可燃剂对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响_朱静丽

　灭火剂与阻燃材料　可燃剂对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响

朱静丽，潘仁明，郑文芳

（南京理工大学化工学院，江苏南京２１００９４）

摘　要：采用最小自由能法理论研究可燃剂品种、含量以

及可燃剂组合对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响规律。结果表

明：可燃剂对气溶胶灭火剂的燃烧温度影响显著；增加可燃剂

含量可降低气溶胶灭火剂的燃烧温度；采用尿素和自制调节剂

ＬＳ组合作为灭火剂中的可燃剂，可得到较低的燃烧温度；气溶

胶灭火剂的可燃剂为２０％的尿素和１０％的自制调节剂ＬＳ组

合时，得到的理论燃烧温度最低，最低温度可达１　０２３．９Ｋ。实

验观察到该配方燃烧时没有明显火焰出现，实际产生的燃烧温

度较低，与理论研究的结果基本一致。

关键词：气溶胶；气溶胶灭火剂；燃烧温度；可燃剂

中图分类号：Ｘ９２４．４，ＴＱ５６９ 文献标志码：Ａ

文章编号：１００９－００２９（２０１４）０２－０１９５－０３

气溶胶灭火剂属于烟火型灭火剂，自从２０世纪８０

年代问世以来，因其具有环境友好、灭火效率高、灭火范

围广、性质稳定、价格便宜等优点，而得到了广泛应用。

但是，其通过燃烧生成灭火介质实现灭火时会产生高温。

因此，气溶胶灭火系统需在灭火剂释放时作降温处理。

目前，多采用外冷却方式进行降温，即在灭火装置中

添加冷却装置对其进行降温处理，这种方式具有较好的

降温效果，但外冷却装置会占用较大空间，减少灭火剂填

充量，导致气溶胶生成量的减少、灭火效率的降低以及生

产成本的提高。

笔者拟通过优化灭火剂配方设计，从根本上对灭火

剂燃烧温度进行降温处理，通过采用最小自由能算法，理

论研究可燃剂种类、含量以及可燃剂组合对气溶胶灭火

剂燃烧温度的影响规律，并通过实验进行验证。

１　理论计算原理与方法

１．１　计算原理

最小自由能法的原理是在反应体系达到化学平衡

时，整个体系的自由能最小。因此，在确定的热力学状态

下，既能使体系自由能最小，又符合质量守恒原理的配方

组成，即为该状态下系统的平衡组成。气溶胶灭火剂的

燃烧产物的总自由能函数如式（１）所示。

Ｇ（ｎ）＝∑ｍ

ｉ＝１［ｘｇ

ｉ

Ｇθｉ

（）

ＲＴ

ｇ

ｉ

＋ｘｇｉｌｎＰ＋ｘｇｉｌｎ

ｘｇｉ

ｘｇ

］＋∑ｓ

ｉ＝ｍ＋１

ｘｃｉ

Ｇθｉ

（）

ＲＴ

ｃ

ｉ

（１）

式中：Ｇ（ｎ）为系统总吉布斯自由能函数；ｘｇ

ｉ

为第ｉ种气态

组分物质的量；Ｇθ

ｉ为物质的标准吉布斯自由能；Ｒ为摩尔

气体常数；Ｔ为系统温度；ｎ为系统组分物质的量之和；Ｐ

为系统压力；ｘｃ

ｉ

为第ｉ种凝聚态组分物质的量。

此外，灭火剂在燃烧过程中，燃烧产物体系的元素也

应满足如下质量守恒方程，如式（２）所示。

∑ｍ

ｉ＝１

αｉｊｘｇｉ＋∑

ｓ

ｉ＝ｍ＋１

ｂｉｇｘｃｉ＝ｎｊ　（ｊ＝１，２，３，…，ｌ）（２）

式中：ａ

ｉｊ

为第ｉ种气体组分中ｊ元素原子物质的量；ｂ

ｉｊ

为

第ｉ种凝聚态组分中ｊ元素原子物质的量；ｎ

ｊ

为系统中

元素ｊ原子物质的量。

在式（１）、式（２）基础上，给定计算所需初值，进行计

算，可得到系统自由能函数最小时的平衡组成。

１．２　计算方法

采用最小自由能法编写的计算程序，计算研究可燃

剂对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响规律。计算过程中，

首先按要求设定平衡压力（常压０．１ＭＰａ），然后输入所

需的配方进行计算，得出燃烧温度的理论预估值。

２　结果与讨论

２．１　可燃剂种类对燃烧温度的影响

目前，气溶胶灭火剂中常用的可燃剂主要分为无机

物和有机物两大类。根据物质的特性，有机可燃剂分为

胺类化合物、碳化水素衍生物、高氮化合物、有机酸钾盐

等；无机可燃剂分为金属类和非金属类等。选取了气溶

胶灭火剂较为常用的可燃剂品种进行研究，所采用的基

础配方为：１０％的酚醛树脂（质量分数，下同）作为粘合

剂，６０％的ＫＮＯ

３

作为氧化剂，３０％的可燃剂。研究中，

保持基础配方中各组分含量不改变，仅改变可燃剂种类

进行计算研究，结果如表１所示。

表１按照各配方燃烧温度由低到高依次排列，从表１

可以看出：胺类化合物中的草酸羟胺、碳化水素衍生物中

的酒石酸、高氮化合物中除５－氨基四唑外的品种等作

为可燃剂时气溶胶灭火剂的燃烧温度太高，配方中无机

物作为可燃剂时得到的燃烧温度均不理想。胺类化合物

中的ＮＭ、双氰胺、三聚氰胺、ＬＳ、草酰胺；碳化水素衍生

物中的乳糖、蔗糖、葡萄糖、山梨糖、木糖醇、环己六醇、双

直链淀粉、萘；高氮化合物中的５－氨基四唑以及有机酸

钾盐中的苯二甲酸氢钾作为可燃剂时配方的燃烧温度在

１　１００～１　２７７Ｋ，作为气溶胶灭火剂中的可燃剂可望获得

较低的燃温效果。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３０６０９３）

５

９

１消防科学与技术２０１４年２月第３３卷第２期

表１　各类可燃剂配方的燃烧温度

胺类化合物燃温／Ｋ

碳化水素

衍生物燃温／Ｋ高氮物燃温／Ｋ

有机酸钾盐

燃温／Ｋ无机物燃温／ＫＮＭ　１　１３１．２木糖醇１　１１４．０　５－氨基四唑１　１０３．４苯二甲酸氢钾１　２６５．２Ａｌ２Ｏ３３４４．５草酰胺１　２００．８环己六醇１　１６

９．４　３，６－二胍基－Ｓ－四嗪

１　

４３５．８苯甲酸钾

１　４１４．４ＺｒＯ２３６９．７三聚氰胺１　２５８．４乳　糖１　１７２．９偶氮四唑胍盐１　６８６．２柠檬酸二氢钾１　５８８．９ＣａＣＯ３

５１０．５双氰胺１　２７２．１葡萄糖１　１７３．０偶氮四唑三氨基胍盐

２　００９．６酒石酸氢钾１　７８０．９Ｃ

１　

６１６．２ＬＳ　１　２７７．３山梨糖１　１７３．１二羟基乙二肟

２　１３７．９四草酸钾１　８００．４ＮＨ４Ｃｌ　１　６３３．７草酸羟胺

２　

０３５．２蔗糖

１　

１７３．１肼盐２　２７７．０酒石酸钾１　８３５．９ＭｇＣＯ３１　７５８．３－－双直链淀粉１　

２１９．９硝基胍

２　３１５．４柠檬酸钾

１　

９０３．８ＫＨＣＯ

３

１　７８９．８－－萘１　２５４．７　３，３＇－二氨基－４，４＇－氧化偶氮呋咱２　４３９．０－－Ｔｉ　２　８５２．９－－酒石酸１　

４５６．８　３，６－二硝基胍－Ｓ－四嗪

２　

４５９．５－－Ｍｇ　３　６３８．９－

－

－

－

－

－

－

－

Ａｌ　

５　

０２４．０注：ＬＳ为自制调节剂

２．

２　可燃剂含量变化对燃烧温度的影响可燃剂含量的变化会影响气溶胶灭火剂燃烧过程的氧平衡，氧平衡值的改变将直接影响反应时用于汽化和分解的热量，进而导致燃烧温度发生改变。

为研究可燃剂含量变化对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响规律，仍采用ＫＮＯ３为氧化剂，酚醛树脂为粘合剂，可燃剂拟选择具有较好燃烧温度效果的可燃剂品种，研究时保持氧化剂与粘合剂配比（６∶１）不改变，调节可燃剂质量分数在１０％～４０％，

结果如图１所示。Ａ．

草酰胺；Ｂ．ＬＳ；Ｃ．ＮＭ；Ｄ．双氰胺；Ｅ．环己六醇；Ｆ．木糖醇；Ｇ．葡萄糖；Ｈ．乳糖；Ｉ．山梨糖；Ｊ．蔗糖；Ｋ．萘；Ｌ．双直链淀粉；Ｍ．５－氨基四唑；Ｎ．三聚氰胺；Ｏ．

苯二甲酸氢钾图１　可燃剂含量与燃烧温度之间的关系

由图１可知，

随着可燃剂含量增加，燃烧温度均呈不同程度的下降趋势，这是因为可燃剂增加后，负氧平衡指数会不断增大，用于汽化和分解时吸收的热量增多，使燃烧温度相应下降。

同时，除三聚氰胺、ＬＳ、萘外，所选择的可燃剂品种在各含量时配方的燃烧温度较为接近。其中，ＮＭ和５－氨基四唑配方的燃烧温度最低。选用三聚氰胺作为可燃剂时配方的燃烧温度比其他品种明显要高，而选用ＬＳ、萘时，在含量较低时的燃烧温度是所选品种中最低的。此外，由于５－氨基四唑属于含能组分，会降低气溶胶灭火剂的安全性，同时，萘又易于挥发、升华，不易于储存。因

此，选用ＮＭ或ＬＳ作为气溶胶灭火剂中的可燃剂可能会得到较好的燃温效果。

２．３　可燃剂组合对燃烧温度的影响

随着可燃剂含量改变，在含量较低时，ＬＳ作为可燃剂的灭火剂燃烧温度较低，在可燃剂含量较高时，ＮＭ作为灭火剂中可燃剂时的燃烧温度为最低，鉴于以上理论结果值，设想ＮＭ和ＬＳ具有互补作用，两者共同使用会达到更好的降温效果。

因此，仍采用１０％的酚醛树脂作为粘合剂，６０％的ＫＮＯ３作为氧化剂，调节ＬＳ与ＮＭ的相对含量，研究可燃剂组合对气溶胶灭火剂燃烧温度的影响规律，结果如图２所示。

图２　ＬＳ的含量与燃温之间的关系

从图２可知，随着可燃剂中ＬＳ含量增加，灭火剂的燃烧温度先下降后上升。ＬＳ含量为０即ＮＭ质量分数为３０％时，得到的灭火剂的燃烧温度为１　１３１．５Ｋ；ＬＳ质量分数为３０％时，燃烧温度为１　２７７．３Ｋ；ＬＳ的质量分数为１０％时，燃烧温度最低为１　０２３．９Ｋ，比两者单独作为灭火剂的可燃剂时的燃烧温度降低１００～２００Ｋ。因此，采用ＮＭ与ＬＳ组合作为气溶胶灭火剂的可燃剂，可有效降低灭火剂的燃烧温度。３　实验验证

燃烧温度较高时，气溶胶灭火剂燃烧时会产生明显火焰，根据火焰有或无以及火焰颜色可对灭火剂燃烧温

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１Ｆｉｒｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ　

２０１４，Ｖｏｌ　３３，Ｎｏ．２

度进行直接判断。为此，采用理论研究所得的低燃烧温度配方：酚醛树脂１０％、硝酸钾６０％、ＮＭ２０％、自制调节剂１０％，制备灭火剂样品进行常压燃烧实验。通过数码相机摄像以及观察燃烧现象研究其燃烧温度状况，同时与某气溶胶灭火剂样品进行对比实验。

３．

１　实验过程及方法（１）样品制备。按照设计的配方，称取原材料，经混合、压药、包覆以及烘干等工艺过程，制成直径２５ｍｍ，长６５ｍｍ的灭火剂药柱备用。

（２

）实验方法与过程。将制好的药柱装入药筒中，其中药筒前有直径１０ｍｍ的释放喷口，以安全引线作点火原件，装配好的样品示意图如图３所示。实验时，将药筒固定在地面（喷口朝上），点火，同时进行摄像和现场观察火焰状况

。

图３　样品示意图

３．２　结果与讨论

样品燃烧稳定，且喷口处未见明显火焰，而用于对比的某产品用气溶胶灭火剂样品的喷口则出现了较明显的红色火焰。该结果表明，所采用的配方较好地降低了气溶胶灭火剂的燃烧温度，与理论研究结果一致。４　结　论

（１

）可燃剂种类对气溶胶灭火剂的燃烧温度影响显著。其中采用胺类化合物和碳化水素衍生物中的大部分作为可燃剂时的灭火剂配方燃烧温度较低。

（２

）增加可燃剂可降低气溶胶灭火剂的燃烧温度。同时，可燃剂含量较低时，自制调节剂ＬＳ配方的燃烧温度较低，可燃剂含量较高时，ＮＭ配方的燃烧温度最低。

（３）采用ＮＭ和自制调节剂ＬＳ组合作为可燃剂时，可获得较好的降温效果，实验结果与理论研究的结果基本一致。

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ａｇｅｎｔ　ａｇｅｎｔＺＨＵ　Ｊｉｎｇ－ｌｉ，ＰＡＮ　Ｒｅｎ－ｍｉｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｗｅｎ－ｆａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｆｉｒｅ　ｅｘｔｉｎｇｕｉｓ－ｈｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｆｒｅｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈｅ－ｏｒｙ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔ　ｔｙｐｅ，ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｆｉｒｅ　ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ａｇｅｎｔｗａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔ；ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｅｒｏｓｏｌ　ｆｉｒｅ　ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ａｇｅｎｔｃａｎ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔ；ｔｈｉｒｄｌｙ，ａ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｕ－ｓｉｎｇ　

ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬＳ　ａｎｄ　ｕｒｅａ　ａｓ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｕｒｅａ　ｉｓ　２０％ａｎｄ　ＬＳ　ｉｓ　１０％，ｔｈｅ　ｌｏｗｅｓｔ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　１　０２３．９Ｋ．Ｔｈｅ　ｆｌａｍｅ　ｗａｓ　ｎｏｔ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｎ　ｃｏｎｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｏｌ；ａｅｒｏｓｏｌ　ｆｉｒｅ　ｅｘｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ａｇｅｎｔ；ｃｏｍｂｕｓ－ｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ａｇｅｎｔ；ｏｘｙｇ

ｅｎ　ｂａｌａｎｃｅ作者简介：朱静丽（１９８６－），女，南京理工大学化工学院硕士研究生，主要从事消防技术方面的研究，江苏省南京市孝陵卫２００号南京理工大学３１１教研室，２

１００９４。收稿日期：２

０１３－１０－１２７

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