细化粉基灭火介质与火焰相互作用的模拟实验研究

论文摘要

哈龙灭火剂的停止生产和使用,使得哈龙替代科学与技术成为火灾安全领域国际前沿热点之一,各国都在积极研究对臭氧层无害的哈龙替代灭火介质。与其它灭火介质相比,粉基灭火介质具有灭火时间短,环境毒性低,适合缺水地区和易于长期存储等优点,因此粉基灭火介质的研究得到了各国研究者的重视。在众多哈龙灭火介质替代技术研究中,优化介质组成、筛选和设计更好的灭火介质释放方式、探究灭火介质和火焰之间相互作用机制、扩大灭火介质的应用范围等一直都是研究的重点。为了发展新型粉基灭火技术,本文首先在经过分析现有粉基介质的优缺点基础上,提出了粉基介质筛选、复配、细化的三步路线。通过细化、复配等手段,筛选出七种粉基灭火介质。针对影响粉基介质灭火的关键因素,重点对粉基介质的微观结构、X射线元素分析、热重及红外光谱等物理化学性质进行了详细测试。测试结果发现:无论是购置的纳米氢氧化镁粉基介质,还是细化后的粉体1号和2号介质以及K-powder等粉基介质的微观结构、光谱性质、热分解性能、表面性质等均与未细化的粒径较大的普通干粉粒子有明显区别。同时综合测试结果证明K-powder中KHCO3已和无机及有机改性剂有效复合,形成微米级的细小颗粒。论文接着通过建立不同尺度的实验装置,经过多种工况的实验研究,比较了不同粉基介质的灭火性能,实验发现随着粉基介质粒径的减小,其灭火性能逐渐提高。同时不同的喷粉高度、压力、出粉方式均会影响粉基抑制火焰的时间和降低温度的效率。随后,本文在分析比较多种简单火焰实验装置的基础上,选择同轴流动CupBurner装置作为研究粉基灭火介质与扩散火焰相互作用过程的实验平台。依据Cup Burner装置的设计思想和输运固体粉基的要求,分别构建了Cup Burner实验台、输粉装置和测量设备,组成了小尺度粉基介质与扩散火焰相互作用的实验装置,并对各个组成部分的设计进行了详细的介绍。在此基础上对由本文CupBurner装置产生的甲烷/空气扩散火焰特性开展了详细的实验研究。实验结果发现通过流化床输粉装置可以观察Cup Burner中,火焰随着粉基介质输运量的增加而出现失稳、变色、以致最后熄灭的动态过程。通过观察发现:扩散火焰结构对粉基介质抑制的性能影响显著。Cup Burner装置中火焰熄灭过程属于典型的动态吹熄过程。因此,实际灭火时采取合适的方法（如化学抑制、改变粉基介质喷射方式等）破坏火焰根部的预混燃烧条件是扑灭火灾最有效的途径。此外还在CupBurner装置中测量了不同粉基介质的灭火浓度,实验结果表明本文中合成复配细化得到K-powder及细化粉体2号的灭火浓度均已达到或超过普通BC干粉,且灭火浓度要大大高于其他传统灭火将介质。通过粉基介质作用前后火焰发射光谱图比较分析,证实加入粉基灭火介质后,甲烷燃烧链反应自由基得到了消耗,同时出现了灭火介质独有的含K,Na等原子自由基的特征峰。在接下来的论文章节中,通过引入Damkohler数（Dn）,对火焰的熄灭进行了理论分析。分析指出粉基介质主要是通过热机制（冷却气相火焰）以及均相、异相化学机制来实现火焰抑制的。由于化学成分组成各异,导致粉基介质的热分解温度、热分解吸热、热分解产物都各不相同,因此不同组分的粉基介质的热机制也不尽相同。随后结合网格淬熄理论和颗粒粒径在火焰中变化公式对粉基颗粒在火焰区的运动以及粒径对灭火机制的影响等进行了详细阐述。由于与普通BC干粉相比,经过细化的粉基颗粒单个粒径更小,分布间隙更加致密,在实际抑制火焰时,小粒径的粉基介质能够形成更加致密的颗粒“云团”网格,单位体积“云团”内能够容纳更多发挥“冷壁”吸热机制及化学抑制机制的颗粒,从而提高了灭火性能。同时由于粒径较小的粉基介质,在火焰区的气化以及分解时间明显短于大粒径颗粒,在相同的火焰温度区时,小粒径颗粒拥有较短的分解时间,更易于发挥其化学抑制作用。最后,对粉基介质灭火系统的设计及其在超高层建筑火灾防治中的应用提出了建议:由于超高层建筑有着不同的类型和用途,粉基介质的应用应该针对不同建筑中的典型功能区和建筑结构,充分发挥粉基介质灭火高效,输送方法多样的优点,将清洁、高效、无毒的超细粉基灭火技术应用于超高层建筑火灾的防护,并推动相关理论和实验研究的开展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 粉基灭火介质的发展历史
• 1.2 粉基灭火介质的相关标准、系统应用及优缺点
• 1.3 粉基灭火介质的研究概况
• 1.3.1 合成、复配、细化粉基哈龙替代品
• 1.3.2 粉基介质抑制火焰的中小尺度实验
• 1.3.3 改进粉基介质输运性能,提高其环境兼容性的新方法
• 1.3.4 粉基介质抑制火焰过程和机制的基础研究
• 1.4 研究目标和思路
• 1.5 本论文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 粉基灭火介质的筛选、复配、细化及物理化学性质表征
• 2.1 引言
• 2.2 粉基介质筛选、复配、细化路线
• 2.3 粉基介质的筛选与制备过程
• 2.3.1 可分解纳米粉体的选择
• 2.3.2 普通干粉的选择
• 2.3.3 自行制备高效粉基灭火介质主料的选择
• 2.3.4 普通干粉的细化
• 2.3.5 自制粉基灭火材料的改性及细化
• 2.4 粉基介质的物理化学性质表征
• 2.4.1 粉基介质微观结构的显微电镜分析
• 2.4.2 K-powder的X射线能谱分析及X射线衍射分析
• 2.4.3 粉基介质的热重分析（TGA）及红外光谱测试
• 2.4.4 粉基介质颗粒的比表面积及孔隙分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 粉基介质抑制不同类型燃料池火性能的实验研究
• 3.1 粉基介质灭火有效性评价方法的选择
• 3.2 实验装置的建立
• 3.2.1 实验装置1的组成
• 3.2.2 实验装置2的组成
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 实验工况简介
• 3.3.2 普通干粉、细化粉体3号及纳米氢氧化镁灭火有效性比较
• 3.3.3 不同工况下球磨细化粉体和普通BC干粉灭火有效性的比较
• 3.3.4 K-powder灭火性能的研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 粉基介质与Cup Burner扩散火焰相互作用的研究
• 4.1 引言
• 4.2 Cup Burner装置的建立
• 4.2.1 燃烧器本体
• 4.2.2 燃料与氧化剂的输运与控制
• 4.2.3 粉基介质的输运
• 4.2.4 流量控制系统
• 4.2.5 测量方法与设备
• 4.3 粉基介质与Cup Burner浮力扩散火焰相互作用的实验结果讨论
• 4.3.1 基于流化床输粉装置的粉体释放速率变化对抑制火的影响
• 4.3.2 粉基介质作用下火焰结构的变化
• 4.3.3 粉基作用下火焰温度及光谱的变化
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 粉基介质抑制熄灭火焰机理
• 5.1 对火焰熄灭的统一认识
• 5.1.1 停留时间的定义
• 5.1.2 化学反应时间的定义
• 5.1.3 Dn数与火焰抑制及熄灭
• 5.1.4 熄灭状态下的Dn数
• 5.2 粉基介质灭火的物理化学机制
• 5.2.1 不同粉基介质的热分解过程
• 5.2.2 粉基颗粒参与的异相化学反应
• 5.2.3 粉基介质参与的均相化学反应
• 5.2.4 颗粒在火焰区的运动及小粒径对灭火机制的影响
• 5.2.5 粉基对火焰的辐射阻隔
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 粉基灭火介质的应用
• 6.1 粉基灭火介质系统
• 6.1.1 粉基灭火系统的分类
• 6.1.2 粉基灭火介质系统用量计算及设计实例
• 6.2 粉基介质在超高层建筑火灾防治中的应用
• 6.2.1 超高层建筑的发展和火灾危险
• 6.2.2 超高层建筑火灾的特点
• 6.2.3 粉基介质在高层建筑中的应用
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文结论
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 进一步工作的展望
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢