氮气灭火剂在封闭空间的作用机理及其应用的研究.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 目目 录录 摘摘 要要 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1引言 1 1 2地下建筑火灾特点和消防难点 2 1 2 1地下建筑火灾特点 2 1 2 2消防难点 3 1 3气体灭火概述 4 1 3 1火灾类型 4 1 3 2有关气体灭火的几个基本概念 4 1 4国内外灭火剂研究现状 5 1 4 1水添加剂的发展 5 1 4 2泡沫灭火剂的发展 6 1 4 3干粉灭火剂的发展 8 1 4 4气体灭火剂 9 1 4 5哈龙灭火剂的发展 10 1 5哈龙灭火剂面临的问题及其替代品的研究现状 11 1 5 1哈龙灭火剂面临的问题 11 1 5 2哈龙替代灭火剂的选择原则 12 1 5 3哈龙替代灭火剂研究现状 12 1 5 4常用哈龙替代灭火剂的灭火机理及其特点 13 1 6课题研究的意义 16 1 7课题的研究内容 17 1 8本章小结 18 第第 2 章章 氮气灭火剂的可行性研究氮气灭火剂的可行性研究 19 2 1引言 19 2 2氮气及其它替代灭火剂的技术特性 20 2 2 1灭火性能 20 2 2 2环境保护 22 2 2 3毒性 22 2 3氮气和其它替代灭火剂的综合评价 26 2 3 1评价的指标体系 27 2 3 2综合评价指标集的建立 27 2 4定性参数的处理方法 28 2 4 1定性指标特征值和权重的处理 28 2 4 2集值统计法应用举例 31 2 5多目标多层次的模糊综合评价模型 31 2 4 1最低层相对隶属度的计算 31 2 4 2第i分系统的单排序 32 2 4 3上一层次的排序 34 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 2 6氮气与其它气体灭火系统的综合评价 34 2 7地下建筑火灾中使用氮气和其它惰性气体特性分析 35 2 8结论 36 2 9本章小结 36 第第 3 章章 氮气灭火剂在封闭空间的作用机理氮气灭火剂在封闭空间的作用机理 37 3 1引言 37 3 2封闭火区中氧浓度变化的影响因素 37 3 3注入氮气的不同流态对火区氧浓度的影响 38 3 3 1紊流状态下氧气 氮气浓度与注入时间及流量的动态关系 38 3 3 2层流状态下氧气 氮气浓度与注入时间及流量的动态关系 40 3 3 3氮气在不同流动状态下对氧浓度变化的影响比较 42 3 4燃烧耗氧作用对封闭火区中氧浓度的影响 43 2 2 1火区完全密封下燃烧消耗作用对氧浓度的影响 44 2 2 2不完全密封时消耗对空间中氧浓度的影响 45 2 2 3稀释和消耗作用对氧浓度变化的综合影响 47 3 5燃烧生成物对氧浓度的影响 47 3 6注入氮气呈紊流流动的条件 50 3 7封闭空间的温度变化 50 3 10 1无氮气注入时的温度变化 51 3 10 2氮气注入时的温度变化 54 3 8注入氮气的不同流态对可燃气体层的影响 56 3 8 1火区中的可燃气体层 56 3 8 2层流中的可燃气体层 57 3 8 3紊流中的可燃气体层 57 3 9本章小结 59 第第 4 章章 氮气灭火系统设计氮气灭火系统设计 60 4 1引言 60 4 2氮气灭火系统的适用范围 60 4 2 1适用场所 60 4 2 2不适应场所 60 4 3氮气灭火剂用量计算 61 4 3 1灭火剂的设计浓度 61 4 3 2防护区的爆炸性 61 4 3 3氮气的设计灭火浓度 62 4 3 4灭火剂设计用量计算 63 4 3 5设计系数 64 4 4防护区设置要求 65 4 4 1防护区的确定 65 4 4 2防护区开口 65 4 4 3建筑构件的耐压性能和防护区泄压 66 4 4 4建筑构件的耐火性能 68 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 4 5灭火系统的管网设计 68 4 5 1管网设计的环境温度 68 4 5 2设计流量计算 69 4 5 3管道内径计算 69 4 5 4喷咀孔口面积计算 70 4 5 5管网压力损失计算 70 4 6移动式氮气灭火系统设计 73 4 6 1制氮设备的选择 73 4 6 2氮气灭火剂用量计算 75 4 6 3氮气的注入方式 75 4 6 4输送管道选择 75 4 7本章小结 76 第第 5 章章 氮气灭火剂在地下建筑火灾中的应用研究氮气灭火剂在地下建筑火灾中的应用研究 77 5 1引言 77 5 2直接灭火时的风流紊乱现象 危害及控制 77 5 3 1烟流 77 5 3 2火灾产生的风流紊乱现象 77 5 3 3风流紊乱现象的危害 78 5 3 4风流紊乱现象的控制 78 5 3直接灭火时的气体监测 79 5 4火区封闭 80 5 5封闭火区内火源状态的分析 81 5 5 1气样中被检气体浓度的分析判断 81 5 5 2气样的可靠性 82 5 6火区启封 82 5 7氮气灭火应用实例 83 5 8本章小结 86 第第 6 章章 结论与设想结论与设想 87 致致 谢谢 88 参考文献参考文献 89 攻读博士期间从事的科研项目及发表的论文攻读博士期间从事的科研项目及发表的论文 95 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 第第 1 章章 绪论绪论 1 11 1引言引言 随着科学技术的进步及大型城市的发展 现代地下工程迅速发展 现代地下空间的利 用 在本世纪60和70年代达到了空前的规模 包括平战结合的地下居住和公共建筑 地铁 隧道 地下商业街 节约能源型的中小型地下建筑 地下公用设施和服务设施等 在许多 国家 公路和铁路隧道是一种非常便利的运输通道 因而世界范围的隧道数量和建立增长 都在不断增加 截止1997年 我国的铁路隧道总长度已有2457 89km 1 随之而来的是由 于隧道设计的不合理 以及不断增加的隧道负载 使得隧道火灾的风险也不断加大 2 由于地下建筑的特殊性 其火灾特点使得扑救非常困难 1985年8月19日 西安红安公司 发生一起地下建筑火灾 这起火灾连续燃烧了5天多 灭火的措施主要是用水 经过几次 强攻后 火势仍然没有得到遏制 最后使用沙袋封堵所有出入口和通风洞 采用窒息灭火 才将大火扑灭 这次火灾的直接损失达38万元 我国地下建筑火灾延烧时间最长的一次有 41天 这次火灾造成4名救火人员死亡 80多人受伤 3 1990年7月3日 四川达县附近的 梨子园铁路隧道一列军用油罐车爆炸燃烧 使这条铁路大动脉停运22天 1993年6月12日 一列原油列车行至蔺家川隧道发生爆炸燃烧 消防队员奋勇扑救了15个日夜才把火灾扑灭 4 列车在铁路隧道内着火成灾的事故后果极为严重 据不完全统计 仅50年来国内外 客货车在隧道内发生的火灾事故已达30多起 我国自1976年以来 在铁路隧道内已经发生 了列车事故7起 其中油罐列车火灾6起 不仅烧毁车辆 运输物资 隧道设施与线路 而且造成了百余人死亡 直接经济损失近2000万元 累计中断行车时间为1800小时以上 间接经济损失难于估计 并且造成不良的社会影响 4 1988年9月 南昌市福山地下贸易 中心发生大火灾 直接经济损失达148 7万元 2003年2月韩国大邱地铁发生火灾 至少造 成196人死亡 直接损失达40亿韩元 这些火灾的发生引起了世界各国对隧道 地铁和地 下商业街等地下建筑物火灾的高度重视 纷纷成立专门的机构并投入大量的资金进行防灭 火研究 5 7 并规定在新建隧道 地铁 地下商业街等地下建筑中增加消防设计 以及尽 可能地在原有的地下建筑中增加消防系统 8 11 我国也成立了专门的课题对隧道火灾报 警和消防方法进行研究 12 由于绝大部分隧道都是远离城市的山岭隧道 而且交通部门 没有专门的消防队伍和现代化的消防设施 因此 即使有着良好的隧道研发 13 和重要的 预防设计措施 海底隧道火灾仍然具有极大的破坏性 14 15 国内的几次隧道列车火灾事 故 大部分是采用封堵窒息法灭火 4 火灾发生初期 主要依靠自动喷淋和全淹没式气 体灭火系统 可采用的方案较多 固定式氮气灭火系统是其中的一种 当这些建筑火灾规 模进一步发展 使用直接灭火措施不能完全灭火时 就需要采用封堵窒息法灭火 水是天 然的灭火剂 因而其使用范围也最为广泛 封堵注水灭火理所当然地成为首选 但是用水 灭火也存在许多缺点 1 水灭火可能对地下建筑造成损害 2 在偏远地区 水量严 重不足 满足不了灭火的用水需求 3 许多类型的火灾不能使用水灭火 在全淹没式 气体灭火系统方面 随着哈龙替代灭火灭火剂研究的进展 人们开始进一步深入研究惰性 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 气体灭火剂的相关性能和特性 氮气是一种惰性气体 具有不导电 无污染 为天然气体 等特性 是真正清洁灭火气体 它对于扑救A B C和D类火灾都有较好的效果 氮气灭 火剂可应用于地下建筑 地下商业街 地铁 隧道 控制室 计算机房 图书馆 通讯设 备 变电站 重点文物保护区等场所的火灾 由于具有这些优点 国外对它进行了大量的 研究 16 17 希望它能成为一种良好的哈龙替代灭火剂 目前国外已出现了商业化的氮气 灭火系统IG100 但是氮气的灭火浓度高 贮存压力大 影响了它的应用和推广 目前只 在少数国家开始使用 氮气除了可应用于固定式系统外 还可以作为移动式灭火系统应用 多年的矿井火灾防治为此提供最有力的证明 18 21 使用移动式氮气灭火系统可以很好地 解决用水扑救封闭火区中存在的问题 因此 采用封闭窒息灭火时 氮气灭火剂更是有着 巨大的优势 由于矿井火灾与地下建筑火灾的存在许多相同的特点 对氮气灭火剂在封闭 空间中的作用机理的研究 将有助于利用在矿井地下火灾扑救中行之有效的经验和技术 使用移动式氮气灭火系统来扑救地下建筑火灾 此外 在行之有效的哈龙替代灭火剂出现 之前 对固定式氮气灭火系统的应用可行性 以及系统的设计方法进行研究 在我国气体 灭火系统的研究中具有非常现实的意义 上面提及矿井与地下建筑具有许多相同的特点 但它们究竟有哪些相同的特点呢 下面就对它们的一些共同特点和消防难点进行分析 1 21 2地下建筑火灾特点和消防难点地下建筑火灾特点和消防难点 1 2 1地下建筑火灾特点地下建筑火灾特点 地下建筑由于其自身建筑的特点 发生火灾的主要特点是 1 烟雾多 易于积聚 大多数地下建筑只有很少的通道与外部进行连接 建筑的出口有限 近似于半密闭状 态 建筑物内的空气与外部交换也少 平时通过通风或空调系统进行供风 氧的供应比较 少 发生火灾后 燃烧消耗大量的氧气 降低了空间中的氧含量 但空气中的氧含量仍可 以维持物质的燃烧 在供氧不足条件下 物质燃烧不完全 产生大量烟雾 火灾发生后 通风 空调系统常常因为电源切断而失去排烟作用 地下建筑的自然通风条件比较差 自 然排烟的数量少 有大量浓烟在地下空间蓄积 地下建筑散热条件差 空间里的温度会迅 速上升 燃烧会形成火风压 导致空间中地下建筑内的气压增高 在高温条件下 气体体 积迅速膨胀 可达到平时的两倍或更多 这也是导致地下建筑内烟雾扩散速度非常快的重 要原因 当从安全出口或通风口进入的冷空气与火灾时产生的热烟气相遇 便产生自然对 流现象 冷空气沿安全出口的下部空间进入 热空气从安全出口的上部空间逸出 形成一 种烟囱效应 使地下建筑内的空气得以置换 但是地下建筑内空气的置换速度很慢 这个 过程受地下建筑的结构形状 物体的阻挡等因素的制约 尤其在狭长曲折 上下起伏的地 下建筑内 热空气和热量便在地下建筑内蓄积起来 要经过很长时间才能得以冷却消散 2 浓烟毒气多 人员难于疏散 在火灾条件下 大多数易燃 可燃 难燃的物质 都会释放出一些有毒 剧毒或窒息 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 性的气体 如一氧化碳 二氧化碳 硫化氢 氯化氢等 使地下建筑内充满了这些有毒的 气体 地下建筑的安全出口既是人们唯一的逃生通道 又是浓烟火焰的喷发口 而人的逃 生速度远远比不上烟火的蔓延速度 当浓烟使视觉降低到 3 5 米的距离时 人能逃离火 场的可能性就变得很小 11 同时 地下建筑内的空气氧含量本身也低于地上空间 发生 火灾后 燃烧会使空气中的氧含量迅速消耗将会加快被困人员的窒息 3 燃烧速度快 火灾易于蔓延 地下建筑为半受限空间 供氧不足 空间狭小 火灾产生的烟雾和辐射热一时排不出 去 形成炽热烟流 这些炽热烟流的积聚在地下建筑空间中 使地下空间的温度迅速升高 烟流在火风压作用下 会通过任何可能的气体通道向外传播 这些炽热烟流一旦流出火区 在新的位置与新鲜空气混合后 获得氧的供应 会重新产生新的火灾或爆炸 因此 火焰 蔓延的速度基本等于烟雾蔓延的速度 烟流会同时向水平和垂直两个方向传播 使得燃烧 传播的速度非常快 当炽热烟流中的可燃气体组分的浓度达到其爆炸极限时 会立即引起 该气体发生爆炸 使燃烧面积迅速扩大 对于一些建筑结构和装修复杂的地下建筑 火势 的蔓延途径很多 如贯通整个地下建筑的通风管道 电线电缆管道 电梯井等 地铁 隧 道等建筑有双向或多向出入口 通风条件好 火势更易蔓延扩大 公路隧道大多都穿越山 岭 水下 通行车辆密度大 一旦发生火灾 会使车辆一辆接一辆燃烧 并将隧道中的可 燃设备烧毁 铁路隧道火灾大多是由于油罐列车颠覆引起的 蔓延速度更快 1 2 2消防难点消防难点 地下建筑的火灾比地面建筑的火灾扑救要困难得多 主要表现在以下几个方面 1 火情侦察困难 难于直观地确定地下建筑发生火灾的位置 虽然在许多地下建筑 中安装有自动火灾探测器 可以提供一些信息 但是一些早期地下建筑中并没有安装自动 火灾探测器 有关地下建筑火灾状况的信息不如地面建筑来得那样直观明确 2 通讯困难 地面建筑发生火灾时 可以使用有线 无线通讯器材和高倍扩音器等 一切可用的通讯手段 在地下建筑内使用无线电通信 受到屏蔽作用影响极大 一般无法 进行通话 只能用其它简易方法进行通信联络 效果差 消息不能及时传达 灭火人员在 火场发生任何情况 地面指挥员都很难知道 3 扑救行动困难 地下建筑火区既缺氧 温度又高 浓烟难于消散 没有防护装备 的消防人员难于进入地下灭火 即使穿了隔热服 戴着防毒面具 在高温环境里也不能长 时间进行灭火行动 加上火情侦察和通讯困难 消防人员很难直接观察地下建筑起火部位 及燃烧情况 绝大多数隧道都是建偏远的崇山峻岭之中 那里的水源更加缺乏 如果隧道 发生火灾 在缺少水源的情况下进行灭火 则更加困难 4 灭火时间长 由于存在以上许多不利因素 指挥员缺少有关地下建筑火灾的相关 信息 需要研究工程图 分析火区的可能情况 方能做出灭火方案 致使灭火时间长 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 1 31 3气体灭火概述气体灭火概述 哈龙灭火剂是一种气体灭火剂 在所有的哈龙替代灭火剂中大部分都是气体灭火剂 氮气灭火剂只是气体灭火剂中的一种 因此 首先简单地介绍一下有关气体灭火的一些基 本概念 1 3 1火灾类型火灾类型 我国火灾分类标准 GB 4968 85 等同采用国际标准ISO 3941 1977 火灾分类 根据物质燃烧特性划分四类如表1 1所示 国外通常将火灾类型分为五类 如表1 2所示 哈龙和其他替代灭火剂能够有效地扑灭前三类火灾 而对于D类火灾的效果则不是很理想 一般采用其他专用灭火剂 表1 1 我国火灾分类 分类描述 A 指固体物质火灾 这种物质往往具有有机物性质 一般在燃烧时能产生灼热的余烬 如木材 棉 毛 麻 纸张火灾等 B 指液体火灾和可熔化的固体物质火灾 如汽油 煤油 柴油 原油 甲醇 乙醇 沥青 石 蜡火灾等 C指气体火灾 如煤气 天然气 甲烷 乙烷 丙烷 氢气火灾等 D 指金属火灾 如钾 钠 镁 钛 锆 锂 铝镁合金火灾等 表 1 2 国外火灾分类 22 分类描述 A指常见可燃物 如木材 布匹 纸张 橡胶 一些塑料等 B指可燃液体 油类 油脂 焦油 含油涂料 油漆 可燃气体 C指涉及电气设备的火灾 D指金属火灾 如钾 钠 镁 钛 锆 锂 铝镁合金火灾等 K指涉及使用可燃食用油和油酯 蔬菜或肉类的烹饪用具的火灾 1 3 2有关气体灭火的几个基本概念有关气体灭火的几个基本概念 1 全淹没系统 指由一套贮存装置在规定的时间内 向防护区喷射一定浓度的灭火剂 并使其均匀地 充满整个防护区空间的系统 2 灭火浓度 指在 101 3 kPa 大气压和规定的温度条件下 扑灭某种可燃物质火灾所所需灭火剂在 防护区空气中的最小体积百分比 3 惰化浓度 指在 101 3 kPa 大气压和规定的温度条件下 不管可燃气体或蒸汽与空气处在何种配 比下 均能抑制燃烧或爆炸所需灭火剂在空气中的最小体积百分比 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 4 设计浓度 是指将灭火浓度或惰化浓度乘以安全系数后得到的浓度 5 防护区 是指人为规定的一个区域 它可包括一个或几个相连的封闭空间 6 分界面 是指通过开口进入防护区的空气和防护区内含有灭火剂的混合气体之间形成的界面 7 灭火剂浸渍时间 是指从防护区内的被保护物 完全浸没在保持着灭火剂设计浓度的混合气体中的时间 8 可燃固体表面火灾 是指由于可燃固体表面受热 分解或氧化而引起的有焰燃烧或无焰燃烧所形成的火灾 1 41 4国内外灭火剂研究现状国内外灭火剂研究现状 1 4 1水添加剂的发展水添加剂的发展 水是天然的灭火剂 人们从很早就利用水来灭火 从直接使用水灭火到后来建立水喷 淋装置 使水在灭火时的分散率和利用率显著提高 也相应地提高了水的灭火效率 但对 于某些固体物质的深部位火 某些液体的流淌火等 水的灭火效果还不能满足要求 23 仅靠改变水的分散状态还不能适应很多火灾情况的灭火要求 于是人们开始研究改善水的 物理性质和灭火性能 使之成为能够扑灭多种类型火灾的方法 20 世纪初期 合成表面活性剂与水溶性高分子化合物的开发与应用 为水添加剂的 研究提供了物质条件 最初研制的水添加剂是润湿剂 其后研制了强化剂 防冻剂 增粘 剂等水添加剂 在本世纪中期 水添加剂已形成了自己的体系 24 25 在水添加剂中 润湿剂的使用量最大 在美国和欧洲 制定了润湿剂的使用规范 它 不仅用于移动式喷水灭火设备 还广泛地应用于自动喷水灭火系统中 26 以低浓度的水 成膜泡沫灭火剂为润湿剂的自动喷水灭火系统具有良好的灭火效果 不仅适用于一般固定 物质的深部位火 而且适用于液体浅层溢流火的扑救 27 在苏联和德国等东欧国家 润湿剂得到了广泛的应用 他们用低浓度的合成泡沫灭火 剂的水溶液灭火 取得了很好的效果 1973 年苏联用润湿剂扑灭的火灾约占全部火灾的 45 采用高分子多糖 羟甲基纤维素 硅溶胶等添加剂生产的增粘水是本世纪 50 年代以 后发展起来的一类水性灭火剂 28 它可以粘附在固体表面上 提高水的冷却效率 降低 水的损失率 对于扑救森林火灾和一般固体火灾尤为适宜 苏联拉脱维亚的消防队使用增 粘水扑灭的火灾约占扑灭所有固体火灾的 90 通过添加无机盐 如碳酸钾 磷酸铵 而制成的强化水 灭火效率比普通水大得多 当把强化水喷洒到火焰上时 水受热蒸发 无机盐结晶析出 可以对燃烧起到化学抑制作 用 冷却与化学抑制双重作用的结果 使灭火效果显著提高 但强化水的应用仅限于小型 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 灭火设备 从 80 年代开始 用于扑救 A 类火灾的 水添加剂 型灭火剂 包括强化水 润湿水 增稠水和抗冻水等 水系灭火剂 和专门用于扑救 A 类火灾的低混合比 A 类泡沫灭火剂 开始充装在灭火器中扑救 A 类火灾 90 年代以后被国外一些消防部门用于城市建筑 火灾 1 4 2泡沫灭火剂的发展泡沫灭火剂的发展 与水混溶 通过化学反应或机械方法产生泡沫进行灭火的药剂称为泡沫灭火剂 它是 表面活性剂和其他添加剂水溶液的混合物 也是一种起泡的浓缩液 泡沫灭火剂的发展是 和表面活性剂的发展息息相关的 泡沫灭火剂的开发与发展已有近百年的历史 第二次世 界大战以来 尤其是 60 年代以来 新型 高效能表面活性剂的不断涌现 为新型泡沫灭 火剂的开发与发展提供了理想的原料 许多新型 高效泡沫灭火剂也应运而生 目前 泡 沫灭火剂已形成了两大系列 多种规格的产品 它们与各种泡沫灭火系统设备相结合可以 扑救绝大多数液体燃料的火灾 成为石油化工产品火灾的主要灭火手段 泡沫灭火剂按其用途可以分为 适用于扑救非极性液体火灾的普通型泡沫灭火剂和适 用于扑救极性液体火灾的多功能 抗溶 泡沫灭火剂 1 普通型泡沫灭火剂普通型泡沫灭火剂 29 32 随着石油化学工业和其他工业的发展 生产 运输 使用和贮存液体燃料的品种与数 量越来越多 这些液体产生的火灾往往是无法用水扑救的 因为水的密度一般都大于失火 液体的密度 水不是沉入液体的下层 就是溶解于某些液体中 而液体则继续燃烧 因此 从 19 世纪末期 人们就致力于开发扑救易燃液体和可燃液体火灾的灭火剂及其灭火方法 1900 年 Laurent 研制成功了由硫酸铝水溶液与碳酸氢钠和皂角草素水溶液发生化学 反应而产生化学泡沫的方法 将两种水溶液送入混合器 它们在混合器中发生化学反应 产生充满二氧化碳的化学泡沫 并用这种方法首次成功地扑灭了石油的火灾 Laurent 的 方法为湿式法 1925 年 Urquhart 发明了向水流中直接添加化学泡沫粉的干式方法 把化 学泡沫灭火技术推进到工业应用的水平 1927 年 Wagener 发明了采用表面活性剂水溶液与空气混合产生空气泡沫的方法 1935 年 Schroeder 等人发明了产生空气泡沫的喷枪与固定装置 当时所用的发泡剂为皂 角草素与合成表面活性剂的水溶液 1937 年 Sthamer 发明了用天然蛋白质水解制取蛋白 泡沫灭火剂的方法 至此 蛋白泡沫灭火剂成为一种重要的泡沫灭火剂 在第二次世界大 战中 由于战争造成频繁的液体燃料火灾 促使蛋白泡沫灭火剂及相应的空气泡沫灭火设 备得到了迅速发展 战后 以蛋白泡沫灭火剂为发泡剂的空气泡沫灭火系统的设计 制造 与应用达到了标准化和规范化的水平 在发展以天然材料作为发泡剂的同时 人们注意到了合成表面活性剂的优良泡沫性能 并把它们地泡沫灭火剂的开发与制造 1954 年 英国的 Eisner 和 smith 发现合成表面活性 剂的水溶液与大量的空气混合时 可以产生密度比蛋白泡沫小得多的泡沫 而且具有窒息 效果 这就是高倍数泡沫 上述二人于 1956 年以及 Lincare 于 1959 年发表多篇关于高倍 泡沫灭火方法的研究报告 并使高倍数泡沫灭火剂与设备达到了实用程度 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 在 60 年代 蛋白泡沫和合成表面活性剂泡沫灭火剂的发展又有了新的突破 其特点 是泡沫灭火剂的品种与类型有了较大的发展 氟碳表面活性剂与硅酮表面活性剂的开发及 其在泡沫灭火剂中的应用 使泡沫灭火剂的性能出现了质的飞跃 1963 年 美国的 R L Tuve 等人以全氟辛酸型氟碳表面活性剂为基料 研制成功了水 成膜泡沫灭火剂 Aqueous Film Forming Foam 缩写为 AFFF 该灭火剂的商品名称为 轻水 灭火剂 水成膜泡沫灭火剂与以往的泡沫灭火剂相比 灭火效率提高了 3 4 倍 它不仅能以泡沫的形式灭火 而且其水溶液还能在油类的兴液面上形成一个抑制油品蒸发 的水膜 在研制水成膜灭火剂的同时 英国卜内门公司 ICI 研制成功了以四氟乙烯齐聚物 为憎水 憎油基团的氟蛋白表面活性剂 商品名为 MD313 或 MD212 添加到蛋白泡沫 灭火剂中制成了氟蛋白泡沫灭火剂 它与蛋白泡沫灭火剂相比 其灭火效率提高了一倍 氟蛋白泡沫灭火剂的成本比蛋白泡沫灭火剂提高不到一倍 比水成膜泡沫灭火剂要低得多 约为水成膜泡沫灭火剂成本的 1 3 1 4 它适用于油罐液下的喷射灭火技术并可与各 种干粉灭火剂联用 水成膜泡沫灭火剂和氟蛋白泡沫灭火剂的研制成功 是泡沫灭火剂发 展史中划时代的成果 鉴于它们的优良灭火性能 这两种灭火剂就在全世界推广应用 并 日趋完善 其后的十几年中 泡沫灭火剂的发展 虽然品种数量上有所增加 但没有像上 述两种灭火剂那样的突破 2 多功能泡沫灭火剂多功能泡沫灭火剂 33 37 早在几十年前 人们就注意到醇 酯 醚 醛 羧等类亲水性液体具有很强烈的消泡 作用 适用于扑救油类火灾的泡沫灭火剂不能用于上述液体的灭火 为此 需要研制出适 用于扑救这类液体火灾的抗溶性泡沫灭火剂 经过 40 多年的研究 才取得了突破性的进 展 1935 年 Bohm 就以季胺盐型的阳离子表面活性剂为基料研制了初级形式的抗溶性泡 沫灭火剂 并在英国取得了专利权 1939 年 德国的 Dimler 使用金属皂扑救醇类火灾取 得了成功 金属皂型抗溶性泡沫灭火剂及其灭系统的实用化直到 50 年代才实现 在其后 的 20 多年中 它一直是亲水性液体的主要灭火手段 早期的抗溶性泡沫灭火剂在使用上存在很多困难 例如 贮存期短 腐蚀性大 允许 的混合时间 指自泡沫灭火剂与水相混合开始 至产生泡沫的时间 短等等 金属皂型抗 溶性泡沫灭火剂虽然对甲醇 乙醇 丙酮等碳链短 极性强的液体火灾有较好的效果 但 对碳链较长的高级醇以及反应活性较强的胺类火灾则无能为力 50 年代至 70 年代中期 虽然对抗溶性泡沫灭火剂进行了某些改良 但没有根本的改 进 其原因是 与适用于油类火灾的普通泡沫灭火剂相比 抗溶性泡沫灭火剂的开发需要 高额的研究试验费用 另外抗溶性灭火剂的需要量要比普通泡沫灭火剂的需要量少得多 70 年代末期 抗溶性泡沫灭火剂的开发有了新的突破 其标志是凝胶型抗溶性泡沫 灭火剂 抗溶性成膜氟蛋白泡沫灭火剂以及以硅酮表面活性剂为基料的抗溶泡沫灭火剂的 研制成功 这些泡沫灭火剂一扫金属皂型抗溶性泡沫灭火剂的缺点和不足 成为一枝新秀 1978 年美国国民泡沫公司 National Foam System Co Ltd 首先生产了以全氟辛酸型 氟碳表面性剂和具有触变性的多糖为基料的凝胶型抗溶性泡沫灭火剂 商品名称为多功能 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 灭火剂 其后 美国的 3M 公司研制了同类型的泡沫灭火剂 商品名称为轻水 ATC Light Water ATC 在此期间 英国卜内门公司研制成功了抗溶性成膜蛋白泡沫灭火剂 基商品名称为抗 醇成膜氟蛋白泡沫 Alcoseal FFFP 或多用途成膜氟蛋白泡沫 multi purpose Film Forming Fluoro Protein foam 多用途成膜氟蛋白泡沫灭火剂的主要原料是含有活性基团 的氟碳化合物与水解蛋白发生化学反应而得到的改性蛋白质 它具有很好的抗溶性能 70 年代初期 美国的 Union Carbide Corp 公司与西德的 Goldschmidt 公司还相继发发 展了以硅酮表面活性剂为基料的抗溶性泡沫灭火剂 这类抗溶性泡沫灭火剂虽然表面张力 低 灭火性能好 可以作为高 中 低倍数泡沫灭火剂使用 但因其价格昂贵 贮存条件 受限制等不利因素 推广 应用情况远不如前两种 法国 B10 EX 消防科研所最近研制出一种新型泡沫灭火剂 此灭火剂在扑灭各种火灾 时 不但效果好 对环境无污染 不伤害生物 而且在灭火中可迅速降低火灾区域和周围 环境的温度 此泡沫灭火剂粘度小 因此在灭火中迅速扩散 可以及时扑灭火灾 即使在 气压和环境温度低的情况下 灭火效果仍然很好 其灭火过程是 在灭火中首先和氢氧化 物反应 出现一层薄膜 紧接着又形成像皮肤一样薄的凝结层 使着火物和空气隔绝 这 样 不但可迅速扑灭火灾 而且可阻止火焰复燃 还可使燃烧中产生的各种有毒气体不至 于扩散 这种新型泡沫灭火剂适用于扑灭各种火灾 可有效防止有毒气体伤害 符合欧洲 工业标准 制造工艺比目前使用的泡沫剂严格 它有多种型号 其中 3S 型液态泡沫剂既 可以加水使用 又可以单独使用 特别适用于扑灭氢化物火灾 B10C 型泡沫灭火剂现已 在欧洲多国消防部门使用 并已正式投放国际市场 泡沫灭火剂在我国的开发与应用较欧美诸国都要晚 60 年代以前 以化学泡沫灭火 剂为主 60 年代以后才逐步以蛋白泡沫灭火剂取代了化学泡沫灭火剂 70 年代以后 泡 沫灭火剂的开发与应用才取得了较大的进展 先后研制了氟蛋白泡沫灭火剂 水成膜泡沫 灭火剂 高倍数泡沫灭火剂 金属皂型抗溶性泡沫灭火剂 凝胶型抗溶泡沫灭火剂 多功 能氟蛋白泡沫灭火剂 耐析液型泡沫灭火剂以及其他合成泡沫灭火剂或化学泡沫灭火剂 1 4 3 干粉灭火剂的发展干粉灭火剂的发展 干粉灭火剂又称为干化学灭火剂 其外观为干燥的 微细的固体粉末 干粉灭火剂是 以具有灭火效能的无机盐为基料并添加少量的添加剂经粉碎 混合而制成的 19 世纪末 期 人们在研究中发现 一些无机盐的固体粉末撒布于火焰中时具有很好的灭火作用 于 是 便开始了使用固体粉末灭火的历史 早期使用的固体粉末是硼砂 碳酸氢钠 酼酸鉀 酼酸铵等 最初使用的粉末颗粒较大 而且不添加防潮 抗结块助剂 因而易于结块 流 动性差 38 1916 年 英国政府任命的救火委员会正式使用干粉灭火剂进行试验 当时所 用的干粉由 50 的碳酸氢钠和 50 的石膏粉组成 干粉灭火剂的真正发展是从本世纪 30 年代开始的 经过 50 多年的开发研究 形成了适用于扑救 B C 类火灾的普通型干粉灭 火剂 BC 干粉灭火剂 和适用于扑救 A B C 类火灾的通用干粉灭火剂 ABC 干粉灭 火剂 两大类和多规格 本世纪 30 年代 美国的 Ansul 公司首先开发了以碳酸氢钠为基料的干粉灭火剂 它 以滑石粉 硬脂酸盐为改进流动性和防潮 抗结块性能的添加剂 粉粒也相当细 由于它 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 具有很好的灭火性能和一定的防潮 抗结块能力 因而很快成为一种 标准型 固体灭火 剂 在欧美得到了广泛应用 39 其后 又推出了以碳酸氢钠为基料的钾盐干粉 它由于 灭火效率高于碳酸氢钠干粉 因而也得到了广泛的应用 在蛋白泡沫灭火剂取代化学泡沫灭火剂以后 人们就想利用干粉灭火剂的快速灭火作 用和蛋白泡沫的覆盖作用相结合而得到一种既能迅速灭火又能有效地防止复燃的双剂联用 灭火技术 但发现干粉灭火剂与蛋白泡沫不能联合作用 因为它具有很强的消泡作用 因 此 在 30 年代 又进行了能与泡沫联用的干粉灭火剂的开发与研究 并研制了多种可 与泡沫相容的干粉灭火剂 50 年代末 硅酮防水性能的开发使干粉灭火剂的防潮 抗结块性能和流动性得到了 卓有成效的改进 用硅酮处理的干粉灭火剂 搅动或充气后具有类似液体的流动性能 长 期贮放也不易吸潮 不易结块 在此期间 普通型干粉灭火剂的品种又有新的增加 出现 了以氯化钾 硫酸钾为基料的干粉灭火剂 60 年代初 英国 ICI 公司根据碘化钾的 烧爆 原理 研制成功了新型 高效的干粉 灭火剂 Monnex 氨基干粉灭火剂 Monnex 干粉的灭火基料是由碳酸氢钾或碳酸氢钠与 尿素形成的一种复物 在火焰中受热后 干粉微粒发生 爆炸 变为更多更小的微粒 扩大与火焰的接触面积 从而提高灭火效率 以碳酸氢钾为原料的 Monnex 干粉灭火剂的 灭火效率相当于碳酸氢钠干粉灭火效率的 3 4 倍 以碳酸氢钠为原料的 Monnex 干粉灭 火剂的灭火效率相当于碳酸氢钠干粉灭火剂灭火效率的 2 3 倍 70 年代以来 随着氟碳表面活性剂在消防中的应用 人们又开始了带有氟碳表面活 性剂涂膜的抗复燃干粉灭火剂的研究 该种干粉灭火剂以膨胀珍珠岩和碳酸氢钠等低密度 材料为基料 粉粒表层涂复既疏水也疏油的高性能氟碳表面活性剂 它可以浮在非极性液 体燃料表面 形成一层抑制燃料蒸发的膜层 具有优良的灭火和抗复燃性能 目前该种灭 火剂正处于实验室研究阶段 尚为使用 通用干粉灭火剂研制始于本世纪 50 年代初 最初的产品以硫酸铵和碳酸氢钠为基料 以磷酸盐 碳酸镁 滑石粉等为添加剂 以硬脂酸盐为防潮剂 50 年代后期开始转为采 用碳酸铵与磷酸氢二铵的混合物 磷酸二氢铵 磷酸氢二铵 聚磷酸铵为基料制造通用干 粉灭火剂 添加剂为云母粉 二氧化硅 氧化锌 硅酸铝等 防潮 抗结块处理剂采用硅 酮 硅酮处理工艺的改进使吸潮性能很强的通用干粉灭火剂具备了普通型干粉灭火剂一样 的憎水性能 我国自 60 年代开始研制干粉灭火剂 先后研制成功了碳酸氢钠干粉灭火剂 改良性 钠盐干粉灭火剂 氨基干粉灭火剂 磷酸二氢铵通用干粉灭火剂和抗复燃干粉灭火剂 1 4 4气体灭火剂气体灭火剂 平时以液体 液化气体或气体形式存贮于压力容器内 在防护区发生火灾时 灭火剂 以气体 包括蒸气 气雾等 状态从贮存容器中释放出来 并能在防护区空间内形成比较 均匀的灭火剂气体浓度 并且至少能保持该灭火浓度到国家规范规定的浸渍时间 熄灭该 防护区的空间 立体火灾 或平时贮存在灭火器中 当使用灭火器灭火时 灭火剂以气体 状态从灭火器中喷出 直接作用于火灾或着火区域 具有这种特点的灭火剂都称为气体灭 火剂 前一种形式的气体灭火系统称为全淹没系统 后一种则称为局部应用系统 在气体 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 灭火剂的应用中 通常采用全淹没系统 只有少数一些系统采用局部应用系统 在有些情 况下 局部应用系统又称为 无管网 应用系统 局部应用系统要求灭火剂具有较低的挥 发性和和液体密度 从而使灭火剂能够像液体喷雾那样喷向火区 且可长时间包围火区 有利于灭火 40 气体灭火剂主要用于无法用水扑救的场所 如缺水地区 或不能 如水对被保护物 造成损害或不能用水灭火 用水扑救的火灾类型和场所 包括可燃气体 可燃液体 电气 火灾等火灾类型 以及控制室 计算机房 图书馆 通讯设备 变电站 重点文物防护区 等忌水场场所的火灾 有所有的气体灭火系统中 采用局部应用系统的都比较少 目前应 用较为广泛的是二氧化碳局部应用系统 根据氮气的灭火特性 它也不适合使用局部应用 系统 因此 本文主要研究是全淹没应用系统 根据文献 41 气体灭火剂的灭火机理有如下三种 1 化学作用 卤素原子的抑制作用 溴 碘和氯原子能够发生催化作用 每个原子 可以多次参与从燃烧气体中捕获自由基 其中溴和氟原子比氯原子捕获自由基的能力要 大得多 氟原子也与自由基发生反应 但是形成非常稳定的化学物 因此 氟原子仅参 加一次反应 然后就被消耗掉 2 物理作用 吸热 由于向高温可燃气体混合物中加入任何不参加反应的低温气体 后 低温气体吸收热量 与高温气体混合形成较低温度的混合气体 导致火焰温度降低 随着温度的降低 燃烧化学热很快地下降 3 物理作用 稀释 向燃料 空气混合物中加入第三种气体 降低混合物中的氧气 浓度 使化学反应的速率降低 惰性气体灭火剂的灭火作用均是物理作用 且主要是稀释作用 哈龙灭火剂则主要是 化学抑制作用 例如 哈龙 1301 的灭火机理为 80 的化学作用 20 的物理作用 氢氟 代烷 Hydrofluorocarbons 的灭火机理主要是物理作用 化学作用大约为 10 15 42 最常见的哈龙应用系统是全淹没系统 广泛地应用于包含关键电子设备的保护容积 舰船机械舱 航空引擎和货物仓 油气行业的封闭流程模块 以及军用装甲车的动力舱等 场所 1 4 5哈龙灭火剂的发展哈龙灭火剂的发展 卤代烷灭火剂虽然种类不多 但也有近百年的历史了 早期的研究发现 被卤素取代 的低级烷烃具有很好的灭火效能 因而作为气体灭火剂的一个重要分支 逐渐被开发 利 用 19 世纪末期 四氯化碳是一种被公认的有效灭火剂 20 世纪初期 海水电解提取苛 性钠的工业化提供了制取四氯化碳灭火剂所需的大量廉价氯 很快就出现了四氯化碳灭火 器 此后 四氯化碳灭火器在欧洲和亚洲的许多国家成为最流行的一种灭火器 其使用范 围从军用到民用 其特点是电绝缘性好 灭火后不留痕迹 在许多国家 四氯化碳灭火剂 一直沿用到 60 年代才被淘汰 20 世纪初期 出现了另一种卤代烷灭火剂 即甲基溴 1001 其灭火效率比四氯化 碳高 但其毒性大 有些国家拒绝使用 英国和德国把甲基溴广泛地用作扑救飞机或船舶 火灾的灭火剂 30 年代后期 德国研制了第三种卤代烷灭火剂 即一氯一溴甲烷 1011 其灭火效 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 率和甲基溴差不多 但毒性较低 这种卤代烷灭火剂很快在德国和英国 美国得到了应用 1948 年左右 美国陆军研究所选择了大约 60 种卤代烷 对它们的灭火效率和毒性进 行了系统的鉴定试验 最后选定了最有发展前途的卤代烷灭火剂 它们是三氟一溴甲烷 1301 和二氟一氯一溴乙烷 1211 灭火器 由于它们在灭火方面具有灭火浓度低 灭 火效率高 不导电等优异性能 因而在欧美得到了广泛的应用 本世纪 60 年代后期 卤代烷灭火剂开始用于全淹没式卤代烷灭火系统 美国着重发 展 1301 灭火系统 而英国等西欧国家则着重发展 1211 灭火系统 在南欧 东欧和日本等 国家和地区也发展了一些四氟二溴乙烷 2402 灭火系统 二氟二溴甲烷 1202 虽然具 有很高的灭火效率 但因其毒性高 许多国家都禁止使用 目前 世界上可能有 1 2 万 套卤代烷灭火系统设备 主要用于计算机房 磁带贮存室 电子控制室 艺术品和图书库 打印机房 烟雾剂贮存室 船舶驾驶仓 大型运输机的货仓 油漆溶剂及其他易燃液体的 散装仓库 仪表室和压缩机房等场所的火灾扑救 70 年代以来 美国 英国 法国 澳 大利亚等国相继制订了卤代烷 1301 和 1211 灭火系统的标准规范 使用化学灭火剂哈龙大 约是在 1900 年开始的 最早使用的是四氯化碳 104 但在 1919 年第一次出现了用四 氯化碳灭火导致人员死亡的情况 人们开始重视研究哈龙灭火剂的毒性 20 年代后期至 第二次世界大战期间 西方国家开发出了哈龙 1001 和哈龙 1011 但因其毒性较高 使用 范围也很有限 未被广泛推广 而苏联内务部中央消防研究院于 1937 年研制出哈龙 2402 被广泛地使用在飞机 军舰和潜艇上 但哈龙 2402 也有较高的毒性 因此 西方 国家没有采用 1947 年美国 Purdne 研究基金会组织有关部门 对 60 多种哈龙类药剂的灭 火性能和毒副作用进行了系统的研究 并进行了筛选和较全面的评估 最后确认哈龙 1211 和 1301 作为灭火剂较为理想 并开始用在坦克和军用飞机上 随后逐步推广到商业 民用飞机上 由于哈龙 1211 和 1301 灭火剂灭火效果好 毒性较小 且对被保护对象不会 造成二次污染 因此 从 60 年代初开始在保护大型计算机房 通讯机房 高低压配电室 档案馆 精密电子设备重要场所等方面得到了广泛地使用 我国于 1964 年研究成功 1211 灭火药剂 并在 70 年代开发出了 1211 固定灭火系统 80 年代开始逐步广泛地使用 1 51 5哈龙灭火剂面临的问题及其替代品的研究现状哈龙灭火剂面临的问题及其替代品的研究现状 1 5 1哈龙灭火剂面临的问题哈龙灭火剂面临的问题 随着人类环保意识的增强 以及对人类赖以生存的大气层臭氧空洞引起的全球气候的 变化的进一步研究 科学家于 1974 年提出哈龙是破坏臭氧层物质 预计在今后的十年内 大气中臭氧总量还将继续减少 即使是在 2000 年起全球完全停止使用哈龙 大气层中的 臭氧总量也要到 2100 年才能恢复到 1985 年的水平 为了保护人类健康和生物生存环境 1985 年 3 月 联合国环境规划署 UNEP 在奥地利首都维也纳召开了 保护臭氧层外交 大会 会议通过了 关于保护臭氧层的维也纳公约 标志着保护臭氧层国际统一行动的 开始 1987 年 9 月 联合国环境规划署在加拿大蒙特利尔召开了 保护臭氧层公约关于 含氯氟烃议定书全权代表大会 经过讨论 修改 最后签署了 关于消耗臭氧层物质的 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 蒙特利尔议定书 1994 年已有 134 个国家成为签约国 1989 年我国正式加入 维也纳公 约 1991 年我国正式加入 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 的伦敦修正案 制 定了 中国削减臭氧耗损物质国家方案 现在发达国家已经禁止使用哈龙灭火剂 我国 也将在 2005 年停止生产哈龙 1211 灭火剂 2010 年停止生产哈龙 1301 灭火剂 所以 应 选择有效的哈龙替代品 1 5 2哈龙替代灭火剂的选择原则哈龙替代灭火剂的选择原则 哈龙替代灭火剂的选择需要参考以下几个原则 1 臭氧层的消耗潜能 ODP 即溴氧的消耗量最小 ODP 是一个衡量消耗同温层臭 氧能力的指标 ODPs 是单位物质的臭氧消耗量相对于标准消耗物质 通常是 CFC 11 一氟一氯甲烷 的比值 2 灭火浓度值最小 即灭火所需的灭火剂浓度最小 灭火效率高 灭火剂用量最小 3 全球温室效应潜能 GWP 值最小 化合物的 GWP 是由化学物的释放引起的全 球温室效应的变化相对于参考气体 现在通常为二氧化碳 的比值 4 大气中存留时间 ALT 值最小 大气存留时间给出了化学物质在大气中的持续 时间 大气存留时间受到人们越来越大的关注 部分原因是它们引起温室效应的潜能 全 球温室效应通常随着大气持续时间的增长而增强 除此之外 人们还担心在大气中持续时 间过久将引起其它不可预测的后果 5 未观察到的不良反应的浓度 NOAEL 最大 NOAEL 越高 毒性越小 1 5 3哈龙替代灭火剂研究现状哈龙替代灭火剂研究现状 为了寻找有效的哈龙灭火剂替代品 国外各大公司纷纷投入巨资开展研制工作 1990 年美国杜邦公司开发出两种替代哈龙的产品 一种是 FE 25 用于取代哈龙 1301 另一种 是 FE 232 用以取代哈龙 1211 1990 年 月 美国大湖化学公司试制成功 Firemaster100 灭火能手 以取代哈龙灭火剂 并向美国环保局提出申请认可证 1993 年 大湖公司又推出商品名为 FM 200 ASHRAE 名称为 HFC 227 的七氟丙烷灭火剂 1990 年英国卜内门化学工业公司所属的化学及聚合物有限公司 研制出 124B1 哈龙替代物作 为哈龙 1211 的替代品 原苏联也研究出一种命名为 SAEC 的混合气体作为哈龙替代物 国外许多大公司及科研机构 竞相对其灭火性能等指标进行测试研究 如美国海军研究试 验室 NQL 3M 公司 芬华尔公司 Fenwal 安素公司 Ansul 新墨西哥工程研究 所 NMERI 等 均有文献报导他们的研究成果和测试报告 43 44 各国科学家经过十余年的努力 进行了大量的试验和测试 45 47 已研制并开发出数 十种哈龙替代物 其中 NFPA 2001 48 列出了认可的替代气体灭火剂如表 1 1 所示 表 1 1 NFPA 2001 认可的灭火剂 灭火剂化学名称分子式商品名 FC 2 1 8全氟丙烷C3F8FC308 FC 3 1 10全氟丁烷C4F10FC410 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 一氯二氟甲烷 HCFC 123 4 75 CHCl2CF3 一氯四氟乙烷 HCFC 22 82 CHClF2 一氯三氟乙烯 HCFC 124 9 5 CHClFCF3 HCFC混合物 A 异丙烯基 1 甲基环己烯 3 75 NAFS III HCFC 124一氯三氟乙烯CHClFCF3FE 241 HFC 125五氟乙烷CH