钾盐抑制正庚烷火和乙醇火的有效性研究

摘要

火灾作为影响人们生命和财产安全的重大灾害之一，严重威胁着人们的生产生活。为了降低火灾的危害性，人们致力于寻找一种高效、清洁性灭火物质，细水雾恰好符合这一要求，它本身就具有良好的灭火效果，添加化学剂后灭火性能得到了进一步提高。钾盐作为一种常见的细水雾添加剂，它主要通过夺取H、O、OH等火焰自由基、中断燃烧链式反应来达到灭火目的。展开含钾盐细水雾抑制正庚烷火和乙醇火的不同灭火效果研究工作，从动力学角度分析在灭火过程中钾盐与燃烧自由基所产生的化学反应，有利于帮助人们充分认识钾盐在灭火过程中所发挥的效用，更有利于人们筛选出最有效的钾盐添加剂，来最大程度地发挥出细水雾的灭火作用。 本文首先对几种钾盐超细水雾抑制正庚烷和乙醇火焰的临界灭火浓度进行测定，从实验角度对比分析了这几种钾盐的灭火效果差异；然后利用HSC Chemistry软件对氢氧化钾在火焰中与火焰自由基发生的自发反应的吉布斯自由能改变量进行计算，来确定在0～1500K温度范围内会发生的自发反应；最后利用Chemkin软件对氮气与氢氧化钾抑制正庚烷和乙醇火的最小有效滞留时间以及火焰自由基变化进行模拟，从敏感性分析和路径分析等角度来深入探究氢氧化钾在抑制正庚烷火和乙醇火燃烧机制方面的差异。研究结果显示如下： （1）各钾盐超细水雾抑制正庚烷火和乙醇火的临界灭火浓度值及临界灭火浓度减少率的变化趋势均符合：草酸钾＞醋酸钾＞硝酸钾＞碳酸钾＞碳酸氢钾＞氯化钾＞磷酸二氢钾；各钾盐超细水雾抑制庚烷火的临界灭火浓度值比乙醇火小，含氯化钾、草酸钾、碳酸钾、醋酸钾的超细水雾抑制乙醇火的临界灭火浓度减少率高于它们抑制正庚烷火的临界灭火浓度减少率，含磷酸二氢钾的超细水雾抑制正庚烷火的临界灭火浓度减少率高于它们抑制乙醇火的临界灭火浓度减少率，含硝酸钾、碳酸氢钾的超细水雾抑制正庚烷火的临界灭火浓度减少率与它们抑制乙醇火的临界灭火浓度减少率的差别不显著。 （2）在Chemkin动力学计算中，氮气抑制正庚烷燃烧机制的最小有效滞留时间为0.39ms；氮气抑制乙醇燃烧机制的最小有效滞留时间为0.55ms；随着氮气体积分数的增加，高浓度的氮气对于正庚烷燃烧机制的最小有效滞留时间的变化斜率要较乙醇燃烧机制高；随着氢氧化钾摩尔分数的增大，高浓度氢氧化钾对于乙醇燃烧机制的最小有效滞留时间的变化斜率要较正庚烷燃烧机制高。 （3）随着PSR反应器内氮气和氢氧化钾含量的增加，整个燃烧体系内的火焰自由基数量均有所下降；其中氮气抑制正庚烷体系中的H、OH自由基含量下降趋势要较其抑制乙醇火体系高，氢氧化钾抑制正庚烷火体系中各火焰自由基含量的下降趋势较其抑制乙醇火体系低。 （4）对于正庚烷燃烧机制和乙醇燃烧机制而言，氢氧化钾抑制体系中敏感性较高反应的敏感性系数绝对值要较氮气抑制体系大；在温度敏感性较高的反应中，氢氧化钾抑制乙醇燃烧体系中出现了新添加的含钾反应R389（KO+OH=KOH+O），而氢氧化钾抑制正庚烷燃烧体系中未出现任何新添加的含钾反应；在自由基敏感性较高的反应中，氢氧化钾抑制乙醇燃烧体系中出现了新添加的含钾反应R389（KO+OH=KOH+O）、R393（KO2+O=KO+O2）、R395（KO2+H=KO+OH），而氢氧化钾抑制正庚烷燃烧体系中未出现任何新添加的含钾反应。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究综述

1.2.1 细水雾灭火有效性方面的研究现状

1.2.2 含碱金属盐添加剂细水雾的研究现状

1.2.3 细水雾抑制不同类型液体火灾的研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本文研究框架

2 超细水雾灭火实验装置及相关模型介绍

2.1 超细水雾灭火实验装置

2.1.1 实验装置

2.1.2 实验装置的标定

2.1.3 实验操作过程

2.1.4 超细水雾临界灭火浓度的计算方法

2.2 HSC chemistry模拟

2.2.1 HSC chemistry软件

2.2.2 HSC chemistry理论应用

2.3 Chemkin动力学模拟

2.3.1 Chemkin动力学软件

2.3.2 PSR模型

2.3.3 化学动力学机理

2.4 本章小结

3 含钾盐超细水雾临界灭火浓度实验研究

3.1 临界灭火浓度分析

3.2 施加细水雾过程中的火焰变化

3.2.1 正庚烷火焰

3.2.2 乙醇火焰

3.3 本章小结

4 氢氧化钾与燃烧自由基的自发反应计算

4.1 氢氧化钾

4.2 氢氧化钾的灭火反应途径

4.2.1 钾

4.2.2 氧化钾

4.2.3 超氧化钾

4.3 基于可自发反应的燃烧反应链研究

4.4 本章小结

5 氢氧化钾与氮气的动力学灭火机理研究

5.1 氮气的动力学灭火机理研究

5.1.1 氮气最小灭火体积分数下的滞留时间变化

5.1.2 氮气不同体积分数下的最小有效滞留时间变化

5.2 氢氧化钾的动力学灭火机理研究

5.2.1 钾盐的动力学参数

5.2.2 不同摩尔分数下氢氧化钾的最小有效滞留时间变化

5.3 自由基摩尔分数变化及敏感性分析

5.3.1 自由基摩尔分数变化

5.3.2 温度敏感性分析

5.3.3 自由基敏感性分析及路径变化

5.4 本章小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢