汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验.pdf

第 卷第 期 年 月西南科技大学学报 ：收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：第一作者，张乐（），女，硕士研究生，研究方向为职业健康、火灾消防，：；通信作者，吴爱军（），博士，副教授，研究方向为火灾消防，：汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验张乐田世祥吴爱军向银（西南科技大学环境与资源学院四川绵阳 ；贵州大学矿业学院贵阳 ）摘要：为研究泡泡消烟技术在汽油火灾烟气净化中的有效性，水中添加质量分数 月桂酰两性基二乙酸二钠（）表面活性剂制备发泡液，并加入 ，等碱性添加剂制成碱性发泡液。通过分析发泡液的表面张力、黏度、泡沫性能、值及汽油燃烧残留物（炭黑）沉降时间等性能指标，确定最优消烟发泡液为质量分数 的 溶液添加质量分数 碱性添加剂；使用自制烟气收集净化装置对发泡液的净烟效果测试发现，汽油烟气被包裹在泡泡中而难以溢散并被泡泡液缓慢吸附、中和，使得反应后溶液的 值大幅降低；模拟隧道汽油火灾黑烟净化实验测得泡泡喷射作业 能使黑烟浓度降低 。碱性发泡液能有效净化汽油火灾烟气。关键词：碱性添加剂表面活性剂汽油火灾泡泡消烟技术中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），（），：；书书书汽油易燃烧、易蒸发、有毒性，能使火灾疾速蔓延，汽油火灾危害性大。当汽油燃烧时，火焰会立即垂直向上攀升并产生气柱，卷吸周围空气加速燃烧，随后向四周蔓延并产生大量黑烟。如果在隧道中发生汽油火灾，高温有毒的黑烟将会对被困人员的生命安全造成极大威胁，也会影响能见度从而降低救援速度和自救可能性 。针对汽油火灾产生的黑烟，采取有效的消烟措施是十分必要的。当前国内外常用的火灾烟气控制方法有细水雾消烟 、通风排烟 、降温消烟灭火弹 和静电消烟 等。目前这些火灾烟气治理方法存在一定缺陷。在细水雾技术中，当水滴粒径极小时，水雾受火场气流影响发生飘移现象，会导致火区隔绝氧气作用减弱，灭火净烟效果差。自然排烟技术受限于环境条件和建筑物自身的密闭性。机械排烟技术虽然克服了自然排烟易受外界环境干扰的缺陷，但是建设成本和维修费用高，对设备耐温性要求高，在火灾猛烈阶段排烟效果不理想。现有的降温消烟灭火弹，受实际灭火环境的影响，有着灭火净烟效果不理想、机动性差、灭火成本高和安全性低等缺陷。静电消烟在实际应用中并未推广，因为其在实际火场的相对大空间应用效果较差，且在火场上高压操作会对消防员和被困群众的生命构成威胁 。因此，需要一种针对汽油火灾烟气的消烟新工艺。本研究将文献 提出的泡泡除尘消烟技术应用于净化汽油火灾烟气。为能快速净化火场烟气，必须针对火灾烟气特点配置发泡液，且要求所生成的泡泡不仅可以吸附烟气固体颗粒、冷却高温蒸汽，还能中和火灾产生的毒气。因此，发泡液的配置是火灾烟气净化的核心与关键问题。由于火灾中释放出的有毒气体如一氧化碳、氰化氢、二氧化硫和氮氧化物多为酸性，其中二氧化硫和氮氧化物能与水蒸气结合生成硫酸、硝酸，故在发泡液中加入碱性无机盐使泡泡可以中和酸性毒气。基于上述有关汽油烟气净化思路，本文主要研究：（）分析碱性无机盐添加剂对发泡液性能的影响，选配出具有良好的发泡性、稳泡性的二元发泡液；（）发泡液对汽油燃烧残留物润湿性的影响；（）用自制烟气收集净化装置和实验室模拟隧道环境测试碱性发泡液的净烟效果。泡泡消烟原理如图 所示，离散型泡泡消烟法含碰撞、捕捉、吸附、润湿与沉降等过程 。将一定质量浓度表面活性剂与水配制成泡泡液，通过发泡机向烟气喷射大量泡泡，泡泡与悬浮在烟气中的固体和液体颗粒状物质发生碰撞，碰撞过程中泡泡将烟气颗粒捕捉、吸附于泡泡表面，泡泡液浸润烟气颗粒，颗粒物被润湿后重量增加与泡泡一同沉降至地面，最终达到净化烟气、减少火场有毒气体含量、增大火灾现场能见度、增加火灾现场逃生与救援机会的目的。材料及方法 实验材料碱性发泡液的组成为水、表面活性剂、碱性添加剂。选 用 亚 硫 酸 钠（）、硫 代 硫 酸 钠（）、碳 酸 氢 钠（）和 氢 氧 化 钠（）种碱性物质作为碱性添加剂。为减少离子对溶液性能的影响，本文选用的是含 无机盐。其中 属于强碱弱酸盐，在水中电离为弱碱性，能与 发生反应，从而吸收 。能和游离的氰离子相结合，使氰化物变为无毒的硫氰酸盐。碳酸氢钠受热分解是吸热过程，能降低火场图 泡泡消烟原理图 第 期张乐，等：汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验温度，分解为水、碳酸钠和二氧化碳，是干粉灭火器的主要灭火材料。是强碱，具有碱的一切通性，作为 种弱碱的对比组。碱性添加剂的质量分数设置为：，和 。根据相关文献调研和单体表面活性剂泡沫性能预备实验结果，选用具有良好缓蚀性能、温和不含硅油等刺激性成分、发泡性能好的月桂酰两性基二乙酸二钠（）（）作为表面活性剂配制成质量分数 的 水溶液进行本次实验。作为两性离子表面活性剂，其亲水基中既有阴离子特征羧基 ，也有阳离子特征氮?离子，而亲油基主要为十一烷基。性能参数测试用 自动表面张力仪测定发泡液的表面张力；用 酸碱检测计测量发泡液的 值；用 数显黏度计传感器检测发泡液的黏度；采用改进 法测定发泡液泡沫性能 ；用 浓度测量仪（苏州亿利安机电科技有限公司）测量烟气浓度，现场直接读数，恒流取样，测量仅与被测介质的质量有关，不受颗粒的粒径、成分、颜色及分散状态等因素的影响。基于性能分析选配出具有良好发泡性和稳泡性的二元发泡液。汽油燃烧残留物沉降实验由于汽油中大多数有机物为疏水性质，所以一般用水雾除尘效果很差。加入表面活性剂的发泡液能改善泡泡的性质，使得烟气颗粒可快速被润湿。烟气颗粒仅吸附于泡泡而未被润湿会继续停留在空中，因此只有烟气颗粒被润湿了才会随着泡泡沉降，达到消烟的目的。采用德拉弗斯实验法 记录汽油燃烧残留物在发泡液中的沉降时间。取汽油 于容器中，放在方形金属罩容器内燃烧。燃烧产生的黑烟颗粒物部分会残留于金属罩内壁，燃烧结束后，用刮刀将残留物刮取收集。将收集的炭黑颗粒放入干燥箱中（）烘干 。冷却后，将炭黑样本密封在塑料袋中，以备后续测试。每次量取 炭黑轻轻倒入 碱性发泡液中，用秒表记录炭黑被完全润湿所需时间 。润湿沉降状态 主要有图 所示的 种状态，即：不润湿不沉降、部分润湿沉降和完全润湿沉降。汽油烟气导入泡沫液净化实验采用自制烟气收集净化装置（图 ）测试汽油燃烧产生黑烟通入水和发泡溶液中的 值变化。图 汽油燃烧物润湿沉降情况 烟气收集净化装置主要由置液桶、通气管、离心式风机、吸气管、集气罩和燃油池等组成，其净烟工作原理如图 所示。风机抽走集气罩下燃油池中汽油燃烧的黑烟，将其通入桶内发泡液中；气体进入液体后会立刻浮出液面，在液体表面张力作用下排出液面的烟气被液膜包裹成含烟气泡；随着烟气不断被通入发泡液中，含烟泡泡很快就溢满整个置液桶。实验前测量并记录水及发泡液的 值。实验图 烟气收集净化装置作业原理 西南科技大学学报第 卷取汽油 于器皿中，置于集气罩下方，燃烧汽油，待燃烧结束后用烧杯收集桶中液体并测量通入烟气后液体的 值。隧道汽油火灾烟气净化模拟实验在自制的模拟隧道内（图 ）使用发泡液进行汽油火灾烟气净化实验，用 浓度测量仪测量烟气浓度。（）燃烧汽油使黑烟自行消散，测定黑烟浓度自行消散变化规律。将两个粉尘浓度测量仪分别置于监测点 和监测点 处，取 汽油置于燃油位置，点燃汽油使其充分燃烧至自然熄灭，燃烧期间每 测一次黑烟浓度，直到其质量浓度降到 以下。每组实验重复 次，取平均值。（）使用泡泡净化汽油黑烟，测定黑烟浓度随时间变化规律。将两个浓度测量仪分别置于监测点和监测点 处，分别取 和 汽油置于燃油位置，点燃汽油使其充分燃烧至自然熄灭，燃烧期间每 测一次黑烟浓度，测量间隔内启动发泡机，持续喷射泡沫 ，当浓度降到 以下时停止实验。每组实验重复 次，取平均值。图 模拟隧道汽油火灾烟气净化实验示意图 结果与分析 性能参数测试结果 发泡液的 值由于 值受温度影响会产生波动，本次实验在 环境下测量试样的 值。测量得知无碱剂时 溶液的 值为 。图 显示了含不同质量分数碱剂发泡液的 值。从图 可以看出，种碱性发泡液的 值均随着碱性物质含量的增加而增大。添加 的发泡液 值最大。随 质量分数增加 值快速增大。当 质量分数超过 时 值增速变慢，当其质量分数为 时达最高值 。加入 种弱碱的发泡液 值上升缓慢。当弱碱剂质量分数为 时，的 值最高，为 ，和 的 值均低于 。值会随碱剂质量分数增加而增大，这是因为发泡液中加入碱剂会使 的浓度小于 的浓度，且随着碱量增加两种离子浓度差距增大。说明 溶液与碱剂无中和反应，可以进行二元复配。图 含不同质量分数碱剂发泡液的 值 表面张力图 是不同质量分数碱剂发泡液表面张力的测试结果。强碱 使发泡液表面张力明显提高，在 质量分数 时达到最大值 ，随后发泡液表面张力值保持稳定，不受 含量变化影响。说明 浓度升高时 过多，造成图 加入碱剂后发泡溶液的表面张力 第 期张乐，等：汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验表面活性物质停留于溶液表面 ，阻碍了 与更多表面活性物质的反应机会，溶液表面张力不再受影响。图 中弱碱 ，变化规律与 相似，低浓度时发泡液表面张力激增，达到质量分数 之后，表面张力值增幅减缓。加入使发泡液表面张力增加了 ，而其他 种弱碱无机盐在浓度最大时（质量分数）仅增加约 。与强碱剂相比，弱碱剂对溶液表面张力影响较小。黏度图 中 种碱剂对发泡液的黏度影响规律相似，发泡液黏度均先随碱剂含量增加而增大，当达到一定值时增幅变缓。其中含质量分数 发泡液黏度最高（），继续增加 含量，发泡液黏度不再增大而缓慢降低。添加 后，发泡液中胶团聚集数增大，胶束的形状从球形向圆柱体再到网状结构改变 ，所以黏度升高；当 质量分数大于 时，胶束网状结构被破坏成乳状结构 ，导致黏度降低。图 加入碱剂后发泡溶液黏度 泡沫性能（）发泡性能图 （）为加入不同浓度碱剂时 溶液起泡高度变化情况。图中横向虚线为无碱剂时起泡高度 。加入弱碱后，不同程度上提高了表面活性剂的发泡性能。其中 对 溶液发泡性能影响最大，当其添加质量分数 时达到最大发泡高度 ，提高了。强碱 对 溶液发泡性能有消极作用，加入导致发泡液的发泡高度降低 。种弱碱加入都不同程度增强了发泡液的起泡能力，说明表面活性剂与弱碱性无机盐的二元体系之间协同作用能够促进发泡液的发泡性能提升。（）稳定性能向质量分数 的 溶液中加入不同质量分数碱性无机盐时消泡速度变化情况如图 （）所示。图中横向虚线为无碱性添加剂时的消泡速度 。种弱碱变化趋势相似，消泡速度均随碱剂含量增加而上升。添加 发泡液稳定性最差，添加质量分数 时达到最大消泡速度 。加入 发泡液稳定性最好，随 含量增加，消泡速度始终保持较低水平，与无碱性添加剂时相当。其中，添加质量分数 发泡液的消泡速度最小，为 。原因是低含量 会使发泡溶液表面膜上形成的双电层的电场强度和厚度增加，泡泡稳定性增强。随着 含量增加发泡液消泡速度先上升后降低，说明过量碱加入会使发泡液稳定性变差。结合以上性能参数测试结果，在质量分数 的 溶液中添加质量分数 的 碱性添加剂复配出的二元体系碱性发泡液的发泡性和稳定性最好。图 加入碱剂后发泡溶液发泡性能测试 西南科技大学学报第 卷 碱性发泡液对燃烧残留物沉降速率的影响燃烧残留物具有强疏水性，它很难被水润湿。燃烧残留物落在水面上会堆积不会沉降，并且在燃烧残留物与水之间会形成一层气膜，此气膜将水与燃烧残留物隔绝，因此燃烧残留物很难被润湿。燃烧残留物在水中的状态如图 所示。图 燃烧残留物在水中的状态 加入表面活性剂后，燃烧残留物与水之间的气膜消失，由此推测加入表面活性剂后使气膜破裂，故燃烧残留物更容易被浸润。从表 可知，含 碱液燃烧残留物完全沉淀用时 ，仅为 发泡液耗时的 。故二元体系中质量浓度为 和 复配出的发泡液对燃烧残留物润湿效果最佳。表 汽油燃烧残留物在发泡液中的沉降时间 碱剂润湿时间 沉淀时间 汽油烟气净化效果将汽油燃烧黑烟分别通入自来水和发泡溶液中（图 、图 ）。图 显示汽油烟气通入水后，容器中迅速产生泡泡并迅速破裂，烟气从水面和破裂的泡泡中逸散，说明烟气难以被水吸收。图 显示通入烟气后，发泡液容器中迅速产生大量黑色泡泡，说明烟气被密封在每一个泡泡里无法逸散。随后，烟气不断与泡泡液发生中和、吸附作用后溶入发泡液中，少量烟气因泡泡破灭而逸散。而通入自来水中的烟气成泡量极少，迅速逸散空气中。通入黑烟前后水和发泡液的颜色由透明变成灰黑色，其 值测定结果见表 。从表 可以看出，自来水 值小幅度下降了 ，而发泡液 值下降了 ，说明烟气封入泡泡中可与泡泡液反应。含碱剂发泡液生成的泡泡能有效吸附烟气中的炭黑，中和部分氮氧化物、硫化物、等酸性气体，使发泡液 值大幅降低。通入自来水中的烟气迅速从水中逸散，无法吸收反应，故 值降幅较小。图 烟气通入水中产生的泡泡 图 烟气通入发泡液产生的泡泡 表 通入烟气前后溶液的 值 项目通烟气前 值通烟气后 值 值变化自来水 发泡液 隧道汽油火灾烟气模拟净化效果隧道汽油火灾烟气模拟净化实验中汽油燃烧及净化过程：汽油燃烧并产生大量黑烟充满整个模拟隧道中，能见度逐渐降低，仅能看见汽油燃烧的火光；汽油已完全燃烧并熄灭，隧道内烟气扩散，能见度低，无法看清隧道内物品；发泡机喷射泡泡，隧道内烟气在泡泡作用下逐渐减少，能见度增加；净烟结束，能见度恢复至汽油燃烧前。图 为自由消散和泡泡净化作用下不同量汽油燃烧的黑烟浓度随时间的变化情况，黑色 点线第 期张乐，等：汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验和红色 点线分别代表监测点 处和 处测得的黑烟浓度。图 （）是 汽油黑烟自由消散过程中黑烟浓度随时间的变化情况。测点数据表明，用时 ，黑烟浓度从最高值 降低至 。图 （）是 汽油黑烟被泡泡净化过程中黑烟浓度随时间的变化情况。测点数据表明，用时 ，黑烟浓度从最高值 降低至 ，净化率为 。图 （）是 汽油黑烟被泡泡净化过程中黑烟浓度随时间的变化情况。测点数据表明，用时 ，黑烟浓度图 黑烟浓度随时间的变化 从最高值 降低至 ，净化率为 。燃烧 汽油产生的黑烟最高浓度与燃烧 汽油产生的黑烟最高浓度相差 ，说明在固定空间体积的有限空间内，汽油量增加会增大烟气浓度。使用泡泡净烟与不使用任何净烟措施相比，黑烟净化耗时降低 ，净烟效率极大提高。远离火源的 点的黑烟浓度先下降后升高，产生波动原因为：黑烟产生过程中扩散缓慢还未完全蔓延到整个隧道，又因为同温度下烟气密度大于空气密度，故扩散过程中黑烟首先是水平扩散向下流动，故会有黑烟浓度下降的趋势；当黑烟温度升高并迅速上升，能影响到离着火点很远的地方时，由于烟气和室内空气存在着温度差和密度差，烟气会由于热压作用，沿隧道内壁上升，其浓度会有所回升。图 （）和图 （）中靠近发泡位置的 点所测数据呈先降低后升高再降低的波动曲线，这是因为使用的发泡设备主要依靠风力制泡，并将泡泡吹入隧道中。由外界吹入的冷空气和泡泡先与部分黑烟相遇并沉降，故黑烟浓度先下降；之后隧道内逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧着的汽油，形成了隧道内的自然对流，故火越烧越旺，黑烟越来越多，烟气层会逐渐增厚导致黑烟浓度再次上升；由于汽油燃烧完毕无更多燃料燃烧产生黑烟，在泡泡的持续净化作用下，黑烟浓度继续下降。发泡液的 值与净化黑烟后泡泡液的 值（表 ）对比表明，泡泡液的 值下降，这是由于汽油燃烧黑烟与泡泡液在吸附过程中发生中和反应。表 泡泡液净化汽油黑烟前后的 值 汽油质量 净化前 值净化后 值 值变化 结论（）在质量分数 的 溶液中添加质量分数 的 碱性添加剂复配出的二元体系碱性发泡液的泡沫起泡性能较好，形成的泡泡稳定，且对汽油燃烧残留物有良好的润湿性，其生成的泡泡能有效净化汽油火灾烟气。西南科技大学学报第 卷（）在水中燃烧残留物不发生沉降，而加入表面活性剂后燃烧残留物可以迅速被润湿。不同浓度、种类的碱性添加剂配制的发泡液对燃烧残留物的润湿性不同。质量分数 的 和质量分数 的 复配出的发泡液对燃烧残留物润湿效果最佳。（）净化实验发现泡泡能有效吸收烟气中的炭黑，中和部分毒气，使反应后的溶液 值降低。净烟作业可使烟气浓度降低 。参考文献 张培红，刘畅，唐兴不同发烟特性燃料油池火轰燃的实验研究 消防科学与技术，（）：，：，（）：刘博，王春雨，耿伟超，等 大空间设置上、下悬窗自然排烟效果对比研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：王?，孔维浩，安伟光 高层建筑智能高效抛射灭火装置研究 中国新技术新产品，（）：彭娟，蒋慧灵静电除尘技术在火场消烟中的应用探讨 消防技术与产品信息，（）：吴爱军，唐铭，李锐，等基于泡泡的隧道施工中岩尘净化技术研究 山东化工，（）：，：李锐隧道掘进面爆破烟尘的除尘消烟泡泡液的配制及其性能研究 四川绵阳：西南科技大学，：，表面活性剂发泡力的测定改进 法 赵璐，张蕾，文欣，等表面活性剂复配对低阶煤煤尘润湿性的影响 矿业安全与环保，（）：王道涵，邹佳霖表面活性剂复配对煤尘润湿性能的影响研究 矿业安全与环保，（）：，：，（）：张海燕，陈光莹，张海波，等碱与表面活性剂在油水界面上的协同作用 湖南大学学报（自然科学版），（）：吴楠，曹青，张连超有机硅 碳氢表面活性剂对水成膜灭火剂性能的影响 消防科学与技术，（）：第 期张乐，等：汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验