細(xì)水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規(guī)律研究

房玉東

（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心，北京 100013）

細(xì)水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規(guī)律研究

房玉東

（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心，北京 100013）

利用Sirion200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝細(xì)水霧作用前后柴油和聚氯乙烯（PVC）材料煙顆粒的形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。定義了煙顆粒的采樣平均直徑（dA）和表面密度（ρS），利用統(tǒng)計(jì)分析的方法計(jì)算了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的dA和ρS，研究了采樣點(diǎn)空間位置、細(xì)水霧工作壓力、霧滴粒徑和霧滴速度等因素對(duì)dA和ρS的影響規(guī)律，揭示了細(xì)水霧沖刷火災(zāi)煙顆粒的主導(dǎo)機(jī)理，為細(xì)水霧技術(shù)用于計(jì)算機(jī)房等電氣環(huán)境的火災(zāi)煙氣抑制提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

細(xì)水霧；煙顆粒；表面密度；采樣平均直徑

1 前言

通常計(jì)算機(jī)房和程控交換機(jī)房等電氣環(huán)境主要采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)防護(hù)，如哈龍1301、惰性氣體混合物及二氧化碳等，這些滅火劑或是對(duì)人員有傷害作用，或是對(duì)環(huán)境有破壞作用[1，2]。研究表明霧滴粒徑較小的細(xì)水霧與火焰相互作用后蒸發(fā)速率更快，滅火后火場(chǎng)殘余水量更小，單位重量吸收熱輻射的能力更高，因此適合用于電氣環(huán)境的火災(zāi)防治[3，4]。在某些精密電氣設(shè)備環(huán)境，一旦發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)只會(huì)對(duì)起火地點(diǎn)的設(shè)備造成局部破壞，而煙氣的四處蔓延擴(kuò)散、滲透將會(huì)對(duì)整個(gè)房間內(nèi)的儀器設(shè)備造成腐蝕、污染等嚴(yán)重破壞。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，火災(zāi)中70%的人員傷亡是煙氣造成的，火災(zāi)熄滅后，火場(chǎng)仍然充滿大量的煙氣，這會(huì)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的逃生人員造成傷害。細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)煙氣具有較好的洗刷作用，目前國(guó)際上細(xì)水霧與火災(zāi)煙氣相互作用的研究尚處于起步階段，尚無(wú)細(xì)水霧沖刷煙顆粒的研究報(bào)道。國(guó)際上的火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)只開展了為數(shù)不多的細(xì)水霧沖刷煙氣的工程應(yīng)用研究[5，6]，尚無(wú)細(xì)水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌變化規(guī)律的研究工作。

為了深入研究細(xì)水霧與煙顆粒的相互作用過(guò)程，定性描述不同工況細(xì)水霧作用下煙顆粒的尺寸和形貌變化規(guī)律，分析采樣點(diǎn)位置、霧滴粒徑和霧滴速度等參數(shù)對(duì)煙顆粒凝聚和沉降作用的影響規(guī)律，本文利用Sirion200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡研究了細(xì)水霧與煙顆粒的相互作用，拍攝了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法揭示了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的采樣平均直徑及表面密度的變化規(guī)律。為細(xì)水霧技術(shù)用于計(jì)算機(jī)房等電氣環(huán)境火災(zāi)的煙氣抑制提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)描述

煙顆粒采樣實(shí)驗(yàn)在3 m×3 m×3 m的受限空間內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中選取柴油和聚氯乙烯（PVC）塑料作為發(fā)煙材料，油盤尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m，利用酒精引燃柴油和PVC。火焰上方有一塊0.8 m×0.8 m的防火板，是用來(lái)阻擋細(xì)水霧直接進(jìn)入火焰將火焰熄滅的，在細(xì)水霧與煙氣相互作用的過(guò)程中，火焰沒(méi)有熄滅。實(shí)驗(yàn)中利用直徑4 mm、厚度0.1 mm的圓形磷銅網(wǎng)進(jìn)行煙顆粒采樣，該銅網(wǎng)可以有效的吸附煙顆粒。細(xì)水霧噴頭位于受限空間頂棚的中心位置，利用高壓泵式細(xì)水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生細(xì)水霧，霧滴粒徑范圍在50～100 μm。油盤緊靠受限空間的墻角。每次實(shí)驗(yàn)中分別在受限空間6個(gè)不同位置進(jìn)行取樣。煙顆粒采樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煙顆粒采樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch map of sampling experiment system of smoke particles

實(shí)驗(yàn)中首先點(diǎn)燃可燃物，燃燒30 s后施加細(xì)水霧，細(xì)水霧與煙氣作用一段時(shí)間后，關(guān)閉細(xì)水霧，進(jìn)行煙顆粒采樣。采樣實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，對(duì)煙顆粒標(biāo)本進(jìn)行蒸晶，然后利用Sirion200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡掃描樣本，統(tǒng)計(jì)每個(gè)采樣器上的煙顆粒數(shù)目，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡如圖2所示。表1給出了實(shí)驗(yàn)工況。將火源中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中6個(gè)采樣點(diǎn)空間位置坐標(biāo)分別為（0.2 m、0.2 m、0.2 m）、（0.7 m、0.7 m、0.7 m）、（1.2 m、1.2 m、1.2 m）、（1.7 m、1.7 m、1.7 m）、（2.2 m、2.2 m、2.2 m）、（2.7 m、2.7 m、2.7 m）。

3 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 采樣點(diǎn)位置對(duì)dA和 ρS影響分析

為了定量表征細(xì)水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌的變化規(guī)律，首先定義兩個(gè)變量，即煙顆粒采樣平均直徑dA和煙顆粒表面密度 ρS。

圖2 Sirion200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡Fig.2 Sirion200 field emission scanning electron microscope

表1 實(shí)驗(yàn)工況列表Table 1 The experimental condition list

式（1）中，N為采樣器煙顆粒的總數(shù)；di為第i個(gè)煙顆粒的直徑，μm。

式（2）中，N為采樣器表面的煙顆?？倲?shù)，S=π×(2 mm)2≈12.56 mm2，為采樣器的表面積。

從圖3和圖4可以看出，細(xì)水霧施加時(shí)間增加，煙顆粒的采樣平均直徑增大，表面密度增大。在同一細(xì)水霧作用時(shí)間下，隨著采樣點(diǎn)空間位置的變化，煙顆粒表面密度和煙顆粒采樣平均直徑?jīng)]有明顯變化。這主要是因?yàn)榧?xì)水霧施加后擾動(dòng)煙氣和空氣流場(chǎng)，由于細(xì)水霧具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，整個(gè)空間很快就會(huì)形成全淹沒(méi)狀態(tài)，在細(xì)水霧的擾動(dòng)下，空間充滿了霧滴與煙顆粒的混合物，霧滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合，且處于循環(huán)運(yùn)動(dòng)的分布狀態(tài)。

圖3 ρS隨采樣位置變化曲線（PVC）Fig.3 Change regulation of ρSwith sampling position（PVC）

3.2 細(xì)水霧對(duì)煙顆粒形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響分析

從圖5可看出在初始燃燒階段，柴油煙顆粒尺寸在3μm左右，20 s后煙顆粒尺寸增大至9μm左右，30 s后煙顆粒尺寸增長(zhǎng)至15μm左右，40 s后煙顆粒仍維持在15μm左右，通過(guò)對(duì)多組掃描照片分析發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，柴油煙顆粒尺寸有所增大并最終穩(wěn)定在15μm左右。這是因?yàn)樵诨鹩鹆鞯淖饔孟拢瑹煔馀c空氣流場(chǎng)不斷擾動(dòng)，煙顆粒之間不斷發(fā)生碰撞凝結(jié)使得煙顆粒尺寸增大。進(jìn)入充分燃燒階段后，煙顆粒尺寸無(wú)明顯增大趨勢(shì)，基本上趨于穩(wěn)定。

圖4 dA隨采樣位置變化曲線（PVC）Fig.4 Change regulation of dAwith sampling position（PVC）

從圖6可以看出在初始燃燒階段PVC塑料煙顆粒尺寸在10μm左右，隨著燃燒時(shí)間的增加，煙顆粒尺寸繼續(xù)增大，通過(guò)對(duì)多組掃描照片的分析發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，PVC塑料煙顆粒尺寸有所增大并最終穩(wěn)定在25μm左右。

圖5 柴油不同時(shí)刻煙顆粒形貌（工況1）Fig.5 Diesel oil smoke particle shape of different time（case1）

圖6 PVC塑料不同時(shí)刻煙顆粒形貌（工況6）Fig.6 PVC smoke particle shape of different time（case6）

圖7給出了柴油及PVC塑料煙顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片，從圖7中可以看出，這兩種材料燃燒生成的煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，煙顆粒都是由直徑在0.05～0.1μm的分散球形基本粒子構(gòu)成。通過(guò)對(duì)圖5和圖6的比較可以看出，隨著燃燒的進(jìn)行兩種材料的煙顆粒尺寸變化規(guī)律基本相同，在同一時(shí)刻，PVC塑料的煙顆粒直徑要大于柴油煙顆粒直徑。這是因?yàn)闊燁w粒尺寸的大小主要取決于可燃物的物理化學(xué)特性，由于PVC塑料為聚合物，柴油的主要成分為烷烴，通常聚合物燃燒產(chǎn)生的煙顆粒尺寸要大于烷烴類燃燒產(chǎn)生的煙顆粒尺寸。

通過(guò)對(duì)圖7和圖8比較可明顯看出，在細(xì)水霧的沖刷作用下，兩種煙顆粒內(nèi)部的球形基本粒子更加離散，同時(shí)細(xì)水霧作用后的球形基本粒子要略大于無(wú)細(xì)水霧作用下的球形基本粒子。這是因?yàn)檫^(guò)飽和水蒸氣凝結(jié)在煙顆粒上，球形基本粒子吸附了大量的水蒸氣，體積和重量略有增加。

圖7 無(wú)細(xì)水霧作用下煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.7 Smoke particle structure without water mist applying

圖8 細(xì)水霧作用下煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.8 Smoke particle structure with water mist applying

從圖9和圖10中可看出，在細(xì)水霧的作用下柴油煙顆粒從最初的15 μm增大到60 μm，PVC塑料煙顆粒從最初的25 μm增大到70 μm。由于粒徑較小的細(xì)水霧迅速蒸發(fā)，火災(zāi)環(huán)境的高溫進(jìn)一步加快了霧滴的蒸發(fā)，煙氣中水蒸氣迅速飽和，此時(shí)煙顆粒不斷與微小水滴和水蒸氣發(fā)生凝聚合并，煙顆粒體積和重量不斷增大。粒徑較大的細(xì)水霧通過(guò)與煙顆粒的碰撞、攔截、凝聚以及擴(kuò)散等動(dòng)力學(xué)作用加速煙顆粒的凝聚。同時(shí)水的相變和云滴形成會(huì)導(dǎo)致溫度和濃度變化，伴隨著噴霧流引起的含煙顆?？諝膺\(yùn)動(dòng)，使攜帶著煙顆粒的云滴和其他霧滴相互碰撞、凝聚進(jìn)而增重下沉。在噴霧區(qū)內(nèi)，霧滴迅速蒸發(fā)時(shí)，必然會(huì)在液滴附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生蒸氣的濃度梯度，形成由液滴向外流動(dòng)擴(kuò)散的斯蒂芬流，當(dāng)水蒸氣在某一煙顆粒上凝結(jié)時(shí)，也會(huì)造成煙顆粒周圍蒸氣濃度的不斷降低，形成由周圍向凝結(jié)核運(yùn)動(dòng)的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區(qū)中的煙顆粒，必然會(huì)在斯蒂芬流的輸運(yùn)作用下遷移運(yùn)動(dòng)，最后接觸并粘附凝結(jié)在霧滴上實(shí)現(xiàn)沉降。

圖9 細(xì)水霧作用下柴油煙顆粒形貌變化過(guò)程（工況5）Fig.9 Change progress of diesel oil smoke particle shape with water mist applying（case5）

圖10 細(xì)水霧作用下PVC塑料煙顆粒形貌變化過(guò)程（工況10）Fig.10 Change progress of PVC smoke particle shape with water mist applying（case10）

3.3 細(xì)水霧對(duì)dA影響分析

從圖11中可以看出，在細(xì)水霧的作用下，兩種材料的煙顆粒直徑明顯增大。根據(jù)對(duì)圖8的分析可知，構(gòu)成煙顆粒的球形粒子吸收了水蒸氣，使得煙顆粒的體積和重量有所增大，同時(shí)煙顆粒與微小霧滴不斷凝聚合并，這也導(dǎo)致煙顆粒尺寸不斷增大。筆者定義一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)Id：

式（3）中，Id代表細(xì)水霧作用下煙顆粒采樣平均直徑的增大倍數(shù)；dA0為細(xì)水霧作用前煙顆粒的采樣平均直徑；dAW為細(xì)水霧作用后煙顆粒的采樣平均直徑。

圖11 煙顆粒dA隨細(xì)水霧作用時(shí)間變化曲線Fig.11 Change regulation of smoke particledAwith water mist applying time

從圖12中可以看出，煙顆粒的采樣平均直徑增大倍數(shù)Id隨著壓力的增大而增加，這是因?yàn)殡S著工作壓力的增大，霧滴粒徑不斷減小，霧滴粒徑越小，霧滴的蒸發(fā)速率就越快，這樣有利于煙氣中的水蒸氣達(dá)到過(guò)飽和。同時(shí)隨著工作壓力的增大，霧滴速度不斷增大，這強(qiáng)化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞，更有利于煙顆粒的凝聚合并。

圖12 柴油煙顆粒Id隨壓力變化曲線Fig.12 Change regulation of diesel oil smoke particle Id with pressure

3.4 細(xì)水霧對(duì)ρS影響分析

從圖13可以看出，在細(xì)水霧作用下，兩種材料的煙顆粒表面密度明顯減小。這主要是因?yàn)榧?xì)水霧有效地沖刷煙顆粒，煙顆粒不斷地凝聚沉降，導(dǎo)致空間中煙顆粒數(shù)量快速下降，使得吸附在采樣器表面的煙顆粒數(shù)量也快速下降。筆者等定義一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)Aρ：

式（4）中，Aρ為細(xì)水霧作用下煙顆粒表面密度的衰減比例；ρS0為細(xì)水霧施加前煙顆粒的表面密度；ρSW為細(xì)水霧施加后的煙顆粒表面密度。

從圖14可以看出，Aρ隨著壓力的增大而增加。這是因?yàn)殡S著壓力的增大，霧滴粒徑不斷減小，在細(xì)水霧與煙氣相互作用的過(guò)程中，顆粒較小的細(xì)水霧滯空性較好，有足夠的時(shí)間與煙顆粒凝聚合并；霧滴粒徑較大的細(xì)水霧則很快降落到地面，在空中懸浮時(shí)間較短，沒(méi)有充足的時(shí)間與煙顆粒凝聚合并。隨著壓力的增大，霧滴速度有所增加，這強(qiáng)化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞作用，但霧滴速度加快也會(huì)導(dǎo)致細(xì)水霧滯空時(shí)間縮短，這不利于煙顆粒與霧滴的凝聚合并，從圖14可以看出，隨著壓力的增大煙顆粒表面密度的衰減比例不斷增大，因此可以推斷出，速度增大時(shí)，煙顆粒與霧滴之間的碰撞強(qiáng)化作用占主導(dǎo)地位，這有利于煙顆粒的沉降，而滯空時(shí)間縮短造成對(duì)煙顆粒沉降的不利因素占次要地位。可以得出這樣的結(jié)論，霧滴粒徑較小、速度較大且滯空時(shí)間長(zhǎng)的細(xì)水霧更有利于煙顆粒表面密度的衰減。

圖13 煙顆粒表面密度隨細(xì)水霧作用時(shí)間變化曲線Fig.13 Change regulation of smoke particle ρSwith water mist applying time

圖14 柴油煙顆粒Aρ隨工作壓力變化曲線Fig.14 Change regulation of diesel oil smoke particleAρ with different pressure

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析得出如下結(jié)論。

1）柴油和PVC塑料煙顆粒均是由直徑在0.05～0.1μm的分散球形基本粒子構(gòu)成。PVC塑料煙顆粒直徑略大于柴油煙顆粒，隨著燃燒進(jìn)行煙顆粒尺寸不斷增大，進(jìn)入充分燃燒階段，煙顆粒尺寸不再增大。

2）隨著細(xì)水霧施加時(shí)間增長(zhǎng)，煙顆粒采樣平均直徑dA增大，表面密度ρS減小。改變采樣點(diǎn)的空間位置對(duì)dA和ρS測(cè)量結(jié)果影響不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。這主要是因?yàn)殪F滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合，且處于循環(huán)運(yùn)動(dòng)的分布狀態(tài)。

3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粒徑較小、速度較大且滯空時(shí)間長(zhǎng)的細(xì)水霧更有利于煙顆粒的凝聚和沉降。在細(xì)水霧作用下煙顆粒表面密度快速下降，采樣平均直徑快速增大。隨著壓力的增大，煙顆粒表面密度衰減比例和采樣平均直徑增大倍數(shù)不斷增大。

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[5]張曉燕，郭 強(qiáng)，李 全.微細(xì)水霧除塵技術(shù)的研究[J].環(huán)境污染與防治，2003（8），234-237.

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Study on variational principles of smoke particle shape and dimension with water mist appling

Fang Yudong
（Communication and Information Center of the State Administration of Work Safety，Beijing 100013，China）

The micrographs of diesel oil soot particles were achieved by transmission scanning electron microscope with and without water mist applied.It was seen by statistical analysis that the average diameter of soot particle increased and the surface density of soot particle decreased with water mist applied.The experimental results show that water mist washes out smoke mainly by dynamics effect，cloud physics effect and transportation mechanism of Steffen flow.This paper provides scientific references for water mist technology using in smoke scrubbing of computer room fires.

water mist；smoke particle；surface density；average diameter

X93

A

1009-1742（2014）02-0093-08

2012-12-04

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（50904041）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（20070410067）

房玉東，1979年出生，男，黑龍江哈爾濱市人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍鍧嵏咝缁鸺夹g(shù)、公共安全應(yīng)急技術(shù)等；E-mail：fangyd@chinasafety.gov.cn