贺元骅， 薛杨武， 伍 毅， 王明武

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，广汉 618300)

Halon型灭火剂高效、易扩散、无残留，被广泛应用于机载灭火系统。然而其释放后滞留在大气中会严重破坏臭氧层，各国政府均对其提出政策限制[1]。目前，美国联邦航空管理局将细水雾作为哈龙替代飞机货舱灭火剂的重点。然而纯细水雾只发挥窒息、冷却等单一的物理作用，灭火性能与传统哈龙灭火剂相比仍有不足。如何进一步提高细水雾灭火性能、加快推进细水雾应用于民机灭火系统成为一大研究热点。

前人研究表明，在细水雾中加入添加剂可强化细水雾灭火效果。Back等[2]使用C3H5KO3、CH3COOK、NaBr、CaI2、KBr、CaCl2制备细水雾开展灭火实验，燃料为JP-8(战场标准燃料)，通过对比灭火时间发现 60%的乳酸钾溶液灭火效果最好。Joseph等[3]采用多种灭火添加剂制备细水雾，在密闭空间和杯式燃烧器内开展灭庚烷火实验，实验表明NaCl、KHCO3添加剂可强化细水雾灭火效果，而含MnCl2、ZnCl2、CuCl2细水雾灭火效果与纯水无明显差异，(NH4)2HPO4、(NH2)2CO、FeSO4·7H2O 会降低细水雾灭火性能。Huang等[4]用多种水基添加剂制备细水雾，开展了灭汽油火实验，发现灭火有效性顺序为：碳氢表面活性剂>螯合剂>氟碳表面活性剂>乳化剂>防燃剂>增稠剂>防冻剂。Gan等[5]用含NaCl 、NaHCO3的细水雾开展粉尘爆炸实验，发现加入添加剂后最高温度、温度上升速率、火焰传播速度显著降低，且二者的最佳灭火浓度差异较大。丛北华等[6]使用含复合添加剂(乳酸钠、尿素、碳氢表面活性剂等)的细水雾对木垛火、油池火开展灭火实验，实验结果表明此添加剂可缩短灭火时间50%～80%，且燃料性质会影响添加剂的强化效果。贾利涛等[7]在细水雾中加入表面活性剂后施加于汽油火和柴油火，发现表面活性剂可降低水的表面张力，提升细水雾灭火性能。张青松等[8]用NaCl、尿素、等7种添加剂制备细水雾，开展了抑制锂电池火灾实验，发现FC-4是物理添加剂中效果最好的，化学添加剂中尿素效果最好，NaCl效果最差。前人主要研究了NaCl、尿素、表面活性剂等对细水雾灭火性能的影响，但KCl添加剂的相关研究较少。

KCl添加剂溶解度高、电化学腐蚀作用弱、可降低冰点。基于此，课题组采用KCl为添加剂，制备质量分数为0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，使用上述5种溶液生成细水雾，在密闭空间内分别对直径6、8、10 cm的正庚烷油盘火开展灭火实验，从灭火过程、灭火时间、火焰温度、灭火机理等维度研究含KCl细水雾抑灭火性能。

1 实验平台与操作

实验平台简图如图1所示。

1为高压储气瓶；2为空气干燥箱；3为气体流量计；4为细水雾喷头；5为实验箱体；6为油盘；7为热电偶树； 8为液体流量计；9为无纸记录仪；10为增压泵；11为储液罐。图1 实验平台简图Fig.1 The schematic diagram of experimental platform

实验平台由低压双流体细水雾发生系统、实验箱体及测量仪器组成。细水雾发生系统由水路、气路、细水雾喷头组成，包括高压储气瓶、空气干燥箱、储液罐和管路系统。生成细水雾所用水源为0、1%、2%、3%、4%的KCl溶液，所用气源为空气，管路使用直径12 mm的气动软管。实验过程中保持液体、气体流量不变，液体流量为0.8 L/min，气体流量为30 L/min。实验所用喷头为低压双流体雾化喷头，由空气流和液体流相互作用产生细水雾。喷头实物如图2所示。

图2 喷头实物Fig.2 The picture of nozzle

实验箱体体积为1 m3，使用耐高温玻璃材料，密闭性能良好且便于观察。池火以圆柱形油盘为容器，包括6、8、10 cm 3种直径，每次实验加入30 g正庚烷。油盘放置在喷头下方，其上边缘距喷头80 cm，实验过程中保持油盘位置不变，预燃100 s后开启细水雾灭火。测量装置包括热电偶树、无纸记录仪、秒表、摄像机等。热电偶树共装有5根热电偶，距油面1 cm处开始，每隔10 cm装一根，自下而上依次编号为T1、T2、T3、T4、T5。热电偶树外接无纸记录仪，可实时记录各位置温度。

实验在平台搭建、数据采集时尽可能使结果保持准确。开展灭火实验前，在实验箱内使用6、8、10 cm 3种油盘进行了空烧实验，每种油盘均加入30 g正庚烷，测得其燃烧时间分别为21′20″、13′6″、8′30″。而实际灭火过程持续时间远小于空烧时间，因此可保证细水雾灭火真实性。

2 实验结果分析

2.1 灭火过程

灭火过程根据火焰形态大致可分为灭火之前、初步抑制、火焰膨胀、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄灭6个阶段[9]，如图3所示。

图3 灭火过程Fig.3 The process of fire suppression

灭火之前，火焰稳定燃烧；细水雾到达火场初期，向下作用的雾滴和气流与火焰相互作用，火焰被初步抑制，此阶段火焰高度明显下降；细水雾进入火场后导致空气流速增加，火场内压强小于周围环境压强，于是发生空气卷吸，加之火场高温使燃料蒸汽和水蒸气相互作用产生共沸，空气卷吸、共沸二者的耦合作用使火焰内部产生强烈扰动，遂出现火焰膨胀现象；随后在雾滴的冲击下，火焰被撕裂成不规则形状；火焰撕裂阶段暴露在雾滴下的油面面积越来越大，火焰开始减弱并向两侧随机游走，最后火焰熄灭。其中初步抑制、火焰膨胀阶段持续时间较短；而火焰撕裂和火焰游走阶段是反复进行的，持续时间长。

实验观察发现，施加含KCl细水雾后，火焰撕裂、游走的反复次数明显减少，而其他阶段虽有缩短但不明显。这表明含KCl细水雾灭火时缩短的灭火时间主要集中在火焰撕裂、火焰游走阶段。

2.2 KCl浓度对细水雾抑灭性能的影响

图4所示为不同细水雾灭6、8、10 cm油盘火过程中T1处的温度变化曲线，计时从正庚烷引燃开始，预燃100 s后开始灭火。

图4 温度与时间的关系Fig.4 The relationship between temperature and time

由图4可知，不同KCl浓度细水雾灭火过程中温度变化差异较大。使用纯细水雾灭3种油盘火时，贴近油面的T1处温度曲线均出现一段平缓曲线且波动大，这是因为火焰受到抑制向下堆积，加之火焰膨胀、撕裂、游走阶段火焰形态不规则，使T1处温度下降缓慢且上下波动。这反映出纯细水雾抑制火焰能力较弱、降温效果不稳定。反观含KCl细水雾的灭火过程，3种油盘的降温过程均随着KCl浓度增加而缩短，温度曲线更加平整且下降斜率更大，含4%KCl细水雾降温效果最优。灭火过程中，由于T2、T3、T4、T5距油面较远，受火焰堆积影响小，故施加细水雾后各测点均呈快速下降趋势，含KCl细水雾灭火时下降更快。

降温速率是衡量细水雾灭火效果的重要特征参数。为减小误差，采用分段法计算平均降温速率。单次灭火过程中，自细水雾进入火场时刻开始，降至室温时刻结束，每2 s划为一段，对每一段求降温速率，最后将所求若干个降温速率取平均值得到平均降温速率。计算公式如下。

(1)

式(1)中：n为降温过程划分段数；t为降温过程持续时间，s。

(2)

使用上述公式计算不同KCl浓度细水雾T1处的降温速率，计算结果如图5所示。整体来看，不含KCl细水雾降温速率最小，降温速率与KCl浓度呈正比。4%KCl细水雾降温性能明显优于其他工况，与纯细水雾相比可增大降温速率1.5倍左右。

图5 降温速率对比Fig.5 Comparison of the cooling rate

综上所述，使用纯细水雾灭火时降温慢、波动大、灭火效果不稳定，而含KCl细水雾灭火时，温度曲线较前者更平整、持续时间短且降温速率与KCl浓度成正比。可见，KCl添加剂可显著提升细水雾降温性能并强化其抑火性能。

2.3 油盘面积对KCl浓度的需求影响

灭火时间从细水雾进入火场开始计时，火焰熄灭后终止计时。为减小误差，每组实验做3次取平均值，不同KCl浓度细水雾作用于6、8、10 cm 3种尺度油盘火的灭火时间如图6所示。

图6 灭火时间对比Fig.6 Comparison of the duration of fire suppression

由图6可知，对于3种油盘而言，KCl浓度为0时灭火时间最长，且灭火时间随着KCl浓度增加而缩短。但灭火时间并不是无限缩短，KCl浓度由3%增至4%后，灭火时间缩短并不明显。由此可得出结论，随着细水雾中KCl浓度的增加，灭火时间整体呈下降趋势，且KCl浓度增至一定量后，灭火时间开始趋于稳定。

细水雾工况相同时，灭火时间随着油盘直径增大而缩短。这是由细水雾作用机理导致：①大油盘燃烧剧烈，释放热量多，雾滴的蒸发吸热、窒息作用更强，而小油盘释放热量少，雾滴蒸发数量少，不利于细水雾发挥作用[10]；②油盘面积增大后减少了器壁散热的影响，火焰对油面热反馈增强，增大燃烧速率的同时也加快了火场内氧气消耗；③在密闭空间内，对于全淹没灭火方式，火越大越容易扑灭[11]；④油盘面积增大会使到达油面的雾滴数量增加，有利于KCl添加剂发挥作用。

灭6 cm油盘火时，KCl添加剂对细水雾的强化效果显得尤为突出，最多可缩短82%灭火时间。灭8、10 cm油盘火时，强化效果没有6 cm明显，但随着添加剂浓度增加，灭火时间也在不断缩短，最多可分别缩短79%和73%灭火时间。就灭火时间而言，1%KCl细水雾作用于6、8 cm油盘时强化效果显著，作用于10 cm油盘时强化效果微弱，而KCl浓度继续增大后，对10 cm油盘的强化效果也明显增强。上述两种现象表明油盘面积增大后对KCl浓度要求更高。

综上可得，含KCl细水雾灭3种油盘火性能均优于纯细水雾，油盘面积对细水雾灭火效果影响较大。油盘面积增大后，灭火时间缩短且对细水雾中KCl浓度要求更高。

2.4 含KCl细水雾灭火机理分析

实验所用燃料为正庚烷(饱和烃类)，其燃烧是典型的链式燃烧反应，链一旦引发，会发生一连串的基元反应，直至反应物消耗殆尽或施加外界因素使其终止。链式反应方程式如下：

(3)

(4)

(5)

链式燃烧反应分为3个阶段，即链的引发、链的传递、链的终止。式(3)为链的引发阶段，饱和分子RH吸收热量后分解出大量H+、O2-；式(4)为链的传递阶段，H+、O2-会结合生成OH-，自由基扩散至火场周围后会自动发展形成长链；式(5)为链的终止阶段，此阶段为强烈的放热反应且放热量远远超过式(3)所需活化能，大量热量会在火场中扩散导致火场温度快速上升，进而促进链式燃烧反应向右进行。由方程式可知，H+、OH-、O2-是链式反应必不可少的环节。

KCl添加剂主要通过化学作用增强细水雾灭火效果。含KCl细水雾雾滴到达火场后受热分解产生K+和Cl-，K+可捕捉链式燃烧反应所必需的H+、OH-、O2-，Cl-可不断消耗链式反应的反应物RH，反应方程式如下[12]：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

细水雾进入火场后，K+会通过一系列化学反应捕捉火场中的OH-、H+、O2-；Cl-会捕捉饱和分子RH，其产物HCl也会继续捕捉火场中的OH-并重新生成Cl-。从反应方程式中可以发现，K+和Cl-在反应中是不断再生的。随着雾滴持续进入火场，火场中K+和Cl-数量越来越多，促进了二者捕捉自由基的反应。由方程式可知，Cl-不断消耗RH，在链式燃烧反应的引发阶段发挥作用；而K+主要切断链式反应的传递、终止阶段。式(5)反应受到抑制后，放热量大大减少。此时火场热量来源被抑制，加之细水雾的冷却作用，使火场温度得到有效控制。温度降低后，饱和分子RH活性下降，链的引发阶段也会随之减弱，直至链式燃烧反应终止。

除了化学作用外，KCl添加剂还可强化细水雾的物理灭火作用。首先，雾滴受热蒸发后KCl会以晶体形式析出，附着在器壁四周产生器壁效应，湮灭燃料释放出的游离基，可有效抑制火焰。K+和OH-结合生成KOH后，由于KOH熔点低，火场内大量KOH会由凝聚相变为气相，从而稀释空气中的油气，可进一步抑制火焰[13]。此外，与纯细水雾相比，含金属盐添加剂的细水雾雾滴受热蒸发的平均速率要慢，这就会使更多的雾滴可以到达油面，加速火焰熄灭。

3 结论

开展了含0、1%、2%、3%、4%KCl的低压细水雾抑灭正庚烷池火实验，研究了KCl添加浓度对细水雾抑灭火性能以及油盘面积对细水雾添加KCl浓度需求的影响，分析了含KCl细水雾灭火机理，得到以下结论。

(1)根据火焰形态，低压细水雾灭正庚烷油盘火过程大致可分为灭火之前、初步抑制、火焰膨胀、火焰撕裂、火焰游走、火焰熄灭6个阶段，加入KCl添加剂后缩短的灭火时间主要集中在火焰撕裂、游走阶段。

(2) KCl浓度升高后，细水雾灭火时间缩短、降温性能提升。含4%KCl细水雾灭直径6、8、10 cm的油盘火时，与不含KCl细水雾相比，可分别缩短灭火时间82%、79%、73%，增大降温速率1.5倍左右。KCl浓度增至3%后，灭火时间开始趋于稳定，二者的具体数量关系需待进一步研究。

(3)含KCl细水雾灭3种油盘火性能均优于纯细水雾，改变油盘面积会影响含KCl细水雾灭火有效性。油盘面积增大后，燃烧速率、热释放率峰值、热释放速率均增大，燃烧更剧烈，要达到良好的灭火效果，其对细水雾中KCl浓度要求更高。

(4) KCl添加剂可同时强化细水雾的物理、化学双重灭火作用，其主要通过消耗、湮灭链式燃烧反应所必需的自由基来达到抑灭效果。其中Cl-主要切断链的引发阶段，而K+主要切断链的传递、终止阶段。