海上水基燃燒技術(shù)多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)研究

劉文鵬，金良安，高占勝，王吉心

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海上水基燃燒技術(shù)多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)研究

劉文鵬1，金良安1，高占勝1，王吉心2

（1. 海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連，116018；2. 海軍裝備研究院，北京，100161）

為實(shí)現(xiàn)海上水基燃燒技術(shù)的多燃燒模式，以滿足不同領(lǐng)域的要求，基于多燃燒模式實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的可燃?xì)馍煞桨负妥灾氯键c(diǎn)火方案，即對(duì)特定粒徑的燃料主劑和點(diǎn)火副劑顆粒，采用水溶性材料進(jìn)行不同程度的包覆，以控制顆粒與海水接觸的時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的燃燒模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以上方案不僅可以實(shí)現(xiàn)典型的燃燒模式，還可通過組合使燃燒模式多元化。本研究可為海上水基燃燒技術(shù)多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)提供可靠的途徑，并為這一新技術(shù)的應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)基礎(chǔ)。

海上水基燃燒技術(shù)；多燃燒模式；點(diǎn)火延遲；表面包覆

海上水基燃燒技術(shù)是指基于專門的特種材料，利用其與海水發(fā)生反應(yīng)，形成燃燒所必需的可燃性氣體，并使用特定方法以自致燃方式使可燃?xì)庾园l(fā)燃燒的一類技術(shù)。該技術(shù)可以用于海上燃燒武器、艦船油污尾跡消除、落水人員救生、海洋大面積油污清除等眾多領(lǐng)域[1-5]。顯然，這些領(lǐng)域?qū)θ紵Ｊ接兄煌男枨?。為滿足軍事、救援、環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域的多種需求，通常海上水基燃燒技術(shù)需要具備4種基本水基燃燒模式：（1）短時(shí)爆燃模式，即在海面上形成以亞音速傳播的燃燒爆炸現(xiàn)象，其可燃?xì)馍珊笈c海面上方的空氣混合，迅速達(dá)到爆燃濃度，屬于預(yù)混燃燒；（2）長(zhǎng)時(shí)燃燒模式，即在海面上形成長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)燃燒火焰，其可燃?xì)庖贿吷梢贿吶紵?，同時(shí)不斷與空氣進(jìn)行混合，屬于非預(yù)混燃燒；（3）瞬時(shí)燃燒模式，即當(dāng)特種材料被投放后，在可燃?xì)馍傻乃查g給予點(diǎn)火作用使其立即燃燒；（4）延時(shí)燃燒模式，即當(dāng)特種材料被投放后，按照預(yù)設(shè)延遲一段時(shí)間再開始燃燒。以上4種基本燃燒模式組合后可以形成多種典型燃燒模式，如瞬時(shí)爆燃模式、瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式、延時(shí)爆燃模式、延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式等，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，本文對(duì)此展開研究。

1 多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)原理

要實(shí)現(xiàn)多燃燒模式，首先要明確基本燃燒模式的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。根據(jù)其本質(zhì)過程可知：短時(shí)爆燃模式→預(yù)備燃料；長(zhǎng)時(shí)燃燒模式→持續(xù)燃料、持續(xù)致燃；瞬時(shí)燃燒模式→瞬時(shí)燃料、瞬時(shí)致燃；延時(shí)燃燒模式→延時(shí)致燃?？梢?，實(shí)現(xiàn)多燃燒模式的核心在于兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是可燃?xì)獾纳?，一是自致燃的點(diǎn)火。其中，可燃?xì)馍森h(huán)節(jié)主要利用具有特殊性能的主劑，令其與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生在預(yù)定海域規(guī)模化燃燒所需的大量主燃?xì)猓欢灾氯键c(diǎn)火環(huán)節(jié)則通過在主劑中摻雜一定比例的專門材料，使其作為副劑與海水發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，以提供足夠的點(diǎn)火能量使生成的副燃?xì)庾匀?，從而產(chǎn)生明火引燃主燃?xì)狻?/p>

根據(jù)已有研究[1]，主劑可選擇CaC2，副劑可選擇具有高可靠性的自致燃原料組合“Na+NH4Cl”。實(shí)現(xiàn)海上水基燃燒的原理為：利用Na與海水反應(yīng)生成副燃?xì)釮2，并利用NH4Cl的水解改性作用加劇其反應(yīng)程度，以確保所生成的H2自燃，從而進(jìn)一步利用H2的燃燒點(diǎn)燃CaC2與海水反應(yīng)生成的主燃?xì)釩2H2。由以上分析可見，一旦形成了有效的可燃?xì)馍煞桨负妥灾氯键c(diǎn)火方案，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的基本燃燒模式，而通過方案間合理組合即可使燃燒模式多元化。

2 多燃燒模式的包覆實(shí)現(xiàn)

2.1 包覆實(shí)現(xiàn)的原理

根據(jù)多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)原理，可采用水溶性材料對(duì)主、副劑顆粒外層進(jìn)行包覆處理，利用不同程度的覆膜改變顆粒與海水接觸反應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而控制產(chǎn)氣、點(diǎn)火的時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)；并結(jié)合不同粒徑的主劑，形成多種可燃?xì)馍煞桨负妥灾氯键c(diǎn)火方案。

可燃?xì)馍煞桨福海?）預(yù)備燃料：采用小粒徑乃至粉末狀主劑，無(wú)包覆，令其與海水產(chǎn)生短暫而強(qiáng)烈的反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)生成大量可燃?xì)鈧溆?。?）持續(xù)燃料：采用大粒徑主劑，梯級(jí)包覆，均勻分配各級(jí)包覆厚度的主劑用量，使其分組與海水在不同時(shí)刻接觸，產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)而穩(wěn)定的反應(yīng)，持續(xù)生成可燃?xì)?。?）瞬時(shí)燃料：采用顆?；蚍勰钪鲃?，無(wú)包覆，使其被投放后立即接觸海水產(chǎn)生反應(yīng)生成可燃?xì)狻?/p>

自致燃點(diǎn)火方案：（1）持續(xù)致燃：副劑顆粒梯級(jí)包覆，與持續(xù)燃料相同，采用多種覆膜厚度以產(chǎn)生持續(xù)的點(diǎn)火反應(yīng)。（2）瞬時(shí)致燃：副劑顆粒無(wú)包覆，被投放后立即接觸海水產(chǎn)生點(diǎn)火反應(yīng)，將生成的可燃?xì)恻c(diǎn)燃。（3）延時(shí)致燃：副劑顆粒全部均勻包覆，采用大厚度覆膜，使其與海水延時(shí)接觸，在指定時(shí)刻產(chǎn)生點(diǎn)火反應(yīng)。

2.2 包覆厚度的設(shè)計(jì)

包覆厚度的設(shè)計(jì)主要受兩個(gè)因素的影響：包覆層的溶解時(shí)間和主劑顆粒的反應(yīng)時(shí)間。設(shè)包覆層厚度為，包覆層從接觸海水直至完全溶解歷時(shí)為（主劑開始反應(yīng)生成可燃?xì)獾臅r(shí)間，或副劑自致燃點(diǎn)火的時(shí)間）。由于包覆層很薄，可以假設(shè)其勻速溶解，近似認(rèn)為溶解歷時(shí)與厚度成正比，比例系數(shù)為1，即：

（1）

將顆粒視為球形，設(shè)顆粒群總質(zhì)量固定為，選定的顆粒粒徑為，顆粒數(shù)為，則每個(gè)顆粒的體積∝3，表面積∝2。由于顆粒粒徑很小，近似認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率與其比表面積成正比：

（2）

式（2）中：為比例系數(shù)；為顆粒密度?？蓪⒃撍俾室暈轭w粒群的平均反應(yīng)速率，則反應(yīng)歷時(shí)為：

（3）

式（3）中2為整合了其他常數(shù)項(xiàng)的比例系數(shù)，可見同溶解歷時(shí)類似，反應(yīng)歷時(shí)與粒徑成正比。但出于工藝上的原因，并非所有顆粒的粒徑都能符合選定標(biāo)準(zhǔn)，一般顆粒數(shù)量較大時(shí)，可以認(rèn)為其粒徑服從Rosin- Rammler分布[6-7]：

式（4）中：為分布系數(shù)；為分布指數(shù)；為累計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。通常，選定粒徑±10%基本上就可以滿足要求，因此在概率上實(shí)際參與反應(yīng)的有效顆粒粒徑d為：

（5）

所以，包覆厚度的設(shè)計(jì)可按以下方法進(jìn)行：（1）設(shè)0是包覆層厚度0= 0時(shí)的產(chǎn)氣（點(diǎn)火）時(shí)刻，此時(shí)主/副劑材料組完全不做包覆處理，接觸海水后立即產(chǎn)氣（點(diǎn)火），0= 0。（2）設(shè)1=11，是包覆層厚度為1的主/副劑材料組1與海水接觸反應(yīng)的產(chǎn)氣（點(diǎn)火）時(shí)刻。（3）設(shè)t=1D，是包覆層厚度為D的主/副劑材料組的產(chǎn)氣（點(diǎn)火）時(shí)刻。

按照使用需求，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)燃燒模式，設(shè)燃燒持續(xù)時(shí)間為long，則主/副劑材料包覆層厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為梯級(jí)依次遞增，即0<1< …<D，使0<1< …<t，且相鄰兩組梯級(jí)包覆的溶解時(shí)間間隔應(yīng)小于每組的產(chǎn)氣時(shí)間，以保證產(chǎn)氣（點(diǎn)火）的持續(xù)性：

產(chǎn)氣持續(xù)的總時(shí)間為所有包覆層的溶解時(shí)長(zhǎng)加上最后一組材料的產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)：

（7）

而對(duì)于延時(shí)燃燒模式，設(shè)延遲點(diǎn)火時(shí)間為delay，則副劑材料包覆層厚度為1，使：

（8）

關(guān)于包覆的具體實(shí)施，可完全按照現(xiàn)有已成熟的包覆技術(shù)來(lái)處理[8-12]。

2.3 包覆材料的選取

根據(jù)海上水基燃燒技術(shù)的特點(diǎn)，無(wú)論是主劑還是副劑，所采用的包覆材料都必須滿足以下要求：（1）常溫下易溶于水；（2）與主/副劑材料本身不會(huì)發(fā)生理化反應(yīng)；（3）常溫下呈固體；（4）在包覆工藝中易于操作實(shí)現(xiàn)。

而NH4Cl正是一種非常合適的包覆材料，其原因在于：（1）NH4Cl極易溶于水，其理化性質(zhì)能夠很好地滿足以上要求[13-14]。（2）自致燃原料本身就包含NH4Cl，不會(huì)增加多余成分。（3）當(dāng)NH4Cl包覆層溶解后，副劑顆粒才與海水接觸反應(yīng)，無(wú)形中使自致燃具有了“先改性，后反應(yīng)”的特性，從而進(jìn)一步提高了自致燃的成功率。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分兩組對(duì)4種基本燃燒模式的典型組合模式進(jìn)行研究。所有實(shí)驗(yàn)均在海軍大連艦艇學(xué)院艦艇損管中心的標(biāo)準(zhǔn)化外場(chǎng)進(jìn)行，同時(shí)為突出實(shí)驗(yàn)效果，爆燃實(shí)驗(yàn)在夜晚進(jìn)行。

3.1 瞬時(shí)爆燃模式與瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式

瞬時(shí)爆燃模式的特點(diǎn)是瞬間在海上產(chǎn)生劇烈的爆燃現(xiàn)象，需采用粉末狀主劑，且其主、副劑均不進(jìn)行任何包覆處理；瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式的特點(diǎn)是瞬間在海上形成持續(xù)平穩(wěn)的燃燒，需采用大粒徑主劑，且其主、副劑均進(jìn)行梯級(jí)包覆處理，但必須有一組主、副劑的包覆厚度為0mm。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備與藥品包括：小號(hào)滅火盆，其直徑（內(nèi)徑）為0.36m，盆內(nèi)凈高約0.12m，材質(zhì)為聚丙烯（PP）；主劑材料CaC2約40g，副劑材料“Na+NH4Cl”約（9+450）g（采用大粒徑），大顆粒粒徑約為10mm，梯級(jí)包覆最小厚度為0mm，最大厚度按燃燒持續(xù)時(shí)間5min左右設(shè)計(jì)制備。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）將滅火盆清洗干凈后，在室外訓(xùn)練場(chǎng)空曠處擺好，向盆內(nèi)注入海水（取自大連石槽海域）至高度約0.06m；（2）通過人工投擲方式，將不同組合的主、副劑混合材料輕輕擲入盆中；（3）將混合材料擲入盆中后，立即觀察盆內(nèi)海水表面的著火情況，并記錄點(diǎn)火時(shí)刻和燃燒持續(xù)時(shí)間；（4）更換主、副劑組合，重復(fù)以上步驟。

計(jì)算時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的影響，荷載效應(yīng)全部來(lái)自于體外預(yù)應(yīng)力鋼束。將預(yù)應(yīng)力荷載等效為沿箱梁縱橋向作用的均布力作用于錨墊板上，所施加的荷載參數(shù)如表 1所示。

3.1.2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，燃燒效果如圖1所示。如圖1（a）所示，當(dāng)采用粉末狀主劑且主、副劑均無(wú)包覆時(shí)，在投放混合材料后海水表面迅速騰起火焰，并伴有明顯的發(fā)光現(xiàn)象，爆燃階段約持續(xù)了20s，隨后恢復(fù)正常燃燒，但火勢(shì)仍然十分強(qiáng)烈，火焰最高高度可達(dá)1m，在80s左右時(shí)火焰減弱，漸漸熄滅，成功實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)爆燃模式；如圖1（b）所示，當(dāng)對(duì)主、副劑均進(jìn)行梯級(jí)包覆時(shí)，在投放混合材料后海水表面迅速發(fā)生燃燒現(xiàn)象，但燃燒火焰并不大，隨后經(jīng)歷一段持續(xù)平穩(wěn)的燃燒后熄滅，成功實(shí)現(xiàn)了瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式。

表1 瞬時(shí)爆燃模式和瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 The experimental results of instantaneous deflagration model and instantaneous longtime combustion model

（a） 瞬時(shí)爆燃模式（黑夜）

（b） 瞬長(zhǎng)時(shí)燃燒模式（白天）

圖1 燃燒效果

Fig.1 Combustion effect

由表1可見，采用同樣的主劑與不同包覆的副劑時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間的變化并不大，而采用同樣的副劑與不同包覆的主劑時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間則相差很大，說(shuō)明影響燃燒時(shí)長(zhǎng)的主要因素是主劑的粒徑和包覆情況；由于包覆厚度均按燃燒持續(xù)時(shí)間5min左右設(shè)計(jì)，因此主劑40%梯級(jí)包覆和70%梯級(jí)包覆的燃燒時(shí)長(zhǎng)差別也不大。此外，雖然副劑的包覆情況對(duì)燃燒時(shí)長(zhǎng)的影響較小，但為了保證可靠的長(zhǎng)時(shí)燃燒，即一旦出現(xiàn)熄火現(xiàn)象能隨時(shí)被重新點(diǎn)燃，其自致燃也應(yīng)具有持續(xù)性，因而仍需對(duì)副劑進(jìn)行梯級(jí)包覆處理以保證持續(xù)點(diǎn)火，而非只在開始時(shí)進(jìn)行一次點(diǎn)火。

3.2 延時(shí)爆燃模式與延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式

延時(shí)爆燃模式的特點(diǎn)是投放后延遲一段時(shí)間再發(fā)生高強(qiáng)度燃燒，需采用小粒徑無(wú)包覆主劑，且副劑全部進(jìn)行均勻厚度的包覆處理。延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式的特點(diǎn)是投放后延時(shí)發(fā)生持續(xù)的燃燒，需采用大粒徑主劑，并對(duì)其主、副劑均進(jìn)行梯級(jí)包覆處理，且副劑最小包覆厚度不為0mm。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備同上，藥品主要是為本次實(shí)驗(yàn)專門制備的主、副劑材料，其中主劑CaC2約40g，副劑“Na+NH4Cl”約（9+450）g（采用大粒徑），小顆粒粒徑約為5mm，大顆粒粒徑約為10mm，梯級(jí)包覆最大厚度按燃燒持續(xù)時(shí)間5min左右設(shè)計(jì)制備，實(shí)驗(yàn)步驟同3.1.1節(jié)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，燃燒效果如圖2所示。

表2 延時(shí)爆燃模式和延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The experimental results of delayed deflagration model and delayed longtime combustion model

（a） 延時(shí)爆燃模式（黑夜）

（b） 延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式（黑夜）

圖2 燃燒效果

Fig.2 Combustion effect

如圖2（a）所示，當(dāng)采用小粒徑主劑且副劑均勻包覆時(shí)，在投放混合材料后聽見盆內(nèi)有漸漸增大的“呲呲”響聲，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該聲響即為主劑發(fā)生劇烈水化反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)鈿馀莸穆曇?，約3s后，副劑的包覆層全部溶解，發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，將海面上方已生成的大量可燃?xì)恻c(diǎn)燃，而在點(diǎn)火延遲的時(shí)間里，可燃?xì)庖雅c空氣充分混合，因此被點(diǎn)燃后立即發(fā)生爆燃，隨后燃燒又持續(xù)了一小段時(shí)間，成功實(shí)現(xiàn)了延時(shí)爆燃模式；如圖2（b）所示，當(dāng)主、副劑均梯級(jí)包覆時(shí)，在投放混合材料后并沒有立即發(fā)生燃燒現(xiàn)象，而是延遲一段時(shí)間后才開始點(diǎn)火燃燒，隨后經(jīng)歷一段持續(xù)平穩(wěn)的燃燒后火焰熄滅，成功實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)時(shí)燃燒模式。

由表2可見，延時(shí)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)完全由副劑的包覆情況決定，與主劑顆粒大小和包覆情況無(wú)關(guān)；對(duì)于無(wú)包覆的主劑，其在延時(shí)點(diǎn)火期間不斷反應(yīng)生成可燃?xì)?，可燃?xì)庖贿吪c空氣混合，一邊因擴(kuò)散而逐漸脫離點(diǎn)火區(qū)域，因此延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，可燃?xì)庠诳諝庵邢⒌木驮蕉?，其燃燒持續(xù)時(shí)間也就越短；同理，對(duì)于梯級(jí)包覆的主劑，最小包覆厚度為2mm時(shí)因延時(shí)生成了可燃?xì)?，其燃燒持續(xù)時(shí)間就要比最小包覆厚度為0mm的長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)海上水基燃燒技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的需求，研究了其多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)原理，提出了相應(yīng)的可燃?xì)馍煞桨负妥灾氯键c(diǎn)火方案，即采用水溶性材料NH4Cl，對(duì)燃料主劑和點(diǎn)火副劑顆粒按需進(jìn)行不同程度的包覆，同時(shí)結(jié)合不同粒徑的主劑，以控制混合材料與海水接觸的時(shí)刻和時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種燃燒模式。通過對(duì)方案核心思想、實(shí)現(xiàn)原理以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多個(gè)方面的分析，證實(shí)了多燃燒模式的可實(shí)現(xiàn)性，也驗(yàn)證了梯級(jí)包覆方法實(shí)現(xiàn)多燃燒模式的有效性。研究結(jié)果可為多燃燒模式的實(shí)現(xiàn)提供一定的理論和工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

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Research on Realization of Many Combustion Models of Marine Water-based Burning Technique

LIU Wen-peng1，JIN Liang-an1，GAO Zhan-sheng1，WANG Ji-xin2

（1. Dalian Naval Academy, Navigation Department, Dalian, 116018；2. Naval Academy of Armament, Beijing,100161）

In order to realize many combustion models of the marine water-based burning technique and meet the requirements of different fields, based on implementation principle of many combustion models, flammable gas generation scheme and spontaneous cause combustion ignition scheme were designed correspondingly, that processes different levels coating on-demand for fuel main particles and ignition assistant particles of certain particle size with a water-soluble material, and to control moment and duration of the particles in contact with the seawater, then to realize different combustion models. The experimental results show that the above scheme can realize the typical combustion models completely, also can make combustion models diversified through combination. The research conclusion can provide a reliable way to realize many combustion models of the marine water-based burning technique, also provide theory support and technological base for application of the new technology.

Marine water-based burning technique；Many combustion models；Ignition delay；Surface coating

1003-1480（2017）02-0019-05

TQ560.7

A

2017-02-28

劉文鵬（1993-），男，博士研究生，主要從事船舶安全保障與防護(hù)的研究。

“十三五”國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目（5131402031, 4010403010208）。