BTP-氟化物復合氣體滅火性能的試驗

鄭軍林，彭玉輝,謝承利

(1.海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，武漢 400064； 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

?

BTP-氟化物復合氣體滅火性能的試驗

鄭軍林1，彭玉輝2,謝承利2

(1.海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室，武漢 400064； 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：為了探討一溴三氟丙烯(BTP)與氟化物所形成的復合滅火介質(zhì)(CFA)的實際滅火性能，基于氣體滅火劑滅火性能測試方法，試驗測試CFA對木材、電纜及常用液體燃料的滅火濃度，以及對航空煤油RP3、RP5、庚烷、乙醇的惰化濃度，結果表明：CFA的滅火濃度與1301相比較低，大部分可燃物的滅火濃度在2%～3%之間；對乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油這四種可燃物的惰化濃度約為5%，優(yōu)于1301，CFA顯示出了較高的滅火性能，是取代1301滅火劑的優(yōu)良替代品。

關鍵詞：BTP；滅火濃度；惰化濃度；滅火性能

1301滅火劑具有滅火效率高、滅火濃度低、耐貯存、不導電、毒性較低、腐蝕性小及滅火后不留痕跡等眾多優(yōu)點，廣泛地應用于重要場所[1-4]。目前，國內(nèi)船舶中的的動力設備艙、燃氣渦輪間、機庫、彈藥庫、可燃液體儲存室等重要場所的滅火均使用1301滅火系統(tǒng)。雖然1301滅火劑具有較好的滅火性能，但是也有較為嚴重的缺點，主要是1301中含有氯、溴元素會破壞大氣層，目前，已被聯(lián)合國在全球禁止生產(chǎn)和使用。但是，目前仍沒有成熟的滅火劑可以在滅火性能和適用范圍兩個性能指標上可完全取代1301等鹵代烷滅火劑[5]。因此，新一代清潔高效的替代產(chǎn)品的開發(fā)是目前世界范圍消防學界面臨的迫切任務之一[6]。

目前，國際上的1301滅火替代技術主要包含細水霧滅火技術、惰性氣體滅火技術及氟化物滅火技術等。其中，細水霧滅火主要通過特殊制造的噴嘴將水在一定壓力下噴出成霧狀，這種滅火方式一方面可以吸熱，另一方面可以稀釋氧氣濃度，并且對環(huán)境危害近乎為零，具有較好的技術潛力。但目前該系統(tǒng)的滅火能力嚴重依賴于噴頭設計，且其滅火效果對環(huán)境參數(shù)及可燃物較為敏感[7-10]。惰性氣體滅火技術對環(huán)境無危害，但是系統(tǒng)配置龐大，同時需大量空間來安裝高壓氣瓶組[11]。作為重要的1301替代滅火介質(zhì)，氟化物(HFC-227ea、三氟甲烷、六氟丙烷等)滅火無殘留、滅火速度快、不導電且無污染，在目前滅火劑市場占據(jù)主導地位。但是，由于氫氟烷烴的分子結構中不含有溴原子，導致需要的滅火濃度較高，并且，其在大氣中難降解，溫室效應值較大。1997年12月，《京都議定書》中明確將二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷也歸入了逐漸淘汰的行列[12]。同時，在這次會上，可降解溴烴滅火介質(zhì)被明確作為一種潛在1301替代產(chǎn)品。

為此，對CFA新型氣體滅火系統(tǒng)對典型可燃物的的滅火濃度(體積分數(shù))、惰化濃度(體積分數(shù))進行試驗研究，并與傳統(tǒng)滅火劑的滅火能力進行對比，評估該新型氣體滅火劑的滅火能力。

1CFA滅火劑滅火濃度

1.1試驗設計

CFA滅火劑的滅火濃度試驗按《氣體滅火劑滅火性能測試方法》(GB/T 20702-2006)進行。實驗平臺結構圖見圖1。主要為杯式燃燒器、燃料供給裝置、滅火介質(zhì)供給裝置和各部分測量控制裝置組成。杯式燃燒器的燃燒杯為圓形，材料為耐熱玻璃，外徑為29～31 mm，內(nèi)徑為25 mm，壁厚為1～2 mm，杯頂部的邊緣倒角為450，在杯的中央和杯的中央距頂部大約5 mm處分別安裝有熱電偶。靠近燃燒器的底部有燃料入口，入口與放在液面調(diào)節(jié)的鐵架臺上的燃料罐相連，通過調(diào)節(jié)鐵架臺的高度來調(diào)節(jié)燃燒杯中液面的高度。燃燒器的煙囪為圓柱形，由石英制成，內(nèi)徑為85 mm。空氣由空氣壓縮機提供并有質(zhì)量流量計來調(diào)節(jié)流。滅火劑通過蠕動泵進料，并用電子天平進行在線標定。實驗時，空氣和滅火劑在混合腔先進行混合，混合腔由溫控裝置和加熱裝置來控制，混合后進入燃燒器底部，此處有高約100 mm、直徑為7 mm的玻璃球，用來對空氣和滅火劑再一次進行充分混合。

試驗中布置了3個熱電偶，其中熱電偶1布置在混合腔中，用來測定CFA與空氣混合氣體的溫度；熱電偶2布置在燃燒器中，用來測量混合氣流的溫度，以便計算滅火濃度；熱電偶3布置在燃燒器上方，用來測量火焰溫度。各個熱電偶的溫度通過計算機實時在線采集監(jiān)測。試驗過程中，還在試驗裝置正前方布置了一臺攝像機對整個滅火過程進行圖像采集。

圖1　CFA滅火試驗實驗平臺組成

實驗時，先打開空氣壓縮機，調(diào)節(jié)空氣的流量，使之保持在40 L/min，然后對混合腔進行加熱，使其溫度保持在99 ℃左右，接著調(diào)節(jié)燃燒器中液面的高度，使之距杯口大約2 mm。各方面就緒后，開始點火，并將杯中液面高度調(diào)至杯頂大約1 mm，預燃60 s后，此時火焰較穩(wěn)定，火焰高度大約為8 mm，開始通入一定量的CFA滅火劑。實驗過程中保持空氣流量為40 L/min，從小到大不斷調(diào)節(jié)蠕動泵的轉速，直至火焰完全熄滅。增加滅火劑的供量時，采用逼近法，每次以上一次流量3%的比例增大。在調(diào)節(jié)滅火劑流量后時間延時為10 s，以使空氣和滅火劑能按照新的比例及時混合并到達燃燒器中。待火焰熄滅時，記錄下空氣的流速、蠕動泵的轉速、壓力和溫度數(shù)據(jù)。試驗結束后，先降低燃燒器中液面的高度，并除去杯中的沉淀、殘余物等，以免影響測量的準確性。

共對10種不同可燃物的滅火濃度進行測量。試驗工況表見表1。

表1　滅火濃度試驗試驗工況

1.2試驗現(xiàn)象及討論

實驗中，熱電偶1從室溫逐漸上升到99 ℃并幾乎保持不變，保證滅火劑能夠完全氣化。熱電偶2測量的是杯式燃燒器中氣體的溫度。實驗發(fā)現(xiàn)，混合氣流從室溫一直上升到60 ℃并在60 ℃左右波動，且波動范圍很小。熱電偶3為乙醇燃燒火焰的外延溫度。工況9中滅火濃度試驗中CFA滅火劑施加過程的火焰圖像變化情況見圖2。

圖2　在CFA滅火劑施加過程中酒精火焰動態(tài)變化過程

由圖2可見，CFA施加后火焰高度顯著降低，火焰變小，最后熄滅。與火焰圖像同步，還可在整個實驗過程中可以發(fā)現(xiàn)熱電偶3溫度的變化大致分為4個階段：起初，乙醇開始燃燒，火焰不斷升溫；之后，乙醇穩(wěn)定燃燒，此時火焰外延溫度大約穩(wěn)定在780 ℃左右；接著，滅火劑開始與火焰作用，火焰溫度有段短暫升高的過程；最后，滅火劑發(fā)揮抑制作用，火焰逐漸熄滅。對于滅火劑剛開始與火焰作用，火焰溫度升高的現(xiàn)象，分析認為主要是滅火劑的熱分解引起的熱釋放和滅火劑類燃料性質(zhì)所造成的有效燃料當量比增加。

1.3試驗結果

采用上述方法分別測出不同可燃物工況的滅火濃度，見表2。

由表2可見，對這10種常見可燃物，CFA的滅火濃度大部分在2%～3%之間，處于較低水平。滅火濃度最高的為木材(表面火)，達到濃度3.7%，最低的為10號柴油，僅為2.5%。試驗測得CFA對常用可燃物的滅火濃度與1301滅火濃度的對比見表3。

表2　不同可燃物工況的滅火濃度

表3　1301與CFA滅火濃度對比

由表3可見，對乙醇，汽油，庚烷這3種液體燃料，CFA的滅火濃度均顯著低于1301的滅火濃度，約為1301滅火濃度的75%。對甲烷的滅火濃度，CFA則要高于1301，說明CFA對氣體可燃物的滅火能力尚仍不如1301，但需要指出的是，CFA對甲烷3.3%的滅火濃度也處于較低水平。

2CFA滅火劑惰化濃度研究

2.1試驗設計

CFA滅火劑惰化濃度試驗按GB/T20702-2006《氣體滅火劑滅火性能試驗方法》進行。實驗平臺主要由體積為7.9 L球形試驗容器、熱電偶、壓力傳感器、燃料及滅火劑的加熱裝置、點火器等設備組成，見圖3。

圖3　CFA惰化濃度試驗的試驗設備示意

其中，燃料及滅火劑的加熱裝置主要采取油浴方式，試驗前加熱到所需壓力和濃度。點火器由4根石墨棒組成，用2根電線系在一端，同時，還設有2個450 V電容器，與點火器線連接。在實驗時，電容器放電電流引起石墨棒表面的電離，擊穿間隙引起放電。除此之外，球形容器內(nèi)部布置有攪拌扇，適合承受爆炸時的溫度和高壓。在球形容器中還配有入口及通風口，其中，入口在容器下部，通風在容器上部。惰化試驗中，試驗要求及試驗操作步驟如下。

1)實驗時，環(huán)境溫度為室溫(22±3) ℃，記錄超出此范圍的溫度。

2)將壓力傳感器與適宜的記錄儀連接，測量實驗容器的壓力升，最接近為70 Pa。

3)開動真空裝置，把容器中的空氣排空。

4)加入CSCC-FA滅火劑，并通過油浴加熱，使其達到所需的濃度值；由于CSCC-FA滅火劑是液體，故應允許有一段時間等待其揮發(fā)。

5)導入燃料蒸氣和空氣(相對濕度(50±5)%，使其達所需的濃度值，并使容器內(nèi)壓力達到1×105Pa)；對于液體燃料，通過加熱提高其飽和蒸汽壓，并允許有一定時間等待其揮發(fā)。

6)打開容器內(nèi)攪拌扇，攪拌混合物1 min，關閉攪拌扇等待1 min，讓混合物達到均勻效果。

7)給電容器充電到720～740 V的電勢。

8)關閉開關，電容器放電。

9)開動壓力測量裝置，測量容器內(nèi)部的壓力升。

10)測試完壓力升以后，把氣體排空，清洗試驗容器內(nèi)部以避免分解殘余物沉積。

11)保持燃料/空氣比并且改變滅火劑數(shù)量重復試驗，直到找到壓力比初始壓力升高了0.07倍的條件。

12)重復試驗，改變?nèi)剂?空氣比例以確定惰化混合物所需的最大滅火劑的蒸氣濃度。

試驗共對乙醇、庚烷等四種可燃物的惰化濃度進行了試驗測量，試驗工況見表4。

2.2CFA惰化濃度試驗結果及討論

采用上述方法分別測出不同可燃物工況的惰化濃度，見表5。

由表5可見，對這4種常見可燃物，CFA的惰化濃度均為5%上下，處于較低水平。惰化濃度最高的為乙醇，為6.0%，最低的為庚烷，僅為4.8%。試驗測得CFA對常用可燃物的設計惰化濃度與1301設計惰化濃度的對比(設計惰化濃度為試驗測試濃度的1.2倍)見表6。

表6　1301與CFA惰化濃度對比

由表6可見，對乙醇，庚烷這2種液體燃料，CFA的設計惰化濃度均顯著低于1301的設計惰化濃度，其中，對庚烷而言，CFA的設計惰化濃度為1301的84%，對乙醇，其設計惰化濃度則相比1301低得多，僅為1301的65%。

3結論

1)對常見可燃物，CFA的滅火濃度大部分在2%～3%之間，處于較低水平。

2)對乙醇，汽油，庚烷這3種液體燃料，CFA的滅火濃度約為1301滅火濃度的75%，但CFA對甲烷這種氣體可燃物的滅火能力尚仍不如1301，但3.3%的滅火濃度也處于較低水平。

3)對乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油這4種可燃物，CFA的惰化濃度均為5%上下。

4)CFA對庚烷的設計惰化濃度為1301的84%，對乙醇惰化濃度為1301的65%。

參考文獻

[1] BANKS R E. Enviromnental aspects of fluorinated materials.2.In-Kind replacements for halon fire extinguishants-some recent candidates[J].Jounral of Fluorine Chemistry,1994,67(3):193-203.

[2] STAMNES K, HENRIKSEN K. Simultaneous measurement of uvradiation received by the biosphere and total ozone amount[J]. GeoPhysical Researeh Letters,2000,15(8):784.

[3] LI K, KENNEDY E M. Gas-Phase reaction of halon 1301 (CBrF3) with methane[J]. Industrial & Engineering Chemistry Researeh,1999,38(9):3345-3352.

[4] LI K, OGHANNAF. Pyrolysis of Halon 1301 over zeolite catalysts[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2000,35(6):219-226.

[5] 彭玉輝,曾勇,鄭興海.艦船哈龍滅火劑的替代產(chǎn)品和氣體滅火劑的選型分析[J]. 中國艦船研究,2007,2(5):72-75.

[6] KENNEDY E M, LI K. a process for disposal of halon 1301 (CBrF3)[J]. Chemical Engineering Communications,1999,176:195-200.

[7] BACK G G, C L BEYLER. The capabilities and limitations of total flooding, water mist fire suppression systems in machinery space application[J]. Fire Techonology,2000,36(1):8-23.

[8] DARWIN R L, F W WILLIAMS. The development of water mist fire protection systems for US navy ships[J]. Naval Engineers Journal,2000,112(6):49-57.

[9] HANSEN R L, G G BACK. Water spray protection of machinery spaces[J]. Fire Techonology,2001,37(4):317-326.

[10] LIU J H, G X LIAO. Study of liquid pool fire suppression with water mists by cone calorimeter[J]. Journal of Fire Sciences,2002,20(6): 465-477.

[11] SAITO N, Y OGAWA. Flame-extinguishing concentrations and peak concentrations of N-2,Ar,CO2and their mixtures for hydrocarbon fuel[J]. Fire Safety Journal,1996,27(3):185-200.

[12] TAPSCOTT R E. The ozone impact mitigation program[C]∥Annual Meeting of the National Fire Protection Association, Cincinnati, Ohio, USA, Apri,6-9.

Experimental Study on Fire Extinguishing Efficiency of BTP-Fluoride

ZHENG Jun-lin1, PENG Yu-hui2, XIE Cheng-li2

(1 Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The fire extinguishing efficiency of BTP-fluoride (CFA) is studied experimentally. Based on the standard fire extinguishing efficiency testing method of gas extinguishing agent, experiment is conducted to test extinguishing concentration of CFA to wood fire, cable fire, commonly used liquid fire, and inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol. The results show that for most combustible, the extinguishing concentration of CFA is 2%-3%, it's lower than 1301. The inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol is about 5%, it's also better than 1301.In general, the fire extinguishing efficiency of CFA is good to replace 1301 agent.

Key words:BTP; extinguishing concentration; inerting concentration; fire extinguishing efficiency

中圖分類號：U698.4

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0069-05

第一作者簡介：鄭軍林(1971-)，男，碩士，高級工程師E-mail:phust@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.019

修回日期：2016-01-21

研究方向:輪機工程