1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА УСТАНОВОК АЭРОЗОЛЬНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ

 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИХ ОГНЕТУШАЩИХ СОСТАВАХ

 

В изучаемом курсе под твердотопливными составами по­нимаются специальные рецептурные композиции, основой ко­торых являются гетерогенные смеси кислородосодержащих и горючих компонентов с добавками (или без них). Смеси та­кого типа широко используются в пиротехнике, производстве порохов, твердых ракетных топлив. В нормальных условиях твердотопливные составы обладают химической стабильно­стью, но при нагреве (от электроспирали, пиропатронов.) спо­собны интенсивно реагировать (гореть) и обеспечивать полу­чение веществ с требуемыми свойствами.

Горение твердотопливных составов относится к окисли­тельно-восстановительным реакциям. Восстановителями явля­ются органические или неорганические горючие вещества, а окислителем - кислород, выделяющийся при разложении ки­слородосодержащих веществ (например, перхлората, нитрата калия и т. п.: КС1О₄=КС1+2О₂; 2KNO₃=K₂O+N₂+2,5O₂), а так­же кислород воздуха. Большинство таких составов горят при температурах более 800 °С обычно с появлением пламени. При горении образуются:

смеси твердых и газообразных веществ, как, например, при горении смесей фенолформальдегидной смолы (идитол) с нитратом калия:

 

В общем виде процесс горения различных составов мож­но условно разделить на три стадии: инициирование, воспла­менение (горение по всей поверхности) и непосредственно го­рение (распространения в глубину). Для начала горения соста­ва требуется внешнее тепловое воздействие (инициирование), то есть нагревание хотя бы части состава до температуры вос­пламенения. После воспламенения (горения по всей поверхно­сти) состава нет необходимости в дальнейшем нагревании, так как количества теплоты, выделяющееся при этом, достаточно для протекания самоподдерживающейся реакции горения.

Процесс горения твердотопливных составов представляет собой комплекс экзотермических химических реакций. Реак­ции горения начинаются на поверхности состава, а заканчива­ются в газовой фазе (в пламени). Соединения металлов, полу­чаемые в процессе химических реакций в пламени в га-зо(паро)образном состоянии, попадая в окружающую среду, охлаждаются. При этом происходит их конденсация с образо­ванием в потоке выделившегося газа субмикронных размеров твердых частиц, например, различных соединений щелочных и щелочно-земельных металлов. Получаемую в процессе реакции горения двухфазную систему (смесь газов и твердых частиц) называют твердофазным аэрозолем.

Наиболее перспективными, с позиции использования процесса горения твердых топлив для получения в продуктах сгорания эффективных огнетушащих смесей, являются составы типа приведенных в реакции (1). Подобные составы прак­тически полностью сгорают, в т. ч. при участии кислорода воз­духа, с образованием смесей негорючих газообразных веществ (азот, углекислый газ, пары воды и т. п.) и конденсированных (твердых) соединений, преимущественно щелочных или/и ще­лочноземельных металлов (оксидов, гидрооксидов, карбонатов, бикарбонатов, хлоридов и др.) в виде твердых частиц микрон­ных размеров. Получаемые указанным способом аэрозоли об­ладают высокой огнетушащей способностью. Твердотопливные составы, которые являются источниками огнетушащих аэрозо­лей, принято называть твердотопливными аэрозолеобразующими огнетушащими составами (АОС).

Назначение твердотопливных аэрозолеобразующих огне­тушащих составов. АОС предназначены для получения огне­тушащих аэрозолей при тушении пожаров главным образом в замкнутых (ограниченных) объемах защищаемых помещений, сооружений или отдельных изделий стационарных и пере­движных объектов различного назначения.

Общие требования к АОС. Они должны отвечать следую­щим требованиям:

обладать химической и физической стойкостью при дли­тельном хранении;

стабильно воспламеняться и гореть при давлении, близ­ком к атмосферному;

иметь минимальную зависимость скорости горения (аэ-розолеобразования) от величины внешнего давления (бариче­ский показатель);

иметь минимальные взрывчатые свойства;

иметь низкую чувствительность к механическим воздей­ствиям (удар, трение);

не должны быть чрезмерно чувствительными к тепловому воздействию и лучу огня (не воспламеняться при небольшом увеличении начальной температуры);

не должны содержать высокотоксичных компонентов;

не должны содержать дефицитных и дорогостоящих ком­понентов;

должны изготавливаться по известным отработанным технологиям.

Компоненты АОС и их свойства. По эксплуатационно-технологическому назначению компоненты подразделяются на базовые, целевые и технологические.

Широко используемые окислители и горючие условно называются базовыми компонентами, а их смеси - базовыми составами. Базовые компоненты (составы) обеспечивают про­текание устойчивой самоподдерживающейся (во всем диапазо­не внешних воздействий) химической реакции окисления ком­понентов смеси (процесса горения). На их основе разрабаты­вают различные типовые и специальные рецептуры с требуе­мыми эксплуатационными показателями, по различным технологиям изготавливают огнетушащие заряды. Целевые компо­ненты предназначены для придания составам, их зарядам, процессу горения и продуктам сгорания требуемых физико-химических и эксплуатационных свойств. Технологические ком­поненты служат для обеспечения технологичности, экономич­ности и безопасности производства огнетушащих зарядов.

По физико-химическому назначению компоненты АОС можно классифицировать на следующие основные категории:

а) окислители; б) горючие; в) связующие (цементаторы) -вещества, обеспечивающие механическую прочность формуе­мых огнетушащих зарядов; г) флегматизаторы - вещества, уменьшающие температуру и скорость горения состава, а также чувствительность его к механическим, тепловым и другим внешним воздействиям; д) стабилизаторы - вещества, увеличи­вающие химическую стойкость состава; е) катализаторы (инги­биторы) - вещества, ускоряющие (замедляющие) процесс горе­ния; ж) вещества технологического назначения (смазочные, растворители и т. п.).

Окислители АОС должны представлять собой твердое вещество с температурой плавления не ниже 80 °С и обладать следующими качествами.

содержать максимальное количество кислорода:

легко отдавать кислород при горении АОС"

выделять максимум соединений щелочных металлов, инертных газов (азот и др.);

при нагревании не должны взрывообразно разлагаться;

быть устойчивыми при температурах ±50 - ±70 °С и не разлагаться водой;

быть минимально токсичным и гигроскопичным;

быть недефицитными, по возможности дешевыми.

В табл. 1.1 приведены физико-химические свойства ха­рактерных солей-окислителей, используемых в большинстве рецептур типовых АОС.

Горючие компоненты АОС должны удовлетворять сле­дующим требованиям:

иметь теплоту горения, обеспечивающую получение вы­сокоэффективного огнетушащего аэрозоля при давлении, близком к атмосферному;

достаточно легко окисляться за счет кислорода окислите­ля или воздуха;

выделять при сгорании большое количество газовой сме­си, по возможности "инертной" (азот, углекислый газ, пары воды) и не содержащей токсичных, коррозионно-активных и озоноразрушающих соединений;

потреблять при сгорании минимальное количество ки­слорода;

иметь по возможности минимальные взрывчатые свойства;

быть малогигроскопичными (негигроскопичными);

быть химически и физически стойкими при температуре до ±70 °С, по возможности устойчивыми к действию слабых растворов кислот и щелочей;

обладать по возможности одновременно свойствами свя­зующих (или/и флегматизаторов, стабилизаторов и др.);

легко измельчаться;

не оказывать токсического действия на человеческий организм;

быть недефицитными и по возможности дешевыми.

В качестве связующих используют искусственные (эпок­сидные, фенолформальдегидные, полиэфирные и др.), естест­венные (канифоль и т. п.) смолы, клеи (декстрин и т. п.), лаки, каучуки, нитроцеллюлозу с растворителями и другие органиче­ские вещества. Важными свойствами большинства связующих являются: нерастворимость в воде, растворимость в органиче­ских растворителях, пленкообразующая способность и сопро­тивляемость гниению. Чаще всего связующие выполняют од­новременно и роль горючего.

В табл. 1.2 приведены основные физико-химические свой­ства характерных горючих компонентов, используемых в рецепту­рах различных модификаций типовых АОС.

АОС применяются в виде огнетушащих зарядов, сформо­ванных из предварительно измельченных или растворенных компонентов с использованием известных технологий пиро­техники и пороходелия (прессование, литье и др.). Огнетуша­щие заряды АОС изготавливаются различной массы, размеров и конфигурации (чаще всего цилиндрической формы с внут­ренними каналами или без них).

Огнетушащие заряди АОС должны:

обладать высокой механической прочностью;

обладать минимальной гигроскопичностью (влагопоглощением);

иметь широкий температурный диапазон эксплуатации.

 

Огнетушащие аэрозольные продукты горения АОС должны:

обладать высокой огнетушащей способностью при мини­мальных удельных расходах исходного заряда состава;

иметь переносимый для человека уровень токсичности;

быть экологически безопасными (не загрязнять вредны­ми веществами атмосферу, почву, не разрушать озоновый слой Земли) и легко утилизируемыми;

обладать умеренной коррозионной активностью по от­ношению к металлам, их сплавам и полимерным материалам;

иметь по возможности минимальную температуру.

Классификация твердотопливных аэрозолеобразующих АОС

В зависимости от основных физико-химических, техно­логических, прочностных, экологических и других наиболее важных эксплуатационных свойств АОС (огнетушащие заряды) условно можно классифицировать:

по огнетушащей способности;

экологической безопасности;

эксплуатационной безопасности;

температуре самовоспламенения;

температуре горения (аэрозолеобразования);

скорости горения (аэрозолеобразования);

газопроизводительности;

кислородному балансу;

гигроскопичности (влагопоглощению);

прочностным характеристикам;

температурному диапазону эксплуатации;

сроку хранения;

технологии изготовления огнетушащих зарядов.

Тактико-технические показатели АОС. Важнейшими так­тико-техническими показателями, определяющими эффектив­ность, условия безопасности и ограничения при производстве и практическом использовании АОС, являются эксплуатацион­ные показатели. Перечень и определения основных эксплуатаци­онных показателей твердотопливных АОС приведены ниже.

Огнетушащая способность АОС (огнетушащая массовая концентрация или огнетушащий массовый удельный расход) С_Т г/м³ - отношение минимальной массы заряда АОС к вели­чине герметичного объема, при котором обеспечивается туше­ние модельного очага пожара за время не более 5 с.

Теплота горения АОС Q_г, кДж/кг (Дж/кг) - количество тепла, выделяемого при сгорании единицы массы АОС.

Температура горения АОС Т_г, °С- максимальная температура в зоне реакции горения (аэрозолеобразования) состава.

Скорость (линейная) горения АОС (при давлении 0,1 МПа) V_г  мм/с - скорость распространения зоны горения от поверхности в глубину заряда АОС.

Газопроизводительность АО, У_г/п, м³/кг (л/г) - объем газо­образных продуктов горения с единицы массы заряда (при нормальных условиях).

Степень превращения АОС в аэрозоль η_а, % (масс.) - доля исходной навески заряда АОС, превращающаяся при горении в аэрозоль.

Коэффициент обеспеченности (кислородного баланса) ре­цептуры АОС окислителем а - отношение количества окислите­ля, содержащего в составе, к количеству, необходимому для полного сгорания (окисления) горючего.

Чувствительность АОС к тепловым воздействиям (чувст­вительность к лучу огня, температура самовоспламенения) - спо­собность состава воспламеняться (самовоспламеняться) при нагревании от внешнего источника тепла (огня).

Чувствительность АОС к механическим воздействиям (удар, трение) - способность АОС воспламеняться от выделяе­мой тепловой энергии при ударе твердой поверхностью или трении с твердой поверхностью.

Взрывчатые свойства (детонационная способность) - спо­собность взрывного горения практически одновременно всей массы инициированного АОС, возникновения детонации и проявления метательных свойств (бризантности).

Класс опасности зарядов АОС при транспортировании -классификация зарядов АОС по взрывчатым свойствам (степе­ни взрывоопасности), в соответствии с которой по ГОСТ 19433 установлены общие требования и правила обеспечения безо­пасности при их перевозке различными видами транспорта.

Токсичность огнетушащего аэрозоля АОС - способность определенного количества аэрозоля, получаемого в строго кон­кретных условиях, при воздействии на живые организмы в те­чение определенного времени оказывать токсическое действие и вызывать нарушения их жизнедеятельности.

Коэффициент озоноразрушающего действия КОД* аэрозоля АОС - показатель, характеризующий потенциальную способ­ность (относительную) аэрозоля разрушать озоновый слой Земли, например, по сравнению с хладоном 11.

Физико-химическая стойкость (гигроскопичность, механи­ческая прочность, температурный диапазон, химическая стабиль­ность, срок службы) - способность АОС сохранять физико-химические параметры (состав, геометрические размеры, целост­ность зарядов, параметры процессов воспламенения и горения) в течение определенного времени при определенных измене­ниях влажности, температуры, давления среды, ударных и вибрационных внешних воздействий.

Допустимое для применения АОС напряжение в электроус­тановках, В - значение напряжения, при котором применение аэрозоля в огнетушащих количествах не сопровождается про­боем электроизоляционного пространства.

Скорость глубинной коррозии при воздействии аэрозоля АОС, мм/год - скорость распространения коррозии от поверхности в глубину металлов, их сплавов и других материалов, возникающей после воздействия на них аэрозоля в течение оп­ределенного времени и в количествах не менее требуемых для тушения.

Коэффициент поглощения света в огнетушащем аэрозоле -способность огнетушащего аэрозоля полностью или частично поглощать свет от стандартного источника (например, по сравнению с незапыленным атмосферным воздухом).

Типовые рецептуры АОС. На основе базовых рецептур с помощью введения целевых компонентов разрабатываются типовые АОС (по приоритетным компонентам, назначению и применению), предназначенные для широкого использова­ния в качестве источников огнетушащего аэрозоля в установ­ках аэрозольного пожаротушения или специальные (с высоки­ми отдельными приоритетными показателями), предназначен­ные для более узкого применения. Для обеспечения требуемых характеристик АОС применяют целевые компоненты:

азотсодержащие органические вещества (повышение га­зопроизводительности, огнетушащей способности, снижение температуры аэрозоля);

металлический порошок, например магния (интенсифи­кация горения);

карбонаты, хлориды калия, натрия (снижение темпе­ратуры аэрозоля);

хроматы калия и аммония (интенсификация процесса го­рения).

На основе данных компонентов создан и рекомендован для практического использования ряд типовых эффективных АОС. В табл. 1.3 и 1.6 приведены характеристики ряда серий­ных АОС.

 

 

 

Как следует из данных, приведенных в табл. 1.3, при сго­рании различных типовых АОС (на основе KNO₃, KC1O₄ и их смесей) в объем выделяется аэрозоль, состоящий из частиц (примерно 35-60 % от массы аэрозоля) со средним размером менее 1-5 мкм (60-80 %) соединений калия (K₂CO₃ * 2Н₂О, КНСО₃, КОН, КС1, оксидов и др.) и негорючих газов, паров (N₂, CO₂, Н₂О и др.). Такие аэрозоли в течение десятков минут сохраняют высокую стабильность задаваемой концентрации (табл. 1.4), обладают высокой проникающей способностью, при­ближаясь по этим показателям к газовым составам.

Огнетушащая способность АОС. Важнейшим показателем составов объемного пожаротушения является их огнетушащая способность, т. е. способность при определенном удельном расходе вещества (г/м³) предотвращать воспламенение (флегматизировать) горючей газопаровоздушной смеси либо подав­лять диффузионное горение в единице защищаемого объема.

Одним из наиболее универсальных методов оценка огне­тушащей способности является метод, основанный на воздей­ствии огнетушащего вещества на область распространения (воспламенения) пламени в гомогенной смеси горючего с воз­духом. По результатам опытов строят графики в координатах: пределы воспламенения, % об. - добавка г/м . За огнетуша­щую способность принимается удельное количество вещества, соответствующее "пику" кривой. Данные по флегматизации являются достаточно надежными и могут приниматься в качестве удельных огнетушащих расходов при пожаротушении и предупреждении взрывов.

Методика определения флегматизирующего расхода АОС с Сф. Экспериментальное определение с Сф производят на установке "Предел" (конструкция ВНИИПО) в камере объемом 53 л (рис. 1.2).

Опыты проводят в следующем порядке. При начальном давле­нии 300-400 мм рт. ст. из модельного генера­тора с определенным зарядом АОС в камеру подается огнетушащий аэрозоль. Через ~1 мин (время охлаждения аэро­золя) по парциальному давлению в течение 1-3 мин подают и переме­шивают горючий газ (пар). По окончании по­дачи горючего в камеру поступает атмосферный воздух, и перемешивание прекращают. Затем от­крывают нижнюю крыш­ку и производят зажи­гание смеси. Факт вос­пламенения (невоспламенения) и распростра­нения (нераспростране­ния) пламени по объему фиксируют визуально. Для различных концен­траций горючего опре­деляют удельный расход

аэрозоля (в пересчете на навеску АОС), при котором происходит рас­пространение пламени и "отказ". По результатам опытов строят область распространения пламени и определяют "пиковый" удельный флегматизирующий расход АОС, при котором для любых концентраций горючего пламя по смеси не распрстра-няется.

На рис. 1.3 показаны области распространения пламени сме­сей метана с воздухом в присутствии аэрозоля типовых АОС.

Из приведенных экспериментальных данных следует, что флегматизирующий расход АОС (СТК-2МД, ПАС и СБК) для метано-воздушных смесей составляет 40-55 г/м³, то есть, в 5-6 раз ниже, чем для хладонов, в 4-5 раза ниже, чем для порошков. При этом значения "пиковых" флегматизирующих расхо­дов смещены в область "бедных" по горючему смесей.

Методика определения минимального удельного огнету­шащего расхода АОС (С_То) для диффузионных пламен. Экспе­риментальное определение минимальной величины массовой огнетушащей концентрации (удельного огнетушащего расхода) АОС С_То для диффузионных пламен жидких, газообразных и твердых горючих веществ и материалов в воздушной атмосфере производится по методике на лабораторной установке (ВНИИПО), описанной ниже (рис. 1.4).

 

Сначала в генераторе аэрозоля (без охладительных насадок), находящемся в цилиндрической камере (объем 52 л) с воздушной средой сжигают навеску АОС. Получаемый аэрозоль равномерно распределяется и охлаждается. Затем в камеру поступает атмосфер­ный воздух, и через проем модельный очаг вводят в центр камеры. За величину огнетушащего расхода АОС С_То (г/м³) принимают ми­нимальную массу заряда (в пересчете на единицу объема), обеспе­чивающую тушение пламени 4-6 с. В табл. 1.5 приведены значения С_То для типовых АОС и хладона 114В2 при тушении в воздухе

диффузионных пламен жидких, газообразных и твердых горючих веществ.

Из данных (табл. 1.5) следует, что минимальная величина Удельного огнетушащего расхода типовых АОС (за исключением базовых околостехиометрических рецептур СТК-5-1, СТК-НТ, СТК-24МФ) для подавления диффузионных пламен в воздухе зна­чительно ниже (более, чем в 5-8 раз) по сравнению с ранее широко применяемым в России и наиболее эффективным хладоном 114В2.

Комплексные тактико-технические характеристики типовых АОС представлены в табл. 1.6.