新型細水霧添加劑成分對滅火性能影響研究

紀歡樂，張青松，吳斌斌，梁天水

(1.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥230026;2.中國民航大學安全科學與工程學院，天津300300)

1 前言

由于哈龍滅火介質滅火性低且具有較強的溫室效應，該類滅火器已經逐漸被淘汰，對于新型滅火介質的研究逐漸加大。其中細水霧滅火技術因其無環境污染、成本較低等優點被視為哈龍滅火介質的主要替代物之一。然而在有些火災場景下細水霧的應用存在不足，如滅火效能低和較容易結冰等。在細水霧中加入各種不同的添加劑不僅可以利用細水霧降低氧含量和冷卻作用，同時還可以利用添加劑本身的性質彌補純細水霧的一些缺陷。

近年來國內外逐漸開展對細水霧添加劑的研究，主要在單一添加劑和復合添加劑兩個方面上進行。目前對單一細水霧添加劑的研究主要包括:Daniel[1]選取了美國林業部門安全名單中4種物質作為添加劑進行了細水霧粒徑、接觸角等參數的研究;Andrew K Kim[2]研究了添加了發泡劑后，細水霧滅火系統對于木垛火、油類火的滅火性能影響;叢北華等[3]研究了含NaCl添加劑細水霧對不同燃料池火滅火性能的影響。而在復合添加劑方面的研究卻較少，例如 Georges LeFort[4]研究的杜邦 Forafac WM復合添加劑自身的毒性及其對于細水霧滅火性能、火焰復燃的影響;而國內僅有中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室、河南理工大學火災實驗室等少數幾個單位開展了相關實驗[5～7]，但就添加劑成分比例目前尚未形成普遍適用的理論與規律。對于自制復合型細水霧添加劑的滅火性能已經在之前得到了驗證[8，9]，本文對其組分進行了滅火效率隨各成分濃度變化規律的研究，力圖從化學和物理及其兩者耦合作用來探索添加劑的最佳成分配比，并用實驗與分析結果進行驗證。

2 實驗方法

實驗在開放空間內進行，盡量保證不受外部環境影響。燃料為柴油和汽油，每次燃燒試樣均為150 mL，柴油預燃100 s，汽油預燃60 s。燃料用邊長為15 cm的正方形油盆盛裝。細水霧噴頭距離地面1 m，放置在油盆正上方，工作壓力分別為0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在油盆正上方表面中心處設置第一個熱電偶，然后沿著表面中心線向上每隔10 cm布置一個熱電偶，共布置5個熱電偶，分別編號為1～5。熱電偶的測量數據通過采集卡由電腦收集處理。實驗系統見圖1。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic view of experiment

添加劑是由表1所示的物質構成的，實驗中每次制備添加劑200 g，稀釋為5 000 g后添加到儲水罐中。

表1 細水霧添加劑成分Table 1 Component of water mist additive

對于添加劑成分，按照可能影響滅火性能程度且在添加劑中含量高低的順序，按氟表面活性劑、尿素、乳酸鈉、二甲基酰胺、烷基酚聚氧乙烯醚和三乙醇胺的順序，在一定范圍內調整它們在添加劑中的含量，通過實驗結果與理論分析，得出各自對添加劑滅火性能的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 碳氟表面活性劑對滅火性能的影響

含氟表面活性劑是指碳氫鏈中的氫原子全部或部分被氟原子替代，形成的具有碳氟鏈Rf憎水基的表面活性劑[10]。因為氟碳鏈Rf既疏水又疏油，氟碳鏈之間很弱的相互作用使含氟表面活性劑在水中呈現很高的表面活性，即有著非常低的表面張力，可以使氟表面活性劑溶液的表面張力下降到20 mN/m以下，而油的表面張力一般在20～24 mN/m，因此添加劑的水溶液可抵消油/水的界面張力影響，單獨在油面上鋪展。同時由于含氟表面活性劑的高表面活性和其他特殊性能，因此實際應用中其使用濃度很低，用量很少。本實驗中選用的是季銨鹽型碳氟陽離子氟表面活性劑，即 FC－4:CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)2－CF(CF3)CONH(CH2)3N+(C2H5)CH3I－。

因為陽離子表面活性劑本身分子結構的主要部分是一個五價的氮原子，所以也稱為季銨化物，其特點是水溶性大，在酸性與堿性溶液中較穩定，具有良好的表面活性作用，同時FC－4具有一些優良性能，具有憎水憎油的特性。能使水和多數溶劑的表面張力降到很低，而使用的濃度卻很小。

從圖2不含FC－4和含0.24%FC－4滅火添加劑的細水霧，在0.5 MPa下與柴油火作用的錄像截圖可以看出，在柴油自由燃燒時，火焰比較旺盛，高度比較高，與周圍空氣的卷吸作用比較強。在細水霧施加后，由于受到氣流擾動的影響，火焰先是瞬時增大，隨著細水霧逐漸進入火場，火勢逐漸下降。對于含0.24%濃度FC－4添加劑的細水霧，在2 s時，火焰已經被抑制到油面附近，隨即被完全撲滅。而對于添加劑中無FC－4時，在前2 s內，細水霧一直在抑制柴油火的階段，在10 s時火焰高度剛下降到一半左右，完全撲滅火焰需要20 s之久。

一般情況下，含氟表面活性劑的使用濃度為0.05%左右即可達到很好的使用效果。實驗中1號熱電偶的溫度最高，為了便于比較不同濃度下FC－4的冷卻效果，以1號熱電偶溫度為冷卻的特征溫度。圖3為不同FC－4濃度下，0.5 MPa下汽油燃燒時施加細水霧后溫度變化情況。從圖中看出，火焰首先是自由燃燒階段，溫度持續上升，施加了不同濃度的FC－4細水霧之后，溫度下降曲線有比較大的區別。在FC－4濃度為0，也就是沒有添加FC－4時，溫度下降最緩慢;當濃度為0.24%時，溫度下降最為迅速。

圖3 0.5 MPa壓力下汽油溫度曲線Fig.3 Flame temperature curve ofgasoline under 0.5 MPa

圖4和圖5中為在不同壓力下，含有不同濃度FC－4的平均滅火時間。對于柴油火，在0.3 MPa和0.5 MPa時，在濃度0.24%范圍內，滅火效果隨著FC－4濃度的增加而增加。隨著濃度進一步上升，滅火效果又開始下降。而在0.7 MPa時，滅火效果主要受細水霧吹力的影響較大，滅火時間基本無區別。而對于汽油，由于其比柴油沸點低，在0.3 MPa時，含有添加劑的細水霧無法撲滅汽油火。在0.5 MPa和0.7 MPa壓力下，滅火效果同樣是隨著FC－4的質量濃度增加呈現先上升后下降的趨勢。

FC－4對添加劑的影響主要是減少添加劑表面張力，由韋伯數公式可知

式(1)中，We為韋伯數;U2r為氣液相對速度，m/s;ρl為氣體密度，kg/m3;d為射流直徑，m;σl為液體的表面張力，N/m。

圖6為利用SL201型移動張力儀對不同FC－4濃度添加劑進行表面張力測定的結果。由圖6可知，添加劑在FC－4濃度0% ～0.05%之間迅速下降，之后基本穩定在20 mN/m。理論上對于含有添加劑的細水霧來說，當添加劑的表面張力降低時，在其他條件不變的情況下，表面張力降低導致水霧粒

圖4 不同FC－4濃度下柴油火滅火時間Fig.4 Extinguish time of diesel fuel under different FC－4 concentration

圖5 不同FC－4濃度下汽油火滅火時間Fig.5 Extinguish time of gasolineunder different FC－4 concentration

圖6 不同FC－4濃度下表面張力值Fig.6 Surface tension value of different FC－4 concentration

徑降低，細水霧滅火的霧化能力增強。對于柴油火來說，更多的霧滴進入火羽流被蒸發，意味著火焰區的溫度迅速降低，火焰被逐步壓向油盆，最后霧滴達到柴油表面，燃料表面溫度降低，最后火焰被撲滅。對于汽油火來說，降低細水霧粒徑能達到同樣的效果，滅火時間先降低后增加。但是粒徑要達到油池表面需要一定的壓力，對于汽油火來說，在0.3 MPa時，粒徑在未達到油池表面即全部被燃燒蒸發，因此在此工況下不能有效撲滅汽油火。

3.2 尿素對滅火性能的影響

添加劑中尿素屬于受熱易分解物質。溫度高于160℃，尿素即受熱分解，CO(NH2)2=NH3+HCNO。同時，尿素溶于水后，同樣可以產生CO2和NH3，即 CO(NH2)2+H2O=2NH3+CO2。分解產生的CO2和NH3起到惰性氣體滅火作用，并且吸收大量熱，降低了火焰溫度。因此尿素增強了細水霧的物理滅火作用。

由圖7和圖8可看出，不同尿素濃度下熄滅柴油火和汽油火的時間。在0.24%濃度范圍內，滅火效果隨著尿素濃度的提高有一定程度的提高。但隨著濃度的進一步提升，滅火效果均出現不同程度的下降。這種關系，反映了細水霧的物理作用與尿素的熱分解作用之間的耦合關系。當加入尿素以后，尿素的熱分解作用使得相同作用的液滴蒸發速率減小，就使得單位時間產生的水蒸氣減少，從而使得細水霧的滅火性能降低，但同時因為還有一部分熱量用來使得尿素熱分解產生NH3和CO2，從而使得熱分解的作用增強，同時產生的其他氣體可以減少周圍空氣氧氣含量，綜合起來使得滅火效能提升。隨著尿素含量的增加，用于提供熱分解的那一部分繼續增加，而細水霧的蒸發速率進一步下降，當熱分解的作用不足以抵消細水霧蒸發速率提供的效果時，就體現在滅火性能的降低，這就可以理解隨著尿素濃度在0.24%以后滅火時間的延長。

圖7 不同尿素濃度下柴油火滅火時間Fig.7 Extinguish time of diesel fuelunder different urea concentration

圖8 不同尿素濃度下汽油火滅火時間Fig.8 Extinguish time of gasoline under different urea concentration

圖9和圖10是不含尿素和0.24%尿素濃度下柴油火和汽油火溫度。可以看出，當施加細水霧之后，柴油經過100 s，汽油經過60 s后都已經開始完全燃燒，在0.1 m處的溫度下降比較迅速，幾乎是直線下降，0.5 m處的溫度浮動范圍很小。由于添加劑對柴油火的滅火效果較好，在溫度圖上幾乎體現不出尿素對于溫度下降的影響，但從汽油火溫度分布圖中，可以看出加入了尿素以后，溫度曲線斜率更大，也就是說加入了尿素的添加劑對于溫度抑制的效果更好，能夠在更短的時間內將油池溫度降低，進而更快速地滅火。

圖9 不含尿素與0.24%尿素添加劑作用下柴油火焰溫度曲線Fig.9 Flame temperature curve of without urea and 0.24%urea additives watermist extinguishing diesel fire

圖10 不含尿素與0.24%尿素添加劑作用下汽油火焰溫度影響Fig.10 Flame temperature curve of without urea and 0.24%urea additives water mistextinguishing gasoline fire

4 其他成分對添加劑滅火性能影響

4.1 乳酸鈉

乳酸鈉溶液沸點為140℃，在添加劑中乳酸鈉受熱分解析出鈉離子，在烴類燃燒反應鏈過程中:O2+H→OH+O，鈉離子可以捕獲反應中的OH、H和O自由基，阻斷鏈式反應。

從圖11可看出，在0.5 MPa壓力下，不同乳酸鈉濃度對于柴油火和汽油火滅火時間的影響。原添加劑中乳酸鈉稀釋后含量為0.06%，由于其質量含量較低，在細水霧施加后未到油池火表面即被蒸發，即使將細水霧中乳酸鈉的含量調整到0.6%，對于柴油火基本沒有明顯的滅火性能提升，而對汽油火滅火時間提升幅度也在20%以內，大幅度提高乳酸鈉含量效率并不高。因此，本滅火劑中乳酸鈉只是輔助滅火的作用，將其在添加劑中質量濃度控制在1.5%即可。

圖11 不同乳酸鈉濃度細水霧作用下細水霧滅火時間Fig.11 Extinguish time under differentsodium lactate concentration

4.2 N，N －二甲基酰胺

二甲基甲酰胺(DMF)是一種透明液體，能和水及大部分有機溶劑互溶。它是化學反應的常用溶劑。本添加劑因為成分較多，為了使添加劑形成透明、均相溶液，使用DMF作為溶劑。為了提高使用效率，減少工業化后使用成本，在一定范圍內調整DMF的用量，用最少的DMF來溶解以上所有成分。

經實驗，原配方成分含DMF為15%，逐漸減少DMF用量，觀察融合后添加劑情況。實驗發現，使添加劑保持透明均一的DMF最少用量為10%，且滅火性能不受影響。

4.3 烷基酚聚氧乙烯醚和三乙醇胺

烷基酚聚氧乙烯醚(APE)和三乙醇胺(trolamine)在本添加劑中均起到乳化劑的作用，它們也是一種表面活性劑，同時可以輔助起到使添加劑形成均勻透明狀。對于這兩種物質在添加劑中含量之和進行了從0%～0.2%的含量調整并進行滅火實驗。

從圖12可看出，烷基酚聚氧乙烯醚具有與三乙醇胺同樣的濃度與滅火時間的趨勢。即在一定濃度下，烷基酚聚氧乙烯醚與三乙醇胺的存在可以縮短滅火時間，提高滅火性能，但隨著濃度的增加滅火時間基本維持不變。

圖12 不同烷基酚聚氧乙烯醚與三乙醇胺濃度細水霧作用下細水霧滅火時間Fig.12 Extinguish time under different APE and trolamine concentration

5 結語

通過對復合滅火添加劑的實驗可以發現:普通細水霧中加入添加劑，可以顯著提高細水霧的滅火效果。氟表面活性劑可以降低添加劑的表面張力，提高霧化效果;尿素作為熱分解物質影響滅火性能;乳酸鈉通過捕獲燃燒中的OH等離子來提高滅火性能;DMF作為使溶液形成透明均一物質的溶劑;烷基酚聚氧乙烯醚和三乙醇胺則作為乳化劑輔助提高滅火性能。

1)不同燃料也會影響到含有添加劑細水霧的滅火性能，這與燃料的性質有關。使用含有添加劑的細水霧對低沸點、高蒸發速率的汽油滅火效果較好。細水霧噴頭的壓力情況對于滅火性能也有影響。

2)添加劑中對滅火性能起主要提升作用的是物理作用，由于實驗設備材料的限制，FC－4對細水霧霧化效果的影響無法具體測量，但最佳滅火濃度可以確定在0.24%。

3)不同燃料也會影響到含有添加劑細水霧的滅火性能，這與燃料的性質有關。柴油由于其沸點低、蒸發速率小，使用含有細水霧的添加劑滅火效果較好。而汽油相對來說比較難滅，細水霧噴頭的壓力情況對于滅火性能也有影響。

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[2]Andrew K Kim.The Effect of Foam Additives on the Fire Suppression Efficiency of Water Mist[M].Ottawa:Institute for Research in Construction.National Research Council，1994.

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