СПОСОБ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА, СОСТАВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FIRE EXTINCTION, COMPOSITION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники.
Изобретение относится к области противопожарной техники, а именно парогазодисперсному тушению пожаров класса А, В, С, и может быть использовано на опасных производствах газовой, нефтяной, угольной, горнорудной, химической, атомной промышленности и на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях, а также для противопожарной защиты дач, гаражей и офисов. Изобретение промышленно применимо в автоматических и автономных системах пожаротушения.
Предшествующий уровень техники.
2
2
Известен способ тушения пожара в резервуаре и устройство для его осуществления [Патент РФ №22585 от 03.02.2004], согласно которому огнетушащую смесь подают из плавающего в центре резервуара устройства, причем газодисперсную огнетушащую смесь образуют в вышеуказанном устройстве путем подачи под давлением не менее 1 МПа газообразного и/или сжиженного флегматизатора и/или газообразного и/или сжиженного гомогенного ингибитора горения в емкость с порошкообразным или жидким гетерогенным ингибитором горения, имеющую разрывную мембрану или клапан, обеспечивающие при превышении давления 1 МПа выпуск газодисперсной смеси через выходной трубопровод и круговой сопловый распылитель компактными струями с углом расхождения 5-15° в плоскости, параллельной жидкости с расходом менее 10 кг/с со скоростью истечении на срезе сопла не менее 70 м/с, при этом подачу струй ведут с разверткой 360° таким образом, чтобы они в радиальном направлении внутри резервуара не пересекались, создавая в образуемой несплошности огнетушащей среды разрежение, обеспечивающее подсос в зону разрежения продуктов сгорания из верхней зоны пожара, образуя тем самым сплошную круговую огнетушащую зону при соотношении огнетушащих площадей, образованных газодисперсными струями и продуктами сгорания горящей жидкости в пределах от 1:1 до 10:1, а соотношение масс между газовой и дисперсной фазами огнетушащей смеси находятся в пределах от 0.2:1 до 15:1. В качестве газообразного и/или сжиженного флегматизатора используют диоксид углерода, и/или азот, и/или аргон, или их смесь. В качестве газообразного и/или сжиженного гомогенного ингибитора горения используют галогеноуглеводород, а в качестве гетерогенного ингибитора горения используют огнетушащий порошковый состав на основе карбонатов, и/или хлоридов, и/или фосфатов щелочного и/или щелочноземельного металла, и/или аммония, или туманообразующий раствор ортофосфорной кислоты. Известен также способ [Патент США №6988558 В2 от 24.01.2006] тушения пожара с помощью газа, согласно которому тушение пожара осуществляется с помощью извержения, по крайней мере, одного газообразного огнетушащего средства, выбираемого из группы, образованной аргоном, азотом и диоксидом углерода, при этом в качестве их переносчиков используется пена, порошок или вода. Известен способ тушения пожара в резервуарах с легковоспламеняющимися (ЛВЖ) и горючими жидкостями (ГЖ) по патенту [Патент РФ №2241508 от 17.12.2002], который является аналогом способа. Тушение в данном способе осуществляется путем подачи огнетушащей газодисперсной смеси (ГДС) в зону горения снизу вверх, а огнетушащую ГДС образуют путем подачи под давлением не менее 2МПа газообразного и/или сжиженного газового флегматизатора, и/или газообразного, и/или сжиженного гомогенного ингибитора горения, и/или углеводородофобного поверхностно-активного вещества (ПАВ) в емкость с порошкообразным или жидким гетерогенным ингибитором горения, имеющую клапан, обеспечивающий выпуск ГДС при достижении давления в емкости не ниже 0.42 КПа через перфорированный распылитель или через несколько распылителей обеспечивающих распыление ГДС на 180° с расходом не менее 1 кг/с в направлении, параллельном поверхности горящей жидкости и в верхнюю полусферу над поверхностью вышеуказанной жидкости с интенсивностью, обеспечивающей создание концентрации ГДС в центре объема пламени над зеркалом горящей поверхности не менее 0.09 кг/м, причем соотношение масс между газовой и дисперсной фазами огнетушащей смеси находится пределах от 0.2:1 до 15:1. В качестве газовой составляющей используют инертный газ (например, CO, N, Ar или их смесь) и/или озононеразрушающий галогеноуглеводород, например хладон 125ХП, а в качестве гетерогенного ингибитора горения используют огнетушащий порошковый состав на основе карбонатов, и/или хлоридов, и/или фосфатов щелочного и/или щелочноземельного металла, и/или аммония или туманообразующий раствор ортофосфорной кислоты. Подачу ГДС ведут одновременно из генераторов, плавающих на поверхности жидкости, находящейся в резервуаре, и расположенных как по периметру резервуара, так и в его центре, причем результирующий вектор горизонтального распыла периферийных генераторов направлен к центру, а центральных - к периферии, результирующий вектор распыла периферийных генераторов в верхнюю полусферу направлен к центру объема пламени, центрально-расположенных генераторов - от центра зеркала горящей поверхности к периферии под углом 90° к вышеуказанному вектору. Согласно способу [Заявка WO 2007/117168] тушение пожара легковоспламеняющихся и горючих материалов осуществляется путем подачи огнетушащего газодисперсного состава из пожаротушащего модульного устройства или блока устройств, установленных вне или внутри зоны пожара, таким образом, что огнетушащий газодисперсный состав образуют в три этапа: первый - из емкости - источника газа с сифонной трубкой со средством его подачи и запорно-пусковым устройством, заполненной под давлением 4МПа газовым и/или сжиженным флегматизатором, и/или смесью жидкого ингибитора и флегматизатора под давлением не менее 2.4МПа по сигналу пожарного извещателя подают не менее 0.2 части газовой или газожидкостной смеси в форкамеру смешения, содержащую при атмосферном давлении основной порошкообразный ингибитор горения высокодисперсную добавку, целевую добавку для текучести, кремнийорганический гидрофобизатор, причем в качестве газообразного и/или сжиженного флегматизатора используют азот или смесь диоксида углерода и азота или воздуха в соотношении от 95:5 до 75:25 или смесь диоксида углерода с метил-, этил- или пропилкарбинолом в соотношении от 99:1 до 90:10 или смесь диоксида углерода, азота или воздуха и алкилкарбинола в соотношении:
3
80-100:5-20:0.5-5, а в качестве жидкого ингибитора используют 5% раствор йода и 5-20% раствор смеси йода с йодидом щелочного металла или аммония в одном названных алкилкарбинолов в соотношении флегматизатор: жидкий ингибитор находится в пределах от 100:1 до 100:30, причем вышеназванную смесь подают в форкамеру смешения из емкости-источника газа по сифонной трубке и соединительной трубке, переходящей внутри герметичной крышки форкамеры в перфорированный трубчатый аэратор с переменным сечением, при этом суммарная площадь перфораций не превышает торцевой площади сифонной трубки и, таким образом, в форкамере образуют первичную твердо-жидко-газофазную смесь, второй - образованную в форкамере первичную твердо-жидко-газофазную смесь при достижении давления не менее 0.9МПа через выпускной клапан перепускают в трубчатую испарительную камеру, где при давлении не менее 0.5МПа формируют газо-дисперсный поток; третий - сформированный газодисперсный поток из трубчатой испарительной камеры через выпускной клапан при площадном и/или объемно-локальном тушении направляют в сопловой блок с соплами со сверхзвуковым конфузором с соотношением длины сопла к его диаметру, обеспечивающим давление 0.1 МПа и скорость истечения потока в зону пожара огнетушащего газодисперсного состава от 100 до 240 м/с при температуре окружающей среды от (-50°С) до (+50°С), а при объемном тушении - через один или несколько объемных распылителей, обеспечивающих скорость истечения огнетушащего газодисперсного состава не менее 70 м/с. Способ тушения пожара по Заявке WO /2007/117168 выбран нами за прототип. Недостатками всех этих способов является высокая стоимость защиты 1 м из-за дорогостоящих компонентов, входящих в рецептуру составов, и невозможность их применения при t° (-60°С) - (+70°С). Аналогом по компонентам и назначению является огнетушащий состав [Патент РФ №2240848 от 07.08.2003]. Этот огнетушащий состав включает высокодисперсную добавку, гидрофобизирующую кремнийорганическую жидкость, основной порошкообразный компонент, сжиженный и/или газообразный флегматизатор, и/или сжиженный и/или газообразный ингибитор горения в виде азеотропной смеси трифторметана и диоксида углерода в соотношении по массе (30-43):(33-43):(24-37), или смесь диоксида углерода с азотом и аргоном в соотношении 8:52:40, или смесь аргона и азота соотношении 50:50, или сжиженный и/или газообразный галогеноуглеводород, и/или диоксид углерода или азот, а в качестве целевой добавки для текучести он содержит ионнорешетчатый минерал с комплексными анионными группами брутто-формулы:
2
3
(о.5-7.5)
2
(40-50)
2
2
(4.5-11.4)
2
5
(0.5-1.5)
(5-9.1)
[AlO]•[SiO]•[NaOKO]•[PO]•[CaO]•
3
(12-20)
(8-12)
2
(7-11)
FerO]•[FeO]•[TiO]
3
и/или фосфоритную муку с истинными плотностями не менее 2,8 г/см, в качестве гидрофобизирующей жидкости-модификатора он содержит метилгидридсилоксан с содержанием активного водорода 1.6-1.7 мас.%, или смесь метилгидридсилоксана как основы гидрофобизатора и катализатора отверждения-аминопропилтриметоксисилана в соотношении (5-70):1, при этом модификатор - кремнийорганическая гидрофобизирующая жидкость - взят в виде 10-70%-ного раствора в хлорорганическом растворителе при следующем соотношении компонентов, мас.%: высокодисперсная добавка - (0.5-2.8), целевая добавка для текучести - (4.6-25.0), гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость - (0.1-0.5), основной компонент - (15-70), флегматизатор и/или ингибитор горения - остальное.
Известен огнетушащий газодисперсный состав, включающий высокодисперсную добавку, целевую добавку для текучести, кремнийорганический гидрофобизатор, основной порошкообразный ингибитор горения, газообразный и/или сжиженный флегматизатор или смесь флегматизатора и жидкого ингибитора, отличающийся тем, что в качестве газообразного и/или сжиженного флегматизатора используют азот или смесь диоксида углерода и азот или воздуха в соотношении от 95:5 до 75:25 или смесь диоксида углерода с метил-, этил- или пропилкарбинол в соотношении от 99:1 до 90:10 или смесь диоксида углерода, азота и одного из вышеназванных алкилкарбинолов в соотношении: диоксид углерода: азот: алкилкарбинол как (80-100):(5-20):(0.5-5), а в качестве жидкого ингибитора горения используют 5% раствор йода или 5-20% раствор смеси йода с йодидом щелочного металла или аммония в одном из вышеназванных алкилкарбинолов, причем соотношение в смеси флегматизатор: жидкий ингибитор находится в пределах от 100:1 до 100:30 при следующих соотношениях компонентов, мас.%: высокодисперсная добавка - (0.2-2.8), целевая добавка для текучести - (4.6-25), кремнийорганический гидрофобизатор - (0.1-0.7); основной порошкообразный ингибитор горения - (15-85); флегматизатор или смесь флегматизатора и жидкого ингибитора-остальное (Заявка WIPO WO/2007/117168).
Основными недостатками состава-аналога являются малый температурный диапазон применения (-50°С)÷(+50°С) и высокая удельная себестоимость пожарной защиты из-за высокой огнетушащей концентрации.
Аналогом модульного устройства для осуществления предлагаемого способа в данном изобретении с применением предлагаемого огнетушащего состава был выбран огнетушитель [Патент РФ №2193427 от 28.11.2001], представляющий из себя модуль газодисперсного тушения, а прототипом - устройство по заявке WO /2007/117168 18.10.2007 г.
Недостатками этого модуля и устройства является невозможность использования для выполнения задач по способу тушения с применением заявляемого огнетушащего состава.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является создание способа тушения, состава и устройства для его осуществления, обеспечивающего расширение температурного диапазона применения состава от (-60°С) до (+70°С) при повышении экономической эффективности за счет понижения удельной огнетушащей концентрации кг/м.
Физическая сущность данного изобретения
Физическая сущность данного изобретения заключается в использовании внутренней энергии (энтальпии) исходных компонентов при синтезе новых огнетушащих веществ. Рассмотрим реакцию аммиака с ортофосфорной кислотой
3
3
4
4
2
4
NH+HPO-▶NHHPO+826 кДж/кг
3
4
2
4
4
2
4
NH+NHHPO-▶(NH)HPO+780 кДж/кг,
т.е. тепловая энергия, выделяющаяся при аммонизации 1 кг ортофосфорной кислоты, сравнима с энергией, выделяемой при сгорании 0.5 кг черного пороха ДРП
гор ДРП
(Q=2700 кДж/кг). Этой энергии достаточно для перевода компонентов огнетушащего состава в газообразное состояние при нагреве смеси до 180°С. При таких условиях химические реакции протекают практически мгновенно, в данном случае с образованием кластеров фосфата аммония, которые коагулируют с образованием коллоидной дисперсной фазы, а газовый флегматизатор и агрегатированный водяной пар являются дисперсионной средой. Образованная таким образом дисперсная система является термодинамически неустойчивой и поэтому коллоидная дисперсная фаза конгломерирует, образуя пористые аэрозольные частицы с развитой ювенильной поверхностью, которые являются эффективными ингибиторами горения.
2
5
При этом следует отметить характерную особенность ортофосфорной кислоты - зависимость температуры кипения и замерзания от концентрации кислоты (PO мас.%), которая представлена в табл.1.
Таблица 1
Характеристики
Содержание H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>, % масс.
40
50
55
60
62,5
65
70
75
80
90
100
% P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
28,96
36,18
39,79
43,4
45,28
47,1
50,7
54,3
57,92
68,78
72,45
Т кип., °С
104
108
112
116
119
122
127
135
145
172
260
Т зам., °С
-21,9
-42
-58,6
-76,1
-85
-70,5
-43
-17,5
+4,6
+28,8
+42,4
γ, г/см<sup>3</sup>
1,26
1,34
1,38
1,43
1,45
1,48
1,53
1,58
1,63
1,82
1,88
3
4
3
4
3
3
3
Таким образом, при концентрации ортофосфорной кислоты 62.5% по данному способу можно обеспечить подачу огнетушащего вещества (ОТВ) в зону пожара до -85°С. Особо выгодным и отличным от состава прототипа является тот факт, что порошкообразные ингибиторы горения по составу-прототипу и распыляемая 50-70% ортофосфорная кислота имеют практически одинаковые (0.15-0.3 кг/м) огнетушащие концентрации. Однако 1 кг 50-70% ортофосфорной кислоты HPO содержит 0,3-0,5 кг воды, которая в процессе аммонизации кислоты превращается в пар. Причем с 1 кг раствора HPO получаем (0.3-0.5)×1.7 м пара/кг воды → 0.51-0.85 м водяного пара. Уменьшение концентрации кислорода в зоне пожара на величину = 10% снижает огнетушащую концентрацию порошкового ОТВ ориентировочно на порядок, т.е. до 0.03-0.05 кг/м. Поставленная задача достигается тем, что в огнетушащем составе, включающем газообразный флегматизатор - азот и жидкий ингибитор горения, дополнительно содержит жидкий аммиак или аммиачный раствор карбоната аммония или гидрокарбоната аммония, или карбамида, или их смесь, а в качестве ингибитора используют 85%-ю ортофосфорную кислоту в смеси с водой и газом - пропеллентом - диоксидом углерода или его смесью с воздухом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
85% ортофосфорная кислота
40-48
вода
20-40
диоксид углерода или смесь
диоксида с воздухом
3-7
жидкий аммиак или аммиачный раствор
карбамида или карбоната или гидрокарбоната
аммония или их смесь
8-10
газообразный флегматизатор - азот
остальное
3
2
5
Кроме того, согласно заявляемому способу тушения пожара легковоспламеняющихся и горючих материалов с помощью огнетушащего состава, путем подачи огнетушащего потока через транспортную трубу и распылитель в зону пожара, отличающийся тем, что из одного баллона по тангенциальному патрубку под давлением не менее 3 МПа со скоростью 100-300 м/с подают жидкий аммиак или аммиачный раствор карбоната аммония или гидрокарбоната аммония или карбамида или их смесь и газообразный флегматизатор - азот; одновременно из другого баллона по тангенциальному патрубку, расположенному на 180° в той же плоскости, что и тангенциальный патрубок, соединенный с баллоном, содержащим газообразный флегматизатор, в трубчатую камеру смешения под давлением не менее 1 МПа со скоростью 0,5-3 м/с подают 85%-ную ортофосфорную кислоту в смеси с водой и газом - пропеллентом - диоксидом углерода или его смесью с воздухом с образованием в камере смешения экзотермической пульпы с соотношением NH:PO, равным 1:5-7, и формированием вихревого огнетушащего, содержащего фосфат аммония, перегретую воду, водяной пар, диоксид углерода и газообразный флегматизатор - азот, который затем подают в зону пожара с помощью транспортной трубы и распылителя.
Поставленная задача также достигается тем, что устройство для тушения пожара, состоящее из баллона для газообразного флегматизатора со средством его подачи и пускозапорным устройством, баллона для жидкого ингибитора с газом - пропеллентом со средством его подачи и пускозапорным устройством, камеры смешения с выпускным клапаном, транспортной трубы и распылителя, отличается тем, что камера смешения выполнена трубчатой, и дополнительно содержит торцевой завихритель потока с тангенциальными патрубками для одновременного ввода жидкого аммиака или раствора карбоната аммония, или гидрокарбоната аммония, или карбамида, или их смеси и газообразного флегматизатора - азота с одной стороны завихрителя и 85% ортофосфорной кислоты в смеси с водой и диоксидом углерода или смесью диоксида углерода с воздухом - с другой стороны завихрителя, при этом тангенциальные патрубки расположены на образующей поверхности в одной плоскости на 180° друг от друга и под углом 45-90° к продольной оси трубчатой камеры смешения, причем высота трубчатой камеры находится в пределах 10-50D, где D - диаметр трубчатой камеры смешения.
Изобретение осуществляют следующим образом. В газовый баллон помещают инградиенты аммиачного раствора и с помощью зарядной станции типа ЗСА снаряжают и газообразный флегматизатор - азот и жидкий аммиак до давления Р≥3 МПа, после чего устанавливают пускозапорное устройство (ПЗУ). В кислотный баллон заливается 85% ортофосфорная кислота, разбавляется водой до концентрации 50-70 мас.%, после чего с помощью зарядной станции типа ЗСА снаряжается диоксид углерода или смесь диоксида с воздухом до давления Р≥1.0 МПа, после чего на горловину баллона устанавливают ПЗУ.
В таблице 2 представлены примеры исполнения заявленного огнетушащего состава для способа тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих материалов с использованием пожаротушащего устройства. Из данных табл.2 видно, что огнетушащий состав по предлагаемой заявке имеет более широкий от (-60°С) до (+70°С) диапазон эксплуатации, по огнетушащей способности в 2-6.67 раза превосходит прототип. На чертеже представлен вариант исполнения пожаротушащего устройства, где указаны: 1- транспортная труба, 2 - распылитель, 3 - выпускной мембранный клапан, 4 - трубчатая камера смешения, 5 - экзотермическая пульпа, 6 - баллон для жидкого ингибитора с газом - пропеллентом, 7 - газ - пропеллент - диоксид углерода или его смесь с воздухом, 8 - 85% ортофосфорная кислота, 9 - пускозапорное устройство, 10 - торцевой завихритель, 11 - тангенциальные патрубки, 12 - баллон для газообразного флегматизатора, 13 - жидкий аммиак или аммиачный раствор карбамида или карбоната или гидрокарбоната аммония или их смесь, 14 - газообразный флегматизатор - азот.
Лучший вариант осуществления изобретения
3
2
5
Устройство для тушения пожара легковоспламеняющихся и горючих материалов работает следующим образом. При возникновении пожара сигнал от датчика пожарной сигнализации поступает на контрольно-пусковое устройство системы пожаротушения, откуда в виде электрического сигнала с определенной силой тока поступает на пиропатрон, находящийся в запорнопусковых устройствах (ПЗУ), которые установлены на кислотном баллоне 6 с раствором ортофосфорной кислоты 8 и газом-пропеллентом 7 и на аммиачном баллоне 12 с жидким аммиаком или аммиачным раствором карбоната или гидрокарбоната аммония или карбамида 13 с газообразным флегматизатором - азотом 14. После вскрытия ПЗУ 9 раствор ортофосфорной кислоты 8 через тангенциальный патрубок 11 с одной стороны и жидкий аммиак 13 через тангенциальный патрубок 11 с другой стороны поступают в торцевой завихритель 10, где происходит турбулентное смешение компонентов, их «закрутка» по внутренней цилиндрической стенке и подачей смеси по спирали в трубчатую камеру смешения 4, где происходит образование экзотермической пульпы с соотношением NH:PO, равным 1:5-7, и формирование вихревого огнетушащего потока, содержащего фосфат аммония, перегретую воду, водяной пар, диоксид углерода и газообразный флегматизатор - азот, и который затем подают в зону пожара с помощью транспортной трубы 1 и распылителя 2.