水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

发布时间：2024-10-30

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

第14卷第4期2005年10月

文章编号:100425309(2005)20228206

火　灾　科　学

FIRESAFETYSCIENCE

Vol.14,No.4Oct.2005

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

徐晓楠

(中国人民武装警察部队学院消防与工程系,河北廊坊065000)

摘要:水是扑救A类火灾最常用的灭火剂,但水也存在流动易损失等不足,通过改变水的物理及化学性能可以提高水的灭火效率。试验表明强化水灭火效果和抗燃效果均优于水,但优势有限且价格较高;润湿水灭火及抗燃趋势均不明显,但良好的润湿渗透作用使其在扑救塑料类等火灾中发挥出明显的优势;粘性水因提高了水的粘度,增加了固水和封堵作用使其在抗燃方面具有显著的优势,、灭火效果最好,但高分子水胶体会因添加量小、。关键词:水;水系灭火剂;对比中图分类号:TQ569

文献标识码:A

0　前言

用,水汽化产生大量的水蒸气,排挤和阻止空气进入燃烧区,可以降低燃烧区内氧气的含量。此外,水廉价易得,来源广泛,对环境污染小。因此水是扑救A类火灾的主要灭火技术。但水也存在着明显的不足,水由于流动性好,大部分水喷射到火场后会流失,或因火场温度高水未达到燃烧区已汽化,使水的冷却性能未能充分发挥,对于着火面积大、火势发展迅猛、易复燃、扑救难度大的大型火灾,火灾的扑救往往是控制火灾的蔓延而不能及时有效的将火灾扑灭[1]。

目前提高水的灭火效率有两种办法:一是改变水的物理性能来提高水的灭火效果,如将水流变成雾状水(细水雾)来灭火,国内外对此已进行很多的研究;二是在水中添加试剂以改变水的化学性能来提高水的灭火效果,如强化水、润湿水、粘性水(水胶体)等。本文主要以在水中添加试剂,改变水的汽化潜热、粘度、润湿力和附着力的水系灭火剂为研究对象,比较它们的灭火性能,得出其适宜应用的灭火场所。

[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]

1　水系灭火剂的直接灭火效果对比

在水中添加试剂以提高水的灭火特性的水系灭火剂主要有强化水、乳化水、润湿水、抗冻水、黏性水、流动改进水、水胶体灭火剂等。其中用于A类火灾扑救且使用较多的为强化水、润湿水、黏性水、水胶体灭火剂[12]。1.1　强化水

强化水主要为添加了碱金属盐或有机金属盐的水溶液,可直接用于消防车中。试验采用木垛火,木条的尺寸为3cm×3cm×21cm,每层4根,共8

层,正方形排列,木材选用落叶松,木材含水量10%～12%,密度为0.45～0.55g/cm3。木垛下放置

一不锈钢燃烧盘,每次试验时,盘内放置100mL甲醇,点火后甲醇引燃木垛,待甲醇烧完后,将盘抽出。水或其它灭火介质置一贮槽中,由软管与蠕动泵连接,泵的流量为4×(10000)mL/h。泵的出口与注水器连接,注水器由两根干管直径为20mm的铜管,支管直径为10mm的铜管组成,每根支管长度为20cm,间隔6cm

打一个直径为12mm的小孔。当木

垛燃烧到一定失重率时,将注入器迅速推向木垛上方进行注水灭火,试验设计和测试由天津消防科研所完

收稿日期:2005205209;修改日期:2005209208

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

Vol.14No.4　　　　　　　　　

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成。

)和注水速度条件图1、2为不同木垛失重率(Ф下,强化水与水灭火时间、灭火所需水量(wt)对比关系图。可见,添加NH4H2PO4的强化水无论是灭火时间,还是单位木材灭火所需水量基本上都显示出强化水在扑救木垛火时与水相比所具有的优势

。分析

1.2　润湿水

润湿水主要是在水中添加少量的表面活性剂以提高水的润湿能力,润湿水可直接用于消防车中。图3、4为相同试验条件下(同强化水),润湿水与水灭火时间、灭火所需水量的对比关系图(OS-15、6201、OT为表面活性剂的商品名称)。从图可以得出,

润

图1　强化水与水灭火时间对比图

Fig.1　Fire-extinguishingtimecurvesfor

loadedstreamandplainwater

图3　3　timecurvesfor

plain

water

原因是添加了NH4H2PO4异的灭火性能,NH4H2H3PO4,,两者的共同作用使强化水的灭火作用增强。但从图也可看出K2CO3的加入并没有缩短水的灭火时间,降低用水量,原因是K2CO3的阻燃效果不明显,水溶液的依数性又使得水的气化减缓,冷却效果减弱,灭火时间延长。因此,只有具备了阻燃性能的强化水其灭火性能才会好于水。这一特点也使其成为其他灭火剂配方中考虑选择的一个重要组分

。

图4　润湿水与水单位木材灭火所需水量对比图

Fig.4　Fire-extinguishingquantityofwatercurvesforwetwaterandplainwateronwoodperunit

mass

图2　强化水与水单位木材灭火所需水量对比图

Fig.2　Fire-extinguishingquantityofwatercurvesforloadedstreamandplainwateronwoodperunitmass

图5　润湿水与水单位木材吸水量对比图

Fig.5　Absorbedquantityofwatercurvesforwetwaterandplainwateronwoodperunitmass

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

230火灾科学　FIRESAFETYSCIENCE　　　　　　　　　　第14卷第4

期

管润湿水在润湿效果较好的木材上没有显示出优势,但对润湿效果较差的塑料类火灾其润湿、灭火效果明

显显现出来,如表1所示[13]。特别是对于PP,采用水根本无法熄灭燃烧的塑料棒堆垛,但采用润湿水能在145s内将火熄灭,在控制时间上也明显小于水灭火。此外,从表中还可以看出,润湿水在材料表面的黏附水量明显增加,除PC为1.3倍以外,其他塑料均在2倍以上。

湿水无论是灭火时间,还是单位木材灭火所需水量基本上都没能显示出润湿水在扑救木垛火时与水相比有什么优势。原因是木材本身对水的润湿效果较好,而添加剂的加入降低了水的蒸发冷却效果,因而灭火时间未能缩短,灭火用水量没有减少。但试验发现木炭的吸水量基本上大于普通水灭火时木炭的吸水量(M0)(图5),也远远高于强化水的吸水量,润湿水可以一直渗透到木材的深部,复燃的几率大大降低。尽

表1　水和润湿水的总灭火时间、控制时间和在未燃材料表面附着水量的比较结果

Table1　Suppressiontime,extinctiontimeandquantityofadheredwateronplasticsurfaces

inthecasesofplainwaterandwetwater

塑料

控制时间/s

PVCPUPCPFPMMAPOMPEABSPPPS

2560120270

水熄灭时间/s

不燃

6141618润湿水

黏附水量/kg.m-2

0.0120.0140.0270.0180.0080.0160.0110.0150.109～0.058

30101020--

控制时间/s

不燃

熄灭时间/s

不燃

8611504020145--

黏附水量/kg.m-2

0.0290.0330.0350.0310.0250.0220.0210.0300.0180.0350.112～0.093

不燃

未熄灭

未测试

木材

　　　　注:润湿水为6%的轻水泡沫灭火剂原液以0.2%的浓度添加在水中

1.3　粘性水

性水在直接扑救木垛表面火的效果不如水。原因是添加剂吸水后形成的分子链间氢键力以及分子间线

团缠绕形成的物理交联使水的蒸发气化延缓,吸热冷却作用延迟而使灭火效果降低。但从图8

可以看出

图6、7为相同条件下,粘性水与水灭火时间、单

π-10、位木材灭火所需水量对比图(JFC、O有O-20

为增粘剂的商品名称)。可见,与水对比,粘性水没有缩短灭火时间,单位木材所需用水量也增加,

说明粘

图6　粘性水与水灭火时间对比图

Fig.6　Fire-extinguishingtimecurvesfor

thickenedwaterandplainwater

图7　粘性水与水单位木材灭火所需水量对比图

Fig.7　Fire-extinguishingquantityofwatercurvesforthickenedwaterandplainwateronwoodperunitmass

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

Vol.14No.4　　　　　　　　　水系灭火剂的灭火性能对比分析研究231

木材的吸水量明显增加,对抑制火灾的蔓延扩大意义重大。依据粘性水的形成机理,可制得无机粘性水(硅凝胶)和有机粘性水(高分子水胶体)

。

作用,密封隔氧性能最佳,加热稳定性最好,体系的活化能最高。

表2　水及不同水系灭火剂作用于煤的活化能

Table2　Activationenergyofcoaltreatedbyplainwater

andwaterextinguishingagentseries

灭火剂种类无灭火剂

水润湿水强化水高分子水胶体

图8　粘性水与水单位木材吸水量对比图

Fig.8　Absorbedquantityofwatercurvesforthickenedwaterandplainwateronwoodperunitmass

活化能/kJ mol-1

113.74131.36134.44142.17158.71168.86172.77

高分子水胶体+阻化剂

无机硅凝胶

2.2　燃烧参数

2　水系灭火剂的抗燃效果对比分析

在灭火中,不仅要对燃烧区域进行冷却灭火,为了控制火势的蔓延,却保护。的难易程度,,发生燃烧的时间会推迟,,控制火势蔓延大有益处。2.1　活化能

防、[

为活化能是表征燃烧材料化学活性的重要热力学参数,被水及水系灭火剂处理的可燃材料活化能越大,说明可燃材料抗燃效果越好,灭火剂的防、灭火性能越好。表2列出了利用F-K自燃理论得出的水和不同种类水系灭火剂作用于煤的活化能[14]。可以看出,水的冷却作用使煤自燃体系热稳定增强,活化能提高;润湿水可以改善体系的润湿性,使水的存水量有所增加,水的流失有所减少,冷却作用被加强,其活化能比水略有提高;强化水除水的作用以外,又附加了阻燃剂的阻化作用,活化能进一步提高;高分子

图9　水、水系灭火剂阻化煤样TTI、pkHRR、

燃烧结束时间比较

Fig.9　TTI、pkHRR、flameouttimecurvesforcoaltreated

byplainwaterandwaterextinguishingagentseries

用锥形量热计(CONE)测得的点燃参数和热释放参数(辐照功率50kW/m2)。很明显,经水和水胶体处理过的煤样点燃时间(TTI)、燃烧结束时间与表2表

现基本一致,但水和高分子水胶体的热释放速率峰值

水胶体由于粘度较大,大量的水胶体堵塞在煤体的缝(pkHRR)、比较接近。图10为水、水系灭火剂阻化隙之中,渗流量较少,水的冷却作用得到了充分发挥。煤样的热释放速率随时间变化曲线,从图可见,在燃此外,水胶体的封堵作用有利于降低煤氧复合反应,烧初始阶段,由于水能与高温煤体热解产生的一氧化活化能明显上升;高分子水胶体+阻燃剂发挥了保水和阻化两种功用,特别是水凝胶的胶凝作用使阻化剂的流失减少,致使体系的活化能进一步提高;无机硅凝胶由于硅和氧形成的共价键骨架,呈立体网状的空间结构,水与硅氧骨架之间具有较强的分子间力和氢键,呈黏度很大的糊状物质,在煤粉中有很强的固结

碳发生反应并放出大量的热量,其HRR值相对较高且不稳定,出现两次高峰,在320s时,PkHRR达到58.33kW.m-2;高分子水胶体处理煤样尽管其PkHRR与水接近,为60.43kW.m-2,但出现峰值的时间推迟到365s;而硅凝胶处理的煤样在380s时,其PkHRR仅为33.36kW.m-2,点燃时间也从215s延

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

[3]丛北华,廖光煊,刘江虹.细水雾抑制熄灭室内火灾的有

长至313s,抗燃效果明显

。

效性模拟实验研究[J].火灾科学,.2002,11(3):152～

155.

[4]J.Richarda,J.P.Garo,J.M.Souil,J.PVantelon,V.

G.Knorre.Chemicalandphysicaleffectsofwatervaporadditionondiffusionflames[J].FireSafetyJournal,2003,38:569～587.

[5]R.G.BillJr,R.L.Hansen&K.Richards.Fine-Spray(WaterMist)ProtectionofShipboardEngineRooms[J].FireSafetyJournal,1997,29:317～336.[6]MyungBaeKim,YongJaeJang,MyoungOYoon.Ex2

tinctionLimitofaPoolFirewithaWaterMist[J].FireSafetyJournal,1997,28:295～306.

[7]姚斌,廖光煊,范维澄,秦俊.细水雾抑制扩散火焰的研究

[J].中国科学技术大学学报,1998,28(5):610～617.[8]刘日亘亚,陆守香,秦俊,张立,郭子如.水雾抑制气体爆

图10　水、水系灭火剂阻化煤样的热释放速率曲线

Fig.10HRRcurvesforcoaltreatedbyplainwaterand

waterextinguishingagentseries

3　结论

(1)具有阻燃功能的强化水由于水和阻燃剂的双

炸火焰传播的实验研究[J中国安全科学学报,2003,

13(8):71～77.

[9,,细水雾作用下固体池火熄

重作用使其灭火效果和抗燃效果均优于水,但由于优势有限且阻燃剂的价格较高,强化水大量使用受到限制,但在制备其他灭火剂时,方中应考虑的一个重要组分。

(2)不十分明显,灭火时木炭的吸水量),润湿水渗透作用良好,这一点使其在扑救对水润湿效果较差的塑料类等火灾中发挥出明显的优势。

(3)直接灭火时,粘性水未有优势,但由于粘度增加所带来的固水和封堵作用使利用增粘作用制备的有机高分子水胶体和无机硅凝胶灭火剂的抗燃优势

].中国科学(E辑),2003,33(3):

冯金莉,余永刚,陆春义.细水雾抑制熄灭木材火焰的小

尺度实验研究及简化模型[J].中国安全科学学报,

2004,14(3):56～59.

[11]Aquasi-steady-statemodelforpredictingfiresup2

pressioninspacesprotectedbywatermistsystems[J].FireSafetyJournal,2000,(35):327～362.

[12]徐晓楠.水系灭火剂及在我国的研究现状[J].消防技术

与产品信息,2003(9):10～13.

[13]MyungBaeKim,YongJaeJang,MyoungOYoon.Ex2

tinctionLimitofaPoolFirewithaWaterMist[J].Fire

十分显著,十分适于堆垛火灾及自燃类火灾的扑救。SafetyJournal,1997,28:295～306.

(4)无机水凝胶耐燃效果最佳,但其添加量较大[14]徐晓楠.水系灭火剂在煤自燃防、灭火应用中的实验研(实验中的添加量为10%),添加材料具有一定的腐究[J].消防科学与技术,2003(6):512～515.蚀性,加热过程中会产生一定量的氨气,在环保日益要求严格的今天会给其使用带来限制。

高分子水胶体添加量较小(实验中的添加量为),无毒、4‰无腐蚀性,价格与无机硅凝胶基本持平,

可替代目前已广泛用于煤矿井下火灾预防和控制的无机硅凝胶。

参

考文

献

[1]徐晓楠.新型水系灭火剂的实验研究[J].化工进展,

2003,22(7)2003:717～720.

[2]黄鑫,刘江虹,廖光煊,陆强,熊飞.细水雾抑制熄灭书架

火的模拟实验研究[J].火灾科学,2004,13,(2):78～

82.

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

Comparisonof

Fire2extinguishing

PerformanceforWaterExtinguishingAgentSeries

XUXiao2nan

(FireProtectionDept.,CollegeofChinesePeopleArmedPoliceForce,LangFang,065000,china)

Abstract:Waterisamostcommonextinguishingagent,however,waterhasmanydisadvantagessuchaseaseoflossduetoflow.Theefficiencyofwaterasanextinguishingagentcanbeincreasedbyadjustingitsphysicalandchemicalperformance.Experimentalresultsshowthatthefire-extinguishingandfire-resistingeffectsofloadedstreamarebetterthanthoseofplainwater,butwithlimitedadvantageandhigherprice;thewetwaterhasnohigherfire-ex2tinguishingandfire-resistingeffectsthanplainwater,butwithobviousadvantageinextinguishingplasticfireduetoitswettingandinfiltratingeffect;thickenedwaterhasobviousadvantageinfire-resistingsincetheviscosityandreservesareincreased,andalsotheobturationofwaterisreinforced.TheSiliconGelExtinguishingAgenthastheexcellentfire-extinguishingeffectforstowandself-ignitionfire,butmacromoleculegelExtinguishingAgenthaveadvantagessuchaslowconcentrationandnocorrosivityoverSiliconGelExtinguishing,andtoitcanactasasubstituteforfirepreventionandprotectionincoalmine.Keywords:water;waterextinguishingagentseries;

水系灭火剂的灭火性能对比分析研究

作者简介:蔡昕(1981-),男,江苏宜兴人,现为中国科学技术大学硕士研究生,主要从事热力耦合作用下建筑构件抗火性能的研究。E2mail:

caixin@http://tc.edu.

作者简介:徐晓楠(1964-),女,

1998年毕业于北京理工大学应用

化学专业,获硕士学位,现在中国人民武装警察部队学院消防工程系火灾理论教研室主任,教授。从事消防燃烧学、火灾化学、阻燃材料及灭

火材料的教学和科研工作。通信地址:河北廊坊武警学院消防工程系火灾理论教研室　邮编:065000　电话:0316-2068511(办)　E2mail:xxn.pro@http://xxn.pro@x263.

net

作者简介:作者简介:王进军,男,现就职于中国科技大学火灾科学国家重点实验室,主要研究方向:测监控技术。E2:ustc.

),男,高级:叶经方(1950—

工程师,主要从事热能与动力工程的教学、科研工作。联系方式:南京理工大学瞬态物理国家重点实验室

812教研室210094;Tel:025-84303236　E2mail:yejingf@mail.njust.edu.