非储压干粉灭火装置产气药柱的性能研究❋

张兴炎 谢兴华 孙 鹏 崔 钿

安徽理工大学化学工程学院(安徽淮南，232001)

引言

近年来，火灾事故频繁发生。为了减小危害，灭火效率需迅速提升，对便携式干粉灭火器也提出了更高的要求。干粉灭火器凭借突出的灭火效率、无有害气体、生产使用成本低、安全性能良好等优势而备受关注。缓释型灭火器是一种非储压式干粉灭火器，应用固-气转换方式，将特定配方的药块点燃后，产生的高温气体作为驱动干粉的动力，喷洒干粉到火源处，从而达到灭火的目的[1]。在灭火器结构中，产气药柱产生的气体压力是灭火弹的动力源，燃速影响燃烧时长，产气量则影响灭火性能。

硝酸钾KNO3的热分解速率对产气药柱的燃速有显著的影响。过渡金属或过渡金属化合物位于d轨道上的电子，能加快KNO3热分解时电子的移动，使燃烧加剧。在使用非储压干粉灭火装置时，喷出的超细干粉需满足快流速和大流量的要求；因此，产气药必不可少的条件是产气量充分和燃速恰当。有鉴于此，设计了氧差(100g的药剂中所有可燃药剂完全氧化所消耗的氧和药剂的含氧量之差[2])在－40～0之间的基础配方，进行燃速试验，分析残渣，确定最佳配方。对最佳配方进行产气量测试，再同消防药柱进行对比。

1 产气药柱的设计

1.1 产气药配方

产气药作为壳体的动力源，由点火具点燃，即刻反应生成高温、高压的气体，推动超细干粉喷射出去，进行灭火。其成分包括氧化剂、可燃剂、黏结剂和性能调节剂等[3]。在燃烧过程中，氧化剂为反应供氧，可燃剂提供维持反应进行所需的热量[4]。为了使药块成型，在药剂组分中添加使药块强度增加的黏结剂和燃速调节剂。但添加剂对燃速均有正催化作用，均使产气量有所降低[5]。因此，在优化产气药组分时，需考虑以下几点:

1)各成分不影响预先设计的燃烧效应；2)化学安定性好；3)可长期储存；

4)所产气体无毒无害；5)原料易得，价格便宜。

灭火器按氧化剂可分为K型(KNO3为主)和S型[Si(NO3)2为主]，K型灭火效率要高于S型。所以，选择KNO3作为产气药的氧化剂。由于酚醛树脂对弱酸、弱碱有较好的耐受性，且会被强酸、强碱腐蚀，酚醛树脂粉末不溶于水，易溶于极性溶剂，所以选取酚醛树脂作为可燃剂[6]。同时，由于酚醛树脂有高、低温耐受性强、化学安定性好等优点，试验中，也选择酚醛树脂为黏结剂。可燃剂与黏结剂相同，这也确保了产气药有较好的化学相容性。

1.2 基础配方负氧平衡

以产气药的配方为基础来进行负氧平衡设计。氧化剂为KNO3，可燃剂和黏结剂都为酚醛树脂。在计算时，烟火药中的聚合物用单体，即酚醛树脂单体C13H12O2[7]。

对于三元混合物，有

对于二元混合物，有

式(1)、式(2)中:n为氧差；A为氧化剂的质量，g；B为可燃物的质量，g；C为黏结剂的质量，g；a为释放1 g氧所需氧化剂的质量，g；b为1 g氧燃烧所消耗可燃剂的质量，g；c为1 g氧燃烧所消耗黏结剂的质量，g。

各配方燃烧或分解完全反应方程，见表1。

表1 各成分完全反应方程式Tab.1 Complete reaction equation of each component

分析以上成分，进行负氧(或零氧)平衡设计，改变药剂中硝酸钾和酚醛树脂的质量分数，计算出不同的氧差，见表2。

表2 不同氧差下的产气药的质量分数Tab.2 Proportion of gas-producing drugs under different oxygen differences

1.3 产气药柱结构

合适的燃烧面积，是设计产气药柱的关键[6]。因此，选取恰当的装药密度，以保证药柱的机械强度以及药柱能够匀速燃烧。产气药柱结构见图1。确定压药密度3.01 g/cm3，直径20.0 mm，高度23.0 mm。在药柱的顶端有一直径7.6 mm、深6.0 mm的圆柱孔，可增加其接触火焰的面积，易于点火。

图1 产气药柱结构(单位:mm)Fig.1 Structure of gas-producing grain(unit:mm)

2 试验部分

2.1 产气药柱的制备

利用球磨机对KNO3原料进行研磨，过100目筛；将其放置于50℃的烘箱中，干燥24 h后取出备用。然后，制备酚醛树脂溶液，选用极性溶液乙酸丁酯与酚醛树脂以1∶10的体积比搅拌至完全溶解。其次，按9种不同氧差(见表2)，分别称取KNO3，加入酚醛树脂溶液里，共计9种配比，20 min搅拌一次。将湿混好的药剂过30目的造粒筛，把造粒好的药剂放入烘箱烘干。最后，利用油压机将药剂放入模具，在40 MPa压力下压制成型，每种配比制备2发，所有药柱质量都控制在21 g左右。见图2。

图2 成型药柱Fig.2 Shaped grain

2.2 试验方法

使用起爆器点燃点火药头，从而点燃药柱，再用高速摄影仪拍摄药柱的整个燃烧状态。用秒表记录每组药柱燃烧的时间，计算出药柱质量与燃烧时间的比例，分析产气药柱在不同氧差时的燃速，找出最佳的氧差配比。其次，用X射线衍射仪分析燃烧后的残渣成分。最终，通过GJB770B—2005《火药试验方法》[8]测试药剂燃烧生成的气体量。

3 结果与分析

3.1 氧差对燃速的影响

各配方在氧差－40到0之间的燃速测试结果如图3所示。

根据图3测试结果可明显地看出，氧差在－40到0之间，产气药柱的燃速呈先上升、再平稳波动、最后迅速下降的走势。氧差在－30到－10之间，产气药的燃速在一个平稳阶段，燃速稳定。其中，在氧差为－15时燃速最快，达到8.95 g/s。燃烧过程中，若氧化剂含量过高，导致可燃剂含量相对低，发生剧烈燃烧时无法给予足够的热量，造成燃速变慢或者中止；若氧化剂不足，由于产气药的自供氧特性，燃烧几乎不利用空气中的氧气，并且药剂由性质活泼的成分组成；当氧化剂供氧过低，为了持续燃烧，需要和空气中的氧气反应，因此反应速率下降，燃速降低。

图3 氧差与产气药燃速的关系Fig.3 Relationship between oxygen difference and burning rate of gas-generating agent

此外，氧差大，会导致KNO3剩余，燃烧后留下大量残渣:氧差小，则会使酚醛树脂燃烧不充分。考虑到消防安全性和效率性，选用高燃速和少量残渣的产气药最为合适，即m(KNO3)∶m(酚醛树脂)＝80.4∶19.6，氧差为－15。此时，药剂的配方(质量分数)为氧化剂77.2%，可燃剂11.4%，黏结剂为11.4%。

3.2 残渣对燃速的影响

图4为氧差为0时的残渣。剧烈的燃烧反应生成高温气体，伴随少量的颗粒。这些颗粒一部分是燃烧时由高温气体喷射而出，另一部分是燃烧结束后冷却成渣。

图4 氧差为0时的残渣Fig.4 Residue when oxygen difference is 0

通过B-W法(H2O—CO—CO2)，计算氧差－15时的状况。化学反应方程式如下:

式(3)显示，反应后的固体产物只有K2O。但现实中燃烧反应极为复杂。使用X射线衍射仪分析，得出残渣的衍射图谱，如图5所示。

图5 X射线衍射图谱Fig.5 X-ray diffraction pattern

将X射线衍射图谱同标准图谱分析比较可知，燃烧残渣主要有K2CO3、KNO3、K2O、C，钾盐占比大；因为KNO3在药柱中充当氧化剂且比重很大。过多的残渣会使喷口堵塞，影响灭火装置喷射干粉，进而降低灭火效率。因此，综合考虑燃速高和残渣低两个因素，KNO3-酚醛树脂产气药柱的氧差控制在－20到－10较合适，其中，氧差－15为最佳。

3.3 产气量测试

图6为产气量测试装置示意图。

图6 产气量测试装置示意图Fig.6 Schematic diagram of gas production test device

通过计算，假设气体在理想状态下，即

装置内空气物质的量药柱完全燃烧后气体物质的量

因此，产气药柱生成物的物质的量

转换为标准状态下气体的体积为

最终计算，每克产气药柱生成的气体体积为

式中:p是压强，Pa；V为容器体积，L；n是物质的量，mol；R是气体普适常数；T为热力学温度，K；V m单位质量产气量，L/g。

实验测试结果和消防上使用的产气药柱的产气性能做对比，见表3所示。

表3 产气性能对比Tab.3 Comparison of gas production performance

通过表3可知，自制的氧差为－15的KNO3-酚醛树脂产气药柱的产气量明显比市场上使用的消防药柱更多。该药柱单位质量的产气量高于消防药柱19%，证明该产气药柱驱动力充足。

4 结论

1)通过实验和分析可知，氧差从－40到0，产气药柱燃速先增大、到平稳、再降低。氧差在－15时，燃速最高，8.95 g/s。由X射线洐射分析可知，产气药柱燃烧后残渣物主要是K2CO3、KNO3、K2O和C。为了稳定燃速和降低残渣，应将氧差控制在－15左右为佳。

2)不同氧化剂含量对燃速影响较大。最佳配方(以质量分数计)是氧化剂77.2%，可燃剂11.4%，黏结剂11.4%。

3)该配方燃速高，产气量充足，产气量为0.245 L/g。相较于正在使用的消防药柱，产气量提高了19%。