新型潔凈高效氣體滅火劑CFA的性能研究

鄧飛云，楊滿江，謝承利

(1.海軍駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍代表室，上海 201913；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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新型潔凈高效氣體滅火劑CFA的性能研究

鄧飛云1，楊滿江2，謝承利2

(1.海軍駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍代表室，上海 201913；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：BTP與氟化物混合的CSSC-FA(CFA)滅火劑是一種新型潔凈氣體滅火劑，通過(guò)杯式滅火試驗(yàn)、全尺度滅火試驗(yàn)、毒性試驗(yàn)、熱解試驗(yàn)、質(zhì)譜分析及理論計(jì)算等多種方法，對(duì)CFA的滅火性能、毒性、環(huán)境友好性等重要特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，CFA繼承了BTP的高效滅火、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)毒性相對(duì)BTP降低，總體性能優(yōu)于哈龍1301，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：潔凈氣體滅火劑；BTP；CFA；滅火性能；環(huán)境友好性；毒性

1301等“哈龍”系列滅火劑由于對(duì)臭氧層的嚴(yán)重破壞作用已經(jīng)被一系列的國(guó)際公約禁止生產(chǎn)和使用，開(kāi)發(fā)清潔高效的哈龍?zhí)娲鷾缁饎┦悄壳笆澜绺鲊?guó)面臨的迫切任務(wù)之一[1-3]。一溴三氟丙烯滅火劑(BTP)是當(dāng)前一種具有較大應(yīng)用潛力的哈龍?zhí)娲a(chǎn)品。BTP分子結(jié)構(gòu)中含有碳=碳雙鍵，在大氣環(huán)境中容易分解。研究表明，BTP在大氣中的存活壽命僅為幾天的時(shí)間，不會(huì)進(jìn)入臭氧層對(duì)其造成破壞，大氣溫室效應(yīng)值(GWP)和大氣臭氧耗損值(ODP)基本為零[4-5]。同時(shí)，BTP分子結(jié)構(gòu)中含有Br元素，在和火焰的作用過(guò)程中可以切斷燃燒鏈反應(yīng)，具有高效的滅火性能。此外，BTP的典型滅火濃度(文中的濃度均指提交濃度)為3.5%，滅火性能顯著優(yōu)于“哈龍”系列滅火劑。但BTP的毒性不太理想，其未觀察到損害作用的濃度(NOAEL)為2.6%，最小有害作用的濃度(LOAEL)為4%，最小有害作用濃度與典型滅火濃度相近，限制了BTP的進(jìn)一步應(yīng)用[6-7]。針對(duì)九江中船消防設(shè)備有限公司基于BTP與環(huán)境友好的氟化物的優(yōu)化配比研發(fā)的CSSC-FA(CFA)滅火劑，通過(guò)杯式滅火試驗(yàn)、全尺度滅火試驗(yàn)、毒性試驗(yàn)、熱解試驗(yàn)、光譜分析及理論計(jì)算等多種方法，對(duì)CFA的滅火性能、毒性、環(huán)境友好性等重要特性進(jìn)行分析，并與哈龍1301進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估CFA的整體性能。

1CFA基本性能

1.1毒性

1.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)《新化學(xué)品危害評(píng)估導(dǎo)則》(HJ/T 154-2004)、《化學(xué)品急性吸入毒性試驗(yàn)方法》(GB/T 21605-2008)及《氣體滅火劑的毒性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法》(GA/T636-2006)設(shè)計(jì)CFA毒性的白鼠試驗(yàn)。試驗(yàn)中將10只大白鼠(雌雄各半)置于密閉的玻璃箱內(nèi)，采用靜式染毒法，測(cè)量CFA的毒性。見(jiàn)圖1。

1.1.2結(jié)果分析

CFA的毒性分級(jí)見(jiàn)表1，CFA與BTP、1301的毒性對(duì)比見(jiàn)表2。分析可見(jiàn)：

1)CFA是一種基本無(wú)毒的滅火劑。

2)CFA的毒性低于BTP或1301。

3)CFA的典型設(shè)計(jì)濃度為3.5%，最小有害作用的濃度為6%，從安全余量分析，CFA對(duì)人員是安全的。

表1　CFA毒性分級(jí)

表2　CFA與BTP、1301的毒性對(duì)比　%

注：NOAEL-未觀察到損害作用的濃度；LOAEL-最小有害作用的濃度。

1.2環(huán)境友好性研究

1.2.1方法設(shè)計(jì)

滅火劑的環(huán)境友好性主要體現(xiàn)在臭氧損耗值(ODP)、溫室效應(yīng)值(GWP)及在大氣存活時(shí)間(年)。通過(guò)熱解試驗(yàn)檢測(cè)CFA的熱解產(chǎn)物，主要為CF3CCH和CFBrCH2；通過(guò)質(zhì)譜試驗(yàn)，檢測(cè)了CFA的光解產(chǎn)物主要為CF3CHBrCHO，CF3C(O)CH2OH和CF3C(O)CH3。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用量子化學(xué)從頭算和密度泛函理論，從理論上計(jì)算CFA的ODP、GWP及大氣存活時(shí)間。

圖2CFA熱解反應(yīng)過(guò)程

圖3　CFA及各反應(yīng)產(chǎn)物含量隨時(shí)間的變化的質(zhì)譜分析

1.2.2結(jié)果分析

1301和CFA環(huán)境友好性能對(duì)比見(jiàn)表3。分析可見(jiàn)：

1)CFA的熱解產(chǎn)物在高溫環(huán)境下或光解產(chǎn)物在光子作用下，均容易與大氣中的OH·發(fā)生催化反應(yīng)而發(fā)生裂解，生成性能更穩(wěn)定且不破壞環(huán)境的酮化物，是一種對(duì)大氣臭氧的危害近乎為零綠色環(huán)保產(chǎn)品。

表3　1301和CFA環(huán)保性能對(duì)比

注：ODP值取CFC-11的相對(duì)值；GWP值取CO2的相對(duì)值。

2)CFA的環(huán)境友好性明顯高于1301。

2CFA的滅火性能

2.1杯式滅火試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

杯式燃燒器被廣泛用于測(cè)量滅火劑的滅火濃度。依據(jù)《氣體滅火劑滅火性能測(cè)試方法》(GB/T 20702-2006)，設(shè)計(jì)了CFA滅火濃度測(cè)量的杯式試驗(yàn)儀器(見(jiàn)圖4)。試驗(yàn)儀器主要包括杯式燃燒器、燃料供給裝置、滅火劑供給裝置和各部分測(cè)量控制裝置組成，測(cè)量?jī)x器主要包括熱電偶和攝像機(jī)。通過(guò)熱電偶的測(cè)量和對(duì)火焰的直接觀察來(lái)綜合判斷滅火濃度。見(jiàn)圖4。

圖4　杯式試驗(yàn)儀器示意

2.1.2結(jié)果分析

CFA對(duì)于不同可燃物的滅火濃度見(jiàn)表4，CFA與1301的滅火濃度對(duì)比見(jiàn)表5。分析可見(jiàn)：

1)CFA對(duì)于各種可燃物均具有較好的滅火性能，對(duì)于可燃液體的滅火性能最好，對(duì)于可燃固體和可燃?xì)怏w的滅火性能相對(duì)較差。

2)對(duì)于可燃液體而言，CFA的滅火性能限制優(yōu)于1301。

表4　CFA對(duì)于不同可燃物的滅火濃度　%

2.2尺度滅火試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)MSC/Circ848《經(jīng)修正的1974年SOLAS公約所規(guī)定適用于機(jī)器處所和貨油泵艙的固定式氣體滅火系統(tǒng)的等效系統(tǒng)認(rèn)可導(dǎo)則》，設(shè)計(jì)CFA的全尺度滅火試驗(yàn)[8-9]。

試驗(yàn)室尺寸為12.5 m×8 m×5.7 m，設(shè)置總功率為6 MW的4 m2油盤置于遮擋物的下方(見(jiàn)圖5)，在試驗(yàn)室頂部設(shè)置滅火管系,見(jiàn)圖6。

圖5　全尺度滅火試驗(yàn)示意

圖6　滅火系統(tǒng)布置示意

對(duì)CFA按滅火濃度3.5%和1301按滅火濃度4.25%進(jìn)行對(duì)比滅火試驗(yàn)，試驗(yàn)中通過(guò)攝像機(jī)和和對(duì)火焰的直接觀察來(lái)綜合判斷滅火時(shí)間。

2.2.2結(jié)果分析

CFA熄滅4 m2油池火的全尺度滅火試驗(yàn)過(guò)程記錄見(jiàn)圖7，CFA和1301的全尺度滅火性能對(duì)比見(jiàn)表6。分析可見(jiàn)：

1)CFA可以有效抑制和撲滅大空間的油池火。

2)在同種試驗(yàn)情況下，CFA的滅火時(shí)間與1301基本相當(dāng)，CFA滅火劑的用量小于1301滅火劑的用量。

圖7　CFA全尺度滅火試驗(yàn)過(guò)程記錄

滅火劑設(shè)計(jì)滅火濃度/%滅火劑用量/kg滅火時(shí)間/s13014.2518010CFA3.516011

3結(jié)論

1)CFA滅火劑繼承了BTP的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于各種可燃物均具有優(yōu)良的滅火性能，特別是對(duì)于可燃液體的滅火性能尤佳。

2)CFA相對(duì)于BTP降低了毒性，其對(duì)于人員是安全的。

3)相比于1301，CFA在滅火性能、毒性、環(huán)境友好性等多個(gè)方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，具有替代“哈龍”系列滅火劑的廣泛應(yīng)用前景。

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Performance Analysis of CFA, a New Kind of Environment Friendly and Efficient Fire-extinguishing Agent

DENG Fei-yun1, YANG Man-jiang2, XIE Cheng-li2

(1 Naval Military Representative Department of Jiangnan Shipyard, Shanghai 201913, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:CSSC-FA(CFA)by BTP mixed with some fluorides is a new kind of environment friendly and efficient gas fire-extinguishing agent. Based on different methods such as cup Buner fire extinguishing experiment, full scale fire extinguishing experiment, toxicity test, pyrolysis experiment, mass spectrometry analysis and theoretical calculation, the fire-extinguish performance, toxicity and environment friendly performance of the CFA are studied. The results indicated that CFA inherits the advantages of efficiency and environment friendly of BTP, with lower toxicity than BTP. The CFA agent can replace Halong fire extinguishing agent.

Key words:gas fire-extinguishing agent; BTP; CFA; fire-extinguishing performance; environment friendly; toxicity

中圖分類號(hào)：U698.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0061-04

第一作者簡(jiǎn)介：鄧飛云(1979-)，男，學(xué)士，工程師E-mail:luuyj@hotmail.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.017

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶消防