水蒸气灭火机理

第一章 细水雾系统灭火机理

学习要求

通过本章学习，应了解细水雾的定义和成雾原理；熟悉细水雾灭火系统的灭火机理、分类组成、工作原理和系统特性；掌握细水雾灭火系统的适用范围和设计参数以及细水雾灭火系统的组件及其设置要求。

细水雾灭火系统是由供水装置、过滤装置、控制阀、细水雾喷头等组件和供水管道组成，能自动和人工启动并喷放细水雾进行灭火的固定灭火系统。。

第一小节 第一节 系统灭火机理

细水雾灭火系统的灭火机理与水雾有密切关系。本节主要介绍细水雾的成雾原理、水雾分级以及系统灭火机理。

一、细水雾的成雾原理

（一）细水雾的定义及分级

1．细水雾的定义

细水雾是指在最小设计工作压力下，经喷头喷出并在喷头轴线下方1.0m处的平面上形成的雾滴粒径Dv 0.50小于200μm，Dv 0.99小于400μm的水雾滴。

2．细水雾的分级

细水雾按水雾中水微粒的大小分为3级，如图3-5-1所示。Ⅰ级细水雾为Dv0.1≤100μm与Dv0.9≤200μm连线的左侧部分，Ⅱ级细水雾为Dv0.1≤200μm与Dv0.9≤400μm连线的之间部分且不属于Ⅰ级的水雾，Ⅲ级细水雾为Dv0.1>400μm与Dv0.99≤1000μm之间的部分。

（二）细水雾的成雾原理分析

1．单流体系统射流成雾原理

液体以很高的速度被释放出来，由于液体与周围空气的速度差而被撕碎成为细水雾；液体射流被冲击到一个固定的表面，由于冲击力将液体打散成细水雾；两股成份类似的液体射流相互碰撞，将液体射流打散成细水雾；超声波和静电雾化器将射流液体振动或电子粉碎成细水雾；液体在压力容器中被加热到高于沸点，突然被释放到大气压力状态形成细水雾。

2．双流体异管系统射流成雾原理

……催化剂乙醇水蒸气重整制氢反应机理研究

【摘要】采用浸渍法制备了10 wt% ZnO/Al2O3催化剂，考察了该催化剂在水醇摩尔比为3、常压、450oC工作条件下乙醇水蒸气重整（SRE）制氢反应性能。结果表明，在该催化剂上SRE反应的主要产物为H2、CH3CHO、C2H4、CH3COOH、CO2以及CH3COCH3。H2O：C2H5OH摩尔比在3时C2H5OH转化率达38%，H2选择性达40%。利用XRD等表征手段考察了催化剂的物理化学性质，提出了SRE反应在ZnO/Al2O3催化剂上的反应机理。

【关键词】乙醇 制氢 氧化锌 三氧化二铝

一、前言

乙醇水蒸气重整（SRE）制氢是一种基于生物质能转化的制氢方式，相比传统的化石资源制氢，其有系统整体CO2零排放、来源广泛、低毒、安全等诸多优势。因此，SRE具有广阔的发展前景。催化剂及其反应机理研究是SRE过程开发的关键，有关SRE反应的研究已有大量文献报道。如，Seker的研究结果显示，在450oC 时ZnO/SiO2催化剂上的C2H5OH转化率可达80%，但其H2选择性较低，且机理不清晰。基于以上原因，本文通过浸渍法，合成出10 wt%

ZnO/Al2O3催化剂，并运用微型固定床催化反应器以及各种结构表征手段，对催化剂的结构以及反应机理进行深入探究。

二、实验部分

（一）催化剂制备

（二）催化剂表征及活性评价

X射线衍射（XRD）采用日本Shimadzu公司6000型X射线衍射仪进行分析。催化剂活性评价在常压石英固定床反应器中进行。反应时，将乙醇与水的混合物在130oC汽化蒸发后混合N2气进入反应管。反应后的产物在保温状态下，直接进入色谱进行分析。

三、结果与讨论

（一）ZnO/Al2O3催化剂表征结果

（二）ZnO/Al2O3催化剂SRE反应性能

（2）乙醇水蒸气摩尔比对催化剂性能影响。

（三）ZnO/Al2O3催化剂上SRE反应机理探讨

四、结论

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－随着我国高层建筑的逐年增多，火灾所造成的生命财产损失十分巨大，同时随着对外开放的不断深入，各类中小型企业也不断增多，高层建筑及企业内部的机电设备的消防安全也越来越突出。高压细水雾灭火技术是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小雾滴进行灭火或防护冷却的一种灭火技术。我国在高压细水雾灭火技术方面的研究起步较晚，同西方发达国家相比尚有较大差距。为了促使这一新型、高效、环保型的消防技术在我国早日投入工程应用，必须对高压细水雾灭火系统中的所有关键技术问题以及影响因素开展深入的研究。一、纯水细水雾灭火机理细水雾灭火的机理比较复杂，一般认为包括四个方面：１、对燃料气相部分的冷却由于细水雾的粒径一般在　４００μｍ　以下，因此相同体积的水在雾化后的表面积可增大１７００　倍，在火场中可以迅速蒸发，而水具有很强的吸热能力，对火焰有迅速的冷却作用，细水雾系统的冷却效果是通过水雾以极细的雾滴进入火焰，由于其粒径小而极易吸热蒸发，降低整个火焰场的温度，此时水的汽化热达到了最大，汽化热移动热量，使之远离火焰，当移动热量使燃烧物的温度低于火焰发生点时，火焰就被熄灭。２、由于水蒸气膨胀而引起的氧气稀释高压细水雾灭火技术的机理以及影响因素研究徐少波 上海市化学工业区公安消防支队 ２０１５０７摘 要火灾是人类所面临的最严重的灾害之一。利用先进的灭火技术可以大大减少火灾事故所造成的生命财产损失，具有十分巨大的社会效益和经济效益。高压细水雾灭火技术是一种新型、高效、环保型的消防技术。本文对该技术的机理以及影响灭火效果的因素进行了研究。关键词高压细水雾；　灭火机理；　因素水滴在汽化过程中不仅吸收大量热量，同时体积迅速膨胀，可扩大　１７００　多倍。水蒸气膨胀而引起的氧气稀释，氧气的含量将降低很多，从而造成隔绝氧气的窒息作用来达到灭火的目的。３、可燃物表面的湿化细水雾中的液滴直径是不均匀的，其中有一部分比较粗的雾滴直接落在了液体表面，由于雾滴的温度比燃烧液面的温度要低，使液体表面发生了冷却，同时稀释了液体，使液体的燃烧更加困难。４、乳化作用当扑救油类火灾时，水雾冲击油品表面，形成乳化层，一方面降低了油品的蒸发速度，另一方面由于水雾滴的单击搅拌作用能使可燃液体表层产生不燃烧的乳化层，起到了阻燃的作用。以上几个细水雾灭火机理是相辅相成共同发挥作用的，对于不同的火场起的作用大小也不同。一般认为汽化吸热降温作用和隔绝氧气窒息作用是最主要的。细水雾的灭火效率还受环境温度、火焰辐射能、火焰的强度、水滴粒径及燃烧区到喷嘴的距离等因素影响。环境温度越高、火焰辐射能越强，水雾蒸发越快，灭火效率越高。火焰的强度越大、燃烧越猛烈越容易被扑灭，因为燃烧猛烈的火灾氧气消耗较快，并伴随着大量蒸汽和紊流的产生。水滴粒径越小，则其表面积越大，灭火效率也越高。二、添加剂细水雾灭火机理水是最常用、最廉价的灭火剂。既可以单独用来灭火，也可以在其中添加化学物质配成混合液使用，从而提高灭火效率。为适应扑灭各种火灾的需要，有了水系灭火剂——在水中加入物理和化学添加剂，改变水的性能从而提高水的灭火能力、减少水用量以及扩大水的灭火范围。细水雾中添加一些高效的灭火物质，是以水为载体实现物理灭火和化学作用灭火的结合，使其灭火机理在普通细水雾作用机理的基础上发生了质的飞跃。除了细水雾的灭火效应外，添加剂分解参与到燃烧反应中去，销毁燃烧过程中产生的游离基形成稳定分子或低活性游离基，使燃烧反应终止。以ＮａＣｌ为例，添加剂中电离出Ｎａ＋和Ｃｌ－能够捕捉燃烧反应的Ｈ、ＯＨ　和Ｏ自由基，阻断链式反应，实现更迅速有效的灭火以及防止复燃。但对于含添加剂细水雾，其灭火机理并非只是物理和化学灭火作用简单的同时存在，而是化学灭火作用与物理灭火作用的复杂耦合。总体来说，含添加剂细水雾的灭火效果是上述五种灭火效应的综合。对于细水雾而言，其雾场特性参数即雾化锥角、雾滴动量、雾化颗粒细度、雾通量都影响其灭火效果。添加剂的使用造成水的密度、黏度、表面张力等发生变化，必然导致细水雾特性发生相应的变化。添加剂在溶液中的质量分数对细水雾液滴直径和速度有直接影响。添加剂使细水雾的平均粒径减少，速度即雾动量降低，但雾滴穿透能力和卷吸能力增强，吸热性能提高，同时添加剂浓度的增加又有利于化学灭火作用的发挥。当化学灭火作用的增加程度大于细水雾物理灭火作用的减少程度时，反映出的灭火效果就提高，反之反映出的灭火效果就降低。因此向细水雾中添加化学灭火剂存在着细水雾与添加剂的最优浓度配比，在此浓度上化学作用和物理作用达到最佳配合，从而取得最佳的灭火效果。三、影响细水雾灭火效果的因素作为一种灭火剂，细水雾的特性参数对其有效性有主要影响，它们是雾滴大小分布度、喷雾密度、喷雾动量和添加剂，影响细水雾灭火效果的因素还有，喷头型号和距离、障碍物火灾类型和火灾尺度等。１、雾滴大小分布度雾滴大小分布度指的是在典型喷雾或细水雾中水粒大小的分布度。使用特殊的光学设备可以计算出不同尺寸种类的雾滴数量。在封闭隔间里，水雾离开喷嘴后，雾滴大小分布度连续地变化着，受下降速度、距离以及与其它喷雾、物体相互作用的影响。２、喷雾密度下转第

2020年第45卷天然气化工—C1化学与化工

能源是人类赖以生存的基础，也是国家经济发

展的重要命脉，但是经过200多年的发展，煤、石油

和天然气等化石能源已经被大量开采，造成这些不

可再生能源面临枯竭。随着人口数量的不断增加以

及经济的快速发展，能源的需求量与日俱增，能源

危机日益突出。同时，化石燃料的过度开采和大量

使用，也对环境造成了严重的污染。为此，世界各国

都在积极寻找和开发新型清洁能源。

氢能由于具有清洁高效、可再生性等优势，被

视为是21世纪最具发展潜力的清洁能源，受到了世

界各国的广泛关注[1]。然而，由于氢气的密度较低，

难以被压缩和液化，而且易燃易爆，所以在输送和

储存上都存在着极大的不便，很难实现广泛的应

用。而利用含氢化合物（烃类、醇类、醚类等）进行原

位在线重整制氢被认为是解决氢气制备、储存和运

输问题的最现实方案，目前主要有甲烷、甲醇、乙

醇、二甲醚等重整制氢技术。但是甲烷和乙醇重整制氢反应需要的温度比较高，能耗高；甲醇有毒，一

旦泄露会对环境和人体造成很大的危害，而且甲醇

为液体，需要额外的气化装置，增加操作成本；而二

甲醚（DME）无毒、无腐蚀性、对环境友好、易于储存

和运输，并且重整制氢具有反应条件温和、产氢量

高等优势，以此作为原料进行重整制氢比其他原料

更具优势。

通常，二甲醚水蒸气重整制氢反应（Dimethyl

ethersteamreforming，DMESR）包括两步连续反

应[2]，第一步是DME在固体酸催化剂（氧化铝、分子

筛等）上进行水解反应生成甲醇（CH3OCH3+H2O→

2CH3OH），第二步是甲醇在金属催化剂（贵金属、Cu

基、Zn基催化剂等）上进行水蒸气重整反应生成CO2和H2（CH3OH+H2O→CO2+3H2）。由于两个反应需要

不同的催化活性中心，所以DMESR催化剂必须同

时含有这两个活性中心，是一种双功能催化剂，该

技术研究的重点是高活性催化剂的开发。

目前关于DMESR的综述性文章主要集中于高