高分子水凝胶灭火剂扑灭西南松树林火灾试验研究*

黄淙葆,代张音,陈有成,蒙文富

(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

西南林区是我国第2大天然林区,也是我国乃至全球生物多样性丰富的重点保护地区之一,还是我国重要的水源涵养地和物种基因库,为我国西南地区生态保护工作提供安全保障[1]。近年来,受气候变暖的影响,西南林区火灾呈高发态势,数据显示,2010-2020年间,我国共计发生森林火灾39 040起,主要分布在四川、贵州等西南地区[2]。由于西南地区森林中云南松等松树的松节油含量高,燃点低,在干燥的天气环境下,遇到火星极易引发燃烧,一旦火势蔓延,形成大规模山火,将造成十分严重的后果[3]。因此,根据西南地区松树林的火灾特点,优选高效、环保的灭火介质作为森林火灾的灭火剂,最大限度地控制和减小火灾规模,对于保障人员和财产安全及降低经济损失具有重要意义。

目前,森林火灾主要以水作为灭火介质展开扑救工作,在不同地形环境、不同类型及不同气候条件的森林火灾中,水一直是最优先考虑的灭火剂[4]。云南、广西等地区拥有丰富的水资源,森林火灾大多开展以水灭火的扑救方法[5]。钟委等[6]开展细水雾幕对顶棚射流火焰的抑制效果试验,发现细水雾在适当工作压力下能有效降低火焰温度,抑制火焰长度增长;罗振敏等[7]发现钾盐添加剂能够提高细水雾的灭火效率,而钾盐添加剂细水雾复合惰性气体灭火效果较单一组分细水雾有显著提升。由此,不少学者开始对泡沫灭火剂、水和水添加剂等灭火剂的灭火效能展开研究,许多新型灭火剂也逐渐取代水进行森林火灾的扑救工作。Rappsilber等[8]研究发现,在扑灭混合材料燃烧火灾时,压缩A类泡沫灭火剂比水和普通灭火介质能更有效地抑制火灾;杨丙杰[9]发现将添加剂用于自动喷水灭火技术后,可改善并提高水在可燃物表面的黏附能力,火势的增长和蔓延得到明显控制。综上所述,以水作为灭火介质对森林火灾进行扑救的方法已被广泛接受和认可,用水灭火能达到降温的效果,但由于水在燃烧物上的流动性高,停留时间极短,在实际操作过程中易出现供水不足、利用率较低等问题,对水资源的利用会造成一定程度的浪费[10]。同时,泡沫灭火剂虽然在某些方面提升灭火表现,但对于水的利用率提高并不显著,加之松树木材燃点低,若受风力影响,火焰熄灭后极易复燃,常见的泡沫灭火剂对于抑制明火熄灭后的复燃仍存在一定局限性[11]。因此,当前需要寻求1种能有效改善水和泡沫灭火剂不足的新型灭火剂,用于扑灭西南地区松树林火灾。水凝胶作为高分子量聚合物,能够吸收大量液体,具有水的高比热容等优势,其在灭火时可以在可燃物表面形成1层稳定附着的隔离薄膜,不仅能降低可燃物温度和隔绝氧气,同时可改善水附着力弱、难以长时间覆盖可燃物表面等缺点,还能有效防止复燃,基于上述特点,水凝胶被广泛用于防火和灭火[12]。然而,目前水凝胶用于扑救森林火灾方面的研究较少,缺乏对其灭火性能的相关讨论,对于高分子水凝胶作为灭火剂扑灭西南地区松树林火灾还有待进一步完善。

因此,本文利用灭火剂喷放装置,在室外进行灭火试验,搭建松木垛燃烧平台模拟西南林区松树燃烧,研究松木自由燃烧特性,测试常用A类泡沫灭火剂和高分子水凝胶灭火剂在室外木垛火中的灭火效果,对比探究2种灭火剂对松木室外燃烧的灭火供给强度、失控抑制效能、降温速率,以期为西南地区松树林木地带灭火技术设计提供试验数据支撑和理论参考。

1 灭火试验设计

1.1 试验装置

灭火试验在由警戒线围成的5 m×7.5 m(长×宽)室外空旷场地内进行,试验装置包括100 L泡沫罐、空气压缩机、压力计、泡沫喷放枪、直径1 000 mm的K型热电偶、数据采集器、高清摄像机、油盘(长×宽×高为53 cm×53 cm×10 cm)、金属支架、木垛、水凝胶喷放系统、计时器等。数据采集器每5 s采集1次温度,K型热电偶温度测量范围0～1 300 ℃,以0.16 m高度间隔分布,从下至上编号为T1～T8,如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Test device

通过文献调研和实地勘察发现西南地区森林火灾主要发生在地理条件较为干旱的云南松、马尾松等林木地带中,故本试验选取松木条作为燃烧原材料,使用的木垛为方形木堆,由112根木条(长×宽×高为4 cm×4 cm×64 cm)搭建而成,分层叠放,共16层,每层7根,木条经过高温干燥处理,其含水率保持在10%～14%,且木材密度保持在0.45～0.55 g/cm3。试验中,使用无铅汽油作为燃料,采用底部油盘火引燃木垛,在木垛中心线上分别布置热电偶记录温度变化。

1.2 试验材料

试验所使用的泡沫灭火剂主要成分是阻燃剂、发泡剂、渗透剂等多种物质;水凝胶灭火剂主要成分为木质纤维素、氟碳类表面活性剂等多种物质。水凝胶灭火剂和泡沫灭火剂的凝固点≤-30 ℃,pH值在6.0～9.5之间,无腐蚀性,符合标准,抗冻结、融化性测试显示无可见分层且非均相,毒性趋于0。根据前人研究发现,当混合比在0.2%～0.5%范围内时,常用A类泡沫灭火剂灭A类火会有较好的灭火效果,其中在0.3%和0.5%的混合比参数下性能最优[13]。因此,本文试验按照剂水混合比0.3%和0.5%将水凝胶粉末、A类泡沫液分别与水混合形成灭火剂溶液。

1.3 试验步骤及工况设置

每次试验开始前先向油盘内倒入清水和无铅汽油作为燃料,同时将按照比例混合好的灭火剂溶液倒入泡沫罐中,组装好各个仪器并测试无误之后,开始点火,利用点火器引燃油盘,视频记录下木垛燃烧状态,观察木垛中8根热电偶的温度变化,以木垛从点燃到自由燃烧直至熄灭作为空白对照组。观察热电偶温度达到最高温度后不再上升,以及木垛燃烧至其质量减少到原始质量的50%时,说明其达到稳定的热释放速率状态,预燃结束。随后,调节压缩机向泡沫罐里输送的气压,打开泡沫罐阀门,以相同喷放速率释放水凝胶灭火剂和泡沫灭火剂,从木垛正面,在距离木垛不小于1.8 m处喷放灭火剂,然后逐渐将喷射枪对准木垛残余火苗处,在木垛顶部、底部、侧面等喷射,且不能在木垛的背面喷射,直至完全扑灭明火,最终统计灭火剂用量。如果明火熄灭后10 min内没有再燃,则记录为灭火成功。试验工况设置如表1所示。

表1 试验工况设置Table 1 Test conditions setting

2 试验结果与讨论

2.1 松木燃烧特性试验过程

以工况1为例,松木木垛从点火到熄灭过程依次为引燃阶段、火焰蔓延发展阶段、稳定燃烧阶段、火焰衰减阶段、阴燃阶段5个阶段。在没有灭火剂的作用下,木垛会相继发生火焰持续蔓延、闪燃、火焰急剧失控等现象。工况1下木垛燃烧失控过程如图2所示。

图2 工况1试验过程Fig.2 Test process of condition 1

工况1木垛热电偶温度变化如图3所示。在开始引燃阶段,松木受到油盘持续加热,木材表面附着水分最先被蒸发掉,观察到木垛中的热电偶温度最高达到近600 ℃,松木因可燃物细胞内及细胞壁之间的水分和纤维素结合水汽化出现分裂,内部一些成分进行热分解,释放出大量可燃有机气体和焦油等。温度超过200 ℃时,木材开始炭化,木垛在加热过程中产生的可燃气体在内部积聚,伴随闪燃现象,火焰出现瞬时增大。当积聚的气体超过一定含量后,受到室外环境风的影响,向周围弥漫出大量可燃有机气体,可燃气体遇到高温燃烧,木垛出现急剧燃烧失控状态,出现剧烈的产热、产气行为,可见强烈明火及大量烟气在四周喷出,引起环境温度的明显升高。木垛由每根木条用铁钉固定而成,受到火焰高温燃烧不会很快坍塌。当热电偶温度上升到900 ℃左右时,木垛进入稳定燃烧阶段。此后,木垛结构逐渐被破坏,火焰开始衰减,直到木材有机成分完全分解。明火消失,进入阴燃阶段。

注:Ⅰ-引燃阶段;Ⅱ-火焰蔓延发展阶段;Ⅲ-稳定燃烧阶段;Ⅳ-火焰衰减阶段;Ⅴ-阴燃阶段。图3 工况1温度变化Fig.3 Temperature change of condition 1

2.2 泡沫灭火剂灭火试验研究

选取工况2下泡沫灭火剂灭火试验分析,工况2试验过程如图4所示。木垛在365 s时进入稳定燃烧阶段,受到环境风突变影响,412 s时火焰急剧失控,在425 s时喷放泡沫灭火剂,持续喷放148 s后明火消失,木垛内部还残留着一些可燃有机气体,木材表面冒着火星,但无明火。

根据工况2以及工况1木垛中心热电偶T3与木垛上方热电偶T5～T8平均温度变化绘制曲线进行对比,温度变化如图5所示。工况2中木垛在365 s时进入稳定燃烧阶段,温度持续上升,达到900 ℃时,室外环境下木垛开始急剧失控,火焰羽流因风力的变化而倾斜,425 s时喷放泡沫灭火剂,明火消失后即停止施加灭火剂时,T3温度从最高温度897 ℃降到225 ℃,T5～T8平均温度从最高温度600 ℃降到203 ℃。结束泡沫灭火剂喷放后,T3温度为100 ℃附近波动,之后缓慢下降至室温,T5～T8平均温度逐渐降低,最终与T3处温度一致,未出现明火。同时由图5可知,在经历148 s的泡沫灭火剂喷放后,工况2木垛中心热电偶T3温度与工况1中T3峰值温度918 ℃相比大幅降低,说明泡沫灭火剂可有效降低室外木垛急剧失控峰值温度。

图5 工况2温度变化Fig.5 Temperature change of condition 2

2.3 水凝胶灭火剂试验研究

工况3试验过程如图6所示。木垛在322 s时进入稳定燃烧阶段,405 s时木垛火开始急剧失控,在420 s时喷放水凝胶灭火剂,持续喷放120 s后明火消失。结束水凝胶喷放后进入阴燃阶段,木垛产生大量水蒸气及白烟,但未发生复燃。

图6 工况3试验过程Fig.6 Test process of condition 3

工况3和工况1的温度变化对比如图7所示。工况3木垛在350 s时中心热电偶T3温度达到900 ℃以上,伴随着闪燃现象,在405 s时进入急剧失控阶段,436 s时喷放水凝胶,明火消失后,此时工况3的T3温度迅速从最高温度892 ℃降到350 ℃,木垛上方T5～T8温度在水凝胶喷放结束后由最高温度655 ℃降至210 ℃。停止水凝胶喷放后,木垛内部和上端温度缓慢下降,停止试验时温度稳定在36 ℃,低于松木复燃温度条件,由此得出水凝胶能快速抑制木垛燃烧急剧失控,且熄灭后未发生复燃。

图7 工况3温度变化Fig.7 Temperature change of condition 3

2.4 泡沫灭火剂与水凝胶灭火效能分析

由于温度采集器每5 s采集1次温度,通过计算5 s内的温度变化得出对应的降温速率。因此,根据利用水凝胶灭火剂和泡沫灭火剂分别灭火时木垛中心T3热电偶的温度变化数据,在每条温度曲线上进行线性拟合得出降温速率,以测试不同混合比下2种灭火剂的冷却效率,结果如图8所示。

图8 工况2～工况5温度变化速率Fig.8 Temperature change rates from condition 2 to condition 5

由图8(a)可知,工况2的降温速率最高为7.8 ℃/s,工况3的降温速率最高为9 ℃/s,且工况2从428 s开始降温至降温速率达到最高值,所需时间为20 s;工况3从420 s开始降温至降温速率达到最高值的时间间隔为30 s,这说明水凝胶对松木火灾降温速率优于泡沫灭火剂。在结束灭火剂喷放后,工况3的升温速率最高为0.8 ℃/s,工况2的升温速率最高为1.6 ℃/s,且升温持续时间较长。由图8(b)可知,工况4的降温速率最高为6.9 ℃/s,而工况5的降温速率最高为9.8 ℃/s,比工况4最大降温速率增加约42%,结束灭火剂喷放后,工况4的升温速率最高1.8 ℃/s,工况5的升温速率最大为0.9 ℃/s。工况2～工况5的试验数据对比如表2所示。

由表2可知,相较于泡沫灭火剂,水凝胶灭火剂降低木垛中心温度的幅度更大,结束释放水凝胶后的升温速率较低,2种灭火剂在阴燃阶段没有出现复燃现象。由此可以证明水凝胶灭火剂对松木垛室外燃烧失控的阻断效果优于泡沫灭火剂。分析其原因,相比于泡沫灭火剂,高分子水凝胶具有较强的保水性和吸水性,致使水凝胶颗粒分子中蕴含的水分子较多,遇到火焰不容易被快速且完全蒸发掉,以至于有足够多完整的水凝胶颗粒穿透火焰羽流到达木垛内部燃烧物,从而能够产生大量水蒸气包裹木垛内部,实现冷却窒息。此外,高分子水凝胶还具有极强的黏附性,水凝胶颗粒会黏附在木材表面,包裹住可燃物,使可燃物与氧气等可燃气体之间形成1层薄膜,达到隔氧窒息效果,对其进行持续性降温,而常用的泡沫灭火剂挥发速度快,黏附性低,缺乏持续性,无法达到这种效果。因此,在后续的灭火过程中,水凝胶灭火剂降温速率优于普通泡沫灭火剂。

2.5 灭火供给强度分析

灭火剂的理论用量一般可由式(1)计算[14-15]:

Q=Aqt

(1)

式中:A为火场冷却或着火面积,m2;q为供给强度,L/(s·m2);t为灭火剂喷放时长,s。

根据上述试验中统计的灭火剂用量数据记录,扑灭1次木垛火,消耗水凝胶灭火剂的平均用量为20 L,泡沫灭火剂平均用量为28 L;2组利用高分子水凝胶灭木垛火实验的灭火总时间平均为150 s,而2组利用泡沫灭火剂灭木垛火实验的灭火总时间平均为180 s。灭火面积木垛的5个表面面积总和,不包括木垛的背面,即为2.05 m2。由式(1)推算出灭火强度q水凝胶≈0.065 L/(s·m2),q泡沫≈0.075 L/(s·m2)。

查阅相关资料可知,用水扑救木材类火灾时,火场理论灭火供水强度由火场热流密度式(2)确定,其中木材的火场热流密度Q火=2.3×105J/(s·m2)[16]。

(2)

式中:q供给为由火场热流密度确定的供水强度,L/(s·m2);Q水为水的吸热能力,J/L;η为喷射器具的供水效率,%。

计算得到利用直流水枪灭火强度一般为0.12 L/(s·m2)。若以1棵表面积约为150 m2的松树为参照,持续灭火1 min,所需水1 080 L,所需普通泡沫灭火剂675 L,而所需水凝胶灭火剂仅为585 L。在相同工况条件下,所需水凝胶灭火剂约为所需水量的54%,约为所需泡沫灭火剂用量的87%,体现高分子水凝胶灭火剂高效的灭火性能。

3 讨论

在松木垛燃烧灭火试验研究中,水凝胶灭火剂和泡沫灭火剂基于混合比、喷射速率与喷射方式相同的情况下,水凝胶灭火剂的灭火效能优于泡沫灭火剂,尤其是灭火时间、灭火剂耗量等效能指标具有直观上的明显差异,适当的混合比对灭火效能有提升作用,而水凝胶灭火剂具有极强的润湿性和黏附性,在隔热冷却和抗复燃效果方面突出。目前,不少学者研究证实水凝胶由于其高含水量、柔软性等性质而被广泛应用于制造灭火或防火材料[17],将凝胶型灭火剂与水、干粉等灭火剂进行灭木材火、燃油火、煤自燃的对比研究时,凝胶型灭火剂展现出优异的灭火效能[18-19]。虽然凝胶型灭火剂在相关领域内得到诸多关注和研究,但仍缺乏对其他类型灭火剂的对比分析。对此,本文选用扑灭建筑火灾、木结构火灾中常用的A类泡沫灭火剂作对比,从混合比方面更深入地探讨水凝胶灭火剂与A类灭火剂的综合灭火效能,优选出适合西南地区松树林火灾的灭火剂。同时,以灭火剂供应强度量化森林火灾场景,构建火灾场景与灭火剂用量间的定量关系,为森林火灾地带灭火技术设计提供试验数据支撑和理论参考。

由于试验木垛与真实森林火灾场景存在一定差别。基于上述局限性,对于森林火灾的研究,未来研究中应从环境方面考虑温度、风、地形及湿度等因素对林火的影响,同时还要实地调查研究区域的树木种类、形态规格、含水率等性质特点,模拟真实情景下的林火燃烧蔓延。而在森林灭火剂方面,除了混合比之外,还应对比分析释放压力、喷射方式、泡沫生成系统等灭火工况对灭火效能的提升,综合考察森林灭火剂的灭火效能。因此,在今后工作中应加快对森林灭火剂和森林火灾模拟的研究,为森林灭火剂的性能综合评估准则提供全面的技术支持。

4 结论

1)松木木垛燃烧试验过程主要分为引燃阶段、火焰蔓延发展阶段、稳定燃烧阶段、火焰衰减阶段、阴燃阶段5个阶段。在火势蔓延发展及稳定燃烧阶段,木垛火在室外燃烧时会出现闪燃与急剧失控现象,火焰瞬时增大。

2)对于室外燃烧松木垛火急剧失控行为,水凝胶出色的吸热作用能快速熄灭火焰,而泡沫灭火剂无法有效阻断火焰失控。木垛内部温度在泡沫灭火剂结束喷放时维持在100 ℃左右,且部分工况温度会达到159 ℃,接近复燃临界点;在结束水凝胶喷放时,木垛中心温度降至室温左右,且结束喷放后木垛内部与表面温度始终低于复燃临界温度。

3)在相同混合比及喷放速率下,水凝胶对松木垛的降温速率均高于普通泡沫灭火剂的降温速率,冷却效果较优,水凝胶依据其保水性和黏附性,能快速抑制木垛内部热流传导。

4)在相同工况试验条件下,水凝胶灭松木垛火的用量较少,对于表面积150 m2的松树,在相同条件下,水凝胶灭火剂用量仅为所需水量的54%,约为所需泡沫灭火剂用量的87%。