含氯化鉀低壓細(xì)水霧抑滅正庚烷池火性能

賀元驊， 薛楊武， 伍 毅， 王明武

(中國民用航空飛行學(xué)院民航安全工程學(xué)院，廣漢 618300)

Halon型滅火劑高效、易擴(kuò)散、無殘留，被廣泛應(yīng)用于機(jī)載滅火系統(tǒng)。然而其釋放后滯留在大氣中會嚴(yán)重破壞臭氧層，各國政府均對其提出政策限制[1]。目前，美國聯(lián)邦航空管理局將細(xì)水霧作為哈龍?zhí)娲w機(jī)貨艙滅火劑的重點。然而純細(xì)水霧只發(fā)揮窒息、冷卻等單一的物理作用，滅火性能與傳統(tǒng)哈龍滅火劑相比仍有不足。如何進(jìn)一步提高細(xì)水霧滅火性能、加快推進(jìn)細(xì)水霧應(yīng)用于民機(jī)滅火系統(tǒng)成為一大研究熱點。

前人研究表明，在細(xì)水霧中加入添加劑可強(qiáng)化細(xì)水霧滅火效果。Back等[2]使用C3H5KO3、CH3COOK、NaBr、CaI2、KBr、CaCl2制備細(xì)水霧開展滅火實驗，燃料為JP-8(戰(zhàn)場標(biāo)準(zhǔn)燃料)，通過對比滅火時間發(fā)現(xiàn) 60%的乳酸鉀溶液滅火效果最好。Joseph等[3]采用多種滅火添加劑制備細(xì)水霧，在密閉空間和杯式燃燒器內(nèi)開展滅庚烷火實驗，實驗表明NaCl、KHCO3添加劑可強(qiáng)化細(xì)水霧滅火效果，而含MnCl2、ZnCl2、CuCl2細(xì)水霧滅火效果與純水無明顯差異，(NH4)2HPO4、(NH2)2CO、FeSO4·7H2O 會降低細(xì)水霧滅火性能。Huang等[4]用多種水基添加劑制備細(xì)水霧，開展了滅汽油火實驗，發(fā)現(xiàn)滅火有效性順序為：碳?xì)浔砻婊钚詣?螯合劑>氟碳表面活性劑>乳化劑>防燃劑>增稠劑>防凍劑。Gan等[5]用含NaCl 、NaHCO3的細(xì)水霧開展粉塵爆炸實驗，發(fā)現(xiàn)加入添加劑后最高溫度、溫度上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著降低，且二者的最佳滅火濃度差異較大。叢北華等[6]使用含復(fù)合添加劑(乳酸鈉、尿素、碳?xì)浔砻婊钚詣┑?的細(xì)水霧對木垛火、油池火開展滅火實驗，實驗結(jié)果表明此添加劑可縮短滅火時間50%～80%，且燃料性質(zhì)會影響添加劑的強(qiáng)化效果。賈利濤等[7]在細(xì)水霧中加入表面活性劑后施加于汽油火和柴油火，發(fā)現(xiàn)表面活性劑可降低水的表面張力，提升細(xì)水霧滅火性能。張青松等[8]用NaCl、尿素、等7種添加劑制備細(xì)水霧，開展了抑制鋰電池火災(zāi)實驗，發(fā)現(xiàn)FC-4是物理添加劑中效果最好的，化學(xué)添加劑中尿素效果最好，NaCl效果最差。前人主要研究了NaCl、尿素、表面活性劑等對細(xì)水霧滅火性能的影響，但KCl添加劑的相關(guān)研究較少。

KCl添加劑溶解度高、電化學(xué)腐蝕作用弱、可降低冰點?；诖?，課題組采用KCl為添加劑，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，使用上述5種溶液生成細(xì)水霧，在密閉空間內(nèi)分別對直徑6、8、10 cm的正庚烷油盤火開展滅火實驗，從滅火過程、滅火時間、火焰溫度、滅火機(jī)理等維度研究含KCl細(xì)水霧抑滅火性能。

1 實驗平臺與操作

實驗平臺簡圖如圖1所示。

1為高壓儲氣瓶；2為空氣干燥箱；3為氣體流量計；4為細(xì)水霧噴頭；5為實驗箱體；6為油盤；7為熱電偶樹； 8為液體流量計；9為無紙記錄儀；10為增壓泵；11為儲液罐。圖1 實驗平臺簡圖Fig.1 The schematic diagram of experimental platform

實驗平臺由低壓雙流體細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)、實驗箱體及測量儀器組成。細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)由水路、氣路、細(xì)水霧噴頭組成，包括高壓儲氣瓶、空氣干燥箱、儲液罐和管路系統(tǒng)。生成細(xì)水霧所用水源為0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，所用氣源為空氣，管路使用直徑12 mm的氣動軟管。實驗過程中保持液體、氣體流量不變，液體流量為0.8 L/min，氣體流量為30 L/min。實驗所用噴頭為低壓雙流體霧化噴頭，由空氣流和液體流相互作用產(chǎn)生細(xì)水霧。噴頭實物如圖2所示。

圖2 噴頭實物Fig.2 The picture of nozzle

實驗箱體體積為1 m3，使用耐高溫玻璃材料，密閉性能良好且便于觀察。池火以圓柱形油盤為容器，包括6、8、10 cm 3種直徑，每次實驗加入30 g正庚烷。油盤放置在噴頭下方，其上邊緣距噴頭80 cm，實驗過程中保持油盤位置不變，預(yù)燃100 s后開啟細(xì)水霧滅火。測量裝置包括熱電偶樹、無紙記錄儀、秒表、攝像機(jī)等。熱電偶樹共裝有5根熱電偶，距油面1 cm處開始，每隔10 cm裝一根，自下而上依次編號為T1、T2、T3、T4、T5。熱電偶樹外接無紙記錄儀，可實時記錄各位置溫度。

實驗在平臺搭建、數(shù)據(jù)采集時盡可能使結(jié)果保持準(zhǔn)確。開展滅火實驗前，在實驗箱內(nèi)使用6、8、10 cm 3種油盤進(jìn)行了空燒實驗，每種油盤均加入30 g正庚烷，測得其燃燒時間分別為21′20″、13′6″、8′30″。而實際滅火過程持續(xù)時間遠(yuǎn)小于空燒時間，因此可保證細(xì)水霧滅火真實性。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 滅火過程

滅火過程根據(jù)火焰形態(tài)大致可分為滅火之前、初步抑制、火焰膨脹、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄滅6個階段[9]，如圖3所示。

圖3 滅火過程Fig.3 The process of fire suppression

滅火之前，火焰穩(wěn)定燃燒；細(xì)水霧到達(dá)火場初期，向下作用的霧滴和氣流與火焰相互作用，火焰被初步抑制，此階段火焰高度明顯下降；細(xì)水霧進(jìn)入火場后導(dǎo)致空氣流速增加，火場內(nèi)壓強(qiáng)小于周圍環(huán)境壓強(qiáng)，于是發(fā)生空氣卷吸，加之火場高溫使燃料蒸汽和水蒸氣相互作用產(chǎn)生共沸，空氣卷吸、共沸二者的耦合作用使火焰內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，遂出現(xiàn)火焰膨脹現(xiàn)象；隨后在霧滴的沖擊下，火焰被撕裂成不規(guī)則形狀；火焰撕裂階段暴露在霧滴下的油面面積越來越大，火焰開始減弱并向兩側(cè)隨機(jī)游走，最后火焰熄滅。其中初步抑制、火焰膨脹階段持續(xù)時間較短；而火焰撕裂和火焰游走階段是反復(fù)進(jìn)行的，持續(xù)時間長。

實驗觀察發(fā)現(xiàn)，施加含KCl細(xì)水霧后，火焰撕裂、游走的反復(fù)次數(shù)明顯減少，而其他階段雖有縮短但不明顯。這表明含KCl細(xì)水霧滅火時縮短的滅火時間主要集中在火焰撕裂、火焰游走階段。

2.2 KCl濃度對細(xì)水霧抑滅性能的影響

圖4所示為不同細(xì)水霧滅6、8、10 cm油盤火過程中T1處的溫度變化曲線，計時從正庚烷引燃開始，預(yù)燃100 s后開始滅火。

圖4 溫度與時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between temperature and time

由圖4可知，不同KCl濃度細(xì)水霧滅火過程中溫度變化差異較大。使用純細(xì)水霧滅3種油盤火時，貼近油面的T1處溫度曲線均出現(xiàn)一段平緩曲線且波動大，這是因為火焰受到抑制向下堆積，加之火焰膨脹、撕裂、游走階段火焰形態(tài)不規(guī)則，使T1處溫度下降緩慢且上下波動。這反映出純細(xì)水霧抑制火焰能力較弱、降溫效果不穩(wěn)定。反觀含KCl細(xì)水霧的滅火過程，3種油盤的降溫過程均隨著KCl濃度增加而縮短，溫度曲線更加平整且下降斜率更大，含4%KCl細(xì)水霧降溫效果最優(yōu)。滅火過程中，由于T2、T3、T4、T5距油面較遠(yuǎn)，受火焰堆積影響小，故施加細(xì)水霧后各測點均呈快速下降趨勢，含KCl細(xì)水霧滅火時下降更快。

降溫速率是衡量細(xì)水霧滅火效果的重要特征參數(shù)。為減小誤差，采用分段法計算平均降溫速率。單次滅火過程中，自細(xì)水霧進(jìn)入火場時刻開始，降至室溫時刻結(jié)束，每2 s劃為一段，對每一段求降溫速率，最后將所求若干個降溫速率取平均值得到平均降溫速率。計算公式如下。

(1)

式(1)中：n為降溫過程劃分段數(shù)；t為降溫過程持續(xù)時間，s。

(2)

使用上述公式計算不同KCl濃度細(xì)水霧T1處的降溫速率，計算結(jié)果如圖5所示。整體來看，不含KCl細(xì)水霧降溫速率最小，降溫速率與KCl濃度呈正比。4%KCl細(xì)水霧降溫性能明顯優(yōu)于其他工況，與純細(xì)水霧相比可增大降溫速率1.5倍左右。

圖5 降溫速率對比Fig.5 Comparison of the cooling rate

綜上所述，使用純細(xì)水霧滅火時降溫慢、波動大、滅火效果不穩(wěn)定，而含KCl細(xì)水霧滅火時，溫度曲線較前者更平整、持續(xù)時間短且降溫速率與KCl濃度成正比?？梢姡琄Cl添加劑可顯著提升細(xì)水霧降溫性能并強(qiáng)化其抑火性能。

2.3 油盤面積對KCl濃度的需求影響

滅火時間從細(xì)水霧進(jìn)入火場開始計時，火焰熄滅后終止計時。為減小誤差，每組實驗做3次取平均值，不同KCl濃度細(xì)水霧作用于6、8、10 cm 3種尺度油盤火的滅火時間如圖6所示。

圖6 滅火時間對比Fig.6 Comparison of the duration of fire suppression

由圖6可知，對于3種油盤而言，KCl濃度為0時滅火時間最長，且滅火時間隨著KCl濃度增加而縮短。但滅火時間并不是無限縮短，KCl濃度由3%增至4%后，滅火時間縮短并不明顯。由此可得出結(jié)論，隨著細(xì)水霧中KCl濃度的增加，滅火時間整體呈下降趨勢，且KCl濃度增至一定量后，滅火時間開始趨于穩(wěn)定。

細(xì)水霧工況相同時，滅火時間隨著油盤直徑增大而縮短。這是由細(xì)水霧作用機(jī)理導(dǎo)致：①大油盤燃燒劇烈，釋放熱量多，霧滴的蒸發(fā)吸熱、窒息作用更強(qiáng)，而小油盤釋放熱量少，霧滴蒸發(fā)數(shù)量少，不利于細(xì)水霧發(fā)揮作用[10]；②油盤面積增大后減少了器壁散熱的影響，火焰對油面熱反饋增強(qiáng)，增大燃燒速率的同時也加快了火場內(nèi)氧氣消耗；③在密閉空間內(nèi)，對于全淹沒滅火方式，火越大越容易撲滅[11]；④油盤面積增大會使到達(dá)油面的霧滴數(shù)量增加，有利于KCl添加劑發(fā)揮作用。

滅6 cm油盤火時，KCl添加劑對細(xì)水霧的強(qiáng)化效果顯得尤為突出，最多可縮短82%滅火時間。滅8、10 cm油盤火時，強(qiáng)化效果沒有6 cm明顯，但隨著添加劑濃度增加，滅火時間也在不斷縮短，最多可分別縮短79%和73%滅火時間。就滅火時間而言，1%KCl細(xì)水霧作用于6、8 cm油盤時強(qiáng)化效果顯著，作用于10 cm油盤時強(qiáng)化效果微弱，而KCl濃度繼續(xù)增大后，對10 cm油盤的強(qiáng)化效果也明顯增強(qiáng)。上述兩種現(xiàn)象表明油盤面積增大后對KCl濃度要求更高。

綜上可得，含KCl細(xì)水霧滅3種油盤火性能均優(yōu)于純細(xì)水霧，油盤面積對細(xì)水霧滅火效果影響較大。油盤面積增大后，滅火時間縮短且對細(xì)水霧中KCl濃度要求更高。

2.4 含KCl細(xì)水霧滅火機(jī)理分析

實驗所用燃料為正庚烷(飽和烴類)，其燃燒是典型的鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)，鏈一旦引發(fā)，會發(fā)生一連串的基元反應(yīng)，直至反應(yīng)物消耗殆盡或施加外界因素使其終止。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)方程式如下：

(3)

(4)

(5)

鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)分為3個階段，即鏈的引發(fā)、鏈的傳遞、鏈的終止。式(3)為鏈的引發(fā)階段，飽和分子RH吸收熱量后分解出大量H+、O2-；式(4)為鏈的傳遞階段，H+、O2-會結(jié)合生成OH-，自由基擴(kuò)散至火場周圍后會自動發(fā)展形成長鏈；式(5)為鏈的終止階段，此階段為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)且放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過式(3)所需活化能，大量熱量會在火場中擴(kuò)散導(dǎo)致火場溫度快速上升，進(jìn)而促進(jìn)鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)向右進(jìn)行。由方程式可知，H+、OH-、O2-是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必不可少的環(huán)節(jié)。

KCl添加劑主要通過化學(xué)作用增強(qiáng)細(xì)水霧滅火效果。含KCl細(xì)水霧霧滴到達(dá)火場后受熱分解產(chǎn)生K+和Cl-，K+可捕捉鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)所必需的H+、OH-、O2-，Cl-可不斷消耗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)物RH，反應(yīng)方程式如下[12]：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

細(xì)水霧進(jìn)入火場后，K+會通過一系列化學(xué)反應(yīng)捕捉火場中的OH-、H+、O2-；Cl-會捕捉飽和分子RH，其產(chǎn)物HCl也會繼續(xù)捕捉火場中的OH-并重新生成Cl-。從反應(yīng)方程式中可以發(fā)現(xiàn)，K+和Cl-在反應(yīng)中是不斷再生的。隨著霧滴持續(xù)進(jìn)入火場，火場中K+和Cl-數(shù)量越來越多，促進(jìn)了二者捕捉自由基的反應(yīng)。由方程式可知，Cl-不斷消耗RH，在鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)的引發(fā)階段發(fā)揮作用；而K+主要切斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的傳遞、終止階段。式(5)反應(yīng)受到抑制后，放熱量大大減少。此時火場熱量來源被抑制，加之細(xì)水霧的冷卻作用，使火場溫度得到有效控制。溫度降低后，飽和分子RH活性下降，鏈的引發(fā)階段也會隨之減弱，直至鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)終止。

除了化學(xué)作用外，KCl添加劑還可強(qiáng)化細(xì)水霧的物理滅火作用。首先，霧滴受熱蒸發(fā)后KCl會以晶體形式析出，附著在器壁四周產(chǎn)生器壁效應(yīng)，湮滅燃料釋放出的游離基，可有效抑制火焰。K+和OH-結(jié)合生成KOH后，由于KOH熔點低，火場內(nèi)大量KOH會由凝聚相變?yōu)闅庀?，從而稀釋空氣中的油氣，可進(jìn)一步抑制火焰[13]。此外，與純細(xì)水霧相比，含金屬鹽添加劑的細(xì)水霧霧滴受熱蒸發(fā)的平均速率要慢，這就會使更多的霧滴可以到達(dá)油面，加速火焰熄滅。

3 結(jié)論

開展了含0、1%、2%、3%、4%KCl的低壓細(xì)水霧抑滅正庚烷池火實驗，研究了KCl添加濃度對細(xì)水霧抑滅火性能以及油盤面積對細(xì)水霧添加KCl濃度需求的影響，分析了含KCl細(xì)水霧滅火機(jī)理，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)火焰形態(tài)，低壓細(xì)水霧滅正庚烷油盤火過程大致可分為滅火之前、初步抑制、火焰膨脹、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄滅6個階段，加入KCl添加劑后縮短的滅火時間主要集中在火焰撕裂、游走階段。

(2) KCl濃度升高后，細(xì)水霧滅火時間縮短、降溫性能提升。含4%KCl細(xì)水霧滅直徑6、8、10 cm的油盤火時，與不含KCl細(xì)水霧相比，可分別縮短滅火時間82%、79%、73%，增大降溫速率1.5倍左右。KCl濃度增至3%后，滅火時間開始趨于穩(wěn)定，二者的具體數(shù)量關(guān)系需待進(jìn)一步研究。

(3)含KCl細(xì)水霧滅3種油盤火性能均優(yōu)于純細(xì)水霧，改變油盤面積會影響含KCl細(xì)水霧滅火有效性。油盤面積增大后，燃燒速率、熱釋放率峰值、熱釋放速率均增大，燃燒更劇烈，要達(dá)到良好的滅火效果，其對細(xì)水霧中KCl濃度要求更高。

(4) KCl添加劑可同時強(qiáng)化細(xì)水霧的物理、化學(xué)雙重滅火作用，其主要通過消耗、湮滅鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)所必需的自由基來達(dá)到抑滅效果。其中Cl-主要切斷鏈的引發(fā)階段，而K+主要切斷鏈的傳遞、終止階段。