賈 雷，于 瑤，潘 靖，楊志晗，唐永彪

基于非貯壓干粉滅火裝置產(chǎn)氣劑的性能研究

賈 雷，于 瑤，潘 靖，楊志晗，唐永彪

(天津鵬安數(shù)訊消防設備工程有限公司，天津，300400)

基于非貯壓干粉滅火裝置的特點，針對其產(chǎn)氣劑設計了不同粘結劑配比的基礎配方，通過產(chǎn)氣量測試確定了最優(yōu)基礎配方，并研究了添加劑對其產(chǎn)氣量和燃速的影響。結果表明：粘結劑含量對產(chǎn)氣量影響較大，計算氧差時需考慮粘結劑耗氧量；最優(yōu)基礎配方為59.8%氧化劑，20.2%可燃劑，20%粘結劑，氧差為-30，產(chǎn)氣量為343mL/g。添加劑對燃速均有正催化作用，但使產(chǎn)氣量均有所降低；綜合比較產(chǎn)氣量和燃速，確定三氧化二鐵催化效果較好。

產(chǎn)氣劑；粘結劑；產(chǎn)氣量；添加劑；燃速

目前，圍繞超細干粉滅火劑開發(fā)的滅火裝置按照驅動方式可分為貯壓式和非貯壓式兩種[1-2]。貯壓式超細干粉滅火裝置憑借生產(chǎn)成本低、使用方法簡單、可靠性強等優(yōu)點被廣泛應用，但同時也存在著體積較大、需定期充壓維護、有潛在爆炸危險等缺點[3]。非貯壓式超細干粉滅火裝置具有體積小巧、常壓工作、無需維護、安全可靠的特點，彌補了貯壓式超細干粉滅火裝置的缺點，在市場上占據(jù)重要地位。

非貯壓式超細干粉滅火裝置噴出的超細干粉應有較快的流速和較大的流量，所以單位質量產(chǎn)氣量大和燃速適中成為產(chǎn)氣劑必需具備的條件。在煙火藥配方研究中，粘結劑添加量通常不大于10%，而高含量粘結劑對配方的影響卻鮮有研究。為此，本文設計了粘結劑含量為5%～20%配比的基礎配方，通過產(chǎn)氣量測試，確定最優(yōu)基礎配方，并在最優(yōu)基礎配方的基礎上，討論了添加劑對其產(chǎn)氣量和燃速的影響。

1 產(chǎn)氣劑配方設計

1.1 產(chǎn)氣劑驅動原理

非貯壓式超細干粉滅火裝置驅動采用固氣轉換技術[4]，原理是利用煙火藥的氧化還原反應，生成大量N2、CO2、H2O等高壓氣體，在滅火裝置內平穩(wěn)、規(guī)律地實現(xiàn)固氣轉換。當裝置內的氣體達到一定壓力后，氣體會沖開鋁箔封片，驅動超細干粉滅火劑噴入火場實施滅火。非貯壓滅火裝置的噴射氣流相比貯壓式滅火裝置大，因而滅火劑在防護空間內彌散更加均勻，噴射距離更遠。科研工作者還發(fā)現(xiàn)[5]，產(chǎn)氣劑產(chǎn)生的熱氣溶膠本身就有很好的滅火功效，再加上超細干粉良好的滅火性能，使這種滅火裝置較之前的超細干粉滅火裝置滅火效率大大提高。

1.2 基礎配方設計

煙火藥組分內含氧量的相對大小可用氧差來表示。氧差（）是指100g煙火藥中所有可燃劑完全氧化所需氧量和煙火藥自身所含氧量之差[6]。本實驗設計了不同粘結劑含量的配方，其中粘結劑作為第2可燃劑參與氧化還原反應，故三元混合物氧差的計算方法如下[7]:

式（1）中：為煙火藥中氧化劑含量，g；為煙火藥中可燃劑含量，g；為煙火藥中粘結劑含量，g；為釋放1g氧所需氧化劑質量，g；為1g氧能燃燒的可燃劑質量，g；為1g氧能燃燒的粘結劑質量，g；所以，>0時，是正氧平衡；=0時，是零氧平衡；<0時，是負氧平衡。由于正氧平衡和零氧平衡煙火藥反應劇烈，所以產(chǎn)氣劑配方設計使用負氧平衡。表1列出了不同粘結劑含量下產(chǎn)氣劑的配方。

表1 不同粘結劑含量下產(chǎn)氣劑配方

Tab.1 Formulation of gas generating agent with different binder contents

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

實驗中所用的產(chǎn)氣劑由氧化劑、可燃劑、粘結劑、添加劑（二茂鐵、鎂粉、三氧化二鐵、氧化鋅）組成。

2.2 實驗儀器

實驗儀器包括：產(chǎn)氣量測試系統(tǒng)（自制）；藥條壓制模具（自制）；藥柱模具（自制）；液壓機，天津市能譜科技有限公司；天平，天津天馬衡基儀器有限公司；秒表，深圳市惠波工貿有限公司。

2.3 實驗方法

2.3.1 產(chǎn)氣量測試

產(chǎn)氣量測試裝置如圖1所示，將產(chǎn)氣劑裝入藥室，用電池啟動電點火器繼而點燃產(chǎn)氣劑，通過無紙記錄儀記錄裝置內的溫度和壓力。

圖1 產(chǎn)氣量測試裝置示意圖

產(chǎn)氣量計算方法[3]：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=R，測量裝置內原有空氣的摩爾數(shù)空氣=空氣/(R空氣)，產(chǎn)氣劑反應完全后裝置內全部氣體的摩爾數(shù)總=穩(wěn)態(tài)/(R穩(wěn)態(tài))，則產(chǎn)氣劑生成氣體的摩爾數(shù)生成=總-空氣，換算成標況下的氣體體積=生成×22.4，單位L，單位質量產(chǎn)氣劑生成氣體體積V=/，單位L/g。測試罐體體積為12.12L，產(chǎn)氣劑質量為20g，穩(wěn)態(tài)壓力為20℃時裝置內的壓力。

2.3.2 燃速測試

產(chǎn)氣劑的燃速決定了非貯壓滅火裝置的啟動時間，燃速過快，藥柱可能會在藥室內爆炸，無法正常打開滅火器；燃速過慢，不能及時滅火，所以合適的燃速對非貯壓滅火裝置至關重要。本實驗產(chǎn)氣劑燃速以線性燃速來表示[8]，即：=/，單位mm/s，其中：為藥條長度，mm；為藥條燃燒時間，s。藥條尺寸為8mm×8mm×100mm ，密度為1.5g/cm3。由于藥條過長，只有采用側壓的方式才能保證受力均勻、密度一致。GJB 770B-2005火藥實驗方法和GJB 5384- 2005 煙火藥性能試驗方法規(guī)定，火工品和煙火藥的包覆均采用氧化鋅膠布（醫(yī)用膠布），以保證其能夠層面燃燒。圖2為藥條模具示意圖。

圖2 藥條壓制示意圖

3 結果分析與討論

3.1 產(chǎn)氣劑基礎配方

表2列出了不同粘結劑含量下產(chǎn)氣劑的產(chǎn)氣量。

表2 不同粘結劑含量下產(chǎn)氣劑的產(chǎn)氣量

Tab.2 Gas production of gas generating agent with different binder contents

從表2中可以看出，氧差為-10和-20時，產(chǎn)氣量隨著粘結劑含量的升高而減小；氧差為-30時，產(chǎn)氣量隨著粘結劑含量的升高而增大。最優(yōu)基礎配方為氧化劑59.8%，可燃劑20.2%，粘結劑20%，氧差為-30，產(chǎn)氣量為343mL/g。實驗結果說明：粘結劑含量對產(chǎn)氣劑的產(chǎn)氣量影響較大，計算氧差時不可忽略。

3.2 添加劑對產(chǎn)氣量及燃速的影響

選取最優(yōu)基礎配方為空白對象，討論5%（）添加劑（二茂鐵、鎂粉、三氧化二鐵、氧化鋅）對產(chǎn)氣量及燃速的影響，測試結果如表3所示。由表3可知，產(chǎn)氣量由大到小依次為空白、三氧化二鐵、鎂粉、二茂鐵、氧化鋅；燃速由大到小依次為二茂鐵、鎂粉、三氧化二鐵、氧化鋅、空白。實驗結果顯示，含有過渡金屬元素的添加劑對產(chǎn)氣劑燃速均有正催化作用，但是卻不同程度地降低了產(chǎn)氣量，可能是因為添加劑本身不參與氧化還原反應，但添加劑的加入?yún)s降低了參與氧化還原反應的反應物濃度。與空白配方相比，三氧化二鐵作為添加劑時，產(chǎn)氣量為330mL/g，降低了3.8%；燃速為0.61mm/s，提升了45%。綜合比較分析，添加劑三氧化二鐵催化效果較好。

表3 不同添加劑下的產(chǎn)氣量和燃速

Tab.3 Gas production and burning rate under different additives

4 結論

（1）基礎配方產(chǎn)氣量結果表明：粘結劑含量對產(chǎn)氣量影響較大，計算氧差時不可忽略。最優(yōu)基礎配方為氧化劑59.8%，可燃劑20.2%，粘結劑20%，氧差為-30，產(chǎn)氣量為343mL/g。（2）在最優(yōu)基礎配方的基礎上，實驗研究不同添加劑（5%，）對產(chǎn)氣量和燃速的影響，結果顯示：含有過渡金屬元素的添加劑對燃速均有正催化作用，但產(chǎn)氣量均不同程度降低。綜合比較產(chǎn)氣量和燃速，三氧化二鐵催化效果較佳。（3）產(chǎn)氣劑最優(yōu)配方為氧化劑59.8%，可燃劑20.2%，粘結劑20%，添加劑三氧化二鐵5%；其產(chǎn)氣量為330mL/g，燃速為0.61mm/s。

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Study on Performance of Gas Generating Agent Based on Non Pressure-Accumulated Powder Fire Equipments

JIA Lei, YU Yao, PAN Jing, YANG Zhi-han, TANG Yong-biao

（Tianjin Pengan Digital Communication and Fire Equipment Engineering Co. Ltd.，Tianjin，300400）

Based on the characteristics of non pressure-accumulated powder fire equipments, the basic formula of different binder ratio was designed for the gas generating agent. The optimal base formulation was determined by testing gas production. The effect of additives on the gas production and burning rate was studied based on the optimal base formulation. The results show that the binder content has a great influence on the gas production. The oxygen consumption of the binder should be considered as calculating the oxygen difference. The optimal base formula is obtained, which contains oxidizing agent of 59.8%, combustible agent of 20.2%, binder of 20%. Its oxygen difference is -30 and gas production is 343mL/g. The additive has a positive catalytic effect on the burning rate, but the gas production is reduced to varying degrees. Comprehensive comparison of gas production and burning rate, it is found that the catalytic effect of ferric oxide is better.

Gas generating agent; Binder; Gas production; Additive; Burning velocity

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.014

1003-1480（2019）03-0055-03

2019-05-06

賈雷（1987- ），男，工程師，主要從事消防產(chǎn)品的研發(fā)及技術研究。