣形成團?；蚪Y(jié)塊；碳水有機物雖然燃溫較適宜，但燃燒耗氧量少、燃速快、產(chǎn)生阻燃氣少，滅火效果不佳；與碳水化合物相比，有機酸及其鹽還有燃溫較高的缺點；此外，高氮有機物和胺類物燃速可控，能產(chǎn)生大量阻燃氣，氣溶膠擴散也較迅速，同時燃燒后殘渣顆粒細小且較均勻，其燃溫也參差不齊，但可通過調(diào)配而得以控制。根據(jù)可燃劑應選擇燃溫適中、產(chǎn)生阻燃性的惰性氣體多、有一定的水氣生成、燃燒有較高的需氧量以及不產(chǎn)生污染物等原則，結(jié)合文獻[18]及相關實驗結(jié)果，選擇以有機胺類的尿素、雙氰胺為主，輔以可調(diào)節(jié)燃速、燃溫和殘渣性能的炭粉和硝基胍等，按合理的配比進行復配，制成復合型可燃劑（KLJ），經(jīng)測定其燃溫為1 308.6K。

3.2 化學散熱降溫劑的選定

為改善氣溶膠滅火劑較高的出口溫度，在改進了氣溶膠發(fā)生裝置后，在藥劑配方中添加化學散熱降溫劑，對其效果進行試驗，結(jié)果見表2。

表2 化學散熱降溫劑改性滅火劑的釋放性能

Tab.2 Release performance of chemical cooling agent

從表2可知，酸式鹽比正鹽的降溫效果略好些（與文獻[24] 的報道一致），超細態(tài)比常規(guī)粉末態(tài)的降溫效果略好（與文獻[25]的報道一致），同一陰離子的鈉鹽與鉀鹽的降溫效果幾乎無差異。這可能是這些散熱降溫劑的熔化或分解氣化焓變的差異以及其負氧平衡值的差異所致，熔化或分解氣化焓大、負氧平衡值也大的降溫劑降溫效果更顯著。從表2可知，殘渣量和滅火效能隨著添加劑的種類不同而有明顯差異，超細硼酸的效果最佳，磷酸二氫銨、磷酸氫二銨的效果也良好；同一陰離子的鈉鹽的殘渣量和滅火效能較鉀鹽略高，原因可能是熔化分解后鉀的揮發(fā)性比鈉大的緣故；與硼酸相比，硼砂的殘渣量大得多，其原因是硼砂在熔化分解過程會形成“熔珠”的緣故。隨著硼酸用量的增加，滅火劑的殘渣量和滅火效能呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢，因此，用量為5%為佳，散熱降溫劑確定為5%超細硼酸。

3.3 配方的優(yōu)化及其驗證

在確定了復合型氣溶膠滅火劑配方組成后，對配方中的關鍵成分采用正交試驗進行優(yōu)化。根據(jù)前面的試驗結(jié)果，確定氧化劑、可燃劑、散熱劑和燃速調(diào)節(jié)劑的用量這4個因素，采用L9(34)的正交試驗來進行優(yōu)化，具體設計見表3。以滅火時間和滅火效能為評價滅火效果的指標，按2.2.2實驗方法進行實驗，實驗結(jié)果及其分析見表4~6。

表3 L9(34)正交實驗的設計 (%)

Tab.3 Design of L9(34)orthogonal experiment

注：氧化劑為復合型，其組成的質(zhì)量比為：(Sr(NO3)2):(KNO3)= 2.5 : 1；粘結(jié)劑2.2%，包覆劑0.5%。

表4 L9(34)正交實驗的結(jié)果

Tab.4 Results of L9(34)orthogonal experiment

表5 以滅火時間為考核指標的L9(34)正交實驗結(jié)果的直觀與方差分析

Tab.5 Visual and variance analysis of the results of L9(34) orthogonal experiment based on fire extinguishing time

注：值<0.05=19.0，不顯著；0.05<值<0.01=99.0，顯著；0.01<值，非常顯著。

表6 以滅火效能為考核指標的L9(34)正交實驗結(jié)果的直觀與方差分析

Tab.6 Visual and variance analysis of the results of L9(34) orthogonal experiment based on fire extinguishing efficiency

注：值<0.05=19.0，不顯著；0.05<值<0.01=99.0，顯著；0.01<值，非常顯著。

由表5可以看出，采用極差法和方差法分析，各因素對氣溶膠滅火劑滅火時間的影響大小依次為A、D、B、C，氧化劑含量對滅火時間的影響最大，而散熱降溫劑含量的影響最小，最優(yōu)配方為：A3B3C2D3，即氧化劑含量48%、可燃劑含量43%、散熱降溫劑含量4.0%、燃速調(diào)節(jié)劑含量3.0%。由表6可知，各因素對氣溶膠滅火劑滅火效能的影響大小依次為A、C、B、D，可見氧化劑含量對滅火效能的影響最大，而燃速調(diào)節(jié)劑的影響最小，該實驗的最優(yōu)組合為：A3B3C3D2，即氧化劑含量48%、可燃劑含量43%、散熱降溫劑含量5.0%、燃速調(diào)節(jié)劑含量2.5%。除氧化劑含量屬顯著性影響因素外，其它3個被考察的因素均屬不顯著性的影響因素。在衡量滅火性能的滅火時間和滅火效能兩個考核指標中，應該以滅火效能為考察指標，所以綜合得到的最優(yōu)組合為氧化劑占比48%、可燃劑占比43%、散熱降溫劑占比5.0%、燃速調(diào)節(jié)劑占比2.5%。理論推算最優(yōu)組合配方下的滅火效能為79.09g·m-3，滅火時間為11.2s，驗證試驗表明滅火效能和滅火時間分別為81.03g·m-3及12.8s，與理論推算結(jié)果十分吻合。

4 結(jié)論

依據(jù)原材料選擇標準，根據(jù)負氧平衡的原理，采用單因素與正交實驗的方法，對試制的氣溶膠滅火劑進行燃速、滅火效率、殘渣量、燃溫等測試，獲得了此氣溶膠滅火劑的最佳配方：氧化劑（(Sr(NO3)2):(KNO3) = 2.5∶1）48%、可燃劑（自制，以胺化合物為主的復合型）43%、散熱降溫劑（超細硼酸改性配方）5.0%、燃速調(diào)節(jié)劑2.50%，且取得了滅火效能和滅火時間分別為81.03g·m-3和12.8s的良好實驗結(jié)果。

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Optimization Experiment of the Formulation of Aerosol Fire Extinguishing Agent

QIAN Xiao-hua

（Jiangxi Xinyu Special Chemical Co.Ltd.，Xinyu，338034）

By single factor method and orthogonal experiment method, the formula of aerosol fire extinguishing agent using strontium nitrate and potassium nitrate as the oxidant was improved, and the fire extinguishing device was optimized. By using extinguishing time and extinguishing efficiency as assessment indicators, the best aerosol fire extinguishing agent formula was obtained, which contains oxidizing agent ((Sr (NO3) 2)∶m(KNO3)= 2.5∶1) of 48%, combustible agent (self-made compound with amine) of 43%, cooling agent (superfine borate modified formula) of 5%, the burning rate modifier of 2.50%. The experiment results of the best formula showed that the fire extinguishing efficiency and extinguishing time were 81.03g·m-3and 12.8s respectively.

Aerosol；Fire extinguishing agent；Extinguishing effect；Formulation optimization

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.013

1003-1480（2017）06-0049-05

2017-06-26

錢小華（1974-），男，工程師，主要從事化學、化工及火工品藥劑的研發(fā)及技術(shù)管理工作。