含氯化鉀低壓細水霧抑滅正庚烷池火性能

賀元驊， 薛楊武， 伍 毅， 王明武

(中國民用航空飛行學院民航安全工程學院，廣漢 618300)

Halon型滅火劑高效、易擴散、無殘留，被廣泛應用于機載滅火系統。然而其釋放后滯留在大氣中會嚴重破壞臭氧層，各國政府均對其提出政策限制[1]。目前，美國聯邦航空管理局將細水霧作為哈龍替代飛機貨艙滅火劑的重點。然而純細水霧只發揮窒息、冷卻等單一的物理作用，滅火性能與傳統哈龍滅火劑相比仍有不足。如何進一步提高細水霧滅火性能、加快推進細水霧應用于民機滅火系統成為一大研究熱點。

前人研究表明，在細水霧中加入添加劑可強化細水霧滅火效果。Back等[2]使用C3H5KO3、CH3COOK、NaBr、CaI2、KBr、CaCl2制備細水霧開展滅火實驗，燃料為JP-8(戰場標準燃料)，通過對比滅火時間發現 60%的乳酸鉀溶液滅火效果最好。Joseph等[3]采用多種滅火添加劑制備細水霧，在密閉空間和杯式燃燒器內開展滅庚烷火實驗，實驗表明NaCl、KHCO3添加劑可強化細水霧滅火效果，而含MnCl2、ZnCl2、CuCl2細水霧滅火效果與純水無明顯差異，(NH4)2HPO4、(NH2)2CO、FeSO4·7H2O 會降低細水霧滅火性能。Huang等[4]用多種水基添加劑制備細水霧，開展了滅汽油火實驗，發現滅火有效性順序為：碳氫表面活性劑>螯合劑>氟碳表面活性劑>乳化劑>防燃劑>增稠劑>防凍劑。Gan等[5]用含NaCl 、NaHCO3的細水霧開展粉塵爆炸實驗，發現加入添加劑后最高溫度、溫度上升速率、火焰傳播速度顯著降低，且二者的最佳滅火濃度差異較大。叢北華等[6]使用含復合添加劑(乳酸鈉、尿素、碳氫表面活性劑等)的細水霧對木垛火、油池火開展滅火實驗，實驗結果表明此添加劑可縮短滅火時間50%～80%，且燃料性質會影響添加劑的強化效果。賈利濤等[7]在細水霧中加入表面活性劑后施加于汽油火和柴油火，發現表面活性劑可降低水的表面張力，提升細水霧滅火性能。張青松等[8]用NaCl、尿素、等7種添加劑制備細水霧，開展了抑制鋰電池火災實驗，發現FC-4是物理添加劑中效果最好的，化學添加劑中尿素效果最好，NaCl效果最差。前人主要研究了NaCl、尿素、表面活性劑等對細水霧滅火性能的影響，但KCl添加劑的相關研究較少。

KCl添加劑溶解度高、電化學腐蝕作用弱、可降低冰點。基于此，課題組采用KCl為添加劑，制備質量分數為0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，使用上述5種溶液生成細水霧，在密閉空間內分別對直徑6、8、10 cm的正庚烷油盤火開展滅火實驗，從滅火過程、滅火時間、火焰溫度、滅火機理等維度研究含KCl細水霧抑滅火性能。

1 實驗平臺與操作

實驗平臺簡圖如圖1所示。

1為高壓儲氣瓶；2為空氣干燥箱；3為氣體流量計；4為細水霧噴頭；5為實驗箱體；6為油盤；7為熱電偶樹； 8為液體流量計；9為無紙記錄儀；10為增壓泵；11為儲液罐。圖1 實驗平臺簡圖Fig.1 The schematic diagram of experimental platform

實驗平臺由低壓雙流體細水霧發生系統、實驗箱體及測量儀器組成。細水霧發生系統由水路、氣路、細水霧噴頭組成，包括高壓儲氣瓶、空氣干燥箱、儲液罐和管路系統。生成細水霧所用水源為0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，所用氣源為空氣，管路使用直徑12 mm的氣動軟管。實驗過程中保持液體、氣體流量不變，液體流量為0.8 L/min，氣體流量為30 L/min。實驗所用噴頭為低壓雙流體霧化噴頭，由空氣流和液體流相互作用產生細水霧。噴頭實物如圖2所示。

圖2 噴頭實物Fig.2 The picture of nozzle

實驗箱體體積為1 m3，使用耐高溫玻璃材料，密閉性能良好且便于觀察。池火以圓柱形油盤為容器，包括6、8、10 cm 3種直徑，每次實驗加入30 g正庚烷。油盤放置在噴頭下方，其上邊緣距噴頭80 cm，實驗過程中保持油盤位置不變，預燃100 s后開啟細水霧滅火。測量裝置包括熱電偶樹、無紙記錄儀、秒表、攝像機等。熱電偶樹共裝有5根熱電偶，距油面1 cm處開始，每隔10 cm裝一根，自下而上依次編號為T1、T2、T3、T4、T5。熱電偶樹外接無紙記錄儀，可實時記錄各位置溫度。

實驗在平臺搭建、數據采集時盡可能使結果保持準確。開展滅火實驗前，在實驗箱內使用6、8、10 cm 3種油盤進行了空燒實驗，每種油盤均加入30 g正庚烷，測得其燃燒時間分別為21′20″、13′6″、8′30″。而實際滅火過程持續時間遠小于空燒時間，因此可保證細水霧滅火真實性。

2 實驗結果分析

2.1 滅火過程

滅火過程根據火焰形態大致可分為滅火之前、初步抑制、火焰膨脹、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄滅6個階段[9]，如圖3所示。

圖3 滅火過程Fig.3 The process of fire suppression

滅火之前，火焰穩定燃燒；細水霧到達火場初期，向下作用的霧滴和氣流與火焰相互作用，火焰被初步抑制，此階段火焰高度明顯下降；細水霧進入火場后導致空氣流速增加，火場內壓強小于周圍環境壓強，于是發生空氣卷吸，加之火場高溫使燃料蒸汽和水蒸氣相互作用產生共沸，空氣卷吸、共沸二者的耦合作用使火焰內部產生強烈擾動，遂出現火焰膨脹現象；隨后在霧滴的沖擊下，火焰被撕裂成不規則形狀；火焰撕裂階段暴露在霧滴下的油面面積越來越大，火焰開始減弱并向兩側隨機游走，最后火焰熄滅。其中初步抑制、火焰膨脹階段持續時間較短；而火焰撕裂和火焰游走階段是反復進行的，持續時間長。

實驗觀察發現，施加含KCl細水霧后，火焰撕裂、游走的反復次數明顯減少，而其他階段雖有縮短但不明顯。這表明含KCl細水霧滅火時縮短的滅火時間主要集中在火焰撕裂、火焰游走階段。

2.2 KCl濃度對細水霧抑滅性能的影響

圖4所示為不同細水霧滅6、8、10 cm油盤火過程中T1處的溫度變化曲線，計時從正庚烷引燃開始，預燃100 s后開始滅火。

圖4 溫度與時間的關系Fig.4 The relationship between temperature and time

由圖4可知，不同KCl濃度細水霧滅火過程中溫度變化差異較大。使用純細水霧滅3種油盤火時，貼近油面的T1處溫度曲線均出現一段平緩曲線且波動大，這是因為火焰受到抑制向下堆積，加之火焰膨脹、撕裂、游走階段火焰形態不規則，使T1處溫度下降緩慢且上下波動。這反映出純細水霧抑制火焰能力較弱、降溫效果不穩定。反觀含KCl細水霧的滅火過程，3種油盤的降溫過程均隨著KCl濃度增加而縮短，溫度曲線更加平整且下降斜率更大，含4%KCl細水霧降溫效果最優。滅火過程中，由于T2、T3、T4、T5距油面較遠，受火焰堆積影響小，故施加細水霧后各測點均呈快速下降趨勢，含KCl細水霧滅火時下降更快。

降溫速率是衡量細水霧滅火效果的重要特征參數。為減小誤差，采用分段法計算平均降溫速率。單次滅火過程中，自細水霧進入火場時刻開始，降至室溫時刻結束，每2 s劃為一段，對每一段求降溫速率，最后將所求若干個降溫速率取平均值得到平均降溫速率。計算公式如下。

(1)

式(1)中：n為降溫過程劃分段數；t為降溫過程持續時間，s。

(2)

使用上述公式計算不同KCl濃度細水霧T1處的降溫速率，計算結果如圖5所示。整體來看，不含KCl細水霧降溫速率最小，降溫速率與KCl濃度呈正比。4%KCl細水霧降溫性能明顯優于其他工況，與純細水霧相比可增大降溫速率1.5倍左右。

圖5 降溫速率對比Fig.5 Comparison of the cooling rate

綜上所述，使用純細水霧滅火時降溫慢、波動大、滅火效果不穩定，而含KCl細水霧滅火時，溫度曲線較前者更平整、持續時間短且降溫速率與KCl濃度成正比。可見，KCl添加劑可顯著提升細水霧降溫性能并強化其抑火性能。

2.3 油盤面積對KCl濃度的需求影響

滅火時間從細水霧進入火場開始計時，火焰熄滅后終止計時。為減小誤差，每組實驗做3次取平均值，不同KCl濃度細水霧作用于6、8、10 cm 3種尺度油盤火的滅火時間如圖6所示。

圖6 滅火時間對比Fig.6 Comparison of the duration of fire suppression

由圖6可知，對于3種油盤而言，KCl濃度為0時滅火時間最長，且滅火時間隨著KCl濃度增加而縮短。但滅火時間并不是無限縮短，KCl濃度由3%增至4%后，滅火時間縮短并不明顯。由此可得出結論，隨著細水霧中KCl濃度的增加，滅火時間整體呈下降趨勢，且KCl濃度增至一定量后，滅火時間開始趨于穩定。

細水霧工況相同時，滅火時間隨著油盤直徑增大而縮短。這是由細水霧作用機理導致：①大油盤燃燒劇烈，釋放熱量多，霧滴的蒸發吸熱、窒息作用更強，而小油盤釋放熱量少，霧滴蒸發數量少，不利于細水霧發揮作用[10]；②油盤面積增大后減少了器壁散熱的影響，火焰對油面熱反饋增強，增大燃燒速率的同時也加快了火場內氧氣消耗；③在密閉空間內，對于全淹沒滅火方式，火越大越容易撲滅[11]；④油盤面積增大會使到達油面的霧滴數量增加，有利于KCl添加劑發揮作用。

滅6 cm油盤火時，KCl添加劑對細水霧的強化效果顯得尤為突出，最多可縮短82%滅火時間。滅8、10 cm油盤火時，強化效果沒有6 cm明顯，但隨著添加劑濃度增加，滅火時間也在不斷縮短，最多可分別縮短79%和73%滅火時間。就滅火時間而言，1%KCl細水霧作用于6、8 cm油盤時強化效果顯著，作用于10 cm油盤時強化效果微弱，而KCl濃度繼續增大后，對10 cm油盤的強化效果也明顯增強。上述兩種現象表明油盤面積增大后對KCl濃度要求更高。

綜上可得，含KCl細水霧滅3種油盤火性能均優于純細水霧，油盤面積對細水霧滅火效果影響較大。油盤面積增大后，滅火時間縮短且對細水霧中KCl濃度要求更高。

2.4 含KCl細水霧滅火機理分析

實驗所用燃料為正庚烷(飽和烴類)，其燃燒是典型的鏈式燃燒反應，鏈一旦引發，會發生一連串的基元反應，直至反應物消耗殆盡或施加外界因素使其終止。鏈式反應方程式如下：

(3)

(4)

(5)

鏈式燃燒反應分為3個階段，即鏈的引發、鏈的傳遞、鏈的終止。式(3)為鏈的引發階段，飽和分子RH吸收熱量后分解出大量H+、O2-；式(4)為鏈的傳遞階段，H+、O2-會結合生成OH-，自由基擴散至火場周圍后會自動發展形成長鏈；式(5)為鏈的終止階段，此階段為強烈的放熱反應且放熱量遠遠超過式(3)所需活化能，大量熱量會在火場中擴散導致火場溫度快速上升，進而促進鏈式燃燒反應向右進行。由方程式可知，H+、OH-、O2-是鏈式反應必不可少的環節。

KCl添加劑主要通過化學作用增強細水霧滅火效果。含KCl細水霧霧滴到達火場后受熱分解產生K+和Cl-，K+可捕捉鏈式燃燒反應所必需的H+、OH-、O2-，Cl-可不斷消耗鏈式反應的反應物RH，反應方程式如下[12]：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

細水霧進入火場后，K+會通過一系列化學反應捕捉火場中的OH-、H+、O2-；Cl-會捕捉飽和分子RH，其產物HCl也會繼續捕捉火場中的OH-并重新生成Cl-。從反應方程式中可以發現，K+和Cl-在反應中是不斷再生的。隨著霧滴持續進入火場，火場中K+和Cl-數量越來越多，促進了二者捕捉自由基的反應。由方程式可知，Cl-不斷消耗RH，在鏈式燃燒反應的引發階段發揮作用；而K+主要切斷鏈式反應的傳遞、終止階段。式(5)反應受到抑制后，放熱量大大減少。此時火場熱量來源被抑制，加之細水霧的冷卻作用，使火場溫度得到有效控制。溫度降低后，飽和分子RH活性下降，鏈的引發階段也會隨之減弱，直至鏈式燃燒反應終止。

除了化學作用外，KCl添加劑還可強化細水霧的物理滅火作用。首先，霧滴受熱蒸發后KCl會以晶體形式析出，附著在器壁四周產生器壁效應，湮滅燃料釋放出的游離基，可有效抑制火焰。K+和OH-結合生成KOH后，由于KOH熔點低，火場內大量KOH會由凝聚相變為氣相，從而稀釋空氣中的油氣，可進一步抑制火焰[13]。此外，與純細水霧相比，含金屬鹽添加劑的細水霧霧滴受熱蒸發的平均速率要慢，這就會使更多的霧滴可以到達油面，加速火焰熄滅。

3 結論

開展了含0、1%、2%、3%、4%KCl的低壓細水霧抑滅正庚烷池火實驗，研究了KCl添加濃度對細水霧抑滅火性能以及油盤面積對細水霧添加KCl濃度需求的影響，分析了含KCl細水霧滅火機理，得到以下結論。

(1)根據火焰形態，低壓細水霧滅正庚烷油盤火過程大致可分為滅火之前、初步抑制、火焰膨脹、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄滅6個階段，加入KCl添加劑后縮短的滅火時間主要集中在火焰撕裂、游走階段。

(2) KCl濃度升高后，細水霧滅火時間縮短、降溫性能提升。含4%KCl細水霧滅直徑6、8、10 cm的油盤火時，與不含KCl細水霧相比，可分別縮短滅火時間82%、79%、73%，增大降溫速率1.5倍左右。KCl濃度增至3%后，滅火時間開始趨于穩定，二者的具體數量關系需待進一步研究。

(3)含KCl細水霧滅3種油盤火性能均優于純細水霧，改變油盤面積會影響含KCl細水霧滅火有效性。油盤面積增大后，燃燒速率、熱釋放率峰值、熱釋放速率均增大，燃燒更劇烈，要達到良好的滅火效果，其對細水霧中KCl濃度要求更高。

(4) KCl添加劑可同時強化細水霧的物理、化學雙重滅火作用，其主要通過消耗、湮滅鏈式燃燒反應所必需的自由基來達到抑滅效果。其中Cl-主要切斷鏈的引發階段，而K+主要切斷鏈的傳遞、終止階段。