不同驱动压力下灭火剂对云南松木垛的灭火效能研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期灭火剂与阻燃材料不同驱动压力下灭火剂对云南松木垛的灭火效能研究黄淙葆,代张音,陈有成,蒙文富(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025)摘要:为进一步提升我国森林防灭火技术水平,降低森林火灾造成的损失与危害,本文针对西南林火不同驱动压力下灭火剂的灭火效能,选取西南地区常见易燃树种云南松作为燃烧材料,搭建木垛灭火试验平台,通过模拟西南林区木材燃烧状态,开展 3种驱动压力(0.45、0.55、0.65 MPa)条件对水凝胶灭火剂与 A 类泡沫灭火剂的灭火效能影响试验研究,基于灭火时间、耗量、降温速率、降低热辐射通量效果等参数进行对比分析
2、。结果表明:驱动压力逐渐增大时,木垛灭火时间逐渐缩短,流速增加,灭火剂耗量逐渐减少;当驱动压力从 0.45 MPa 分别增加至0.55 MPa 和 0.65 MPa 时,A 类泡沫灭火剂的降温速率增幅约6%和 54%,水凝胶灭火剂降温速率增幅约 54%和 90%;随着驱动压力增加,灭火剂降低热辐射通量速率增大;相同驱动压力下,A类泡沫灭火剂对燃烧木垛冷却深度不足,0.45 MPa驱动压力下无法有效抑制木垛火焰,水凝胶灭火剂可快速扑灭明火,有效抑制阴燃木垛复燃。关键词:灭火剂;森林火灾;云南松木垛;驱动压力;灭火效能;热辐射通量中图分类号:X932;S762 文献标志码:A 文章编号:1009-
3、0029(2023)11-1549-06森林是我国重要的生态资源,对促进经济社会可持续发展十分重要。国家统计局披露的数据显示,当前我国森林覆盖率已达到 22.96%,其中西南林区占比 22.6%,是我国的第二大天然林区1。西南地区干季少雨气候频发,林区内的云南松树种等可燃物载量高达 5060 t/hm2,一旦发生火灾,极易引发重特大森林火灾事故,不仅严重破坏森林资源和生态环境,而且会对人民生命财产和公共安全造成极大影响2。因此,筛选出高效、环保的灭火介质对降低森林火灾造成的损失具有重要意义。灭火剂是扑救森林火灾的重要介质,而如何提高灭火剂的灭火效能是增强森林防灭火能力及减少森林火灾危害的关键点
4、。目前,国内外学者针对森林灭火剂的选择进行了诸多研究。喻名成等3分别开展了水凝胶灭火剂和清水的灭火试验,发现水凝胶灭火剂具有良好的阻燃和灭火效果,环保和经济效益较高。MA L 等4对比研究了水凝胶灭火剂和普通泡沫灭火剂在大、小规模的木材火试验中的灭火表现,发现水凝胶灭火剂在灭火时间和冷却效率方面优于普通泡沫。RAPPSILBER T 等5评估了 A 类泡沫灭火剂、水加发泡剂和水在木垛火试验中的灭火效果,结果表明 A 类泡沫灭火剂冷却能力出色。综合研究表明,A 类泡沫灭火剂和水凝胶灭火剂是扑灭森林火灾的有效介质,在木材等 A 类火灾中能实现快速降温和灭火。对此,在筛选出适合扑灭森林火灾灭火剂的基
5、础上,不少学者围绕如何提高森林灭火剂的灭火效能展开了大量研究。卞成玉6研究了不同工作压力对细水雾灭火效能的影响。刘皓等7研究了大气压力对细水雾灭火效能的影响。TU J P 等8通过改变排放压力测试泡沫和水雾在油池火灾中的灭火表现,发现增加排放压力会影响喷洒量和灭火时间。随着研究的不断深入,压力对灭火剂的灭火效能影响逐渐成为研究重点,不少学者针对这一点进行了探讨。汪洋等9、宣扬等10分别探究了灭火瓶不同充装压力下的灭火时间和有害气体浓度变化。LI H C等11用不同灭火剂在不同驱动压力下扑灭燃烧木垛,研究了驱动压力对灭火时间、灭火剂耗量和温度变化的影响。上述研究成果表明,驱动压力对灭火剂灭火效能
6、具有一定的促进作用,但目前对于驱动压力如何提升 A 类泡沫灭火剂和水凝胶灭火剂扑灭林火的灭火效能方面的研究相对较少。因此,本文通过搭建木垛灭火试验平台,研究不同驱动压力对灭火剂扑灭燃烧木垛灭火效能的影响,基于火焰熄灭、灭火时间、灭火剂耗量、降温速率和热辐射强度降低等参数进行分析,得出驱动压力对灭火效能的影响规律,并对比了水凝胶灭火剂和 A 类泡沫灭火剂抑制木垛燃烧的灭火表现,以此筛选出驱动压力条件影响下具备高效灭火效能的灭火剂,以期为西南林区灭火技术设计提供试验数据支撑和理论参考。1试验概况1.1平台搭建A 类泡沫和水凝胶灭火性能试验在 5.0 m5.0 m 的室外空旷场地进行,环境温度为 2
7、226,湿度为 45%55%,根据 GB 4351-2005 便携式灭火器 设计并搭建 A类火灾的灭火性能试验平台,主要涵盖 3 个子系统,分别为点火燃烧系统、数据采集系统以及灭火剂喷洒装置,如图 1所示。点火燃烧系统由木垛、油盘和金属支架组成。其中,支架的高度是(40010)mm,木垛是由 112根木条构成的正方体木堆,分层叠放,共 16层,每层 7根,木条横截面是方形,边长(391)mm,长度(63510)mm,每层木条间基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑2022一般250)1549Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No
8、.11距 为(602)mm,构 成 的 木 垛 规 格 为 640 mm640 mm640 mm,木垛孔隙度约为 56%。通过文献调研和实地勘察发现,西南地区森林火灾主要发生在地理条件比较干旱的云南松林木类型中,故本次试验原材料选择云南松木条,木条经过温度不高于 105 干燥处理,其含水率保持在(122)%,且木材密度在含水率 12%时为0.450.55 g/cm3。油盘尺寸为 535 mm535 mm100 mm,燃料为无铅汽油,为了便于点火,在木垛上喷洒酒精用于助燃。数据采集系统包括热电偶、热辐射通量计、照相机、秒表和风速测试仪。温度测量设备是 8 个直径为 1 000 mm 的 K 型热
9、电偶,与采集仪连接,实时接收数据,以 0.16 m 高度间隔分布,最低的热电偶位于木垛底部以上 0.06 m 的位置,从下到上编号为 T1T8。火焰热辐射通量是使用测量范围为 03 kW/m2的 TNRL-20 热辐射通量计测量的,与木垛中心处在同一高度,离地面 0.7 m,距离木垛中心水平 2 m。佳能 FDR-AX60摄像机以每秒 25帧的速度记录火焰的形态,分辨率为 3 840216 像素。用秒表记录火焰熄灭时间。此外,每隔 60 s 测量一次环境温湿度与风速,时刻监测风速的变化。灭火剂喷洒装置主要由泡沫液罐、空气压缩机、导管和喷枪组成,空气压缩机与泡沫液罐连接,以加压到泡沫液罐内部的压
10、缩气体为动力,通过导管以及喷枪进行灭火剂的喷洒,泡沫液罐上方的压力表显示其内部驱动压力变化,导管上的流量计记录不同驱动压力下灭火剂耗量和流速,喷枪高度可在 0.53.0 m调节。1.2试验方案试验所用的水凝胶灭火剂和 A 类泡沫灭火剂采购于市场,灭火剂理化性质参数如表 1所示。两种灭火剂凝固点-30,抗冻结、融化性无可见分层和非均相,毒性接近 0。根据 GB 17835-2008 水基灭火剂 的要求,水凝胶灭火剂和 A 类泡沫灭火剂的 pH 值应在 6.09.5 之间,因此,水凝胶灭火剂和 A 类泡沫灭火剂无腐蚀性,符合标准。每次试验开始前先向油盘内倒入清水和无铅汽油作为燃料,同时将按照比例混
11、合的灭火剂溶液倒入泡沫液罐中,连接并调试好所有仪器后开始试验。使用点火装置引燃油盘,油盘内火焰对上端木垛进行预热,观察木垛内部热电偶温度达到 900 以上后不再上升,以及木垛燃烧至其质量减少到原始质量的 53%57%时,说明其达到稳定的热释放速率状态,预燃结束。随后,调节压缩机向泡沫液罐里输送的气压,打开泡沫液罐阀门,使得灭火剂在不同的驱动压力下喷洒灭火,如果明火熄灭后 10 min 内没有再燃,则记录为灭火成功,试验工况设置见表2,试验工况压力根据前人试验标准20及泡沫液罐自身压力范围设定。2试验结果与分析2.1灭火时间和火焰形态分析不同工况设置下的灭火试验结果如表 3 所示。可以看出,在不
12、同的驱动压力条件下,水凝胶和 A 类泡沫均能在第一次喷洒期间扑灭明火,明火熄灭时间少于 250 s。此外,当驱动压力从 0.45 MPa 分别提升至 0.55 MPa 和0.65 MPa时,A 类泡沫灭火剂的明火熄灭时间分别减少 9 s和 56 s,水凝胶灭火剂的明火熄灭时间则减少 60 s和 19 s,而在相同驱动压力下,水凝胶灭火剂的熄灭时间均少于 A 类泡沫灭火剂。由此可以得出结论:随着驱动压力提升,灭火剂的灭火时间逐渐减少,水凝胶灭火剂可以更快地熄灭火焰,具有优越的熄灭能力。分析发现工况 1的灭火过程最终出现复燃现象,而相同驱动压力 0.45 MPa下,工况 4没有出现复燃,对工况 1
13、、4灭火过程中的火焰形态进行分析,如图 2所示。本次试验仅以木材为材料,故暂时未考虑针叶、小枝条、树皮等的燃烧特征。由云南松木条特性可知,其松节油含量高,且同时具备燃点低、密度小等特性,一旦遭遇明火,将会短时间内出现火势快速蔓延现象,其燃烧表现可分为干燥蒸发、有焰燃烧和无焰燃烧。在干燥准备阶段,被动加热下,木材中的水分迅速蒸发,分解产生水蒸气和二氧化支架油盘流量计阀门泡沫液罐压力表喷嘴木垛照相机热电偶2.0 m计算机数据采集仪热流计T8T7T6T5T4T3T2T1图 1试验场景Fig.1Test scenario表 1灭火剂理化性质参数Table 1Physical and chemical
14、property parameters of fire extinguishing agent灭火剂类型A类泡沫灭火剂水凝胶灭火剂表面张力/mN/m20.857.9动态黏滞度/mPas1.561.82pH值7.57.3表 2试验工况设置Table 2Setting of test conditions工况编号123456灭火剂A类泡沫水凝胶驱动压力/MPa0.450.550.650.450.550.65碳等;有焰燃烧阶段,松木条开始炭化,产生少量一氧化碳、氢气和甲烷等气体,之后剧烈分解,进行稳定的有焰燃烧,期间松木条出现脆化裂解,部分木屑掉落,当木材有机成分完全分解时,有焰燃烧结束后转为无焰燃
15、烧,此时木条不发生热分解和相变。即使温度高,木炭也不会熔融或分解产生可燃气体,木材进行持续性地无可见光缓慢燃烧,直至熄灭。由图 2 可知,灭火剂喷洒灭火的过程可分为 3 个阶段,包括预燃烧阶段()、明火熄灭阶段()和阴燃阶段()。阶段:0 s表示点火时刻,在 0360 s的预燃烧阶段,木垛受到下方点燃油盘持续加热,火焰逐渐向上方木垛蔓延,木材表面附着水分最先被蒸发掉,接着木材因细胞内及细胞壁之间的水分和纤维素结合水汽化出现分裂,内部一些成分进行热分解,释放出可燃气体和焦油等。木垛是由每根木条用铁钉固定而成,受到火焰高温燃烧不会很快坍塌。试验约 210 s 时,油盘内的燃料燃尽,木垛进入自由燃烧
16、阶段。此阶段受到方向由右向左的自然风影响,火焰羽流形态出现倾斜,燃烧相对平稳,温度稳步上升。试验 360 s时,观察木垛内部热电偶温度达到 900 以上后不再上升,燃烧到达衰减阶段节点,预燃烧结束。阶段:开始喷洒灭火剂,当喷洒 A 类泡沫灭火剂时,灭火剂洒在木垛表面很快产生大量水蒸气,喷洒持续约 100 s 后,木垛外的明火基本消失,随后集中喷洒于木垛内部明火,最终火焰熄灭,灭火耗时 156 s。与 A 类泡沫灭火剂的试验现象不同,水凝胶灭火剂灭火效率较为可观,水凝胶接触木垛火时产生大量白雾水蒸气,当灭火达到 45 s左右时,木垛外部火焰羽流得到快速抑制,灭火试验持续到 161 s,明火完全消
17、失。阶段:明火熄灭后进入阴燃阶段,在工况 1中,灭火结束 20 s后,木垛出现复燃。而工况 4 中未出现中途复燃现象,在随后的观察中,也没有复苏。试验表明,0.45 MPa 驱动压力下喷洒 A 类泡沫轻微抑制外部火源,不能有效抑制内部火焰,而水凝胶抑制外部火焰羽流效果更好。在室外风力扰动下,水凝胶的抗复燃能力优于 A 类泡沫,这是因为水凝胶灭木垛火后,还有许多水凝胶黏附在木条上,展现了水凝胶更好的黏附性能,起到阻氧隔热作用。2.2灭火剂耗量与流速分析在扑救森林火灾中,灭火剂耗量是评定灭火剂灭火效率高低的重要指标,而驱动压力与流速直接相关,影响着灭火剂喷洒快慢。表 4 列出了不同驱动压力下灭火剂
18、耗量和最大流速。从表 4得到,两种灭火剂的耗量随着驱动压力的增加而减少,液体流速大小随着驱动压力的增加而增大。结合图 2(a)分析,当驱动压力为 0.45 MPa,喷洒 A 类泡沫灭表 3不同工况下的灭火时间与复燃情况Table 3Fire extinguishing time and reignition conditions under different working conditions预燃烧阶段明火熄灭阶段阴燃阶段0 s 210 s 360 s 460 s 516 s 536 s(a)工况 1预燃烧阶段明火熄灭阶段阴燃阶段(b)工况 40 s 210 s 360 s 415 s 4
19、75 s 521 s图 2工况 1、4灭火过程Fig.2Fire-fighting process in working conditions 1 and 41550消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期碳等;有焰燃烧阶段,松木条开始炭化,产生少量一氧化碳、氢气和甲烷等气体,之后剧烈分解,进行稳定的有焰燃烧,期间松木条出现脆化裂解,部分木屑掉落,当木材有机成分完全分解时,有焰燃烧结束后转为无焰燃烧,此时木条不发生热分解和相变。即使温度高,木炭也不会熔融或分解产生可燃气体,木材进行持续性地无可见光缓慢燃烧,直至熄灭。由图 2 可知,灭火剂喷洒灭火的过程可分为 3 个阶段,包括
20、预燃烧阶段()、明火熄灭阶段()和阴燃阶段()。阶段:0 s表示点火时刻,在 0360 s的预燃烧阶段,木垛受到下方点燃油盘持续加热,火焰逐渐向上方木垛蔓延,木材表面附着水分最先被蒸发掉,接着木材因细胞内及细胞壁之间的水分和纤维素结合水汽化出现分裂,内部一些成分进行热分解,释放出可燃气体和焦油等。木垛是由每根木条用铁钉固定而成,受到火焰高温燃烧不会很快坍塌。试验约 210 s 时,油盘内的燃料燃尽,木垛进入自由燃烧阶段。此阶段受到方向由右向左的自然风影响,火焰羽流形态出现倾斜,燃烧相对平稳,温度稳步上升。试验 360 s时,观察木垛内部热电偶温度达到 900 以上后不再上升,燃烧到达衰减阶段节
21、点,预燃烧结束。阶段:开始喷洒灭火剂,当喷洒 A 类泡沫灭火剂时,灭火剂洒在木垛表面很快产生大量水蒸气,喷洒持续约 100 s 后,木垛外的明火基本消失,随后集中喷洒于木垛内部明火,最终火焰熄灭,灭火耗时 156 s。与 A 类泡沫灭火剂的试验现象不同,水凝胶灭火剂灭火效率较为可观,水凝胶接触木垛火时产生大量白雾水蒸气,当灭火达到 45 s左右时,木垛外部火焰羽流得到快速抑制,灭火试验持续到 161 s,明火完全消失。阶段:明火熄灭后进入阴燃阶段,在工况 1中,灭火结束 20 s后,木垛出现复燃。而工况 4 中未出现中途复燃现象,在随后的观察中,也没有复苏。试验表明,0.45 MPa 驱动压力
22、下喷洒 A 类泡沫轻微抑制外部火源,不能有效抑制内部火焰,而水凝胶抑制外部火焰羽流效果更好。在室外风力扰动下,水凝胶的抗复燃能力优于 A 类泡沫,这是因为水凝胶灭木垛火后,还有许多水凝胶黏附在木条上,展现了水凝胶更好的黏附性能,起到阻氧隔热作用。2.2灭火剂耗量与流速分析在扑救森林火灾中,灭火剂耗量是评定灭火剂灭火效率高低的重要指标,而驱动压力与流速直接相关,影响着灭火剂喷洒快慢。表 4 列出了不同驱动压力下灭火剂耗量和最大流速。从表 4得到,两种灭火剂的耗量随着驱动压力的增加而减少,液体流速大小随着驱动压力的增加而增大。结合图 2(a)分析,当驱动压力为 0.45 MPa,喷洒 A 类泡沫灭
23、表 3不同工况下的灭火时间与复燃情况Table 3Fire extinguishing time and reignition conditions under different working conditions工况编号123456灭火介质A类泡沫灭火剂水凝胶灭火剂压力/MPa0.450.550.650.450.550.65明火熄灭时间/s15614710016110182总灭火时间/s19614710016110182有无复燃有无无无无无预燃烧阶段明火熄灭阶段阴燃阶段0 s 210 s 360 s 460 s 516 s 536 s(a)工况 1预燃烧阶段明火熄灭阶段阴燃阶段(b)工况
24、 40 s 210 s 360 s 415 s 475 s 521 s图 2工况 1、4灭火过程Fig.2Fire-fighting process in working conditions 1 and 41551Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11火剂时,虽然木垛火可以被扑灭一段时间,但阴燃木垛内部的木条会继续散发可燃性气体,同时受室外风带动气体流动的影响,随着易燃气体的聚集,木垛火又重新燃起。在较低的驱动压力下,灭火剂无法通过热空气进入木垛的内部,从而削弱了对木垛内部火根部的抑制作用。而在 0.55 MPa 和 0.
25、65 MPa 较高的驱动压力下,流速增加,灭火剂可以穿透火焰羽流。一旦穿透火焰,灭火剂到达木垛火焰根部的概率就会增大。只有当火焰的根部被抑制时,火焰才能更快地熄灭。此外,当驱动压力设定相同时,相比于工况 1、2、3,工况 3、4、5 的灭火剂耗量分别减少约 19、17、12 L,说明水凝胶灭火剂耗量比 A 类泡沫灭火剂少。通过灭火时间和灭火剂耗量的结果分析,在相同的驱动压力下,相比于 A 类泡沫,水凝胶灭火时间较少的同时,灭火剂耗量也较少,这表明了水凝胶灭火效率更高。由于水凝胶的颗粒尺寸大,其质量和密度更大,沉降速度更快,因此颗粒在与火焰的活性自由基完全相互作用之前会沉降到底部。A 类泡沫在进
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