海上水基燃烧技术多燃烧模式的实现研究

刘文鹏，金良安，高占胜，王吉心



海上水基燃烧技术多燃烧模式的实现研究

刘文鹏1，金良安1，高占胜1，王吉心2

（1. 海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连，116018；2. 海军装备研究院，北京，100161）

为实现海上水基燃烧技术的多燃烧模式，以满足不同领域的要求，基于多燃烧模式实现原理，设计了相应的可燃气生成方案和自致燃点火方案，即对特定粒径的燃料主剂和点火副剂颗粒，采用水溶性材料进行不同程度的包覆，以控制颗粒与海水接触的时刻和时长，进而实现不同的燃烧模式。实验结果表明，以上方案不仅可以实现典型的燃烧模式，还可通过组合使燃烧模式多元化。本研究可为海上水基燃烧技术多燃烧模式的实现提供可靠的途径，并为这一新技术的应用提供理论支撑和技术基础。

海上水基燃烧技术；多燃烧模式；点火延迟；表面包覆

海上水基燃烧技术是指基于专门的特种材料，利用其与海水发生反应，形成燃烧所必需的可燃性气体，并使用特定方法以自致燃方式使可燃气自发燃烧的一类技术。该技术可以用于海上燃烧武器、舰船油污尾迹消除、落水人员救生、海洋大面积油污清除等众多领域[1-5]。显然，这些领域对燃烧模式有着不同的需求。为满足军事、救援、环境等相关领域的多种需求，通常海上水基燃烧技术需要具备4种基本水基燃烧模式：（1）短时爆燃模式，即在海面上形成以亚音速传播的燃烧爆炸现象，其可燃气生成后与海面上方的空气混合，迅速达到爆燃浓度，属于预混燃烧；（2）长时燃烧模式，即在海面上形成长时间的持续燃烧火焰，其可燃气一边生成一边燃烧，同时不断与空气进行混合，属于非预混燃烧；（3）瞬时燃烧模式，即当特种材料被投放后，在可燃气生成的瞬间给予点火作用使其立即燃烧；（4）延时燃烧模式，即当特种材料被投放后，按照预设延迟一段时间再开始燃烧。以上4种基本燃烧模式组合后可以形成多种典型燃烧模式，如瞬时爆燃模式、瞬长时燃烧模式、延时爆燃模式、延长时燃烧模式等，以满足不同领域的应用需求，本文对此展开研究。

1 多燃烧模式的实现原理

要实现多燃烧模式，首先要明确基本燃烧模式的实现关键。根据其本质过程可知：短时爆燃模式→预备燃料；长时燃烧模式→持续燃料、持续致燃；瞬时燃烧模式→瞬时燃料、瞬时致燃；延时燃烧模式→延时致燃。可见，实现多燃烧模式的核心在于两个环节：一是可燃气的生成，一是自致燃的点火。其中，可燃气生成环节主要利用具有特殊性能的主剂，令其与海水发生化学反应，以产生在预定海域规模化燃烧所需的大量主燃气；而自致燃点火环节则通过在主剂中掺杂一定比例的专门材料，使其作为副剂与海水发生强烈反应，以提供足够的点火能量使生成的副燃气自燃，从而产生明火引燃主燃气。

根据已有研究[1]，主剂可选择CaC2，副剂可选择具有高可靠性的自致燃原料组合“Na+NH4Cl”。实现海上水基燃烧的原理为：利用Na与海水反应生成副燃气H2，并利用NH4Cl的水解改性作用加剧其反应程度，以确保所生成的H2自燃，从而进一步利用H2的燃烧点燃CaC2与海水反应生成的主燃气C2H2。由以上分析可见，一旦形成了有效的可燃气生成方案和自致燃点火方案，就可以实现相应的基本燃烧模式，而通过方案间合理组合即可使燃烧模式多元化。

2 多燃烧模式的包覆实现

2.1 包覆实现的原理

根据多燃烧模式的实现原理，可采用水溶性材料对主、副剂颗粒外层进行包覆处理，利用不同程度的覆膜改变颗粒与海水接触反应的时间，进而控制产气、点火的时刻和时长；并结合不同粒径的主剂，形成多种可燃气生成方案和自致燃点火方案。

可燃气生成方案：（1）预备燃料：采用小粒径乃至粉末状主剂，无包覆，令其与海水产生短暂而强烈的反应，在短时间内生成大量可燃气备用。（2）持续燃料：采用大粒径主剂，梯级包覆，均匀分配各级包覆厚度的主剂用量，使其分组与海水在不同时刻接触，产生长时而稳定的反应，持续生成可燃气。（3）瞬时燃料：采用颗粒或粉末状主剂，无包覆，使其被投放后立即接触海水产生反应生成可燃气。

自致燃点火方案：（1）持续致燃：副剂颗粒梯级包覆，与持续燃料相同，采用多种覆膜厚度以产生持续的点火反应。（2）瞬时致燃：副剂颗粒无包覆，被投放后立即接触海水产生点火反应，将生成的可燃气点燃。（3）延时致燃：副剂颗粒全部均匀包覆，采用大厚度覆膜，使其与海水延时接触，在指定时刻产生点火反应。

2.2 包覆厚度的设计

包覆厚度的设计主要受两个因素的影响：包覆层的溶解时间和主剂颗粒的反应时间。设包覆层厚度为，包覆层从接触海水直至完全溶解历时为（主剂开始反应生成可燃气的时间，或副剂自致燃点火的时间）。由于包覆层很薄，可以假设其匀速溶解，近似认为溶解历时与厚度成正比，比例系数为1，即：

（1）

将颗粒视为球形，设颗粒群总质量固定为，选定的颗粒粒径为，颗粒数为，则每个颗粒的体积∝3，表面积∝2。由于颗粒粒径很小，近似认为化学反应速率与其比表面积成正比：

（2）

式（2）中：为比例系数；为颗粒密度。可将该速率视为颗粒群的平均反应速率，则反应历时为：

（3）

式（3）中2为整合了其他常数项的比例系数，可见同溶解历时类似，反应历时与粒径成正比。但出于工艺上的原因，并非所有颗粒的粒径都能符合选定标准，一般颗粒数量较大时，可以认为其粒径服从Rosin- Rammler分布[6-7]：

式（4）中：为分布系数；为分布指数；为累计质量百分数。通常，选定粒径±10%基本上就可以满足要求，因此在概率上实际参与反应的有效颗粒粒径d为：

（5）

所以，包覆厚度的设计可按以下方法进行：（1）设0是包覆层厚度0= 0时的产气（点火）时刻，此时主/副剂材料组完全不做包覆处理，接触海水后立即产气（点火），0= 0。（2）设1=11，是包覆层厚度为1的主/副剂材料组1与海水接触反应的产气（点火）时刻。（3）设t=1D，是包覆层厚度为D的主/副剂材料组的产气（点火）时刻。

按照使用需求，对于长时燃烧模式，设燃烧持续时间为long，则主/副剂材料包覆层厚度应设计为梯级依次递增，即0<1< …<D，使0<1< …<t，且相邻两组梯级包覆的溶解时间间隔应小于每组的产气时间，以保证产气（点火）的持续性：

产气持续的总时间为所有包覆层的溶解时长加上最后一组材料的产气时长：

（7）

而对于延时燃烧模式，设延迟点火时间为delay，则副剂材料包覆层厚度为1，使：

（8）

关于包覆的具体实施，可完全按照现有已成熟的包覆技术来处理[8-12]。

2.3 包覆材料的选取

根据海上水基燃烧技术的特点，无论是主剂还是副剂，所采用的包覆材料都必须满足以下要求：（1）常温下易溶于水；（2）与主/副剂材料本身不会发生理化反应；（3）常温下呈固体；（4）在包覆工艺中易于操作实现。

而NH4Cl正是一种非常合适的包覆材料，其原因在于：（1）NH4Cl极易溶于水，其理化性质能够很好地满足以上要求[13-14]。（2）自致燃原料本身就包含NH4Cl，不会增加多余成分。（3）当NH4Cl包覆层溶解后，副剂颗粒才与海水接触反应，无形中使自致燃具有了“先改性，后反应”的特性，从而进一步提高了自致燃的成功率。

3 实验

实验分两组对4种基本燃烧模式的典型组合模式进行研究。所有实验均在海军大连舰艇学院舰艇损管中心的标准化外场进行，同时为突出实验效果，爆燃实验在夜晚进行。

3.1 瞬时爆燃模式与瞬长时燃烧模式

瞬时爆燃模式的特点是瞬间在海上产生剧烈的爆燃现象，需采用粉末状主剂，且其主、副剂均不进行任何包覆处理；瞬长时燃烧模式的特点是瞬间在海上形成持续平稳的燃烧，需采用大粒径主剂，且其主、副剂均进行梯级包覆处理，但必须有一组主、副剂的包覆厚度为0mm。

3.1.1 实验过程

实验中用到的设备与药品包括：小号灭火盆，其直径（内径）为0.36m，盆内净高约0.12m，材质为聚丙烯（PP）；主剂材料CaC2约40g，副剂材料“Na+NH4Cl”约（9+450）g（采用大粒径），大颗粒粒径约为10mm，梯级包覆最小厚度为0mm，最大厚度按燃烧持续时间5min左右设计制备。

实验步骤如下：（1）将灭火盆清洗干净后，在室外训练场空旷处摆好，向盆内注入海水（取自大连石槽海域）至高度约0.06m；（2）通过人工投掷方式，将不同组合的主、副剂混合材料轻轻掷入盆中；（3）将混合材料掷入盆中后，立即观察盆内海水表面的着火情况，并记录点火时刻和燃烧持续时间；（4）更换主、副剂组合，重复以上步骤。

计算时不考虑结构自重产生的影响，荷载效应全部来自于体外预应力钢束。将预应力荷载等效为沿箱梁纵桥向作用的均布力作用于锚垫板上，所施加的荷载参数如表 1所示。

3.1.2 结果与讨论

实验结果如表1所示，燃烧效果如图1所示。如图1（a）所示，当采用粉末状主剂且主、副剂均无包覆时，在投放混合材料后海水表面迅速腾起火焰，并伴有明显的发光现象，爆燃阶段约持续了20s，随后恢复正常燃烧，但火势仍然十分强烈，火焰最高高度可达1m，在80s左右时火焰减弱，渐渐熄灭，成功实现了瞬时爆燃模式；如图1（b）所示，当对主、副剂均进行梯级包覆时，在投放混合材料后海水表面迅速发生燃烧现象，但燃烧火焰并不大，随后经历一段持续平稳的燃烧后熄灭，成功实现了瞬长时燃烧模式。

表1 瞬时爆燃模式和瞬长时燃烧模式实验结果

Tab.1 The experimental results of instantaneous deflagration model and instantaneous longtime combustion model

（a） 瞬时爆燃模式（黑夜）

（b） 瞬长时燃烧模式（白天）

图1 燃烧效果

Fig.1 Combustion effect

由表1可见，采用同样的主剂与不同包覆的副剂时，燃烧持续时间的变化并不大，而采用同样的副剂与不同包覆的主剂时，燃烧持续时间则相差很大，说明影响燃烧时长的主要因素是主剂的粒径和包覆情况；由于包覆厚度均按燃烧持续时间5min左右设计，因此主剂40%梯级包覆和70%梯级包覆的燃烧时长差别也不大。此外，虽然副剂的包覆情况对燃烧时长的影响较小，但为了保证可靠的长时燃烧，即一旦出现熄火现象能随时被重新点燃，其自致燃也应具有持续性，因而仍需对副剂进行梯级包覆处理以保证持续点火，而非只在开始时进行一次点火。

3.2 延时爆燃模式与延长时燃烧模式

延时爆燃模式的特点是投放后延迟一段时间再发生高强度燃烧，需采用小粒径无包覆主剂，且副剂全部进行均匀厚度的包覆处理。延长时燃烧模式的特点是投放后延时发生持续的燃烧，需采用大粒径主剂，并对其主、副剂均进行梯级包覆处理，且副剂最小包覆厚度不为0mm。

3.2.1 实验过程

实验中用到的设备同上，药品主要是为本次实验专门制备的主、副剂材料，其中主剂CaC2约40g，副剂“Na+NH4Cl”约（9+450）g（采用大粒径），小颗粒粒径约为5mm，大颗粒粒径约为10mm，梯级包覆最大厚度按燃烧持续时间5min左右设计制备，实验步骤同3.1.1节。

实验结果如表2所示，燃烧效果如图2所示。

表2 延时爆燃模式和延长时燃烧模式实验结果

Tab.2 The experimental results of delayed deflagration model and delayed longtime combustion model

（a） 延时爆燃模式（黑夜）

（b） 延长时燃烧模式（黑夜）

图2 燃烧效果

Fig.2 Combustion effect

如图2（a）所示，当采用小粒径主剂且副剂均匀包覆时，在投放混合材料后听见盆内有渐渐增大的“呲呲”响声，根据以往的实验经验，该声响即为主剂发生剧烈水化反应产生可燃气气泡的声音，约3s后，副剂的包覆层全部溶解，发生点火反应，将海面上方已生成的大量可燃气点燃，而在点火延迟的时间里，可燃气已与空气充分混合，因此被点燃后立即发生爆燃，随后燃烧又持续了一小段时间，成功实现了延时爆燃模式；如图2（b）所示，当主、副剂均梯级包覆时，在投放混合材料后并没有立即发生燃烧现象，而是延迟一段时间后才开始点火燃烧，随后经历一段持续平稳的燃烧后火焰熄灭，成功实现了延长时燃烧模式。

由表2可见，延时点火时长完全由副剂的包覆情况决定，与主剂颗粒大小和包覆情况无关；对于无包覆的主剂，其在延时点火期间不断反应生成可燃气，可燃气一边与空气混合，一边因扩散而逐渐脱离点火区域，因此延时时间越长，可燃气在空气中消散的就越多，其燃烧持续时间也就越短；同理，对于梯级包覆的主剂，最小包覆厚度为2mm时因延时生成了可燃气，其燃烧持续时间就要比最小包覆厚度为0mm的长。

4 结论

本文针对海上水基燃烧技术在实际应用中的需求，研究了其多燃烧模式的实现原理，提出了相应的可燃气生成方案和自致燃点火方案，即采用水溶性材料NH4Cl，对燃料主剂和点火副剂颗粒按需进行不同程度的包覆，同时结合不同粒径的主剂，以控制混合材料与海水接触的时刻和时长，进而实现多种燃烧模式。通过对方案核心思想、实现原理以及实验结果等多个方面的分析，证实了多燃烧模式的可实现性，也验证了梯级包覆方法实现多燃烧模式的有效性。研究结果可为多燃烧模式的实现提供一定的理论和工程应用基础。

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Research on Realization of Many Combustion Models of Marine Water-based Burning Technique

LIU Wen-peng1，JIN Liang-an1，GAO Zhan-sheng1，WANG Ji-xin2

（1. Dalian Naval Academy, Navigation Department, Dalian, 116018；2. Naval Academy of Armament, Beijing,100161）

In order to realize many combustion models of the marine water-based burning technique and meet the requirements of different fields, based on implementation principle of many combustion models, flammable gas generation scheme and spontaneous cause combustion ignition scheme were designed correspondingly, that processes different levels coating on-demand for fuel main particles and ignition assistant particles of certain particle size with a water-soluble material, and to control moment and duration of the particles in contact with the seawater, then to realize different combustion models. The experimental results show that the above scheme can realize the typical combustion models completely, also can make combustion models diversified through combination. The research conclusion can provide a reliable way to realize many combustion models of the marine water-based burning technique, also provide theory support and technological base for application of the new technology.

Marine water-based burning technique；Many combustion models；Ignition delay；Surface coating

1003-1480（2017）02-0019-05

TQ560.7

A

2017-02-28

刘文鹏（1993-），男，博士研究生，主要从事船舶安全保障与防护的研究。

“十三五”国防预研项目（5131402031, 4010403010208）。