基于非贮压干粉灭火装置产气剂的性能研究

贾 雷，于 瑶，潘 靖，杨志晗，唐永彪

基于非贮压干粉灭火装置产气剂的性能研究

贾 雷，于 瑶，潘 靖，杨志晗，唐永彪

(天津鹏安数讯消防设备工程有限公司，天津，300400)

基于非贮压干粉灭火装置的特点，针对其产气剂设计了不同粘结剂配比的基础配方，通过产气量测试确定了最优基础配方，并研究了添加剂对其产气量和燃速的影响。结果表明：粘结剂含量对产气量影响较大，计算氧差时需考虑粘结剂耗氧量；最优基础配方为59.8%氧化剂，20.2%可燃剂，20%粘结剂，氧差为-30，产气量为343mL/g。添加剂对燃速均有正催化作用，但使产气量均有所降低；综合比较产气量和燃速，确定三氧化二铁催化效果较好。

产气剂；粘结剂；产气量；添加剂；燃速

目前，围绕超细干粉灭火剂开发的灭火装置按照驱动方式可分为贮压式和非贮压式两种[1-2]。贮压式超细干粉灭火装置凭借生产成本低、使用方法简单、可靠性强等优点被广泛应用，但同时也存在着体积较大、需定期充压维护、有潜在爆炸危险等缺点[3]。非贮压式超细干粉灭火装置具有体积小巧、常压工作、无需维护、安全可靠的特点，弥补了贮压式超细干粉灭火装置的缺点，在市场上占据重要地位。

非贮压式超细干粉灭火装置喷出的超细干粉应有较快的流速和较大的流量，所以单位质量产气量大和燃速适中成为产气剂必需具备的条件。在烟火药配方研究中，粘结剂添加量通常不大于10%，而高含量粘结剂对配方的影响却鲜有研究。为此，本文设计了粘结剂含量为5%～20%配比的基础配方，通过产气量测试，确定最优基础配方，并在最优基础配方的基础上，讨论了添加剂对其产气量和燃速的影响。

1 产气剂配方设计

1.1 产气剂驱动原理

非贮压式超细干粉灭火装置驱动采用固气转换技术[4]，原理是利用烟火药的氧化还原反应，生成大量N2、CO2、H2O等高压气体，在灭火装置内平稳、规律地实现固气转换。当装置内的气体达到一定压力后，气体会冲开铝箔封片，驱动超细干粉灭火剂喷入火场实施灭火。非贮压灭火装置的喷射气流相比贮压式灭火装置大，因而灭火剂在防护空间内弥散更加均匀，喷射距离更远。科研工作者还发现[5]，产气剂产生的热气溶胶本身就有很好的灭火功效，再加上超细干粉良好的灭火性能，使这种灭火装置较之前的超细干粉灭火装置灭火效率大大提高。

1.2 基础配方设计

烟火药组分内含氧量的相对大小可用氧差来表示。氧差（）是指100g烟火药中所有可燃剂完全氧化所需氧量和烟火药自身所含氧量之差[6]。本实验设计了不同粘结剂含量的配方，其中粘结剂作为第2可燃剂参与氧化还原反应，故三元混合物氧差的计算方法如下[7]:

式（1）中：为烟火药中氧化剂含量，g；为烟火药中可燃剂含量，g；为烟火药中粘结剂含量，g；为释放1g氧所需氧化剂质量，g；为1g氧能燃烧的可燃剂质量，g；为1g氧能燃烧的粘结剂质量，g；所以，>0时，是正氧平衡；=0时，是零氧平衡；<0时，是负氧平衡。由于正氧平衡和零氧平衡烟火药反应剧烈，所以产气剂配方设计使用负氧平衡。表1列出了不同粘结剂含量下产气剂的配方。

表1 不同粘结剂含量下产气剂配方

Tab.1 Formulation of gas generating agent with different binder contents

2 实验部分

2.1 实验试剂

实验中所用的产气剂由氧化剂、可燃剂、粘结剂、添加剂（二茂铁、镁粉、三氧化二铁、氧化锌）组成。

2.2 实验仪器

实验仪器包括：产气量测试系统（自制）；药条压制模具（自制）；药柱模具（自制）；液压机，天津市能谱科技有限公司；天平，天津天马衡基仪器有限公司；秒表，深圳市惠波工贸有限公司。

2.3 实验方法

2.3.1 产气量测试

产气量测试装置如图1所示，将产气剂装入药室，用电池启动电点火器继而点燃产气剂，通过无纸记录仪记录装置内的温度和压力。

图1 产气量测试装置示意图

产气量计算方法[3]：根据理想气体状态方程=R，测量装置内原有空气的摩尔数空气=空气/(R空气)，产气剂反应完全后装置内全部气体的摩尔数总=稳态/(R稳态)，则产气剂生成气体的摩尔数生成=总-空气，换算成标况下的气体体积=生成×22.4，单位L，单位质量产气剂生成气体体积V=/，单位L/g。测试罐体体积为12.12L，产气剂质量为20g，稳态压力为20℃时装置内的压力。

2.3.2 燃速测试

产气剂的燃速决定了非贮压灭火装置的启动时间，燃速过快，药柱可能会在药室内爆炸，无法正常打开灭火器；燃速过慢，不能及时灭火，所以合适的燃速对非贮压灭火装置至关重要。本实验产气剂燃速以线性燃速来表示[8]，即：=/，单位mm/s，其中：为药条长度，mm；为药条燃烧时间，s。药条尺寸为8mm×8mm×100mm ，密度为1.5g/cm3。由于药条过长，只有采用侧压的方式才能保证受力均匀、密度一致。GJB 770B-2005火药实验方法和GJB 5384- 2005 烟火药性能试验方法规定，火工品和烟火药的包覆均采用氧化锌胶布（医用胶布），以保证其能够层面燃烧。图2为药条模具示意图。

图2 药条压制示意图

3 结果分析与讨论

3.1 产气剂基础配方

表2列出了不同粘结剂含量下产气剂的产气量。

表2 不同粘结剂含量下产气剂的产气量

Tab.2 Gas production of gas generating agent with different binder contents

从表2中可以看出，氧差为-10和-20时，产气量随着粘结剂含量的升高而减小；氧差为-30时，产气量随着粘结剂含量的升高而增大。最优基础配方为氧化剂59.8%，可燃剂20.2%，粘结剂20%，氧差为-30，产气量为343mL/g。实验结果说明：粘结剂含量对产气剂的产气量影响较大，计算氧差时不可忽略。

3.2 添加剂对产气量及燃速的影响

选取最优基础配方为空白对象，讨论5%（）添加剂（二茂铁、镁粉、三氧化二铁、氧化锌）对产气量及燃速的影响，测试结果如表3所示。由表3可知，产气量由大到小依次为空白、三氧化二铁、镁粉、二茂铁、氧化锌；燃速由大到小依次为二茂铁、镁粉、三氧化二铁、氧化锌、空白。实验结果显示，含有过渡金属元素的添加剂对产气剂燃速均有正催化作用，但是却不同程度地降低了产气量，可能是因为添加剂本身不参与氧化还原反应，但添加剂的加入却降低了参与氧化还原反应的反应物浓度。与空白配方相比，三氧化二铁作为添加剂时，产气量为330mL/g，降低了3.8%；燃速为0.61mm/s，提升了45%。综合比较分析，添加剂三氧化二铁催化效果较好。

表3 不同添加剂下的产气量和燃速

Tab.3 Gas production and burning rate under different additives

4 结论

（1）基础配方产气量结果表明：粘结剂含量对产气量影响较大，计算氧差时不可忽略。最优基础配方为氧化剂59.8%，可燃剂20.2%，粘结剂20%，氧差为-30，产气量为343mL/g。（2）在最优基础配方的基础上，实验研究不同添加剂（5%，）对产气量和燃速的影响，结果显示：含有过渡金属元素的添加剂对燃速均有正催化作用，但产气量均不同程度降低。综合比较产气量和燃速，三氧化二铁催化效果较佳。（3）产气剂最优配方为氧化剂59.8%，可燃剂20.2%，粘结剂20%，添加剂三氧化二铁5%；其产气量为330mL/g，燃速为0.61mm/s。

[1] 殷志平.磷酸铵盐微粒灭火剂在单室火灾抑制过程中的动力学性能研究[D].南京:南京理工大学, 2008.

[2] 王海燕,向宏朝,陈仕林.超细干粉灭火装置—贮压式和非贮压式产品功能比较[J].消防技术与产品信息,2008(4):10-12.

[3] 邵子豪.一种干粉灭火器驱动药块的研究[D].淮南:安徽理工大学,2017.

[4] 李习民,谢玖伟,秦玉旺,等.非贮压干粉灭火装置的改进[J].消防科学与技术,2010,29(9):790-793.

[5] 王建霞.车载燃气驱动型干粉灭火装置设计研究[D].北京：北京理工大学, 2016.

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[7] 陈智杰.洁净热气溶胶灭火剂配方设计原理研究[D].南京：南京理工大学, 2015.

[8] 尹家旺.烟火药燃速测试方法研究[D].北京:北京理工大学,2015.

Study on Performance of Gas Generating Agent Based on Non Pressure-Accumulated Powder Fire Equipments

JIA Lei, YU Yao, PAN Jing, YANG Zhi-han, TANG Yong-biao

（Tianjin Pengan Digital Communication and Fire Equipment Engineering Co. Ltd.，Tianjin，300400）

Based on the characteristics of non pressure-accumulated powder fire equipments, the basic formula of different binder ratio was designed for the gas generating agent. The optimal base formulation was determined by testing gas production. The effect of additives on the gas production and burning rate was studied based on the optimal base formulation. The results show that the binder content has a great influence on the gas production. The oxygen consumption of the binder should be considered as calculating the oxygen difference. The optimal base formula is obtained, which contains oxidizing agent of 59.8%, combustible agent of 20.2%, binder of 20%. Its oxygen difference is -30 and gas production is 343mL/g. The additive has a positive catalytic effect on the burning rate, but the gas production is reduced to varying degrees. Comprehensive comparison of gas production and burning rate, it is found that the catalytic effect of ferric oxide is better.

Gas generating agent; Binder; Gas production; Additive; Burning velocity

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.014

1003-1480（2019）03-0055-03

2019-05-06

贾雷（1987- ），男，工程师，主要从事消防产品的研发及技术研究。