二茂铁作用下酒精火熄灭特性研究.pdf

第3 7 卷第2 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．2 2 0 0 8 年3 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y M a r ．2 0 0 8 茂铁作用下酒精火熄灭特性研究 余明高，郝 强，贾海林，段玉龙 河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作4 5 4 0 0 3 摘要为了研究二茂铁对酒精火焰的熄灭效果，采用烟气分析仪、电子天平和基于质量损失速率 的热释放速率计算方法研究了二茂铁蒸气与酒精火焰相互作用时，酒精火的热释放速率和烟气 中妒 O 和妒 C 0 的变化规律．结果表明载气流量为1 ．0m 3 ／h 时，随着二茂铁浓度的增大，热 释放速率的下降速度和妒 O 。 的回升速度在增大，C O 的生成量在减少；载气流量为1 ．0m 3 ／h 时 酒精火的热释放速率下降速度、9 O 的回升速度和C O 的生成量比流量为0 ．7 5m 3 ／h 时的大． 增大二茂铁的浓度和载气的流量，有助于提高二茂铁熄灭酒精火的效果． 关键字二茂铁；酒精火；热释放速率 中图分类号T Q0 3 8 ．3 ；X9 3 2文献标识码A文章编号1 0 0 0 - 1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 - 0 1 9 2 - 0 4 S t u d yo ft h eE x t i n g u i s h i n gC h a r a c t e r i s t i c so f F e r r o c e n eo nA l c o h o lF i r e s Y UM i n g g a o ，H A OQ i a n g ，J I AH a i l i n ，D U A NY u l o n g S c h o o lo fS a f e t yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o ，H e n a n4 5 4 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to ff e r r o c e n eo na na l c o h o lf i r ew a ss t u d i e du s i n gac o m b u s t i o na n a l y z e r ，a n e l e c t r i c a ls c a l ea n dah e a t - r e l e a s e - r a t em e t h o db a s e do nt h er a t eo fm a s sl O S S ．T h eh e a tr e l e a s e r a t eo ft h ea l c o h o lf i r ea n dt h ec h a n g i n gl e v e l so f 驴 0 2 a n d9 C O o v e rt i m ea f f e c t e db yt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ea l c o h 0 1f i r ea n dt h ef e r r o c e n ew e r eo b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t h e a tr e l e a s er a t ed r o p sa n d9 0 2 i n c r e a s e sa st h ef e r r o c e n ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw h e nt h e g a sf l u xi s1 ．0m 3 ／h C o n c u r r e n t l y ，t h eo u t p u to fC Od e c r e a s e s ．T h e s ee f f e c t sa r el a r g e ra t t h i sg a sf l u xt h a nw h e nt h ef l u xi s0 ．7 5m 3 ／h ．T h et e n d e n c yt oe x t i n g u i s ht h ea l c o h o lf i r ei s e n h a n c e db yi n c r e a s i n gt h ef e r r o c e n ec o n c e n t r a t i o no rt h eg a sf l u x ． K e yw o r d s f e r r o c e n e ；a l c o h o lf i r e ；h e a tr e l e a s er a t e 早在2 0 世纪6 0 年代就有研究发现，某些金属 化合物对火焰的抑制和熄灭作用比卤素类化合物 更有效[ 1 ] ．随着加拿大蒙特利尔公约的生效，金属 化合物灭火效果的研究成为热门．二茂铁 F e C 。H 。 。 具有高效、无环境污染等优点，已成为学 者们的研究热点心’5 ] ．研究二茂铁与液相池火的相 互作用特性有助于深化对灭火机理的认识，提高二 茂铁抑制熄灭火灾的效率，对开发矿井外因火灾防 治技术及研制相应的灭火装备具有重要的意义． 热释放速率是燃烧过程基本的特性参数之一， 可以用来研究二茂铁与池火相互作用时其动态特 性的变化．在过去的2 0 多年里，火灾过程中热释放 速率的测试方法有较大的发展，出现了基于氧消耗 原理的热释放速率测试方法和基于质量损失速率 的热释放速率测试方法[ 6 1 ] ，如小尺寸热释放速率 实验的I S 0 5 6 6 0 标准、全尺寸墙角实验的I S 0 9 7 0 5 标准，一些火灾实验室还发展了基于氧消耗原理的 大型热释放速率测试方法．本文将对比分析这2 种 收稿日期2 0 0 7 一0 3 3 0 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 6 0 3 3 ；河南省杰出人才创新基金项目 0 4 2 1 0 0 0 8 0 0 ；河南省高校新世纪优秀人才支持计划项 目 2 0 0 5 H A N C E T 一0 5 作者简介余明高 1 9 6 3 一 ，男。四川I 省泸州市人，教授，博士生导师，工学博士，从事火灾防治理论与技术等方面的研究． E - r o l l m g y u h p u ．e d u ．c n T e l 0 3 9 1 3 9 8 7 9 1 5 二 万方数据 第2 期余明高等二茂铁作用下酒精火熄灭特性研究1 9 3 方法，并采用其中的1 种来研究二茂铁作用下酒精 火的热释放速率特性．实验中着重研究了二茂铁浓 度和载气流速等因素的影响． 1 热释放速率测量原理 热释放速率是指单位时间内材料燃烧时所释 放的热量，它是衡量火灾危害程度的一个重要参 数，其重要性在于它控制和影响了其他燃烧性能参 数．测量热释放速率的方法主要有基于氧消耗原理 的热释放速率测试方法和基于质量损失速率的热 释放速率测试方法． 1 ．1 基于耗氧原理的测量方法 耗氧原理是指大多数固体材料完全燃烧每消 耗1k g 的氧气所释放的热量基本相同 1 3 ．1 0 ．0 5M J ／k gO z ．通过测定设在烟气排放干管内 的烟气流经孔板前后的压差和孑L 板处的烟气温度 用下式计算烟气的质量流量 ’ 母 2 L ～i ’ 1 式中m 。为管道中烟气的质量流量，k g ／s ；△P 为气 体经过孑L 板后压力的变化，P a ；t 为气体在孑L 板处 的温度，K ；C 为孔板流量计的标定常数． 热释放速率的计算公式 X o 、．一X ，， Q 1 l O E me 订意靠， 2 式中E 为材料燃烧消耗单位质量氧气放出的能 量，1 3 ．1M J ／k g ；X o o 为进入系统空气中O 的摩尔 分数；X 仉为烟气中O 。的摩尔分数． 1 ．2 基于质量损失速率的测量方法 热释放速率采用基于质量损失速率的测试方 法计算，运用下式计算可燃物的热释放速率 Q m H ，Z ， 3 式中Q 为可燃物的热释放速率，k W ；H 。为可燃物 的平均热值，k J ／k g 酒精平均热值为3 ．0 1 0 4 k J ／k g ；Z 为可燃物的燃烧效率，％；m 为可燃物的 质量损失速率，k g ／s ． 1 ．3 2 种测量方法的比较 基于耗氧原理的测量方法是目前应用最为普 遍的一种测量方法，式 2 给出的只是根据耗氧原 理推导出来的计算式，由于在实验过程中只能测量 出气体的体积分数，所以在实际的计算过程中，必 须将气体的体积分数转化成摩尔分数再进行计算， 这样一来使得计算过程比较复杂．并且该测试方法 在测量时假定条件之一是进入系统的气体仅来自 环境，而当二茂铁蒸气喷入池火时，改变了进入系 统的气体浓度，从而导致一定的热释放速率测量误 差．所以，本文计算热释放速率时不采用这种方法． 基于质量损失速率的测量方法计算式比较简 单，计算式中的未知参数均可通过实验测量出来． 使用这种方法计算燃料的热释放速率既计算简便 也不会带来测量误差．在实验中，将装有可燃物的 油盘放置在电子天平上，在实验过程中通过数据采 集系统可以直接测定可燃物质量随时间的变化，并 换算为可燃物的质量损失速率m ，可燃物的燃烧效 率可以利用烟气分析仪直接测量出来，这样就可以 根据式 3 计算灭火过程中可燃物的热释放速率． 2 实验装置与方法 由于二茂铁在常温下是固体粉末，而实验要求 参加灭火的二茂铁是气态的，所以要设计一个二茂 铁的蒸发装置使二茂铁在进入反应空间前变成气 态．并且为了计算二茂铁浓度，必须保证二茂铁从 蒸发装置出来时是饱和的蒸气．所以实验采用N 。 为载气，利用高温的N z 将二茂铁蒸发，然后在蒸 发装置中和二茂铁混合，二茂铁饱和蒸气和N 。一 起参加灭火实验．二茂铁蒸发装置如图1 a 所示，图 1 b 是二茂铁灭火实验装置图．图1 a 中的出气口和 图1 b 中的进气口是连通的． 实验在0 ．5 3m 0 ．5 3m 0 ．6m 的受限空间 中进行．燃料试样选用酒精．燃料用直径为0 ．1 4 m 、深度为0 ．0 2 5m 的油盘盛装，每次所用的燃料 试样均为8 0g ，油盘放到地面上电子天平上．在距 离油盘的上表面中心0 ．0 0 2m 处布置一个热电 偶，并沿着表面中心线向上每隔0 ．1m 布置一个 热电偶，各个热电偶依次编为1 ，2 ，3 ，4 号．这些热 电偶主要是用来观察通气前后火焰温度分布及其 变化情况．热电偶的测量数据通过数据采集卡，交 由计算机处理． 在做实验之前，首先依次检查电路、气路的连 接状况和实验设备的工况，以确保仪器正常运转； 其次通过温控仪控制的加热器把水浴和油浴装置 加温至相应温度；然后点燃酒精火，经过5 0S 的预 燃时间，酒精火达到稳定燃烧阶段后，开始通入氮 气．火焰熄灭后，关闭通气阀，打开排烟通道．等待 2 5m i n 左右，即受限空间内空气恢复原始工况后， 再开始第2 次实验，这期间整理相关实验记录，做 好存储以便分析．纯氮气灭火实验全部结束后，在 二茂铁蒸发器中装入二茂铁，重复上述实验步骤， 进行氮气和二茂铁蒸气混合气体的灭火实验． 万方数据 1 9 4中国矿业大学学报第3 7 卷 感温探头浮子流量计感温探头 a 二茂铁蒸发装置 b 二茂铁灭火实验装置 图1 试验装置示意 F i g ．1 S c h e m a t i co ft h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 3 实验结果与分析 二茂铁的流速和浓度等参数决定了其灭火性 能．二茂铁从蒸发装置出来后已是饱和蒸气，而不 同温度下二茂铁的饱和蒸气压是不同的，所以不同 的温度决定了相应的二茂铁蒸气浓度[ 8 ] ．J a c o b s 等 人研究得出在2 7 7 “ - - 3 6 0K 范围内二茂铁蒸气的饱 和蒸气压与温度之间的关系式如下 ‘ ≥ 豢 瑙 籍 楼 最 R I nP 1 5 ．1 8 6 7 4 2 9 0 1 ／o 一1 ／T 一 7 1 E 0 ／T 一1 I n T ／O ] ， 4 式中R 为气体常数，R 8 ．3 1 4J ／K m o l ；P 为二 茂铁饱和蒸汽压，P a ；0 3 1 7 ．2 0K ；T 为温度，K ． 鉴于二茂铁的饱和蒸气压和温度存在着如式 4 的关系，所以在图2 中直接以油浴的温度代表 不同的二茂铁浓度． 05 01 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 t ／s d 不同流量，袄0 2 1 ； 蔷，8 孓6 。5 ； I 5 0l o o1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 t ／s e 不同温度，氟C O 更 叩 2 X o U 匿 图2 热释放速率，9 0 2 和9 C 0 的变化 F i g ．2C h a n g e so fh e a tr e l e a s er a t e ，9 0 2 a n d9 C 0 图2 a 是载气流量为1 ．0m 3 ／h 时不同温度下 酒精的热释放速率变化图，图2 b 是7 5 ℃时不同载 气流量下酒精热释放速率的变化图．从图2 a 中可 以看出在氮气作用下，酒精的热释放速率变化分2 个阶段，第1 个阶段是急速下降阶段，这个阶段只 持续了2 0s 左右，第2 个阶段是平稳下降阶段，这 个阶段一直持续到酒精火熄灭．而在二茂铁作用 下，酒精的热释放速率一直是急剧的下降的，并且 随着二茂铁浓度的增大，热释放速率的下降速度也 在增大．从图2 b 中可以看出增大载气的流量后，酒 精的热释放速率开始急剧的下降，这是因为增大载 气流量，相应地迅速降低燃烧区的氧气浓度和增强 t ／s f 不同流量，氟C O 气流对酒精火焰的扰动能力，使酒精火焰的动量转 化能力减弱．图2 c 是载气流量为1 ．0m 3 ／h 时不同 温度下9 0 z 变化图，图2 d 是7 5 ℃时不同载气流 量下9 0 变化图．从图2 c 中可以看出二茂铁作 用下，妒 0 。 下降阶段的下降速度都比氮气作用下 的小，而回升阶段的上升速度都比氮气作用下的 大，且随着二茂铁浓度的升高，9 0 的回升速度 是递增的．从图2 d 中可以看出增大载气的流量后， 虽然在开始的几秒内增大了9 0 z 的下降速度，但 随后9 0 的下降速度就比小流量下的小了，且在 9 0 z 回升阶段垆 0 。 回升速度比小流量的大得 多．这说明了增大载气流量后降低燃烧区9 0 。 的 孔加拇堪“M2 H 口譬H 0 匿 甜加挎博“M2 M 墨￡o 耳 万方数据 第2 期余明高等二茂铁作用下酒精火熄灭特性研究 1 9 5 作用不是很明显，而气流对酒精火焰的扰动作用比 较明显．图2 e 是载气流量为1 ．0m 3 ／h 时不同温度 下认C O 变化图，图2 f 是7 5 ℃时不同载气流量下 9 C 0 变化图．从图2 e 中可以看出二茂铁作用下， C o 的生成速度和生成量都比氮气作用下的大，且 下降阶段9 C 0 的下降速度比氮气作用下的要 小．从图2 f 中可以看出增大载气的流量后，C o 的 生成速度和生成量都大大地增加了． 从以上对不同条件下二茂铁作用下酒精火熄 灭特性的研究可以看出，二茂铁具有比氮气更好的 熄灭酒精火的效果，二茂铁的浓度和载气的流量都 可以影响二茂铁熄灭酒精火的效果，二茂铁的浓度 越高，载气的流量越大，二茂铁熄灭酒精火的效果 越好，在相同的二茂铁浓度下，可以通过增大载气 流量来得到更好的灭火效果． 4 结论 1 计算燃料的热释放速率有基于耗氧原理和 基于质量损失速率2 种计算方法．前者方法计算过 程比较复杂，且在测量时假定条件之一是进入系统 的气体仅来自环境，而当二茂铁蒸气喷入池火时， 改变了进入系统的气体浓度，从而导致一定的热释 放速率测量误差．后者的计算方法计算简单，且不 会有误差，所以利用基于质量损失速率的方法计算 酒精火的热释放速率既简单又准确． 2 载气流量为1 ．0m 3 ／h 时，氮气作用下酒精 的热释放速率曲线分为急速下降和平稳下降阶段， 而在二茂铁作用下酒精的热释放速率曲线一直是 急剧的下降的，且随着二茂铁浓度的增大其下降速 度也增大．二茂铁作用下，载气为1 ．0m 3 ／h 时酒精 的热释放速率的下降速度比0 ．7 5n 1 3 ／h 时的大． 3 载气流量为1 ．0m 3 ／h 时，9 0 。 下降阶段 的下降速度都比氮气作用下的小，而回升阶段的上 升速度都比氮气作用下的大，且随着二茂铁浓度的 升高，9 O 。 的回升速度是递增的，C O 的生成速度 和生成量都比氮气作用下的大．增大载气的流量 后，虽然在开始几秒内增大了9 o z 的下降速度， 但随后9 o 。 的下降速度就比小流量下的要小，且 在9 o 。 回升阶段其回升速度比小流量的大得多， C O 的生成速度和生成量也都大大地增加了． 4 二茂铁具有比氮气更好的熄灭酒精火的效 果，二茂铁的浓度越高，载气的流量越大，熄灭酒精 火的效果越好，在相同的二茂铁浓度下，可以通过 增大载气流量来得到更好的灭火效果． 参考文献 [ 1 ]M I L L E RDR ，E V E R SRL ，S K I N N E RGB ． E f f e c t so fv a Y l o u si n h i b i t o r so nh y d r o g e n - 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2 2 4 ． [ 5 ] H I R A S A W AT 。S U N GC h i - j e n ，Y A N GZ h i - w e i ，e t a 1 ．E f f e c to ff e r r o c e n ea d d i t i o no ns o o t i n gl i m i t si n l a m i n a rp r e m i x e de t h y l e n e - o x y g e n - a r g o nf l a m e s [ J ] ． C o m b u s t i o na n dF l a m e ，2 0 0 4 ，13 9 4 2 8 8 2 9 9 ． [ 6 ] 程远平，陈亮，张孟君．火灾过程中火源热释放速 率模型及其实验测试方法[ J ] ．火灾科学，2 0 0 2 ，1 1 2 j7 0 7 4 ． C H E N GY u a n p i n g ，C H E NL i a n g ，Z H A N GM e n g - j u n ．T e s t i n gm e t h o do fh e a tr e l e a s er a t eo ff u e ld u r i n gt h ed e v e l e p m e n to ff i r e [ J ] ．F i r eS s f e t yS c i e n c e ， 2 0 0 2 ，1 1 2 7 0 - 7 4 ． [ 7 ] 汪磊，季经纬，程远平，等．常见可燃物燃烧特性 实验与数值模拟研究口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ， 3 5 6 i7 3 2 - 7 3 6 ． W A N GL e i ，J IJ i n g - w e i 。C H E N GY u a n - p i n g 。e ta 1 ． E x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho n b r u n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o nc o m b u s t i b l em a t e - r i a l s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 6 7 3 2 7 3 6 ． [ 8 ]J A C O B SMHG ，V A N E K E R E NPJ ，D E K R U I FC G ．T h ev a p o u rp r e s s u r ea n de n t h a l p yo fs u b l i m a t i o n o ff e r r o c e n e [ J ] ．T h eJ o u r n a lo fC h e m i c a lT h e r m o d y n a m i c s ，1 9 8 3 ，1 5 7 6 1 9 - 6 2 3 ． 责任编辑王继红 万方数据