受限空间中化学活性超细粉体的全淹没灭火性能*

王婷　吕岳　杨博　王信群

(中国计量学院质量与安全工程学院　杭州 310018)



受限空间中化学活性超细粉体的全淹没灭火性能*

王婷吕岳杨博王信群

(中国计量学院质量与安全工程学院杭州 310018)

在容积为1.5 m3的受限空间中开展超细ABC粉体全淹没灭火性能研究，测量施加超细粉体后火焰温度变化及火灾抑制、熄灭全过程，探究灭火剂充装压力、灭火剂用量等参数对灭火效果的影响。研究表明，充装压力从0.8 MPa增加到1.2 MPa时，灭火时间从5 s减少到3 s，因而提高充装压力可改善喷射效果，改善灭火性能。通过驱动氮气、超细粉体的耦合作用及单纯驱动气体灭火相比较，证明驱动氮气对火灾抑制、熄灭的作用忽略不计，但驱动气体对提高超细ABC粉体与火焰相互作用的进程起到至关重要的作用。两组工况下的火焰未能全部熄灭，但其中一组工况喷射灭火剂，其火焰燃烧强度得到显著抑制。

超细粉体受限空间全淹没灭火

0　引言

化学活性超细粉体粒径小且弥散性较好、比表面积较大，具有单个粒子质量小沉降速度慢的显著特点，与传统干粉灭火剂相比，呈现出较强灭火能力[1-2]。国内外诸多学者对超细微粒灭火剂灭火性能影响因素做了大量研究。其中周晓猛等[3]研究了超细化及表面改性碳酸氢钠粉体的灭火性能，得出超细化后碳酸氢钠粉体粒径分布更加均匀，表面改性后超细粉体灭火时间减少1/5～2/3；况凯骞等[4]对比3种粉体的灭火性能，得出粉体粒径和颗粒表面形态对灭火性能有很大影响；王立等[5]对比其制备的两种干粉灭火性能，得出粒径较小和高温下良好的热分解特性使超细氢氧化镁粉体具有更优的灭火性能；杨冬雷等[6]将细化后的BC粉体与未细化的BC粉体灭火效果相比，发现细化后粉体灭火性能优于未细化粉体，且侧面施加灭火剂的方式优于从底部施加等；殷志平等[7]对ABC干粉进行超细化和表面改性，得出灭火剂粒径在小于4.11 μm时，能够在空中滞留15 min以上，且灭火剂质量浓度随着灭火剂的平均直径的减小而减小；唐聪明等[8]利用超音速气流粉碎机将粉体超细化并利用甲基含氢硅油对粉体进行表面处理，得到了平均粒径为7.28 μm、流动性及疏水性等性能都较优的超细磷酸铵盐，由灭火实验表明处理后的灭火剂灭火效率增加。

上述研究主要集中于利用超细粉体开展局部作用灭火，即实施灭火时，喷头正对火源上方或火焰根部，进行“点射”，旨在探究粉体粒径、比表面积等参数对灭火效果的影响。本文在受限空间内，以全淹没灭火方式开展了超细ABC粉体灭火剂的灭火效果研究。与局部作用方式灭火的主要区别在于，喷头与火源位置之间没有相关性，重点探索了灭火剂充装压力、喷头与火源相对位置等参数对灭火效果的影响，旨在为某些无人值班、值守的场所如无线通信基站采用该类灭火措施提供技术支持。

1　实验装置及方法

全淹没灭火实验所用装置见图1。加压驱动气体为氮气，灭火剂采用平均粒径为10.64 μm的超细ABC粉体。灭火室为空间体积约1.5 m3的受限空间，其顶棚、底板及3个壁面均为防火石膏板构建，一个壁面为钢化玻璃墙体用以观察灭火全过程。火源为200 mL的0#柴油，盛于直径为90 mm、高为35 mm油盘之中。灭火室中共放置5个油盘，其相对位置如图1所示。使用K型铠装热电偶阵列用以测量灭火过程每个油盘燃烧火焰区的温度变化，并以此表征火焰抑制过程。每组热电偶阵列由4根热电偶组成，第1根热电偶置于可燃液体内部，用于观测火灾过程中产生的热量对未燃介质的热反馈，其余3根分别距离可燃液体起始液面50，100，150 mm。

1-加压储粉装置；2-灭火室；3-油盘；

实验根据预先设定值充装灭火剂、驱动气体，然后将灭火室顶部防火石膏板打开，逐个点燃油盘后将防火石膏板盖关闭，以保证受限空间为封闭状态。预热20～50 s至火焰稳定，打开阀门施放灭火剂进行灭火。同时利用数码相机记录实验中从点火到火灭全过程。典型实验工况如表1所示。

表1　超细ABC粉体全淹没灭火实验工况表

2　实验结果与讨论

实验过程中，超细ABC粉体在氮气驱动下喷出，为证明实验中火焰的熄灭不是由驱动气体造成，将表1中工况1作为空白对照实验。火焰燃烧时外焰温度最高，火焰熄灭时相对应外焰的温度变化最明显，因此工况1下只分析5个油盘中外焰的温度变化情况，即油面以上15 cm处热电偶温度变化情况，如图2所示。Ⅱ号油盘中火焰温度在喷射驱动气体后立即下降至47 ℃，此时Ⅱ号油盘中火焰熄灭。其他油盘中火焰温度受驱动气体气流影响，火焰不稳定，火苗偏离热电偶测温区。因此驱动气体释放后，Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ号油盘中的热电偶温度测量数据抖动较厉害，但火焰并没有熄灭，火焰温度也没有明显下降趋势。说明在超细ABC粉体的全淹没灭火实验中，仅依靠气体无法将油盘中火全部熄灭。工况1中Ⅱ号油盘中火的熄灭，是由于Ⅱ号油盘距离喷头最近，1.2 MPa氮气主要作用在Ⅱ号油盘上，隔离了Ⅱ号油盘周围的氧气。当充粉量不为0 g时，喷出气体的能量将会被粉体扩散运动消耗一部分，气体单独作用在火焰上能量将会降低且对火焰周围氧气浓度的影响也会大大降低，因此气体在其他工况下的灭火作用可忽略不计。

图2工况1油面以上15 cm热电偶温度变化曲线

2.1超细ABC粉体灭火剂对火焰的抑制作用

选取工况1、2中油盘火焰均未熄灭、距离喷头最远的Ⅴ号油盘作为研究对象，分析在油盘中火焰未熄灭的情况下灭火剂对火焰的抑制作用。当1.2 MPa氮气喷向灭火室后，Ⅴ号油盘中油面以上5～15 cm三处热电偶温度在驱动气体气流作用下，抖动较厉害，一直处于升温的趋势直至油烧完温度才降低，见图3。当工况2中400 g超细ABC粉体在0.6 MPa压力下喷出后，Ⅴ号油盘中三个高度处的热电偶温度均立即下降，见图4。60 s时，油面以下热电偶温度从209 ℃下降到185 ℃；油面以上5 cm处的热电偶温度从468 ℃下降至254 ℃；油面以上10 cm处的热电偶温度从392 ℃下降到260 ℃；油面以上15 cm处热电偶温度从618 ℃下降到335 ℃。可见工况1中，驱动气体仅会引起Ⅴ号油盘中火焰抖动，并不会降低火焰和油的温度，即仅依靠1.2 MPa氮气对火焰没有明显抑制作用。而工况2中，虽然400 g灭火剂在0.6 MPa的压力下不足以将Ⅴ号油盘中火焰熄灭，但是其油盘中火焰与灭火剂作用，火焰温度明显下降，且灭火剂覆盖在油面上也使油面温度降低，说明超细灭火剂对火焰具有非常明显的抑制作用。

图3工况1中Ⅴ号油盘火焰温度变化曲线

图4工况2中Ⅴ号油盘火焰温度变化曲线

2.2充装压力对超细ABC灭火剂灭火性能的影响

工况3、工况4、工况5的灭火时间分别为5.46,3.64,2.98 s。在火焰燃烧阶段，外焰温度最高，在火焰熄灭后外焰温度变化最明显，因此为了分析超细ABC粉体的灭火性能，此处只分析3个工况下的外焰温度，即油面以上15 cm热电偶温度数据，见图5～图7。油面以上15 cm处火焰温度随时间变化趋势包括升温预燃阶段、灭火阶段和降温阶段。在升温预燃阶段，3个工况中5处火焰由于其周围气流的影响，会出现火焰位置稍微偏离测温区而引起测量数据出现抖动的现象。施加灭火剂后，3个工况下各处油盘中火焰温度均明显下降至50 ℃左右，说明此时油盘中火焰均被熄灭，这与表1中记录的实验结果相符合。工况3中施放灭火剂时，位于灭火剂主要流动路径上的Ⅱ号油盘中火焰最先与灭火剂作用，且火焰温度迅速下降并熄灭。而Ⅲ号和Ⅴ号油盘都位于距离喷头较远处的角落，与灭火剂作用较晚，因此温度下降速度较Ⅱ号油盘稍慢。图6和图7中Ⅱ号油盘中火焰下降速度也明显快于Ⅲ号与Ⅴ号油盘中火焰的下降速度。对比图5、图6和图7，得出工况3的灭火时间最长，工况5的最短。说明当装粉量相同时，随着气体压力增加，超细ABC粉体灭火时间随着压力升高而降低。这是由于压力逐渐增大时会增加超细粉体颗粒的动量，当粉体颗粒的动量在一定范围内增大时，其穿透火羽流到达火焰深处的时间降低，即更有效更快速地熄灭火焰。

图5工况3油面以上15 cm热电偶温度变化曲线

图6工况4油面以上15 cm热电偶温度变化曲线

图7工况5油面以上15 cm热电偶温度变化曲线

3　结语

(1)在1.5 m3受限空间中，当施加超细ABC粉体总量不变，充装压力从0.8 MPa增加到1.2 MPa，全淹没灭火时间从5 s减至3 s。因而提高驱动气体充装压力，可改善喷射效果，使超细粉体的灭火性能明显改善。

(2)将单纯驱动气体灭火效果，与驱动氮气和超细粉体的耦合作用效果相比较，证明驱动氮气对火灾抑制、熄灭的作用可忽略不计。火焰的熄灭是超细粉体的作用结果，但驱动气体对提高超细ABC粉体与火焰相互作用的进程起到至关重要的作用。

(3)实验中两组工况下的火焰未能全部熄灭，但一组为添加超细粉体的实验工况，其火焰的燃烧强度得以显著抑制。说明ABC超细粉体对于未熄灭的火焰仍具有明显的抑制作用。

[1]况凯骞.细化粉基灭火介质与火焰相互作用的模拟实验研究[D].合肥：中国科学技术大学,2008.

[2]周文英,杜泽强,介燕妮,等.超细干粉灭火剂[J].中国粉体技术,2005,11(1):42-44.

[3]周晓猛,姜丽珍,陈涛.超细粉体灭火介质的表面特性及灭火性能[J].燃烧科学与技术,2009,15(3):214-218.

[4]况凯骞,王亚果,黄鑫,等.改性超细粉体灭火性能模拟实验研究[J].安全与环境学报,2006,6(2):115-119.

[5]王立,许,罗源,等.超细氢氧化镁干粉的灭火性能研究

[J].消防科学与技术,2009,28(6):425-428.

[6]杨冬雷,况凯骞,郑莹辉，等.细化粉基介质抑制熄灭油池火的模拟实验研究[J].中国安全科学学报,2007,17(11):40-47.

[7]殷志平,潘仁明,曹丽英. 超细磷酸铵盐微粒灭火剂与B类火作用的有效性研究[J].安全与环境学报,2007,7(4):125-128.

[8]唐聪明,徐卡秋,赵春霞.超细磷酸铵盐干粉灭火剂研究[J].精细化工,2004,21(5):398-400.

Total Flooding Fire Extinguishing Performance of Superfine Powder Fire Extinguishing Agent in Confined Space

WANG TingLYU YueYANG BoWANG Xinqun

(CollegeofQualityandSafetyEngineering,ChinaJiliangUniversityHangzhou310018)

The experiment is carried out in 1.5 m3confined space, in which the variation of flame temperature, fire suppression and full process of extinguish are measured by thermocouples and the effects of filling pressure, fire extinguishing agent dosage and other parameters on the suppression are researched. When the filling pressure is increased from 0.8 MPa to 1.2 MPa, the fire extinguishing time is reduced from 5 s to 3 s, so the increase of the filling pressure can improve the results of injection and the performance of fire extinguishing. By comparing couple effects of drive nitrogen and superfine powder fire extinguishing agent, it proves that the impact of injection gas in the flame is negligible, but drive nitrogen can make great contributions to the process of the interaction of flame and superfine powder fire extinguishing agent. The fire will be extinguished in two different working circumstances, but in one of the working conditions of sprayed extinguishing agent, the flame intensity is significantly inhibited.

superfine powderconfined spacetotal flooding fire extinguishing

国家自然科学基金(51174182)，国家国际科技合作专项(2013DFG71760)。

王婷，女，1990年生，硕士，主要从事火灾爆炸预防控制技术及装备方面的研究。

2015-06-28)