Способ приготовления противопожарной смеси
METHOD FOR PREPARATION OF FIRE-FIGHTING MIXTURE

Изобретение относится к области получения средств для тушения пожаров, которые предпочтительно рекомендованы для тушения лесных пожаров или древесных материалов с различным тепловыделением.
Известно, что лесные пожары и пожары на складах, хранящих материалы, сопряжены с большим выделением тепла при горении. Лесные пожары, одни из сложных в пожаротушение работ. И в зависимости от характера возгорания и состава леса лесные пожары подразделяются на низовые, верховые. По скорости распространения огня низовые и верховые пожары делятся на устойчивые и беглые. Их классифицируют следующим образом:
- слабый низовой пожар движется до 1 м/мин. Высота слабого низового пожара до 0,5 м;
- средний низовой пожар движется от 1 м/мин до 3 м/мин. Высота достигает до 1,5 м;
- сильный низовой пожар продвигается со скоростью свыше 3 м/мин. Высота свыше 1,5 м;
- слабый верховой пожар распространения до 3 м/мин;
- средний верховой пожар распространения до 100 м/мин;
- сильный верховой пожар распространения свыше 100 м/мин.
В подавляющем большинстве случаев, для тушения больших очагов возгорания используется вода, являющаяся наиболее дешевым средством пожаротушения. Однако тушение лесного пожара водой имеет следующие недостатки.
1. При изменении характера лесного пожара, эффективность тушения можно достигнуть только за счет увеличения объема воды и применения различных средств пожарной техники, в основном авиации, что практически сложно и порой невозможно локализовать очаг возгорания.
2. При верховом пожаре и при наличии сильного ветра, при температуре горения 900°-1100°С, вода быстро испаряется и практически почти не достигает земляного покрова.
3. При тушении лесного пожара водой в большинстве случаев образуются очаги повторного возгорания и за счет длительного времени заполнения пожарной техники, авиации водой пожар практически может снова возобновиться, а при сильном ветре полностью восстановиться.
4. При тушении лесных пожаров водой требуется большое время по локализации очагов лесного пожара, из-за чего большие площади лесов выгорают, что приводит к гибели наземной фауны, животных, нарушается воздушный баланс за счет прекращения выделения деревьями кислорода. Кроме того, имеющее в таких случаях нарушение баланса грунтовых вод может привести к увеличению наводнений в данном регионе.
По вышеизложенным причинам вода, как средство пожаротушения, обладает низкой эффективностью для локализации и тушения лесных пожаров.
В последнее время все более актуальными становятся исследования в области разработки эффективных и простых средств пожаротушения и способов их приготовления.
3
3
Известно противопожарное средство для тушения пожаров, рекомендованное в том числе для тушения лесных пожаров, представляющее собой водный раствор жидкого стекла с модулем 2,5-3,2 при содержании силиката натрия 5-50% мас., полученный смешением жидкого стекла с водой, и предпочтительно, при введении в раствор высокомолекулярного ПАВ в количестве 0,001-0,1 кг на 1 м воды. Плотность раствора составляет 1250 кг/м (RU 2275951, 2006).
Однако при тушении лесного пожара известное средство образует на горящем материале недостаточно плотную пленку на ветвях и стволах деревьев, что снижает эффективность пожаротушения.
Для устранения упомянутого недостатка разработаны огнетушащие средства, представляющие собой вспененные гели диоксида кремния, образующие при их использовании быстротвердеющую пену на поверхности горения. Известные средства, способы их получения и применения описаны в ряде источников информации (например, RU 2701419, 2019, RU 2672945, 2018, RU 2701402, 2019).
Согласно RU 2672945, приготовление вспененного геля кремнезема в виде быстротвердеющей пены осуществляют путем смешивания компонента А в виде водного раствора смеси силиката щелочного металла и пенообразующего поверхностно-активного вещества, преимущественно синтетического углеводородного пенообразователя, при соотношении, масс. %: 10-70, преимущественно 20-50 силиката натрия, 1-15, преимущественно 3-6 пенообразующего поверхностно-активного вещества, остальное - вода, с компонентом Б, составляющим 20-60%, преимущественно от 30-50%-ного водного раствора уксусной кислоты. Смешивание и вспенивания смеси компонентов А и Б, проводят в устройстве для твердопенного тушения при объемном соотношении компонентов А и Б от 15:1 до 6:1, преимущественно 10:1.
Согласно RU 2701419, огнетушащее средство получают путем смешивания водных растворов компонентов А и Б и последующего вспенивания смеси компонентов А и Б атмосферным воздухом. В качестве компонента А используют водный раствор смеси силиката натрия и пенообразующего поверхностно-активного вещества, в качестве компонента Б - водный раствор уксусной кислоты. Вспененный гель кремнезема подают в зону пожара или на заградительную полосу в виде, по крайней мере, двух струй быстротвердеющей пены с обеспечением возможности соприкосновения или взаимного перекрытия струй быстротвердеющей пены с образованием единой комбинированной струи вспененного геля кремнезема.
Средства в виде быстротвердеющего вспененного геля кремнезема являются эффективными. Однако способы их приготовления являются довольно сложными, требующими специального оборудования при получении средств и их использовании на пожарах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ приготовления противопожарной смеси для тушения пожара, включая горение древесных материалов, описанный в Бакалаврской работе Лотовой Э.В. «Экологическая оценка применения огнетушащих составов на основе жидкого стекла», Томск, 2018.
3
Способ приготовления противопожарной смеси, предложенный в упомянутой работе (см. стр. 15-21), заключается в смешивании жидкого стекла с модулем 2,5-3,2 с водой. Смешивание производят из расчета массового содержания жидкого стекла в интервале 5-50%, воды в интервале 50-95% до плотности полученного раствора в интервале 1020-1250 кг/м. В результате получено средство для тушения пожаров, вязкость которого 4-500 раз выше, чем вязкость воды. При тушении пожара полученной смесью за счет выделения паров воды на объекте горения образуется слой неорганической пены с низким коэффициентом теплопроводности, блокирующий попадание кислорода на границу горения. Как указано в работе, образовавшаяся пена сохраняет свою структуру и свойства до температуры не выше 550°С, а при превышении данной температуры происходит плавление верхнего слоя и его уплотнение.
Недостатки известного технического решения сводятся к следующему.
- полученное средство при его использовании образует на объекте горения пленку с недостаточной огнестойкостью, необходимой, в частности, для тушения верховых и сильных низовых лесных пожаров с высоким тепловыделением;
- способ приготовления средства не обеспечивает возможности корректировки состава средства непосредственно на местности, особенно при изменении ветровых условий на горящем объекте.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого способа приготовления противопожарного средства, которое, при его использовании, способно к образованию плотной огнестойкой пленки на горящих древесных материалах при пожарах разного типа, а также расширение ассортимента эффективных противопожарных составов.
2
2
2
3
Поставленная задача решается описываемым способом приготовления противопожарной смеси, предназначенной для тушения лесных пожаров или древесных материалов, характеризующихся различным тепловыделением, согласно которому смешивают силикат натрия (жидкое стекло) с общей формулой: NaO(3,3-3,5)SiO(16,1-16,8)HO, доменный шлак фракции 100-500 микрон, взятый в количестве 5,0-10 мас. % от силиката натрия, затем на смешивание подают воду из природного водоема в количестве, обеспечивающим массовое соотношение жидкого стекла к воде, равное (30-60):(70-40), соответственно, с образованием противопожарной смеси с плотностью 1,30-1,35 г/см, при этом смешение жидкого стекла, доменного шлака и воды производят либо в емкости устройства для тушения пожара, либо непосредственно перед заполнением приготовленной смесью емкости соответствующей пожарной техники.
2
2
2
2
Предпочтительно, на смешение подают жидкое стекло с общей формулой: NaO(3,3-3,5)SiO(16,1-16,8)HO, полученное гидротермальной обработкой гранул силиката натрия при 160-200°С в течение 3-4 часов под давлением 5,0-6,0 кгс/м.
Предпочтительно, что смешение компонентов, осуществляемое непосредственно перед заполнением смесью пожарной техники, производят вблизи очага возгорания, при этом подачу воды производят либо в емкость для тушения пожара под давлением 3-5 атм, либо в емкость, оборудованную мешалкой, либо в емкость, оборудованную трубками, обеспечивающими возможность барботажа в смесь компрессорного воздуха под давлением 1-2 атм.
Согласно предложенному способу противопожарную смесь готовят с учетом типа возникшего пожара, выбирая массовое соотношение жидкого стекла и воды следующим образом.
Для тушения верховых лесных пожаров при наличии сильного ветра с температурой горения 900-1100°С смешивают жидкое стекло и воду в массовом соотношение 60:40, соответственно.
Для тушения верховых лесных пожаров или сильных низовых пожаров при наличии слабого ветра с температурой горения 700-900°С смешивают жидкое стекло и воду в массовом соотношение 50:50, соответственно.
Для тушения слабых верховых или низовых лесных пожаров при слабом ветре или в отсутствии ветра с температурой горения 500-700°С смешивают жидкое стекло и воду в массовом соотношение 40:60, соответственно.
При приготовлении смеси для тушения низовых пожаров или для предотвращения повторного возгорания при слабом ветре или в отсутствии ветра с температурой горения ниже 500°С смешивают жидкое стекло и воду в массовом соотношение 30:70, соответственно.
В объеме совокупности признаков, изложенной выше, достигается заявленный технический результат, а именно: разработан простой способ приготовления средства, характеризующегося образованием пленки с пониженной теплопроводностью, то есть с более высокой огнестойкостью относительно прототипа при расширении ассортимента эффективных и безопасных противопожарных средств и способов их приготовления. Кроме того, способ обеспечивает возможность приготовления наиболее оптимального состава средства непосредственно вблизи места протекания лесного пожара, с учетом типа пожара и его интенсивности.
Достижение указанного выше технического результата, по нашему мнению, обусловлено следующим.
Доменный шлак является отходом металлургического производства -процесса сплавления пустой породы с флюсами шихты и золой. Шлак представляет собой твердый раствор силикатов, алюминатов, сульфидов и различных неорганических солей. В состав шлака преимущественно входят ортосиликаты и метасиликаты кальция. Минеральный состав доменного шлака по данным рентгенофазового анализа характеризуется наличием в кристаллическом состоянии акерманита, геленита, ранкинита, псевдоволластонита, кварца, а также наличием аморфной фазы, в частности алюмосиликатного стекла. Минералы, входящие в состав доменного шлака, имеют низкий коэффициент теплопроводности. Кроме того, доменный шлак фракции 100-500 микрон при высокой температуре в присутствии воздуха и воды обладает хорошей вспучиваемостью. Упомянутые свойства минералов, входящих в состав шлака, обеспечивают возможность применения доменного шлака в огнетушащем средстве.
2
2
2
Следует отметить, что чем выше силикатный модуль жидкого стекла, тем больше химически связанной воды содержится в его составе, а значит интенсивность вспенивания высокомодульного жидкого стекла при термическом нагреве выше, чем интенсивность вспенивания низкомодульного стекла. Нами установлено что, добавка доменного шлака с размером частиц 100-500 микрон в высокомодульное жидкое стекло с общей формулой: NaO(3,3-3,5)SiO(16,1-16,8)HO, перед его смешением с водой, позволяет максимально повысить интенсивность вспенивания состава, что обеспечивает повышение эффективности противопожарной смеси за счет увеличения объема слоя пены с повышенной плотностью на горящей древесной поверхности. Количество доменного шлака, необходимое для достижения данного технического результата, установлено нами экспериментально, и составляет 5,0-10 мас. % от количества жидкого стекла. Количество доменного шлака ниже 5,0 мас. % незначительно влияет на интенсивность вспенивания состава при его использовании для тушения пожара. Введение доменного шлака в количестве более 10 мас. % в жидкое стекло указанного выше состава нецелесообразно, так как в некоторых случаях превышение указанного количества шлака может затруднить последующий процесс перемешивания компонентов с водой, количество которой выбирают в пределах заявленного интервала соотношений жидкого стекла к воде, с учетом конкретного типа пожара и используемой пожарной техники.
3
Заявленный интервал плотности 1,30-1,35 г/см является оптимальным для обеспечения необходимой дальности полета струи противопожарного средства, которая определяется высокой кинетической энергией струи полученного состава.
Признак, включенный в независимый пункт формулы: «смешение жидкого стекла, доменного шлака и воды производят непосредственно перед заполнением приготовленной смесью емкости соответствующей пожарной техники» в совокупности с другими признаками п. 1 формулы - обеспечивает возможность приготовления наиболее предпочтительного состава противопожарной смеси, в зависимости от типа лесного пожара, протекающего в данной местности в данное время.
Компоненты, необходимые для приготовления заявленной смеси: силикат натрия и доменный шлак, поставляются в таре (от бочек до железнодорожных цистерн) в места их хранения, приближенные к местам возможных очагов возгорания лесов или разных древесных материалов. Эти места определяются специализированными противопожарными организациями МЧС.
Вода, вводимая в состав средства для тушения пожара, в основном выполняет роль транспортирующего агента смеси жидкого стекла с доменным шлаком к очагам возгорания. Заявленный способ предусматривает использование воды из природных водоемов, приближенных к местам возможного возгорания. Участки приготовления смеси и загрузки ее в пожарную технику, включая авиацию, содержат необходимое оборудование (емкости, смесители, насосы, трубы, шланги, расходомеры). В местах забора воды готовят противопожарную смесь состава, являющегося наиболее предпочтительным для тушения данного типа пожара. Тип пожара устанавливают соответствующие специалисты. Взаимосвязь типа пожара и предпочтительного состава противопожарной смеси охарактеризована признаками, включенными в зависимые пункты формулы. Непосредственно после смешения компонентов полученную противопожарную смесь загружают в находящуюся или прибывшую на место технику для тушения пожара. Затем начинают процесс пожаротушения, производя сброс или распыление противопожарной смеси над объектом горения.
Ниже представлены примеры конкретного приготовления противопожарной смеси, проведенные в объеме заявленной совокупности признаков изобретения.
Пример 1.
2
2
2
3
В емкость пожарной техники загружают силикат натрия, имеющий состав NaO 3,4SiO 16,5 HO. Затем в эту емкость при перемешивании загружают доменный шлак фракции 100-500 микрон в количестве 7,5 мас. % от количества силиката натрия, после чего под давлением 4 атм подают воду из природного водоема из расчета массового соотношения силиката натрия к воде 50:50. В результате получена противопожарная смесь, имеющая плотность 1,33 г/см.
3
Согласно предварительно проведенным лабораторным исследованиям, противопожарная смесь, приготовленная описанным выше образом, имеет коэффициент вспенивания 50 при плотности пены 55 кг/м.
3
Сравнительные испытания показали, что при аналогичных условиях приготовления, но без добавления доменного шлака коэффициент вспенивания смеси равен 40 при плотности пены 35 кг/м.
Из данных сравнительных исследований очевидно, что эффективность смеси, полученной по примеру, значительно выше, чем по прототипу.
Полученную по пр. 1 противопожарную смесь с помощью авиации распыляют над площадью верхового лесного пожара, имеющего по данным МЧС температуру горения порядка 800-900°С. Пожар потушен полностью без возникновения повторных очагов возгорания.
Аналогично способу, описанному в примере 1, получены противопожарные смеси при верхних и нижних значениях заявленных интервалов количеств смешиваемых компонентов.
В примерах 2 и 3 представлены исходные данные для получения целевого продукта и результаты испытаний полученных противопожарных смесей.
Пример 2.
2
2
2
3
В емкость, оборудованную трубками для подачи воздуха, загружают силикат натрия состава формулы: NaO 3,5SiO 16,8 HO. Вводят доменный шлак фракции 100-500 микрон в количестве 5 мас. %. На смешение подают воду из расчета массового соотношения жидкого стекла к воде 60:40 при барботаже в емкость компрессорного воздух под давлением 1,5 атм. Получена противопожарная смесь с плотностью 1,35 г/см.
3
Согласно проведенным исследованиям, противопожарная смесь, приготовленная при данных условиях, имеет коэффициент вспенивания 45 при плотности пены 55 кг/м.
Полученную по пр. 2 противопожарную смесь с помощью авиации распыляют над площадью верхового лесного пожара в условиях сильного ветра, имеющего по данным МЧС температуру горения порядка 900-1100°С.
Пример 3.
2
2
2
3
В емкость с мешалкой загружают силикат натрия общей формулы: NaO 3,3SiO 16,1 HO. Затем загружают доменный шлак фракции 100-500 микрон в количестве 10 мас. %. При перемешивании подают воду из расчета массового соотношения жидкого стекла к воде 30:70. Плотность смеси составляет 1,30 г/см.
3
Согласно проведенным исследованиям, противопожарная смесь, приготовленная в условиях пр. 3, имеет коэффициент вспенивания 50 при плотности пены 55 кг/м.
3
Полученную в примере 3 противопожарную смесь с плотностью 1,30 г/см загружают в емкость ранцевого огнетушителя и используют для предотвращения повторного возгорания после низового лесного пожара при слабом ветре с температурой горения ниже 500°С.
Согласно проведенным исследованиям, коэффициент теплопроводности неорганической пены, образующийся при тушении древесных материалов противопожарной смесью, полученной в соответствии с заявленным способом находится в пределах 0,025-0,029 Вт/м °К. При получении противопожарной смеси по способу-прототипу коэффициент теплопроводности неорганической пены находится в пределах 0,03-0,036 Вт/м °К. Проведенные исследования показали, что огнезащитные свойства продукта, полученного предложенным способом, и соответственно, эффективность полученного продукта при тушении лесных пожаров различного типа превышает аналогичные характеристики продукта, полученного по способу прототипу.
Дополнительно можно отметить следующие преимущества предложенного способа получения:
- способ является простым и характеризуется использованием только неорганических материалов, в том числе, отхода производства - доменного шлака;
- способ приготовления позволяет легко корректировать состав противопожарной смеси, обеспечивая повышение эффективности тушения пожаров с различным тепловыделением и при различных условиях;
- образовавшаяся на объектах горения неорганическая пленка полностью разрушается в естественных условиях в течение месяца без нанесения вреда окружающей среде.