АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ (АОС) И СРЕДСТВО ОБЪЕМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
AEROSOL-FORMING COMPOSITION (AFC) AND TOTAL SATURATION AGENT

Изобретение относится к области объемного пожаротушения, в частности к аэрозольобразующим огнетушащим составам и к средствам объемного пожаротушения, предназначенным для локализации и тушения пожаров легковоспламеняющихся и горючих жидких (бензин и другие нефтепродукты, органические растворители и т.п.) и твердых материалов (древесина, изоляционные материалы, пластмассы и др.), а также электрооборудования (силовые и высоковольтные установки, бытовая и промышленная электроника и т.п.), в которых применен предложенный АОС.
Подавляющее большинство аэрозольобразующих составов (АОС) при эксплуатации обнаруживают 2 существенных недостатка: относительно высокую температуру продуктов сгорания, т.е. выделяемого огнетушащего аэрозоля (800-2000°С) при приемлемой огнетушащей эффективности, и близкое к предельно-допустимому содержание токсичных газообразных продуктов сгорания, таких как монооксид углерода (СО), оксиды азота (NO, NO2) и аммиак (NH3). Высокая температура горения и продуктов сгорания АОС с одной стороны обусловлена использованием активных окислителей и одновременно поставщиков огнетушащих агентов - в основном это нитраты и перхлораты калия, натрия и др. С другой стороны - применением высокотеплотворных горючих из ряда углеводородных соединений (фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы и др.) и самого углерода. Горение таких АОС на воздухе сопровождается интенсивным свечением (пламенем) горячих газов и раскаленных частиц, которые оказывают значительное термическое воздействие на окружающую среду.
Это исключает применение АОС в замкнутых и полузамкнутых объемах и помещениях, для которых собственно они и предназначены, т.к. огнетушащий эффект создается путем накопления аэрозоля до определенных огнетушащих концентраций (20-50 г/куб.м в пересчете на массу сгоревшего АОС).
2
3
На практике таблетку АОС помещают в металлическую или иную оболочку (генератор), содержащую узел запуска и охлаждающие элементы в виде сеток, решеток, пластин, гранул и т.п., которые отнимают тепло и снижают температуру выделяющегося аэрозоля. Это приводит, с одной стороны, к удержанию (сепарации) активных частиц аэрозоля на охладителе и снижению эффективности генератора огнетушащего аэрозоля (ГОА) до 70-150 г/куб.м, а с другой - к снижению полноты протекания окислительно-восстановительных реакций за счет снижения температуры реагирующих соединений и исключения участия в реакциях кислорода воздуха, т.е. к «замораживанию» продуктов неполного окисления-восстановления, а также к существенному увеличению концентрации токсичных газов (СО, NO, NO, NH). Это резко ограничивает возможность применения ГОА в помещениях, где возможно даже кратковременное пребывание людей, таких как склады материальных ценностей, помещения для установки энергетического оборудования и т.п. Наряду с этим увеличиваются массогабаритные характеристики огнетушащего устройства, т.к. вместо компактной таблетки АОС появляется генератор - массивная оболочка с охладителем.
Тем не менее, имея высокую эффективность тушения, данные ГОА обладают комплексом существенных недостатков: высокую температуру нагрева корпуса после срабатывания шашки (более 1000°С); взрывоопасность во время длительного хранения;
высокую стоимость корпуса, часто превышающую стоимость заряда.
Известны попытки изготовить устройство для предотвращения и тушения возгораний (пожаров) в замкнутых объемах, представляющие собой спрессованные таблетки из АОС диаметром от 8 мм и высотой 11-12 мм (мини ГОА), которые применяются без корпуса и дополнительных устройств(SU 1764213).
Однако такая конструкция устройства мини-ГОА малоэффективна для предотвращения (флегментации) возгорания, вследствие срабатывания АОС только при образовавшемся пламени или высокой температуре, что приводит к оплавлению элементов, находящихся рядом с очагом возгорания, например в электрических устройствах, и/или отдельных электрических элементах электрического оборудования, что, в свою очередь, может привести к возгоранию этих соседних элементов, плохо сказываясь на безопасности в целом.
Кроме этого, отсутствие узла пуска АОС, преобразующее электрический, тепловой или иной сигнал в энергию, необходимую для воспламенения АОС при приведении известного устройства в действие, делает его работу менее эффективной.
2
Решению вышеперечисленных проблем посвящено достаточно много исследований и разработок. Известно о применении в АОС катализаторов и ингибиторов горения, позволяющих уменьшить содержание токсичных газов и снизить температуру продуктов сгорания (патент РФ 2091106). В качестве катализаторов горения авторы использовали оксиды, карбонаты и другие соединения железа, меди, никеля, кобальта, марганца, хрома или цинка и их смеси, а в качестве ингибиторов горения - неорганические или органические фосфоро- и азотсодержащие соединения, гидроксиды, карбонаты, бораты металлов или триоксид алюминия или их смеси. Оптимальное содержание катализаторов в АОС составляло 05-5,0 мас.%, т.к. содержание менее 0,5% неэффективно, а более 5% - каталитическое действие достигает насыщения. Содержание от 5 до 10 мас.% ингибитора существенно уменьшало протяженность пламени, а содержание от 15 до 20 мас.% практически переводило горение АОС в стадию беспламенной газификации. Содержание свыше 20 мас.% ингибитора ухудшало воспламеняемость АОС. Аэрозольобразующую основу АОС составляли нитрат калия, углерод и пластифицированные производные целлюлозы. Расчетные температуры горения АОС составляли 530-1230°С, показатель избытка окислителя - 0,6-0,8 от оптимального (требуемого для полного окисления), огнетушащая эффективность при горении на воздухе составляла 15-40 г/куб.м, содержание токсичных газов: СО - 0,01-0,02 объемн.%, NO и NO - 50-115 мг/куб.м. Следует заметить, что применение оксидов железа и меди в качестве катализаторов окислительно-восстановительных реакций при столь низких показателях избытка окислителя малоэффективно, а применение в качестве ингибиторов азотсодержащих соединений, в т.ч. солей аммония, разлагающихся с выделением аммиака, не способствует улучшению токсикологических показателей.
2
3
2
3
2
3
Известно о применении в АОС охладителя, катализатора окислительно-восстановительных процессов, дополнительного горючего и металлов: алюминия и/или магния (патент РФ 2193429). В качестве охладителя авторы использовали оксид, гидроксид алюминия, алюмосиликат или их смесь в количестве 1,5-6,0 мас.%, в качестве катализатора - оксиды железа и меди в количестве 0,05-5,0 мас.%, в качестве дополнительного горючего - азотсодержащие соединения в количестве 3-25 мас.%. Аэрозольобразующую основу составляли нитраты и/или перхлораты калия или натрия и идитол (феноло-формальдегидная смола). Содержание охладителя в пределах 1,5-60,0 мас.% придавало горению АОС малопламенный характер, а в пределах 15-130 мас.% - беспламенный. Огнетушащая эффективность АОС составляла 15-122 г/куб.м. При испытании АОС в генераторе, содержащем в качестве охладителя гранулы цеолита и обеспечивающем тушение всех модельных очагов горения, температура аэрозоля на выходе из генератора составила 338°С, при этом наблюдались искры и пламя. Содержание токсичных газов составило: СО - 0,15-0,17 объемн.%, NO и NO - более 300 мг/куб.м, NH - 550 мг/ куб.м. При испытании одного из образцов АОС в генераторе без цеолита также наблюдались искры и свечение аэрозоля, а содержание токсичных газов составило: СО - 0,25 объемн.%, NO и NO - 150 мг/куб.м, NH - 320 мг/ куб.м. При испытании того же образца АОС вне генератора на открытом воздухе содержание токсичных газов составило: СО - 0,05 объемн.%, NO и NO - 220 мг/куб.м, NH - 150 мг/ куб.м. Представленные авторами данные свидетельствуют о том, что при горении в генераторе АОС явно не хватает окислителя и он пересыщен соединениями азота.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является создание АОС с приемлемой огнетушащей эффективностью и ГОА для предотвращения и тушения локальных возгораний, которые не содержали бы указанных недостатков.
Технический результат, достигаемый при реализации данной задачи, заключается в уменьшении веса и размеров генератора, исключении из конструкции жесткого корпуса, легкости обработки после использования при высокой эффективности предотвращения и тушения возгораний за счет изготовления бескорпусных ГОА с зарядом АОС, имеющего высокую огнетушащую эффективность, срабатывание при невысоких температурах, низкое содержание токсичных газов после срабатывания и значительно сниженной температурой продуктов сгорания за счет введения в состав большого количества охладителя, который также является доокислителем токсичных газов при горении состава, что позволяет использовать такой АОС в качестве самостоятельного ГОА без корпуса и устанавливаемый в практически любом месте, что приводит к повышению безопасности в целом и расширению области применимости таких ГОА при простоте изготовления ГОА и его низкой стоимости.
Данные технические результаты достигаются тем, что в АОС, содержащий нитраты и/или перхлораты калия или натрия и горючее-связующее идитол (феноло-формальдегидная смола), и дициандиамид, дополнительно введены доокислители токсичных газов, образующихся в процессе горения состава и одновременно выполняющие функции охлаждающих добавок. Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: идитол - 1,5-18,0; дициандиамид (ДЦДА) - 3-25; доокислители - 5,5-25; нитрат калия - остальное.
2
3
В качестве доокислителей выбраны порошкообразные оксид железа (FeO) и/или оксид меди (СuО).
Также указанные технические результаты достигаются применением предложенного состава как средство объемного пожаротушения, предназначенного для предотвращения и тушения локальных возгораний. Здесь и далее под средством объемного пожаротушения понимаются как бескорпусной генератор огнетушащего аэрозоля, которое представляет собой прессованный аэрозольобразующий элемент в виде таблеток требуемых размеров и формы, содержащий нитрат и/или перхлорат калия или натрия и идитол, и дициандиамид, при этом согласно предложенному изобретению в состав дополнительно введены доокислители токсичных газов, одновременно выполняющие функции охлаждающих добавок, так и генераторы огнезащитного аэрозоля, в конструкции которых использован огнетушащий заряд из предложенного АОС.
Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: идитол - 1,5-18,0; дициандиамид (ДЦДА) - 3-25; доокислители - 5,5-25; нитрат калия - остальное.
2
3
В качестве доокислителей выбраны порошкообразные оксид железа (FeO) и/или оксид меди (СuО). Общеизвестно, что указанные соединения помимо каталитической активности в окислительно-восстановительных реакциях сами могут выполнять роль окислителя, восстанавливаясь до низших окислов или до металлов.
Основными «поставщиками» монооксида углерода при горении АОС являются т.н. реакции «генераторного» и «водяного газа»:
2
2С+O+2СО
2
2
С+НO=СО+Н
А также реакции восстановления диоксида углерода:
2
СO+С=2СО
2
2
2
СO+Н=СО+НO
Реакция восстановления СО углеродом при температурах до 400-450°С практически не протекает (сдвинута влево), но при температурах 800°С и выше степень превращения в СО достигает 90%. Поэтому необходимо снижать температуру продуктов сгорания АОС до значений 400-450°С. Реакция «водяного газа» является эндотермической, т.е. протекает с поглощением тепла, поэтому для ее торможения также необходимо снижать температуру продуктов сгорания.
Реакции восстановления оксида железа до металла хорошо известны из металлургии, в них участвуют такие продукты горения АОС, как углерод (С) и монооксид углерода:
2
2
FeO3+CO=2FeO+CO
2
FeO+CO=Fe+CO
2
3
2
2FeO+3C=4Fe+3CO
Таким образом, оксид железа при температурах горения АОС является активным доокислителем токсичного монооксида углерода. Из неорганической химии также известна реакция превращения оксида железа в присутствии нитрата калия в сильнейший окислитель:
2
3
3
2
4
2
2
FeO+4KOH+3KNO=2KFeO+3KNO+2HO
Образующийся феррат калия по своей окисляющей способности превосходит даже широко известный перманганат калия. Из неорганической и аналитической химии также хорошо известна окисляющая способность оксида меди:
2
2CuO+C+CO+2Cu
2
2
CuO+H+HO+Cu
3
2
2
3CuO+2NH=N+3Cu+3HO
Последняя реакция должна способствовать снижению содержания аммиака в продуктах сгорания АОС.
Благодаря высоким значениям плотности, теплопроводности и теплоемкости относительно других продуктов сгорания АОС исходные оксиды железа и меди и восстановленные из них металлы остаются в зоне горения таблетки АОС в виде разогретых шлаков, тем самым снижая температуру уходящего аэрозоля.
Проведена серия опытов и испытаний образцов АОС с доокислителями, изготавливая различные средства объемного пожаротушения, предотвращающие и тушащие локальные возгорания.
Элементы состава смешивали в порошкообразном состоянии для последующего глухого прессования аэрозольобразующих элементов в виде таблеток требуемых размеров и формы в зависимости от объема тушения. При этом таблетки использовались самостоятельно в виде средств объемного пожаротушения и в генераторах огнетушащего аэрозоля.
Принцип действия всех устройств основан на ингибировании химических процессов горения высокодисперсными частицами солей щелочных металлов, выделяющимися при сгорании аэрозолеобразующего заряда, и способными находиться во взвешенном состоянии в воздухе длительное время, препятствуя возгоранию.
Огнетушащий аэрозоль химически нейтрален, является диэлектриком, при рабочих концентрациях не токсичен.
При срабатывании АОС концентрация кислорода в защищаемом помещении не уменьшается.
Для оценки возможности локального тушения внутрь корпуса электрического оборудования (на примере средств железнодорожной автоматики - реле типа АОШ2-180/0.45) помещался безкорпусной мини-генератор (весом несколько граммов - до 30-50 г) огнетушащего аэрозоля, который срабатывает при аномальном повышении температуры и создает среду, препятствующую горению.
Было изготовлено бескорпусное средство объемного пожаротушения с массой заряда 1 г (диаметр заряда 10 мм; высота 8 мм). Мини-устройство наклеивались на внутреннюю поверхность защитного корпуса реле через теплозащитную прокладку (бумага Fiberfrax) толщиной 1 мм.
В свободный объем реле (катушки и контактная группа были удалены) вносился небольшой факел, от которого запускался инициатор горения (термошнур - температура воспламенения 172°С), обеспечивающий инициирование АОС.
Созданное устройством аэрозольное облако прерывало пламенное горение факела за время, не превышающее 10 с.
Другим примером исследования предложенного состава были испытания на генераторе «Пурга К-02» с мраморной крошкой в качестве охладителя. Результаты испытаний представлены в таблице.
Результаты испытаний генератора «Пурга К-02»
Показатель
Значения показателя для образцов АОС
1
2
3
4
5
6
7
Допустимые значения показателя
1. Содержание компонентов, мас.%
Нитрат калия
77
76,5
59
59
59
59
64
Идитол
10
8
7
7
7
7
8
ДЦДА
11
10
9
9
9
9
8
Оксид железа
1
5,5
20
15
25
0
20
Оксид меди
1
0
5
10
0
25
0
2. Коэфф-т избытка окислителя
0,87
0,93
0,91
0,91
0,91
0,91
0,93
3. Огнетушащая эфф-сть в ГОА, г/куб.м
70
90
150
150
150
150
130
до 200
4. Температура выходящего аэрозоля, °С
600
400
320
350
300
350
380
до 400
5. Содержание токсичных газов
СО, объемн.%
0,60
0,45
0,25
0,30
0,20
0,35
0,25
до 0,45
NO и NO<sub>2</sub>, мг/куб.м
более 300
200
80
40
100
25
100
до 300
NH<sub>3</sub>, мг/куб.м
более 500
215
180
140
200
80
200
до 500