BTP-氟化物复合气体灭火性能的试验

郑军林，彭玉辉,谢承利

(1.海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，武汉 400064； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



BTP-氟化物复合气体灭火性能的试验

郑军林1，彭玉辉2,谢承利2

(1.海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，武汉 400064； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：为了探讨一溴三氟丙烯(BTP)与氟化物所形成的复合灭火介质(CFA)的实际灭火性能，基于气体灭火剂灭火性能测试方法，试验测试CFA对木材、电缆及常用液体燃料的灭火浓度，以及对航空煤油RP3、RP5、庚烷、乙醇的惰化浓度，结果表明：CFA的灭火浓度与1301相比较低，大部分可燃物的灭火浓度在2%～3%之间；对乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油这四种可燃物的惰化浓度约为5%，优于1301，CFA显示出了较高的灭火性能，是取代1301灭火剂的优良替代品。

关键词：BTP；灭火浓度；惰化浓度；灭火性能

1301灭火剂具有灭火效率高、灭火浓度低、耐贮存、不导电、毒性较低、腐蚀性小及灭火后不留痕迹等众多优点，广泛地应用于重要场所[1-4]。目前，国内船舶中的的动力设备舱、燃气涡轮间、机库、弹药库、可燃液体储存室等重要场所的灭火均使用1301灭火系统。虽然1301灭火剂具有较好的灭火性能，但是也有较为严重的缺点，主要是1301中含有氯、溴元素会破坏大气层，目前，已被联合国在全球禁止生产和使用。但是，目前仍没有成熟的灭火剂可以在灭火性能和适用范围两个性能指标上可完全取代1301等卤代烷灭火剂[5]。因此，新一代清洁高效的替代产品的开发是目前世界范围消防学界面临的迫切任务之一[6]。

目前，国际上的1301灭火替代技术主要包含细水雾灭火技术、惰性气体灭火技术及氟化物灭火技术等。其中，细水雾灭火主要通过特殊制造的喷嘴将水在一定压力下喷出成雾状，这种灭火方式一方面可以吸热，另一方面可以稀释氧气浓度，并且对环境危害近乎为零，具有较好的技术潜力。但目前该系统的灭火能力严重依赖于喷头设计，且其灭火效果对环境参数及可燃物较为敏感[7-10]。惰性气体灭火技术对环境无危害，但是系统配置庞大，同时需大量空间来安装高压气瓶组[11]。作为重要的1301替代灭火介质，氟化物(HFC-227ea、三氟甲烷、六氟丙烷等)灭火无残留、灭火速度快、不导电且无污染，在目前灭火剂市场占据主导地位。但是，由于氢氟烷烃的分子结构中不含有溴原子，导致需要的灭火浓度较高，并且，其在大气中难降解，温室效应值较大。1997年12月，《京都议定书》中明确将二氧化碳、七氟丙烷、三氟甲烷也归入了逐渐淘汰的行列[12]。同时，在这次会上，可降解溴烃灭火介质被明确作为一种潜在1301替代产品。

为此，对CFA新型气体灭火系统对典型可燃物的的灭火浓度(体积分数)、惰化浓度(体积分数)进行试验研究，并与传统灭火剂的灭火能力进行对比，评估该新型气体灭火剂的灭火能力。

1CFA灭火剂灭火浓度

1.1试验设计

CFA灭火剂的灭火浓度试验按《气体灭火剂灭火性能测试方法》(GB/T 20702-2006)进行。实验平台结构图见图1。主要为杯式燃烧器、燃料供给装置、灭火介质供给装置和各部分测量控制装置组成。杯式燃烧器的燃烧杯为圆形，材料为耐热玻璃，外径为29～31 mm，内径为25 mm，壁厚为1～2 mm，杯顶部的边缘倒角为450，在杯的中央和杯的中央距顶部大约5 mm处分别安装有热电偶。靠近燃烧器的底部有燃料入口，入口与放在液面调节的铁架台上的燃料罐相连，通过调节铁架台的高度来调节燃烧杯中液面的高度。燃烧器的烟囱为圆柱形，由石英制成，内径为85 mm。空气由空气压缩机提供并有质量流量计来调节流。灭火剂通过蠕动泵进料，并用电子天平进行在线标定。实验时，空气和灭火剂在混合腔先进行混合，混合腔由温控装置和加热装置来控制，混合后进入燃烧器底部，此处有高约100 mm、直径为7 mm的玻璃球，用来对空气和灭火剂再一次进行充分混合。

试验中布置了3个热电偶，其中热电偶1布置在混合腔中，用来测定CFA与空气混合气体的温度；热电偶2布置在燃烧器中，用来测量混合气流的温度，以便计算灭火浓度；热电偶3布置在燃烧器上方，用来测量火焰温度。各个热电偶的温度通过计算机实时在线采集监测。试验过程中，还在试验装置正前方布置了一台摄像机对整个灭火过程进行图像采集。

图1　CFA灭火试验实验平台组成

实验时，先打开空气压缩机，调节空气的流量，使之保持在40 L/min，然后对混合腔进行加热，使其温度保持在99 ℃左右，接着调节燃烧器中液面的高度，使之距杯口大约2 mm。各方面就绪后，开始点火，并将杯中液面高度调至杯顶大约1 mm，预燃60 s后，此时火焰较稳定，火焰高度大约为8 mm，开始通入一定量的CFA灭火剂。实验过程中保持空气流量为40 L/min，从小到大不断调节蠕动泵的转速，直至火焰完全熄灭。增加灭火剂的供量时，采用逼近法，每次以上一次流量3%的比例增大。在调节灭火剂流量后时间延时为10 s，以使空气和灭火剂能按照新的比例及时混合并到达燃烧器中。待火焰熄灭时，记录下空气的流速、蠕动泵的转速、压力和温度数据。试验结束后，先降低燃烧器中液面的高度，并除去杯中的沉淀、残余物等，以免影响测量的准确性。

共对10种不同可燃物的灭火浓度进行测量。试验工况表见表1。

表1　灭火浓度试验试验工况

1.2试验现象及讨论

实验中，热电偶1从室温逐渐上升到99 ℃并几乎保持不变，保证灭火剂能够完全气化。热电偶2测量的是杯式燃烧器中气体的温度。实验发现，混合气流从室温一直上升到60 ℃并在60 ℃左右波动，且波动范围很小。热电偶3为乙醇燃烧火焰的外延温度。工况9中灭火浓度试验中CFA灭火剂施加过程的火焰图像变化情况见图2。

图2　在CFA灭火剂施加过程中酒精火焰动态变化过程

由图2可见，CFA施加后火焰高度显著降低，火焰变小，最后熄灭。与火焰图像同步，还可在整个实验过程中可以发现热电偶3温度的变化大致分为4个阶段：起初，乙醇开始燃烧，火焰不断升温；之后，乙醇稳定燃烧，此时火焰外延温度大约稳定在780 ℃左右；接着，灭火剂开始与火焰作用，火焰温度有段短暂升高的过程；最后，灭火剂发挥抑制作用，火焰逐渐熄灭。对于灭火剂刚开始与火焰作用，火焰温度升高的现象，分析认为主要是灭火剂的热分解引起的热释放和灭火剂类燃料性质所造成的有效燃料当量比增加。

1.3试验结果

采用上述方法分别测出不同可燃物工况的灭火浓度，见表2。

由表2可见，对这10种常见可燃物，CFA的灭火浓度大部分在2%～3%之间，处于较低水平。灭火浓度最高的为木材(表面火)，达到浓度3.7%，最低的为10号柴油，仅为2.5%。试验测得CFA对常用可燃物的灭火浓度与1301灭火浓度的对比见表3。

表2　不同可燃物工况的灭火浓度

表3　1301与CFA灭火浓度对比

由表3可见，对乙醇，汽油，庚烷这3种液体燃料，CFA的灭火浓度均显著低于1301的灭火浓度，约为1301灭火浓度的75%。对甲烷的灭火浓度，CFA则要高于1301，说明CFA对气体可燃物的灭火能力尚仍不如1301，但需要指出的是，CFA对甲烷3.3%的灭火浓度也处于较低水平。

2CFA灭火剂惰化浓度研究

2.1试验设计

CFA灭火剂惰化浓度试验按GB/T20702-2006《气体灭火剂灭火性能试验方法》进行。实验平台主要由体积为7.9 L球形试验容器、热电偶、压力传感器、燃料及灭火剂的加热装置、点火器等设备组成，见图3。

图3　CFA惰化浓度试验的试验设备示意

其中，燃料及灭火剂的加热装置主要采取油浴方式，试验前加热到所需压力和浓度。点火器由4根石墨棒组成，用2根电线系在一端，同时，还设有2个450 V电容器，与点火器线连接。在实验时，电容器放电电流引起石墨棒表面的电离，击穿间隙引起放电。除此之外，球形容器内部布置有搅拌扇，适合承受爆炸时的温度和高压。在球形容器中还配有入口及通风口，其中，入口在容器下部，通风在容器上部。惰化试验中，试验要求及试验操作步骤如下。

1)实验时，环境温度为室温(22±3) ℃，记录超出此范围的温度。

2)将压力传感器与适宜的记录仪连接，测量实验容器的压力升，最接近为70 Pa。

3)开动真空装置，把容器中的空气排空。

4)加入CSCC-FA灭火剂，并通过油浴加热，使其达到所需的浓度值；由于CSCC-FA灭火剂是液体，故应允许有一段时间等待其挥发。

5)导入燃料蒸气和空气(相对湿度(50±5)%，使其达所需的浓度值，并使容器内压力达到1×105Pa)；对于液体燃料，通过加热提高其饱和蒸汽压，并允许有一定时间等待其挥发。

6)打开容器内搅拌扇，搅拌混合物1 min，关闭搅拌扇等待1 min，让混合物达到均匀效果。

7)给电容器充电到720～740 V的电势。

8)关闭开关，电容器放电。

9)开动压力测量装置，测量容器内部的压力升。

10)测试完压力升以后，把气体排空，清洗试验容器内部以避免分解残余物沉积。

11)保持燃料/空气比并且改变灭火剂数量重复试验，直到找到压力比初始压力升高了0.07倍的条件。

12)重复试验，改变燃料/空气比例以确定惰化混合物所需的最大灭火剂的蒸气浓度。

试验共对乙醇、庚烷等四种可燃物的惰化浓度进行了试验测量，试验工况见表4。

2.2CFA惰化浓度试验结果及讨论

采用上述方法分别测出不同可燃物工况的惰化浓度，见表5。

由表5可见，对这4种常见可燃物，CFA的惰化浓度均为5%上下，处于较低水平。惰化浓度最高的为乙醇，为6.0%，最低的为庚烷，仅为4.8%。试验测得CFA对常用可燃物的设计惰化浓度与1301设计惰化浓度的对比(设计惰化浓度为试验测试浓度的1.2倍)见表6。

表6　1301与CFA惰化浓度对比

由表6可见，对乙醇，庚烷这2种液体燃料，CFA的设计惰化浓度均显著低于1301的设计惰化浓度，其中，对庚烷而言，CFA的设计惰化浓度为1301的84%，对乙醇，其设计惰化浓度则相比1301低得多，仅为1301的65%。

3结论

1)对常见可燃物，CFA的灭火浓度大部分在2%～3%之间，处于较低水平。

2)对乙醇，汽油，庚烷这3种液体燃料，CFA的灭火浓度约为1301灭火浓度的75%，但CFA对甲烷这种气体可燃物的灭火能力尚仍不如1301，但3.3%的灭火浓度也处于较低水平。

3)对乙醇、庚烷、RP3燃油、RP5燃油这4种可燃物，CFA的惰化浓度均为5%上下。

4)CFA对庚烷的设计惰化浓度为1301的84%，对乙醇惰化浓度为1301的65%。

参考文献

[1] BANKS R E. Enviromnental aspects of fluorinated materials.2.In-Kind replacements for halon fire extinguishants-some recent candidates[J].Jounral of Fluorine Chemistry,1994,67(3):193-203.

[2] STAMNES K, HENRIKSEN K. Simultaneous measurement of uvradiation received by the biosphere and total ozone amount[J]. GeoPhysical Researeh Letters,2000,15(8):784.

[3] LI K, KENNEDY E M. Gas-Phase reaction of halon 1301 (CBrF3) with methane[J]. Industrial & Engineering Chemistry Researeh,1999,38(9):3345-3352.

[4] LI K, OGHANNAF. Pyrolysis of Halon 1301 over zeolite catalysts[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2000,35(6):219-226.

[5] 彭玉辉,曾勇,郑兴海.舰船哈龙灭火剂的替代产品和气体灭火剂的选型分析[J]. 中国舰船研究,2007,2(5):72-75.

[6] KENNEDY E M, LI K. a process for disposal of halon 1301 (CBrF3)[J]. Chemical Engineering Communications,1999,176:195-200.

[7] BACK G G, C L BEYLER. The capabilities and limitations of total flooding, water mist fire suppression systems in machinery space application[J]. Fire Techonology,2000,36(1):8-23.

[8] DARWIN R L, F W WILLIAMS. The development of water mist fire protection systems for US navy ships[J]. Naval Engineers Journal,2000,112(6):49-57.

[9] HANSEN R L, G G BACK. Water spray protection of machinery spaces[J]. Fire Techonology,2001,37(4):317-326.

[10] LIU J H, G X LIAO. Study of liquid pool fire suppression with water mists by cone calorimeter[J]. Journal of Fire Sciences,2002,20(6): 465-477.

[11] SAITO N, Y OGAWA. Flame-extinguishing concentrations and peak concentrations of N-2,Ar,CO2and their mixtures for hydrocarbon fuel[J]. Fire Safety Journal,1996,27(3):185-200.

[12] TAPSCOTT R E. The ozone impact mitigation program[C]∥Annual Meeting of the National Fire Protection Association, Cincinnati, Ohio, USA, Apri,6-9.

Experimental Study on Fire Extinguishing Efficiency of BTP-Fluoride

ZHENG Jun-lin1, PENG Yu-hui2, XIE Cheng-li2

(1 Military Representative Office at No.701 Research Institute, Wuhan 430064, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The fire extinguishing efficiency of BTP-fluoride (CFA) is studied experimentally. Based on the standard fire extinguishing efficiency testing method of gas extinguishing agent, experiment is conducted to test extinguishing concentration of CFA to wood fire, cable fire, commonly used liquid fire, and inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol. The results show that for most combustible, the extinguishing concentration of CFA is 2%-3%, it's lower than 1301. The inerting concentration of CFA to RP3 aviation kerosene, RP5 aviation kerosene, heptanes and ethanol is about 5%, it's also better than 1301.In general, the fire extinguishing efficiency of CFA is good to replace 1301 agent.

Key words:BTP; extinguishing concentration; inerting concentration; fire extinguishing efficiency

中图分类号：U698.4

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0069-05

第一作者简介：郑军林(1971-)，男，硕士，高级工程师E-mail:phust@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.019

修回日期：2016-01-21

研究方向:轮机工程