高分子水凝膠滅火劑撲滅西南松樹林火災試驗研究*

黃淙葆,代張音,陳有成,蒙文富

(貴州大學 礦業學院,貴州 貴陽 550025)

0 引言

西南林區是我國第2大天然林區,也是我國乃至全球生物多樣性豐富的重點保護地區之一,還是我國重要的水源涵養地和物種基因庫,為我國西南地區生態保護工作提供安全保障[1]。近年來,受氣候變暖的影響,西南林區火災呈高發態勢,數據顯示,2010-2020年間,我國共計發生森林火災39 040起,主要分布在四川、貴州等西南地區[2]。由于西南地區森林中云南松等松樹的松節油含量高,燃點低,在干燥的天氣環境下,遇到火星極易引發燃燒,一旦火勢蔓延,形成大規模山火,將造成十分嚴重的后果[3]。因此,根據西南地區松樹林的火災特點,優選高效、環保的滅火介質作為森林火災的滅火劑,最大限度地控制和減小火災規模,對于保障人員和財產安全及降低經濟損失具有重要意義。

目前,森林火災主要以水作為滅火介質展開撲救工作,在不同地形環境、不同類型及不同氣候條件的森林火災中,水一直是最優先考慮的滅火劑[4]。云南、廣西等地區擁有豐富的水資源,森林火災大多開展以水滅火的撲救方法[5]。鐘委等[6]開展細水霧幕對頂棚射流火焰的抑制效果試驗,發現細水霧在適當工作壓力下能有效降低火焰溫度,抑制火焰長度增長;羅振敏等[7]發現鉀鹽添加劑能夠提高細水霧的滅火效率,而鉀鹽添加劑細水霧復合惰性氣體滅火效果較單一組分細水霧有顯著提升。由此,不少學者開始對泡沫滅火劑、水和水添加劑等滅火劑的滅火效能展開研究,許多新型滅火劑也逐漸取代水進行森林火災的撲救工作。Rappsilber等[8]研究發現,在撲滅混合材料燃燒火災時,壓縮A類泡沫滅火劑比水和普通滅火介質能更有效地抑制火災;楊丙杰[9]發現將添加劑用于自動噴水滅火技術后,可改善并提高水在可燃物表面的黏附能力,火勢的增長和蔓延得到明顯控制。綜上所述,以水作為滅火介質對森林火災進行撲救的方法已被廣泛接受和認可,用水滅火能達到降溫的效果,但由于水在燃燒物上的流動性高,停留時間極短,在實際操作過程中易出現供水不足、利用率較低等問題,對水資源的利用會造成一定程度的浪費[10]。同時,泡沫滅火劑雖然在某些方面提升滅火表現,但對于水的利用率提高并不顯著,加之松樹木材燃點低,若受風力影響,火焰熄滅后極易復燃,常見的泡沫滅火劑對于抑制明火熄滅后的復燃仍存在一定局限性[11]。因此,當前需要尋求1種能有效改善水和泡沫滅火劑不足的新型滅火劑,用于撲滅西南地區松樹林火災。水凝膠作為高分子量聚合物,能夠吸收大量液體,具有水的高比熱容等優勢,其在滅火時可以在可燃物表面形成1層穩定附著的隔離薄膜,不僅能降低可燃物溫度和隔絕氧氣,同時可改善水附著力弱、難以長時間覆蓋可燃物表面等缺點,還能有效防止復燃,基于上述特點,水凝膠被廣泛用于防火和滅火[12]。然而,目前水凝膠用于撲救森林火災方面的研究較少,缺乏對其滅火性能的相關討論,對于高分子水凝膠作為滅火劑撲滅西南地區松樹林火災還有待進一步完善。

因此,本文利用滅火劑噴放裝置,在室外進行滅火試驗,搭建松木垛燃燒平臺模擬西南林區松樹燃燒,研究松木自由燃燒特性,測試常用A類泡沫滅火劑和高分子水凝膠滅火劑在室外木垛火中的滅火效果,對比探究2種滅火劑對松木室外燃燒的滅火供給強度、失控抑制效能、降溫速率,以期為西南地區松樹林木地帶滅火技術設計提供試驗數據支撐和理論參考。

1 滅火試驗設計

1.1 試驗裝置

滅火試驗在由警戒線圍成的5 m×7.5 m(長×寬)室外空曠場地內進行,試驗裝置包括100 L泡沫罐、空氣壓縮機、壓力計、泡沫噴放槍、直徑1 000 mm的K型熱電偶、數據采集器、高清攝像機、油盤(長×寬×高為53 cm×53 cm×10 cm)、金屬支架、木垛、水凝膠噴放系統、計時器等。數據采集器每5 s采集1次溫度,K型熱電偶溫度測量范圍0～1 300 ℃,以0.16 m高度間隔分布,從下至上編號為T1～T8,如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

通過文獻調研和實地勘察發現西南地區森林火災主要發生在地理條件較為干旱的云南松、馬尾松等林木地帶中,故本試驗選取松木條作為燃燒原材料,使用的木垛為方形木堆,由112根木條(長×寬×高為4 cm×4 cm×64 cm)搭建而成,分層疊放,共16層,每層7根,木條經過高溫干燥處理,其含水率保持在10%～14%,且木材密度保持在0.45～0.55 g/cm3。試驗中,使用無鉛汽油作為燃料,采用底部油盤火引燃木垛,在木垛中心線上分別布置熱電偶記錄溫度變化。

1.2 試驗材料

試驗所使用的泡沫滅火劑主要成分是阻燃劑、發泡劑、滲透劑等多種物質;水凝膠滅火劑主要成分為木質纖維素、氟碳類表面活性劑等多種物質。水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑的凝固點≤-30 ℃,pH值在6.0～9.5之間,無腐蝕性,符合標準,抗凍結、融化性測試顯示無可見分層且非均相,毒性趨于0。根據前人研究發現,當混合比在0.2%～0.5%范圍內時,常用A類泡沫滅火劑滅A類火會有較好的滅火效果,其中在0.3%和0.5%的混合比參數下性能最優[13]。因此,本文試驗按照劑水混合比0.3%和0.5%將水凝膠粉末、A類泡沫液分別與水混合形成滅火劑溶液。

1.3 試驗步驟及工況設置

每次試驗開始前先向油盤內倒入清水和無鉛汽油作為燃料,同時將按照比例混合好的滅火劑溶液倒入泡沫罐中,組裝好各個儀器并測試無誤之后,開始點火,利用點火器引燃油盤,視頻記錄下木垛燃燒狀態,觀察木垛中8根熱電偶的溫度變化,以木垛從點燃到自由燃燒直至熄滅作為空白對照組。觀察熱電偶溫度達到最高溫度后不再上升,以及木垛燃燒至其質量減少到原始質量的50%時,說明其達到穩定的熱釋放速率狀態,預燃結束。隨后,調節壓縮機向泡沫罐里輸送的氣壓,打開泡沫罐閥門,以相同噴放速率釋放水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑,從木垛正面,在距離木垛不小于1.8 m處噴放滅火劑,然后逐漸將噴射槍對準木垛殘余火苗處,在木垛頂部、底部、側面等噴射,且不能在木垛的背面噴射,直至完全撲滅明火,最終統計滅火劑用量。如果明火熄滅后10 min內沒有再燃,則記錄為滅火成功。試驗工況設置如表1所示。

表1 試驗工況設置Table 1 Test conditions setting

2 試驗結果與討論

2.1 松木燃燒特性試驗過程

以工況1為例,松木木垛從點火到熄滅過程依次為引燃階段、火焰蔓延發展階段、穩定燃燒階段、火焰衰減階段、陰燃階段5個階段。在沒有滅火劑的作用下,木垛會相繼發生火焰持續蔓延、閃燃、火焰急劇失控等現象。工況1下木垛燃燒失控過程如圖2所示。

圖2 工況1試驗過程Fig.2 Test process of condition 1

工況1木垛熱電偶溫度變化如圖3所示。在開始引燃階段,松木受到油盤持續加熱,木材表面附著水分最先被蒸發掉,觀察到木垛中的熱電偶溫度最高達到近600 ℃,松木因可燃物細胞內及細胞壁之間的水分和纖維素結合水汽化出現分裂,內部一些成分進行熱分解,釋放出大量可燃有機氣體和焦油等。溫度超過200 ℃時,木材開始炭化,木垛在加熱過程中產生的可燃氣體在內部積聚,伴隨閃燃現象,火焰出現瞬時增大。當積聚的氣體超過一定含量后,受到室外環境風的影響,向周圍彌漫出大量可燃有機氣體,可燃氣體遇到高溫燃燒,木垛出現急劇燃燒失控狀態,出現劇烈的產熱、產氣行為,可見強烈明火及大量煙氣在四周噴出,引起環境溫度的明顯升高。木垛由每根木條用鐵釘固定而成,受到火焰高溫燃燒不會很快坍塌。當熱電偶溫度上升到900 ℃左右時,木垛進入穩定燃燒階段。此后,木垛結構逐漸被破壞,火焰開始衰減,直到木材有機成分完全分解。明火消失,進入陰燃階段。

注:Ⅰ-引燃階段;Ⅱ-火焰蔓延發展階段;Ⅲ-穩定燃燒階段;Ⅳ-火焰衰減階段;Ⅴ-陰燃階段。圖3 工況1溫度變化Fig.3 Temperature change of condition 1

2.2 泡沫滅火劑滅火試驗研究

選取工況2下泡沫滅火劑滅火試驗分析,工況2試驗過程如圖4所示。木垛在365 s時進入穩定燃燒階段,受到環境風突變影響,412 s時火焰急劇失控,在425 s時噴放泡沫滅火劑,持續噴放148 s后明火消失,木垛內部還殘留著一些可燃有機氣體,木材表面冒著火星,但無明火。

根據工況2以及工況1木垛中心熱電偶T3與木垛上方熱電偶T5～T8平均溫度變化繪制曲線進行對比,溫度變化如圖5所示。工況2中木垛在365 s時進入穩定燃燒階段,溫度持續上升,達到900 ℃時,室外環境下木垛開始急劇失控,火焰羽流因風力的變化而傾斜,425 s時噴放泡沫滅火劑,明火消失后即停止施加滅火劑時,T3溫度從最高溫度897 ℃降到225 ℃,T5～T8平均溫度從最高溫度600 ℃降到203 ℃。結束泡沫滅火劑噴放后,T3溫度為100 ℃附近波動,之后緩慢下降至室溫,T5～T8平均溫度逐漸降低,最終與T3處溫度一致,未出現明火。同時由圖5可知,在經歷148 s的泡沫滅火劑噴放后,工況2木垛中心熱電偶T3溫度與工況1中T3峰值溫度918 ℃相比大幅降低,說明泡沫滅火劑可有效降低室外木垛急劇失控峰值溫度。

圖5 工況2溫度變化Fig.5 Temperature change of condition 2

2.3 水凝膠滅火劑試驗研究

工況3試驗過程如圖6所示。木垛在322 s時進入穩定燃燒階段,405 s時木垛火開始急劇失控,在420 s時噴放水凝膠滅火劑,持續噴放120 s后明火消失。結束水凝膠噴放后進入陰燃階段,木垛產生大量水蒸氣及白煙,但未發生復燃。

圖6 工況3試驗過程Fig.6 Test process of condition 3

工況3和工況1的溫度變化對比如圖7所示。工況3木垛在350 s時中心熱電偶T3溫度達到900 ℃以上,伴隨著閃燃現象,在405 s時進入急劇失控階段,436 s時噴放水凝膠,明火消失后,此時工況3的T3溫度迅速從最高溫度892 ℃降到350 ℃,木垛上方T5～T8溫度在水凝膠噴放結束后由最高溫度655 ℃降至210 ℃。停止水凝膠噴放后,木垛內部和上端溫度緩慢下降,停止試驗時溫度穩定在36 ℃,低于松木復燃溫度條件,由此得出水凝膠能快速抑制木垛燃燒急劇失控,且熄滅后未發生復燃。

圖7 工況3溫度變化Fig.7 Temperature change of condition 3

2.4 泡沫滅火劑與水凝膠滅火效能分析

由于溫度采集器每5 s采集1次溫度,通過計算5 s內的溫度變化得出對應的降溫速率。因此,根據利用水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑分別滅火時木垛中心T3熱電偶的溫度變化數據,在每條溫度曲線上進行線性擬合得出降溫速率,以測試不同混合比下2種滅火劑的冷卻效率,結果如圖8所示。

圖8 工況2～工況5溫度變化速率Fig.8 Temperature change rates from condition 2 to condition 5

由圖8(a)可知,工況2的降溫速率最高為7.8 ℃/s,工況3的降溫速率最高為9 ℃/s,且工況2從428 s開始降溫至降溫速率達到最高值,所需時間為20 s;工況3從420 s開始降溫至降溫速率達到最高值的時間間隔為30 s,這說明水凝膠對松木火災降溫速率優于泡沫滅火劑。在結束滅火劑噴放后,工況3的升溫速率最高為0.8 ℃/s,工況2的升溫速率最高為1.6 ℃/s,且升溫持續時間較長。由圖8(b)可知,工況4的降溫速率最高為6.9 ℃/s,而工況5的降溫速率最高為9.8 ℃/s,比工況4最大降溫速率增加約42%,結束滅火劑噴放后,工況4的升溫速率最高1.8 ℃/s,工況5的升溫速率最大為0.9 ℃/s。工況2～工況5的試驗數據對比如表2所示。

由表2可知,相較于泡沫滅火劑,水凝膠滅火劑降低木垛中心溫度的幅度更大,結束釋放水凝膠后的升溫速率較低,2種滅火劑在陰燃階段沒有出現復燃現象。由此可以證明水凝膠滅火劑對松木垛室外燃燒失控的阻斷效果優于泡沫滅火劑。分析其原因,相比于泡沫滅火劑,高分子水凝膠具有較強的保水性和吸水性,致使水凝膠顆粒分子中蘊含的水分子較多,遇到火焰不容易被快速且完全蒸發掉,以至于有足夠多完整的水凝膠顆粒穿透火焰羽流到達木垛內部燃燒物,從而能夠產生大量水蒸氣包裹木垛內部,實現冷卻窒息。此外,高分子水凝膠還具有極強的黏附性,水凝膠顆粒會黏附在木材表面,包裹住可燃物,使可燃物與氧氣等可燃氣體之間形成1層薄膜,達到隔氧窒息效果,對其進行持續性降溫,而常用的泡沫滅火劑揮發速度快,黏附性低,缺乏持續性,無法達到這種效果。因此,在后續的滅火過程中,水凝膠滅火劑降溫速率優于普通泡沫滅火劑。

2.5 滅火供給強度分析

滅火劑的理論用量一般可由式(1)計算[14-15]:

Q=Aqt

(1)

式中:A為火場冷卻或著火面積,m2;q為供給強度,L/(s·m2);t為滅火劑噴放時長,s。

根據上述試驗中統計的滅火劑用量數據記錄,撲滅1次木垛火,消耗水凝膠滅火劑的平均用量為20 L,泡沫滅火劑平均用量為28 L;2組利用高分子水凝膠滅木垛火實驗的滅火總時間平均為150 s,而2組利用泡沫滅火劑滅木垛火實驗的滅火總時間平均為180 s。滅火面積木垛的5個表面面積總和,不包括木垛的背面,即為2.05 m2。由式(1)推算出滅火強度q水凝膠≈0.065 L/(s·m2),q泡沫≈0.075 L/(s·m2)。

查閱相關資料可知,用水撲救木材類火災時,火場理論滅火供水強度由火場熱流密度式(2)確定,其中木材的火場熱流密度Q火=2.3×105J/(s·m2)[16]。

(2)

式中:q供給為由火場熱流密度確定的供水強度,L/(s·m2);Q水為水的吸熱能力,J/L;η為噴射器具的供水效率,%。

計算得到利用直流水槍滅火強度一般為0.12 L/(s·m2)。若以1棵表面積約為150 m2的松樹為參照,持續滅火1 min,所需水1 080 L,所需普通泡沫滅火劑675 L,而所需水凝膠滅火劑僅為585 L。在相同工況條件下,所需水凝膠滅火劑約為所需水量的54%,約為所需泡沫滅火劑用量的87%,體現高分子水凝膠滅火劑高效的滅火性能。

3 討論

在松木垛燃燒滅火試驗研究中,水凝膠滅火劑和泡沫滅火劑基于混合比、噴射速率與噴射方式相同的情況下,水凝膠滅火劑的滅火效能優于泡沫滅火劑,尤其是滅火時間、滅火劑耗量等效能指標具有直觀上的明顯差異,適當的混合比對滅火效能有提升作用,而水凝膠滅火劑具有極強的潤濕性和黏附性,在隔熱冷卻和抗復燃效果方面突出。目前,不少學者研究證實水凝膠由于其高含水量、柔軟性等性質而被廣泛應用于制造滅火或防火材料[17],將凝膠型滅火劑與水、干粉等滅火劑進行滅木材火、燃油火、煤自燃的對比研究時,凝膠型滅火劑展現出優異的滅火效能[18-19]。雖然凝膠型滅火劑在相關領域內得到諸多關注和研究,但仍缺乏對其他類型滅火劑的對比分析。對此,本文選用撲滅建筑火災、木結構火災中常用的A類泡沫滅火劑作對比,從混合比方面更深入地探討水凝膠滅火劑與A類滅火劑的綜合滅火效能,優選出適合西南地區松樹林火災的滅火劑。同時,以滅火劑供應強度量化森林火災場景,構建火災場景與滅火劑用量間的定量關系,為森林火災地帶滅火技術設計提供試驗數據支撐和理論參考。

由于試驗木垛與真實森林火災場景存在一定差別?；谏鲜鼍窒扌?對于森林火災的研究,未來研究中應從環境方面考慮溫度、風、地形及濕度等因素對林火的影響,同時還要實地調查研究區域的樹木種類、形態規格、含水率等性質特點,模擬真實情景下的林火燃燒蔓延。而在森林滅火劑方面,除了混合比之外,還應對比分析釋放壓力、噴射方式、泡沫生成系統等滅火工況對滅火效能的提升,綜合考察森林滅火劑的滅火效能。因此,在今后工作中應加快對森林滅火劑和森林火災模擬的研究,為森林滅火劑的性能綜合評估準則提供全面的技術支持。

4 結論

1)松木木垛燃燒試驗過程主要分為引燃階段、火焰蔓延發展階段、穩定燃燒階段、火焰衰減階段、陰燃階段5個階段。在火勢蔓延發展及穩定燃燒階段,木垛火在室外燃燒時會出現閃燃與急劇失控現象,火焰瞬時增大。

2)對于室外燃燒松木垛火急劇失控行為,水凝膠出色的吸熱作用能快速熄滅火焰,而泡沫滅火劑無法有效阻斷火焰失控。木垛內部溫度在泡沫滅火劑結束噴放時維持在100 ℃左右,且部分工況溫度會達到159 ℃,接近復燃臨界點;在結束水凝膠噴放時,木垛中心溫度降至室溫左右,且結束噴放后木垛內部與表面溫度始終低于復燃臨界溫度。

3)在相同混合比及噴放速率下,水凝膠對松木垛的降溫速率均高于普通泡沫滅火劑的降溫速率,冷卻效果較優,水凝膠依據其保水性和黏附性,能快速抑制木垛內部熱流傳導。

4)在相同工況試驗條件下,水凝膠滅松木垛火的用量較少,對于表面積150 m2的松樹,在相同條件下,水凝膠滅火劑用量僅為所需水量的54%,約為所需泡沫滅火劑用量的87%。