Способ комбинированного тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей
METHOD OF COMBINED FIRE EXTINGUISHING OF COMBUSTIBLE AND FLAMMABLE LIQUIDS

Изобретение относится к нанотехнологиям в области противопожарной техники и предназначено для тушения горения горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в хранилищах и резервуарах, а также крупных проливов нефтепродуктов.
Известно (Техинфо-M.html. Раздел: Стационарное горение жидкости в резервуаре), что если площадь горючей жидкости достаточно велика и воспламенение паровоздушной смеси произошло не над всей свободной ее поверхностью, то пламя быстро распространяется над зеркалом жидкости со скоростью 5-6 см/сек на нижнем и верхнем концентрационных пределах и 45-50 см/сек для паровоздушных смесей, состав которых близок к стехеометрическому.
Если в качестве дополнительного допущения примем, что высота свободного борта не оказывает влияния на процесс горения, тогда после прогрева поверхности слоя до температуры, близкой к температуре кипения (за промежуток времени, равный 1-2 минуты), процесс горения станет стационарным, то есть параметры процесса горения не будут изменяться во времени.
Известно, что пожары на открытых технологических установках протекают в более сложных условиях, чем в производственных зданиях. Часто при быстром распространении огня на соседние аппараты и участки они могут принять характер катастрофы с огромным материальным ущербом (Е.Н. Иванов. Противопожарная защита открытых технологических установок, издание 2-е переработанное и дополненное. М., Химия, 1986, с. 11).
2
В настоящее время наиболее распространенным средством тушения резервуарных парков горючих и легковоспламеняющихся жидкостей является воздушно-механическая пена, которая получается в пеногенераторах за счет эжектирования воздуха в струю раствора пенообразователя на специальных сетках. При тушении пожаров воздушно-механической пеной расходуется большое количество воды и пенообразователя. В частности, при тушении резервуаров с горящим бензином необходимо подавать 114 л 6%-го раствора пенообразователя на 1 м поверхности горючего (Современные пожарные автомобили: проблемы создания, инновационные решения, тенденции развития / Копылов Н.П. // Средства спасения. Противопожарная защита. - 2005. Каталог. - М.: 2005. - с. 66-68). Это связано с необходимостью создания над всей горящей поверхностью слоя пены, изолирующей топливо от воздуха. При частичном заполнении емкости пена падает с большой высоты, проходя через пламя и горячие газы, при этом происходит ее разрушение и снижение эффективности тушения. Кроме того, очень часто (около 50% случаев) в начальный момент возникновения пожара из-за взрыва происходит повреждение пеногенераторов или их сгорание до подачи пенообразователя.
Известно (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е переработанное. М., Химия, 1979, с. 72), что в случае растекания по горящему продукту движение пены замедляется по мере удаления от места слива и может в некоторой точке стать равной нулю. Этот эффект связан с тем, что разрушение пены с повышением температуры ускоряется и может наступить момент, когда скорости поступления пены и ее разрушения станут равными. Таким образом, минимальный расход пены должен обеспечивать превышение скорости движения пены над скоростью ее разрушения в самых отдаленных от мест слива точках.
Известны огнетушащий газодисперсный состав, способ тушения пожара и устройство для его осуществления (Патент RU №2362599, МПК A62C 2/00 (2006.01), A62D 1/00 (2006.01), A62C 35/02 (2006.01), опубл. 27.07.2009), предназначенные для тушения легковоспламеняющихся жидкостей и горючих материалов.
Способ тушения пожара осуществляют с образованием огнетушащего газодисперсного состава в три этапа: первый - из емкости-источника газа с сифонной трубкой и запорно-пусковым устройством, заполненной предлагаемыми составами флегматизатора, ингибитора и целевой добавки, под предлагаемым давлением по сигналу пожарного извещателя подают не менее 0,3 части газовой или газожидкостной смеси в форкамеру смешения, содержащую при атмосферном давлении предлагаемые составы основного порошкообразного ингибитора горения, высокодисперсной добавки, целевой добавки для текучести и кремнийорганический гидрофобизатор, 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; второй - образованную первичную твердо-жидко-газофазную смесь через выпускной клапан перепускают в трубчатую испарительную камеру, где формируют газодисперсный поток; третий - газодисперсный поток из трубчатой испарительной камеры через выпускной клапан при объемном, площадном и/или объемно-локальном тушении направляют в сопловой блок с соплами, обеспечивающими скорость истечения потока огнетушащего газодисперсного состава в зону пожара не менее 79 м/с. Для осуществления способа предлагается модульное устройство. Изобретение обеспечивает применение состава, способа и устройства при температуре окружающей среды от -60°C до +50°C.
Названное техническое решение имеет следующие недостатки.
Известно (Тушение горючих жидкостей. http://www.ognivgorode.m/stati/pervaya-statya.html), что тушение пожаров горючих жидкостей в открытых емкостях с низкими бортами или проливов на поверхности пола (земли) порошковыми или жидкостными огнетушителями необходимо начинать наиболее широкой и насыщенной (эффективной) частью струи огнетушащего вещества, обеспечивающей требуемую огнетушащую концентрацию. Направлять струю огнетушащего вещества следует сначала на ближний борт или границу пролива (под углом от 15 до 60 градусов к поверхности горючего), стремясь подрезать пламя, оторвать его от горючего и избежать при этом разбрызгивания горящей жидкости, с последующим переносом струи огнетушащего вещества (по мере тушения) к дальней границе пролива. При близком подходе к очагу возможен выброс горючего мощной струей огнетушащего вещества, что может привести к увеличению размеров очага пожара или появлению новых очагов.
Учитывая приведенные научно обоснованные данные, можно сделать вывод, что подача газодисперсного состава на горящую поверхность должна производиться с минимальным динамическим воздействием на последнюю.
Сложность использования данного способа тушения заключается также в высокой скорости истечения (не менее 70 м/с) огнетушащего состава и его повышенной опасности для обслуживающего персонала.
Известны способ тушения пожара в резервуаре и устройство для его осуществления (Патент RU №2258549, МПК A62C 3/06 (2006.01), опубл. 20.08.2005).
В названном техническом решении огнетушащую смесь подают из плавающего в центре вышеуказанного 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.
Подачу струй ведут с разверткой на 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.
Соотношение масс между газовой и дисперсной фазами огнетушащей смеси находится в пределах от 0.2:1 до 15:1. В качестве газового 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 - галогеноуглеводород, а в качестве гетерогенного ингибитора горения используют огнетушащий порошковый состав на основе карбонатов и/или хлоридов и/или фосфатов щелочного и/или щелочно-земельного металла и/или аммония, или туманообразующий раствор орто-фосфорной кислоты.
Огнетушащее устройство для резервуаров с плавающей крышей или понтоном устанавливают в центре крыши или понтона. Емкость с огнетушащей смесью и системой ее подачи может быть размещена вне резервуара, в этом случае подачу огнетушащей смеси в зону пожара ведут через плавающий в центре резервуара распылитель, соединенный гибким трубопроводом с вышеуказанной емкостью.
Для снижения металлоемкости устройство для тушения пожаров в резервуарах с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями содержит емкость с герметичной крышкой и источником газа, обеспечивающим инжекцию дисперсного огнетушащего вещества, находящегося в вышеуказанной емкости, пускозапорное устройство и выходной трубопровод с сопловым распылителем, размещенным в верхней части резервуара над поверхностью жидкости, источник или источники газа связан(ы) через сифонную трубку или систему сифонных трубок с полостью емкости с дисперсным огнетушащим веществом, закрепленную(ых) в крышке, имеющей выходной трубопровод с площадью сечения, составляющей 5-20 суммарных сечений сифонных трубок.
3
Устройство выполнено с положительной плавучестью для жидкости с плотностью не менее 700 кг/м, обеспечивающей сопловому распылителю в дежурном режиме высоту размещения над поверхностью жидкости в резервуаре в пределах 0.01-0.05 диаметра резервуара. Оно содержит пускозапорное устройство, которое выполнено автоматическим и автономным.
Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает защиту резервуара в случае разрушения и затопления крыши. Способ неэффективен при тушении пожаров в резервуарах без плавающей крыши и не может применяться в резервуарах, не оборудованных стационарными кольцами орошения его стенок.
Известно (bent.ru>modules/Articles/article.php/ Глава 9. Тушение пожаров строительных материалов), что достоинством водо-галоидоуглеводородных эмульсий является то, что в них сочетается охлаждающее действие воды и ингибирующие свойства галоидуглеводородов. Однако такие составы имеют существенные недостатки, из которых основными являются трудность постоянного поддержания равномерной эмульсии воды с галоидоуглеводородом и высокая коррозионная активность. По этим причинам такие составы не нашли широкого применения.
Известен способ тушения пожара (Авторское свидетельство SU №1500322, МПК A62C 35/52, опубл. 15.08.1989), принятый за прототип заявляемого способа. Способ тушения пожара с использование порошка и воды заключается в параллельной подаче в спутном потоке порошковой струи и соприкасающейся с ней струи распыленной воды на горящую поверхность до пересечения с идентичными струями, подаваемыми с противоположной стороны. При этом за последовательным перемещением порошковых струй осуществляется перемещение распыленных струй воды.
-2
-1
Ранее было установлено (Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. - ГУГПС - ВНИИПО - МИПБ,1999, с. 18. Раздел. Применение других веществ и способов пожаротушения, п. 2.3.1.), что при тушении пожаров в резервуарах с вязкими и легкозастывающими продуктами (мазут, масла и нефть) возможно применение распыленной воды для охлаждения поверхностного слоя горящей жидкости до температуры, ниже их температуры вспышки. Необходимым условием тушения распыленной водой является низкая среднеобъемная температура горючего (ниже температуры вспышки). Интенсивность подачи распыленной воды следует принимать 0,2 л⋅м⋅с.
Ввиду того что пламя быстро распространяется над зеркалом горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, как было отмечено ранее, возможности отмеченного способа тушения распыленной струей воды ограничены.
Задачей заявляемого способа является повышение эффективности противопожарной защиты резервуаров для хранения жидких горючих веществ за счет одновременного воздействия на горящую поверхность огнетушащего порошка в виде порошковой струи из нанопорошка и соприкасающуюся с ней струю хладагента в виде пены.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в способе комбинированного тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, включающем в себя одновременную подачу в спутном потоке в зону горения огнетушащего порошка в виде огнетушащей порошковой струи и на поверхность горения струи хладагента, при этом в качестве огнетушащего порошка используют нанопорошок, которым производят ингибирование пожароопасной среды в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом, а в качестве хладагента используют пену.
Технический эффект, реализуемый заявляемым способом, обуславливается следующим.
Применение огнетушащего порошка, выполненного в виде нанопорошка в заявляемом способе, позволяет перейти на использование нового огнетушащего средства, обладающего значительным эффектом ингибирования химических реакций, обуславливающих развитие процесса горения.
Это подтверждается данными, представленными в работе (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 279), где отмечено, что огнетушащая способность порошков общего назначения повышается с увеличением их дисперсности (уменьшением размера частиц).
Известно (Нанопорошки.mht), что нанопорошки обладают огромной удельной поверхностью, а значит, и избыточной поверхностной энергией. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие. Поэтому применение нанопорошков в качестве огнетушащего порошка, по мнению автора, является наиболее перспективным ингибирующим средством при объемном тушении на пожароопасных объектах.
Создание в контролируемой зоне концентрации нанопорошка, достаточной для ингибирования пожароопасной среды в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом, позволяет повысить надежность тушения.
Использование в комбинированном способе тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей сочетания одновременной подачи в зону горения огнетушащего нанопорошка и на поверхность горения - струи хладагента в виде пены позволяет:
- произвести ингибирование пожароопасной среды в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом, повысить эффективность тушения на пожаровзрывоопасных объектах при возникновении чрезвычайной ситуации;
- осуществить подачу (слив) хладагента в виде струи пены на горящую поверхность. Причем пена растекается по поверхности и образует слой определенной толщины на всей площади горения гораздо медленнее, как было отмечено ранее, чем происходит ингибирование пожароопасной среды. Поэтому с целью исключения повторных возгораний ингибирование пожароопасной среды осуществляют в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом.
Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».
При определении соответствия отличительных признаков предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» был проанализирован уровень техники и, в частности, известные способы и устройства, относящиеся к микрокапсулированным огнегасящим агентам и способам разрушения оболочки микрокапсулированного огнегасящего агента.
Известна установка для тушения пожара в резервуаре (Авторское свидетельство SU №1248613, МПК A62C 35/50, опубл. 07.08.1986).
Установка содержит емкости для огнетушащего порошка, равномерно распределенные по коллектору связанные с ним трубопроводами с клапанами. Емкости соединены кольцевым трубопроводом с источником сжатого газа с запорной головкой. Распылители установлены вниз под определенным углом.
Установка монтируется на плавающей крыше резервуара с нефтепродуктами. Коллектор с распылителями установлен над кольцевым зазором.
Установка работает следующим образом.
При возникновении пожара от системы обнаружения пожара подается команда на открытие запорной головки, при этом газ из баллона по кольцевому трубопроводу поступает к емкостям. При нарастании давления в емкостях до рабочего открываются клапаны и газопорошковая смесь поступает по коллектору и распылителям в очаг пожара. При выбросе порошка из распылителей в кольцевом зазоре образуется вращающийся газопорошковый поток, обеспечивающий равномерное выпадение порошка по всей защищаемой зоне.
Однако применение этого способа тушения (Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. - ГУГПС - ВНИИПО -МИПБ,1999, с. 18. Раздел. Применение других веществ и способов пожаротушения, п. 2.3.1.) ограничено потому, что порошки не обладают охлаждающим действием. Поэтому после тушения пламени порошками возможно повторное воспламенение горючего. Чтобы это предотвратить, целесообразно применять комбинированные методы тушения, сочетая подачу огнетушащего порошка с подачей пенных средств.
Известен способ газодисперсного тушения пожаров и устройство для его осуществления (Патент RU №2370293, МПК A62C 5/00 (2006.01), A62C 13/20 (2006.01), A62D 1/06 (2006.01), опубл. 20.09.2009).
Изобретение относится к области противопожарной техники, предназначено для тушения пожаров классов А, В, С и электроустановок до 7000 В без участия человека и обеспечивает повышение эффективности тушения на опасных производствах угольной, горнорудной, химической, нефтяной, атомной промышленности, на транспорте, в промышленных зданиях и сооружениях, складских помещениях и гаражах, а также обеспечивает подавление дефлаграционного горения газовоздушных и газопылевых образований. Способ газодисперсного тушения легковоспламеняющихся жидкостей, горючих материалов и подавления дефлаграционного горения газопылевых и газовоздушных смесей производится путем подачи газодисперсного потока огнетушащего вещества из модульного устройства в зону пожара. Ингибирующую дисперсную фазу с ювенильной поверхностью и флегматизирующую дисперсионную среду вышеуказанного газодисперсного потока формируют из сверхкритического флюида, образованного в результате предлагаемых действий, включающих инициирование пироэлемента на запорно-пусковом устройстве параллельно с инициированием термохимического заряда и осуществляемых с помощью предлагаемого устройства.
Однако подача газодисперсного потока огнетушащего вещества из модульного устройства в зону пожара оказывает значительное динамическое воздействие непосредственно на зеркало горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в резервуаре, что приводит к интенсивному выбросу горящей жидкости из резервуара.
2
4
3
Известен способ порошкового пожаротушения (Патент RU №2419471, A62C 2/10, A62c 3/02 (2006.1), 2011), заключающийся в подаче огнетушащего порошка в очаг пожара. Тушение очага пожара производят комбинацией нанодисперсного порошка минеральной соли цезия CSSO и обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, например NaHCO, причем в качестве рабочего газа при эжектировании используют не только газ, но и газовзвесь обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, обеспечивая не только подсос нанопорошка, но и обволакивание частиц обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком.
Однако дальнейшее повышение эффективности этого способа порошкового пожаротушения ограничено тем, что:
2
4
3
- увеличение доли нанопорошка в составе комбинации нанопорошка и обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов приводит к резкому снижению суммарной насыпной массы указанного порошкового огнетушащего средства, что создает трудности по доставке комбинации нанодисперсного порошка минеральной соли цезия CSSO и обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов, например NaHCO;
- процесс создания при эжектировании комбинации нанопорошка и обычного порошка путем обволакивания частицами обычного порошка на основе минеральных солей щелочных металлов нанопорошком ограничен суммарной площадью поверхности обычного порошка - матрицы. В результате чего часть частиц нанопорошка при эжектировании будут «отскакивать от матрицы», не достигая при этом очага пожара при его подаче.
Кроме этого, как было отмечено ранее, применение только порошкового способа тушения для ликвидации пожара горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в хранилищах и резервуарах, а также крупных проливов нефтепродуктов, ограничено повторными возгораниями, возникающими после основного тушения порошком. Поэтому огнетушащие порошки в «чистом» виде не применяются для тушения горения этих жидкостей, для этого сочетают подачу огнетушащего порошка с подачей пенных средств.
Известны способ порошкового пожаротушения и устройство для его осуществления (Патент RU №2254156, МПК A62C 35/00, опубл. 20.06.2005)
Способ порошкового пожаротушения включает в себя подачу в защищаемый объем или на защищаемую площадь предварительно аэрированной газопорошковой смеси, содержащей огнетушащий порошок и флегматизирующий газ. Подачу аэрированной газопорошковой смеси осуществляют из рассредоточенных по защищаемому объему или над защищаемой площадью контейнеров с насадками-распылителями под давлением, преодолевающим тепловую депрессию пожара, со скоростью, превышающей скорость теплового потока от пожарной нагрузки, и организуют беспрепятственное истечение газопорошковой смеси в защищаемый объем или на защищаемую площадь.
Однако после тушения пламени аэрированной газопорошковой смесью возможно, как было отмечено ранее, повторное воспламенение горючей жидкости.
Известен способ тушения пожаров фонтанов на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах (Патент RU №2456433, кл. E21B 35/00 (2006.01), A62C 3/00 (2006.01), опубл. 20.07.2012).
Сущность данного технического решения заключается в тушении пожаров фонтанов на скважинах газоводяными струями, образованными подачей воды в струю выхлопных газов авиационного турбореактивного двигателя, смонтированного на передвижном средстве, и включает первоначальное охлаждение фонтанной арматуры, отсечку горящего фонтана от основания скважины и дальнейшее тушение фонтана. При этом одновременно с продолжением тушения фонтана газоводяными струями дополнительно осуществляют подачу в импульсном режиме огнетушащего порошка в зону фонтана над газоводяными струями. Подачу огнетушащего порошка осуществляют с той же позиции передвижного средства и в том же направлении, что и подачу газоводяных струй.
Однако, если применить в заявляемом способе подачу газоводяных струй огнетушащего вещества и подачу в импульсном режиме струи огнетушащего порошка в зону пожара из модульного устройства с использованием турбореактивного двигателя, то это комбинированное огнетушащее средство будет оказывать значительное динамическое воздействие непосредственно на зеркало горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в резервуаре, что приводит к интенсивному выбросу горящей жидкости из резервуара.
Известен способ защиты резервуаров с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями от взрыва и при пожаре, устройство для его осуществления (Патент RU №2334532, МПК A62C 3/06(2006.01), опубл. 10.05.2008)
Способ заключается в том, что из узла ввода сверху на внутреннюю стенку резервуара подают по меньшей мере две горизонтальные струи огнетушащего вещества - пены низкой кратности. Струи подают по стенке резервуара в одну сторону или одновременно по часовой и против часовой стрелки таким образом, чтобы оси струй не пересекались, при этом огнетушащее вещество подают с напором, обеспечивающим образование на стенке резервуара кольца из огнетушащего вещества. В качестве огнетушащего вещества используют пену низкой кратности или воду, а дополнительно к ним используют огнетушащий порошок, инертный газ, водяной пар; причем в резервуар подают один или одновременно несколько видов огнетушащих веществ. Способ осуществляют с помощью устройства с соответствующими узлом ввода огнетушащего вещества, с выходом в резервуар на одном конце и с крышкой на другом, и одним или более насадков для подачи огнетушащих веществ. Узел ввода выполнен в форме призмы с равнобедренной трапецией в основании, угол наклона боковых граней призмы, на которых закреплены насадки, выбран из условия направления струй по стенке резервуара. Узел ввода выполнен из материала с прочностными характеристиками, превышающими прочностные характеристики верхнего пояса резервуара, а крыша резервуара, крышка узла ввода и ее крепление к узлу выполнены из материала с разрушающими характеристиками ниже разрушающих характеристик стенок узла ввода и верхнего пояса резервуара.
Направление не менее чем двух горизонтальных струй огнетушащих веществ по стенке резервуара в одну сторону или одновременно по часовой и против часовой стрелки таким образом, чтобы оси струй не пересекались в горизонтальной плоскости, с напором, обеспечивающим образование на стенке резервуара кольца из огнетушащего вещества, является наиболее эффективным использованием струй для целей защиты резервуара от разрушения при взрыве и тушения находящейся в нем горючей жидкости. При подаче в резервуар в качестве огнетушащего вещества пены она стекает по стенке резервуара, охлаждая ее, и распределяется по всей поверхности горючей жидкости, образуя слой пены и пленку, которые отражают лучистую энергию пламени и изолируют поступление горючих паров жидкости в зону горения. При подаче воды происходит охлаждение стенок резервуара и разбавление водорастворимых горючих жидкостей до концентрации, не поддерживающей горение. При подаче порошка, инертных газов, водяного пара в зоне химической реакции горения горючих жидкостей создается среда, не поддерживающая горение. Для тушения пожара всегда подается пена низкой кратности или вода. Для обеспечения расчетного времени тушения пожара в резервуар подают дополнительные огнетушащие вещества, которые выбирают на стадии проектирования исходя из их огнетушащих способностей и экономической целесообразности, а также с учетом конструктивных особенностей резервуаров и других характеристик защищаемых объектов. Таким образом, обеспечивается охлаждение стенки резервуара по всей его окружности и создание в зоне химической реакции горения среды, не поддерживающей горение.
Данное техническое решение имеет следующие недостатки.
В качестве гетерогенного ингибитора горения в указанном способе защиты резервуаров используют огнетушащее порошкообразное вещество. В работах (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 114; Burke R., Van-tuggelen A. Bull. Soc. chim. Beige., 1965, v. 74, p. 26; Dewitte M. e. a. Comb. A. Flame, 1967, v. 8, p. 257) при рассмотрении тушащего действия порошков как результата гетерогенной рекомбинации активных частиц в пламени установлено следующее: применяемые на практике порошки (дисперсностью 20 мкм и выше) не успевают сколь-нибудь существенно нагреться, и поэтому не может быть речи об ингибировании в газовой фазе.
Отсюда следует, что пути повышения эффективности основного порошкообразного ингибитора горения в указанном способе тушения пожара исчерпаны. По мнению автора изобретения при выборе в дальнейшем основного порошкообразного ингибитора горения следует обратить внимание на использование для тушения огнетушащих порошков, выполненных в виде нанопорошков.
Анализ других технических решений показал, что известные способы и устройства не решают отмеченные ранее задачи, решаемые заявляемым техническим решением.
Примеры реализации заявляемого технического решения можно обосновать следующими общеизвестными сведениями из уровня техники.
Анализ полученных результатов (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 196) показал, что кинетика и механизм газофазных процессов в диффузионном пламени различных углеводородных горючих являются практически одинаковыми. Установлено также, что на восстановительной стороне пламени происходит пиролиз горючего, а соотношение между горючим и окислителем является близким к стехиометрическому.
В работе (Руководство по тушению нефти и нефтепродуктов в резервуарах и резервуарных парках. - ГУГПС - ВНИИПО - МИПБД999, с. 18. Раздел. Применение других веществ и способов пожаротушения, п. 2.3.1.) предложены следующие сочетания подачи порошков с подачей пенных средств:
- основное тушение пеной с дотушиванием порошком отдельных очагов горения;
- основное тушение порошком небольших очагов горения, затем подача пены для предотвращения повторного воспламенения.
Интенсивность во всех случаях такая же, как и при индивидуальном использовании этих веществ.
В работе (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 188) отмечено, что известны различные способы пожаротушения, которые можно классифицировать по виду используемых огнетушащих веществ (составов), методу их применения (подачи), окружающей обстановке, назначению и т.д. Пожаротушение подразделяется, прежде всего, на поверхностное, заключающееся в подаче огнетушащих веществ непосредственно на очаг горения, и объемное, заключающееся в создании в районе пожара среды, не поддерживающей горение.
В заявляемом техническом решении применен комбинированный способ тушения, сочетающий поверхностное и объемное пожаротушение.
Известно (csu-konda-mp4.ru/sentyabr 2012/nov/102.doc. Раздел: п. 10.2. Тушение ЛВЖ и ГЖ в резервуарных парках), что по характеру прогрева у поверхности все ЛВЖ-ГЖ можно разделить на две группы. Первая группа, у которой температура в слое почти не меняется (спирты, ацетон бензол, керосин, дизельное топливо и др.), а на поверхности горения устанавливается температура, близкая к температуре кипения. Вторая группа (сырая нефть, бензин, мазут и др.) - при длительном горении у поверхности образуется кипящий слой.
Бывают случаи, когда нет слоя воды, но она имеется в виде эмульсии в самой горючей жидкости. При уменьшении вязкости верхнего слоя нефти капли воды опускаются вглубь и накапливаются там, где вязкость нефти еще велика. Одновременно капли воды нагреваются и закипают. Пары воды вспенивают нефть, которая переливается через борт и происходит вскипание (т.е. вскипание воды, содержащейся в нефти). Вскипание возникает раньше, чем выброс.
Ранее было установлено (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е переработанное. М., Химия,. 1979, с. 73), что к достоинствам пены относится тот факт, что в отличие от ряда других огнетушащих составов для поверхностного тушения пена не требует одновременно перекрытия всего зеркала (площади) горения.
По результатам экспериментов установлено (Автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему: Разработка устройства для подачи огнетушащего вещества в слой горючей жидкости при тушении пожаров в вертикальном стальном резервуаре. Кокорин Вячеслав Викторович. Диссертации в Техносфере: http://tekhnosfera.com/tushenie-smesevyh-topliv-v-rezervuarah-podachey-peny-pod-sloy-goryuchego#ixzz3oitxt8P9), что время тушения пожара в резервуарах реальных размеров при подаче пены в слой горючей жидкости зависит от интенсивности подачи огнетушащего вещества, высоты ввода пены в резервуар, свойств жидкости, а также числа высоконапорных пеногенераторов, задействованных при тушении пожара. При подаче пены в резервуары одинакового объема время подъема пены по нефти значительно превышает время подъема по бензину. Объем емкости оказывает существенное влияние на результаты исследований в разных горючих жидкостях.
В работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е переработанное. М., Химия,. 1979, с. 77) отмечено, что причинами, обуславливающими увеличение расхода пены на единицу площади очага пожара с увеличением интенсивности ее подачи, являются механические трудности распределения пены на площади очага пожара и специфические трудности растекания пены по поверхности горючего. При тушении очага пожара большой площади возможности равномерного распределения пены довольно ограничены, поэтому возникает проблема равномерного распределения пены по всей поверхности без ее перерасхода. Вторая причина связана с тем, что пена в спокойном состоянии и при движении имеет различные физические свойства. Изолирующая способность пены, находящейся в движении, уменьшается. В спокойном статическом состоянии пена создает «уплотненный» слой, однако переход к статическому состоянию происходит во времени. Период этого перехода достигает 20 с.
В заявляемом комбинированном способе пожаротушения это явление, связанное с растеканием пены по горящей поверхности, учтено при создании модели тушения горения горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в хранилищах и резервуарах, а также крупных проливов нефтепродуктов.
Среди существующих средств пожаротушения - водных, пенных, газовых, аэрозольных и порошковых, порошковые имеют ряд принципиально важных преимуществ (http://www.tungus.net/ Преимущества порошковых средств пожаротушения). Они универсальны, имеют высокую эффективность и невысокую стоимость. В отличие от систем объемного пожаротушения (газового, аэрозольного) для них не требуется обеспечение условий герметичности защищаемых объектов и трубной разводки для подачи внутрь защищаемого объекта огнетушащего порошка, а в отличие от водных и пенных они имеют значительно более широкий диапазон температурного использования (особенно в области низких температур) и длительный срок эксплуатации. При этом они не причиняют значительного ущерба для окружающих предметов, не содержат в своем составе токсичных веществ и могут использоваться практически на любых объектах.
Поэтому именно порошковые огнетушители являются наиболее распространенным средством тушения очагов пожара и составляют свыше 80% от всех выпускаемых в мире огнетушителей.
Известно применение порошков на основе минеральных солей щелочных металлов и аэрозольные составы (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 291-292, 310-333). Указанные составы способны тушить пожары классов A1, А2 и B1, В2 (см. там же). Принцип тушения этими составами заключается в создании облака газовзвеси (аэрозоля) порошков в защищаемых объектах. Эти составы являются удовлетворительными средствами пожаротушения и широко применяются на практике. Они подаются в очаг пожара или в защищаемый объем путем пневматического выдавливания из герметичных сосудов с помощью газа под давлением или путем сжигания заряда аэрозолеобразующего состава (АОС).
Недостатками этих составов и способов их использования являются невысокая огнетушащая способность, склонность к слеживанию и комкованию, а также неудобствами применения, связанными с их быстрым оседанием и с проблемами создания равномерной концентрации из-за сравнительно высокой крупности частиц обычных порошков (дисперсность ~ 70-80 мкм).
В работе (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 117) отмечено, что огнетушащая эффективность некоторых порошков в ряде случае выше, чем бромхладонов.
В работе (М.Е. Краснянский. Порошковое пожаротушение.mht) отмечено, что ряд авторов предлагают получить порошковый аэрозоль непосредственно в очаге горения за счет терморазложения специальных неорганических смесей. Преимущество такого способа - малый размер образующихся частиц и «свежая» (ювинальная) их поверхность, имеющая высокую химическую активность. Недостатки - сложная технология, очень высокая стоимость.
В работе (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 288) отмечено, что в соответствии с эксперементальными данными установлено, что аэрозольный огнетушащий состав с размером около 1 мкм втрое эффективнее, чем порошки с размером около 10 мкм. В таких условиях можно полагать, что полное испарение частиц не происходит и частицы остаются в основном твердыми. В этом случае повышение поверхности твердых частиц с увеличением дисперсности порошка играет важную роль.
Установлено (Сабинин О.Ю. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин О.Ю.; [Место защиты: Акад. гос. противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), что для обеспечения эффективного функционирования систем порошкового пожаротушения дисперсный состав применяемых порошков должен быть специально подобран в зависимости от техники, в которой он будет применяться. В этом, возможно, имеется значительный резерв в повышении эффективности порошкового пожаротушения.
Отсюда можно сделать вывод, что дальнейшее повышение эффективности современных огнетушащих порошков лежит в применении нанопорошков, обладающих значительным ингибирующим воздействием на пламя.
По данным, приведенным в (Нанопорошки. Назначение, свойства, производство. Нанотехнологии.mht), выпускаемая в настоящее время почти половина нанопорошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «на-но», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм.
2
Особенностью нанопорошков является огромная удельная поверхность, а значит, и избыточная поверхностная энергия. Например, если говорят, что нанопорошок обладает удельной поверхностью порядка 100 м/г - это значит, что поверхность частиц такого порошка с массой 1 г можно сравнивать по площади с трехкомнатной квартирой. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие, именно поэтому нанопорошки часто применяют в качестве катализаторов (Нанопорошки. Назначение, свойства, производство. Нанотехнологии.mht).
Следует отметить, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения, и чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.
Поэтому, по мнению автора, оптимальным размер частиц нанопорошка должен быть от 5 до 30 нм с учетом существующего уровня производства названных материалов. В дальнейшем с учетом развития производства нанопорошков следует переходить на применение нанопорошков размером частиц менее 5 нм.
Отличительным свойством названных порошков является возможность манипулирования с ними: нанопорошки можно сыпать, уплотнять, разрыхлять, склеивать и даже заставить течь. Отдельную наночастицу можно сравнивать с отдельной личностью, а нанопорошок - с толпой. Сама по себе частица - интересная, уникальная, особенная. Она характеризуется определенным химическим составом, твердостью, плотностью, электропроводностью, магнитными свойствами, гигроскопичностью и т.п. Наряду со свойствами вещества при описании частицы говорят о размере, форме, шероховатости поверхности, химическом составе поверхностного слоя, химическом составе слоев адсобированных веществ, смачиваемости, диэлектрической проницаемости и растворимости поверхностного слоя (Нанопорошки. mht).
В работе (Сабинин О.Ю. Обоснование зависимости огнетушащей способности порошковых составов от их характеристик и параметров подачи импульсными модулями // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. - 2006. - №6. с. 126-132) отмечено, что при импульсной подаче огнетушащего состава в очаг горения, помимо обычного тушащего воздействия, масса огнетушащего состава оказывает дополнительное воздействие за счет своих кинетических параметров. Только посредством увеличения скорости порошковой струи можно в 2-3 раза повысить эффективность применения огнетушащего порошкового состава для тушения пожаров, что и наблюдается в механизме действия импульсных модулей.
При создании настоящего изобретения было учтено то, что возможности повышения огнетушащей способности порошков для объемного пожаротушения далеко не исчерпаны. В частности, анализ современных теоретических представлений о механизмах порошкового пожаротушения показал большую перспективу применения огнетушащих нанопорошков при объемном пожаротушении. Одним из путей этого применение является создание современных автоматических установок пожаротушения с использованием заявляемого технического решения.
Как показывает анализ научной литературы (Сабинин Олег Юрьевич. Оптимальные характеристики огнетушащих порошков и параметры их подачи для импульсных модулей порошкового пожаротушения: диссертация кандидата технических наук: 05.26.03 / Сабинин Олег Юрьевич; [Место защиты: Акад. гос. противопожарной службы МЧС России]. - Москва, 2008. - 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/300), в настоящее время в достаточной степени не определены и научно не обоснованы требования к химическому и дисперсному составу огнетушащих порошков в зависимости от области их применения, в частности для использования их в импульсных порошковых модулях.
Исходя из приведенных научных данных и исследованного уровня техники, связанных с практическим применением способов комбинированного тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, можно сделать следующие предположения.
1. Наиболее перспективным способом тушения горения горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в хранилищах и резервуарах, а также крупных проливов нефтепродуктов являются комбинированный способ тушения, сочетающий объемное тушение нанопорошком, с помощью которого производят ингибирование пожароопасной среды в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом и тушения пеной путем слива ее на отдельные участки горящей поверхности.
Это подтверждается данными, приведенными в книге (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 196), где отмечено, что тормозящее действие ингибиторов горения связано с гибелью той части активных центров, которая соответствует их сверхравновесному содержанию. При снижении концентрации активных центров до равновесной гибель их в реакции с ингибитором становится затруднительной, поскольку убыль активных центров компенсируется поступлением новых в результате термической диссоциации. Поэтому окончательное прекращение горения, как правило, достигается при одновременном торможении реакции и охлаждении (например, при разбавлении зоны реакции избытком летучего ингибитора) реагирующей горючей смеси.
2. Используя огромную удельную поверхность нанопорошков, можно значительно повысить эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошки самым активным образом влияют на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.
3. Доставка нанопорошков непосредственно в очаг пожара с помощью импульсных средств в необходимые (расчетные) зоны интенсивного горения позволяет снизить эффект отбрасывания восходящими конвективными потоками сверхлегких частиц, выполненных в виде нанопорошка, и облегчить их доступ к активным центрам горения.
На чертежах представлена схема реализации заявляемого комбинированного тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей.
На фиг. 1 - общий вид (в разрезе) схемы реализации заявляемого комбинированного тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей и размещения устройства для тушения пожара на защищаемом резервуаре в момент одновременной подачи в спутном потоке в зону горения огнетушащего порошка в виде огнетушащей порошковой струи из нанопорошка и на поверхность горения струи хладагента в виде пены, на фиг. 2 – то же, вид сверху (вид А).
Защищаемый резервуар 1 заполнен легковоспламеняющейся жидкостью 2 (фиг. 1). На стенке резервуара 1 на кронштейне 3 установлено устройство 4 для тушения пожара. На устройстве 4 размещены модули пожаротушения 5 и 6.
Модуль 5 смонтирован на поворотной платформе 7 и предназначен для импульсной подачи огнетушащего порошка в зону горения 8 в виде огнетушащей порошковой струи 9 из нанопорошка.
Модуль 6 смонтирован на поворотной платформе 10 и предназначен для подачи хладагента, выполненного в виде струи 11 пены на горящую поверхность 12.
Поворотные платформы 7 и 10 обеспечивают быструю доставку нанопорошка и пены в очаг пожара путем ориентации модулей 5 и 6 в контролируемую зону. На фиг. 1 и фиг. 2 направление движения устройства 4 и поворотных платформ 7 и 10 показаны стрелками. Тем самым обеспечивается изменение направления движения струй 9 и 11.
Заявляемый способ реализуется следующим образом (фиг. 2).
При возникновении пожара в резервуаре 1 на поверхности 12 легковоспламеняющейся жидкости 2 в контролируемой зоне происходит обнаружение загорания, после чего осуществляется одновременный автоматический запуск модулей 5 и 6.
Следует отметить, что для реализации заявляемого технического решения наиболее перспективным исполнением модулей 5 и 6 является, по мнению автора изобретения, использование их в виде самонаводящихся устройств (А.И. Веселое, Л.М. Мешман. Автоматическая пожаро- и взрывозащита предприятий химической и нефтехимической промышленности. М., «Химия», 1975, с. 213), действующих по определенному алгоритму, по которому каждая зона возможного очага горения на поверхности легковоспламеняющейся жидкости будет «пристреляна». При этом оператор тушения может вмешаться в процесс тушения в любой момент при аномальном развитии пожара и перейти на ручное управление модулями 5 и 6. Сам оператор тушения размещается на безопасном расстоянии, обеспечивающем визуальный контроль за процессом тушения.
Модуль 5 производит импульсную подачу огнетушащего порошка в зону горения в виде огнетушащей порошковой струи 9 из нанопорошка.
Нанопорошок, поступая в зону горения, образует порошковое облако из мельчайших частиц наноразмерных порошков, в результате чего происходит процесс ингибирования химических реакций в пламени (в основном в газовой фазе). Это соответствует данным, приведенным в книге (А.Н. Баратов, Е.Н. Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Издание 2-е, переработанное. - М.: издательство «Химия», 1979, с. 113).
Используя огромную удельную поверхность нанопорошка, значительно повышается эффективность объемного пожаротушения за счет того, что нанопорошок самым активным образом влияет на процесс ингибирования химических реакций в зоне горения. При этом чем меньше будет размер частиц нанопорошка, тем активнее будет происходить этот процесс.
Подача нанопорошка осуществляется в течение времени, необходимого для полного покрытия поверхности горения хладагентом. После этого исчезает возможность образования повторных очагов возгорания и пожар будет потушен полностью.
Модуль 6 производит подачу (слив) струи 11 в виде пены на горящую поверхность 12, в результате чего пена растекается по последней и образует слой 13 определенной толщины на всей площади горения в соответствии с ранее опубликованными данными в книге (Баратов А.Н. Горение-Пожар-Взрыв-Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004 с. 229).
Заявляемый способ тушения может быть использован при аномальном развитии пожара в хранилищах и резервуарах, а также крупных проливов нефтепродуктов.
В этом случае импульсная подача огнетушащего порошка в зону горения в виде огнетушащей порошковой струи 9 из нанопорошка позволяет на какое-то время «сбить» пламя в контролируемой зоне, что позволит вовремя осуществить пенную «атаку» путем подачи (слива) хладагента в виде струи пены 11 на горящую поверхность 12.
Применение заявляемого комбинированного способа тушения пожаров горючих и легковоспламеняющихся жидкостей позволяет повысить эффективность тушения на пожаровзрывоопасных объектах при возникновении чрезвычайной ситуации.
/56/ Авторское свидетельство SU №1500322, МПК A62C 35/52, опубл. 15.08.1989.