文章连载：气溶胶灭火剂的性能（14）

第四章气溶胶灭火产品

第一节烟雾自动灭火产品

一、装置结构简述

1．罐内式结构

罐内式结构原理见图4-1。主要由装有烟雾灭火剂的发烟器，扇形组合浮漂及三支翼板自动定心，并能随油面自由升降。油罐起火后，当罐内温度上升至110℃时，发烟器顶盖的低熔点合自动脱落，导火索被火焰引燃，使烟雾灭火剂产生燃烧反应，燃烧产生的气溶胶达到一定压力时，通过头盖上的喷孔冲破密封薄膜，喷射在油面上部以稀释、覆盖和化学抑制等作用，使火焰熄灭。

图4－1 罐内式结构

2．罐外式结构

罐外式结构原理见图4-2和图4-3。主要由发烟体、灭火剂、导烟管、喷头、感温低熔点合金探头、引火系统、保护箱、升降调节装置等组成。

图4－2 罐外式喷头向罐顶

图4-3 罐外式喷头向液面

当贮罐着火后，罐内温度急剧上升，达到110℃时，感温探头熔化，导火索外露，火焰点燃导火索，从而引燃发烟体内的灭火剂，产生大量含有氮气、二氧化碳、水蒸气和碱金属氧化物微粒的气溶胶，以很快的速度和压力由喷头喷出，以切割和覆盖火焰，发生一系列复杂的物理、化学反应，使燃烧的化学反应终止，火焰熄灭。

二、烟雾灭火机理

（一）烟雾灭火基本原理

在约15s的短时间内向燃烧着的液体燃料贮罐内喷入大量的以CO2和N2（二者约占85%）、水蒸汽为主的气溶胶“烟雾”，使火焰瞬间熄灭。火焰熄灭的原因是任何部位上惰化混合气体（燃料蒸气+空气+烟雾）的状态都超出了它的燃烧范围。

众所周知，常温常压下燃料蒸汽只有在和空气混合后，其体积浓度处在爆炸极限之内，且有明火火源，或高温壁面，或混合气体本身温度达到其自燃点以上时才能起火燃烧。当燃料蒸气、空气又与惰性气体混合形成惰化了的混合气体后，其爆炸极限随三者之间的体积浓度比不同而改变。它们之间的关系可用两种燃烧范围图加以说明。

图4-4和图4-5是丙酮蒸气、氧气（空气）和氮气构成的惰化混合气体的燃烧范围图的例子。图4-4是氧气（空气）与丙酮蒸气的体积浓度之间的关系。图4-5是丙酮蒸气和氮气体积浓度之间的关系。图4-4中O点是100%空气（O的体积浓度约为21%）；A点为完全没有氮气时的丙酮蒸气的爆炸上限（13%）；B点为爆炸下限（2.5%）；C点是常温常压下丙酮蒸气在空气和氮气混合气体中燃烧时所需的最小氧体积浓度（从有关资料查得[1]此最小浓度是13.5%）线和丙酮蒸气燃烧时的化学计量浓度线Cst的交点当丙酮蒸气浓度在A、B之间时，若加入氮气，即可找到惰性混合气体的爆炸极限随惰性气体浓度的变化AC和BC。国此，丙酮蒸气在不同N气浓度的惰性混合气体中的燃烧范围就是三角形ABC。超出这个范围就不可能燃烧。

图4-4 氧气（空气）与丙酮蒸气体积分数的关系

图4-5 丙酮蒸气与氮气体积分数的关系

假定某一丙酮贮罐发生火灾，燃烧时贮罐内的丙酮蒸气与空气的混合均匀，丙酮蒸气在丙酮—空气（O2）混合气体中的体积浓度为11%，见在图4-4和图4-5中的E点。

此时若向贮罐内喷入氮气，并假定N2进入与丙酮蒸气和O2形成均匀的惰化混合气体，则随着混合气体中N2体积浓度的增加，混合气体的状态沿EF线移动。当N2气在气体中的浓度达到10%左右时，将移动到范围图的边界F点。N2气的浓度再增加，混合气体的状态就超出了可燃范围，这时火焰将突然熄灭，即EF段燃烧继续维持，一旦超出F点，火即熄灭。这就是烟雾灭火的理论依据。

随着N2气浓度的继续增加，混合气的状态沿FG线移动。若N2气最后达到的峰值体积浓度为25%，即到达图中G点，显然灭火无问题。

但是，随着N2喷放结束，贮罐内的巨大正压瞬间消失，继之而来的则是一个负压抽吸过程，贮罐将“倒吸”外界的空气入罐，因而G点的状态不能维持。随着混合气体中空气（O2）浓度的增加，混合气的状态将沿GH线移动。一旦移动了临界点H，混合气体又进入可燃范围。这时，若气体温度超过其自然温度，或遇到过热罐壁，它就会重新复燃。从图4-4和图4-5中的实例看，从G点到H点，氧的浓度只需从13.5%提高到14.5%，即提高一个百分点即可能复燃。因此，复燃的可能性和危险性都很大。

要减少复燃的可能性，就要提高惰性气体在混合气体中的峰值浓度，使G点远离AC线。从图4-4和图4-5可见，对于富燃料燃烧的火（即高于化学计量浓度Cst的火）用惰性气体惰化灭火时，都存在复燃的可能。完全不复燃的条件是惰性气体的峰值浓度高到混合气体的状态点超过CD线（图4-4中到达CD线以左；图4-5中到达CD线以下），对于丙酮来说，以氮气灭火时所需的峰值浓度高达30%—60%。可燃蒸气的浓度越大，要求惰性气体的浓度也越高。但从另一方面看，可燃蒸气浓度越大的火，灭火时所需的最小惰性气体浓度越低，但越易于复燃。要完全无复燃所需的惰性气体浓度越大。

贫燃料蒸气的混合气体则比较容易灭火，且一旦灭火后即无复的可能。这一情况可从图中的CB线位置明显看出。但是，实际火灾中，贮罐内可燃蒸气的平均浓度低于其化学计量浓度即贫燃料的情况极少。

以上虽是以氮气扑灭丙酮贮罐火灾原理的例子，但它已充分说明了用惰性气体扑灭火液体燃料贮罐火的基本原理。

通过以上分析可知，采用烟雾或任何惰性气体扑灭火液体燃料贮罐火灾时，对于富燃料的可燃混合气体，只要惰性气体喷入的速度足够快，灭火并不困难；但在灭火后由于惰性气体部分逸出罐外和外界空气的回流入罐，易复燃也是这种灭火方法本身的缺点。充分认识这一规律对进一步改进这种灭火方法至关重要。

（二）高温条件下燃烧范围图的变化

图4-4和图4-5虽然可定性地说明烟雾灭火的原理，但不能准确地定量加以说明。因为可燃气体在空气中的爆炸极限是随温度变化而变化的。通常高温时爆炸极限变宽，其值可按下式计算[1]：

爆炸下限： Lt=L25-0.8L25×10-3 ×（T-25）

爆炸上限： Ut=U25-0.8U25×10-3×（T-25）

其中L25及U25是在25℃下测得的爆炸极限值。

与此同时，可燃气体在惰化混合气体中燃烧所需的最小氧体积浓度，随温度升高而降低。温度每升高100℃，它大约下降8%。

据此即可画出高温条件下每种可燃液体在与不同惰性气体混合气体中的燃烧范围图。高温时的燃烧范围图大体上就是常温时的燃烧范围图以每100℃向外以8%的幅度平行扩大构成的。图4-6和图4-7是某种航空煤油在25℃和300℃时的燃烧范围图（惰性气体为氮气时）。图中虚线所示是25℃时的燃烧范围图；粗实线所示是300℃时的燃烧范围图。

图4-6 氧化（空气）与航空煤油蒸气体积分数的关系

图4-7 航空煤油蒸气与氮气积分数的关系

由于高温时可燃烧气的燃烧范围扩大，所以灭火及防复燃所需的惰性气体浓度亦必须增加。亦即，同一种可燃液体贮罐火发生后，所需的灭火惰性气体浓度不仅与可燃气体的浓度有关，而且与混合气体的温度有关。对于具体可燃烧体及灭火用惰性气体均可由不同温度下的燃烧范围图给出具体所需惰性气体的浓度。

以上讨论均是在假定混合气体的状态完全均匀的条件下进行的。

由于高温时可燃烧气的燃烧范围扩大，所以灭火及防复燃所需的惰性气体浓度亦必须增加。亦即，同一种可燃液体贮罐火发生后，所需的灭火惰性气体浓度不仅与可燃气体的浓度有关，而且与混合气体的温度有关。对于具体可燃烧体及灭火用惰性气体均可由不同温度下的燃烧范围图给出具体所需惰性气体的浓度。

以上讨论均是在假定混合气体的状态完全均匀的条件下进行的。

（三）情况分析

液体燃料贮罐爆炸起火的瞬间，罐内大部分燃料蒸气的浓度必定处于AB（见图4-5和图4-7）之间的某一范围。起火后情况就更加复杂。这时的火焰是紊流扩散火焰。由于燃烧时热燃气浮力上升所产生的罐内负压外界空气吸入罐内。若贮罐爆炸起火时已将罐顶完全掀掉，则贮罐火为无罐顶开放燃烧。这种情况下，空气主要从贮罐中心部分穿过火焰进入罐内，并与罐内上升的燃气形成牙交错的剧烈对流，因此罐内各部分混合气体的浓度很不均匀。平均说来，罐内的混合气体是高燃料（贫氧）的。进入罐内的空气数量及气流方向和液位、罐顶开口形状、位置、大小以及燃料品种、燃料蒸气的浓度分布有一个范围，局部气团可能因可燃气的浓度超过其爆炸极限而未燃烧，待其窜出罐口并与外界空气进一步混合后才燃烧。

因此，在实际贮罐灭火时，灭火过程不是沿一条线移动，而是沿一个带移动。图4-6及图4-7中双点划线包含的部分就是实际贮罐火灭火及复燃过程的例子。

图中说明了航空煤油贮罐在高温燃烧过程中（若罐内可燃气体的浓度范围为8%~13%），向罐内喷入N2气后的灭火过程为ME→NG的移动过程。贮罐中的火是在AF线上扑灭的，即这个灭火过程不是瞬时的，它需要经历一段时间（尽管这段时间是很短的）。当N2的浓度超过F点时，火完全熄灭。若罐内达到的N2气峰值浓度为NG线（在图例中为50%）后，增加空气（即氧）的浓度，则将沿NG→QK带移动。因为K点所需的氧浓度最小，所以一旦超过K点，就有复燃的可能。

当烟雾灭火剂在15s左右的很短时间内喷入贮罐后，灭火剂浓度达到峰值。这时，一方面大量惰性混合气体浮力上升逸出罐外而空气进入罐中，另一方面高温液面继续蒸发燃料。只要进入罐内的空气和燃料蒸气及残留的烟雾灭火剂的混合气体中的某一部分，其自身温度在自燃点以上，或真接与高温罐壁接触，且已进入燃烧范围之内，这部分气团就会复燃。

试验表明：碳氢化合物在自由空间或流动条件下与750℃左右的热表面接触时就会被引燃。此外，铁锈（Fe2O3）是一种催化剂，它能在更低的温度下促使可燃混合气起火。大部分可燃液体燃料的自燃温度在200~500℃之间，因而在无冷却条件下复燃的可能性是较大的。