关键词：干粉灭火剂；临界粒径；灭火效能

干粉灭火剂由灭火组分（基料）、改进其物理性能的添加剂（防结块剂、流动促进剂等）及其他辅料组成。灭火时，灭火组分微粒在火焰中发生气化分解，分解产物迅速捕获燃烧自由基，终止燃烧链，抑制燃烧。

对于同一种干粉灭火剂，灭火组分含量及其粒度分布是直接影响其灭火效能的重要指标。国内外干粉灭火剂标准中也都规定了灭火组分含量及其粒度分布的要求。

但是，灭火组分含量及其粒度分布基本相同的不同干粉灭火剂，灭火效能有时会有很大差异，其原因主要是每种灭火组分化合物都存在一上限粒径，即临界粒径，小于临界粒径的粒子起主要灭火作用，大于临界粒径的灭火组分粒子粒径太大，不能在火焰中发生气化、分解，基本不起灭火作用。显然，灭火组份粉碎特性好，产生的临界粒径之内的粒子比例高，有利于发挥灭火作用。如ABC干粉灭火剂，主要灭火组分为磷酸二氢铵。据资料显示，磷酸二氢铵的临界粒径为0.030mm，粒径≤0.030mm的磷酸二氢铵粒子起化学灭火作用，只有控制≤0.030mm磷酸二氢铵粒子含量才能真正起到控制灭火效能的作用。笔者针对粒径与灭火效能之间的关系进行实验研究及理论分析。

一、灭火组份的临界粒径

1.1临界粒径的实验研究

（1）样品的制备。收集并制备已知灭火组分及其含量的干粉灭火剂样品，按照灭火组分的临界粒径用相应分样筛进行分离，分别测试分离后得到的临界粒径以下及以上的粉末的灭火组分含量，使用小型灭火装置分别测试以上不同粒径及含量的各种粉末的灭火浓度，最终获得干粉灭火剂粒度分布、灭火组分总含量及其临界粒径以下灭火组分含量与灭火浓度的对应关系。

（2）小型灭火装置的研制。GB4066-2017《干粉灭火剂》中的灭火试验方法是将3kg干粉灭火剂充装在3kg干粉灭火器中，灭火人员手持灭火器扑救直径为1750mm的油盘火灾，火焰全部熄灭为合格。不同厂家不同质量的干粉灭火剂样品灭火试验的灭火剂使用量相同，火灾模型既灭火油盘的尺寸也相同。该方法只能判定灭火结果是否合格，却无法比较不同样品灭火结果的差异，且该方法灭火剂使用量大，油盘尺寸大，燃料使用量多，污染大，不利于节能环保；实验时由灭火人员手持灭火器进行灭火，需要灭火人员具有娴熟的灭火技术和丰富的灭火经验，否则同样的灭火剂会有不同的灭火结果。

笔者采用一种可定量测试干粉灭火剂灭火效能的小型灭火装置，该装置可量化干粉灭火剂的灭火效能，可以更直观地比较不同灭火剂灭火效能的好坏，自动化程度高，不会产生人为误差，结果准确可靠。而且使用该装置每次试验灭火剂用量仅需几克，燃料使用量也很少，且灭火空间小，使用便捷，符合节能环保的需求。灭火实验装置，如图1所示。

（3）实验过程与结果。选取6种ABC干粉灭火剂，首先进行含量、粒度分布的测试，然后使用上述小型装置进行灭火实验，实验结果如表1 ~表6所示。 

表1~表6数据说明，粒径≥0.040mm粒子的灭火效能与粒子中的NH₄H₂PO₄含量关系不大；干粉灭火剂灭火效能与粒度分布和底盘粒子中的NH₄H₂PO₄含量直接相关。选取粒径小于0.030mm的不同含量的样品进行实验，结果如表7所示。 

表7数据说明，低于临界粒径的粒子灭火效能与粒子中的NH₄H₂PO₄含量有关，含量越大，灭火时灭火剂用量越少，灭火效能越高。选取含量相近、粒径不同的样品进行实验，结果如图2所示。

由图2可知，NH₄H₂PO₄的灭火效能在粒径为0.030mm处出现突越，粒径＜0.030mm时曲线接近一条直线，灭火效能基本相同，而曲线在粒径0.030mm处出现骤变，灭火效能急剧下降，粒径0.040mm处灭火效能变化又趋于平缓。由此可见，0.030mm为磷酸铵盐的临界粒径。 

不同化合物的临界粒径是不同的，如NH₄H₂PO₄的临界粒径为30μm，灭火浓度为59mg/L，灭火效能（灭火浓度的倒数）为169×10^-4。(NH₄)₂SO₄、NaHCO₃、K₂SO₄、KHCO₃、NaCl、KCl的临界粒径依次为30、16、16、20、20、20μm，灭火浓度依次为218、50、34、35、50、51mg/L，灭火效能依次为45.9×10^-4、200×10^-4、294×10^-4、289×10^-4、200×10^-4、196×10^-4。

二、临界粒径对灭火效能影响的理论分析

2.1临界粒径以下粒子的灭火作用

以灭正庚烷火为例，粒径≤30μm的NH₄H₂PO₄粒子在火焰中完全分解气化，吸收大量的热能转化为潜能，火焰温度骤降，瞬时灭火。

NH₄H₂PO₄的分解反应，见式（1）。

NH₄H₂PO₄（C_xr）=HPO₃（g）+NH₃（g）+H₂O（g）     （1）

根据热力学第一定律，计算灭火过程中的热效应。燃烧反应放出的燃烧热与产物从T₀（298K）绝热升温至T_Li（2165K）吸收的热量之差是燃烧反应放出的总燃烧能，该值与NH₄H₂PO₄升温、分解和气化等过程中吸收的热量相等。

灭火浓度C_xr的计算，见式（2）。

C_xr=（M_ei×M×1000）/26.5                     （2）

式中：M_ei=A/Σ(ΔH_j)；M_ei为NH₄H₂PO₄的灭火浓度，mol/mol；C_xr为NH₄H₂PO₄的灭火浓度，mg/L；M为NH₄H₂PO₄的相对分子质量，g/mol；A为系数，正庚烷取值1614；ΔH为焓变，J/mol。

根据式（2）计算，NH₄H₂PO₄灭火浓度应为50mg/L，实际测试值为54mg/L，实测灭火浓度高出计算灭火浓度8%，两者基本符合。其他化合物的灭火浓度测试值与计算值,见表8所示。

对于A类火灾，如木材、纸张等固体火，粒径≤30μm的NH₄H₂PO₄分解产生酸性气体，扩散到燃烧表面，窒息灭火。同时，强酸性化合物使木垛燃烧面炭化，燃点升高，提高了防复燃能力。反应式见式（3）～式（5）所示。

NH₄H₂PO₄——→H₃PO₄+H₂O                    （3）

2H₃PO₄——→H₄P₂O₇+H₂O                     （4）

H₄P₂O₇——→2HPO₃ ＋H₂O                   （5） 

NaHCO₃、KHCO₃、NaCl以及KHCO₃与尿素的加合物制备出的干粉灭火剂都不能灭A类火，但分别添加10%、15%、7%和30%的红磷后都具有了灭木材火的灭火作用。显然，是因为添加红磷后分解产生了强酸性化合物，从而具有了灭木材火的作用。硫酸铵盐灭B类火效能相当于磷酸铵盐的25%，两者灭木垛火效能却相近，硫酸铵盐灭火用量20.2g/m²，磷酸铵盐是17.5g/m²。说明灭木垛火能力与分解产生的强酸性化合物密切相关。实验证明，粒径＞30μm的NH₄H₂PO₄粒子灭木垛火，即使加大灭火用量，木垛依然燃烧，发红发亮，一旦停止喷粉，立即复燃，显现不出明显的灭火作用。

由此可知，无论是灭A类火或灭B类火，NH₄H₂PO₄首先受热分解，才能表现出灭火作用。

2.2临界粒径以上粒子的灭火作用

对粒径为40～119μm的多种化合物的灭火效能进行测试，KHCO3的灭火效能是45.8×10^-4,而KHCO3临界粒径以下粒子灭火效能是289×10^-4,前者为后者的15.8%。NaHCO₃、KCl和NH₄H₂PO₄临界粒径以上灭火效能相当临界粒径以下的1/5～1/8。小于临界粒径粒子与大于临界粒径粒子灭火效能相差悬殊，表明其灭火机理互不相同。

CaCO₃、SiO₂和Al₂O₃是惰性的，而40μm的CaCO₃、SiO₂和Al₂O₃的灭火效能比40μm的KI、KBr和KCl的灭火效能还要高，40μm的NH₄H₂PO₄和NaHCO₃灭火效能处于40μm的SiO₂和Al₂O₃之间。表明临界粒径以上灭火组份的灭火机理与惰性组分是一样的，不同于临界粒径以下的小粒子，由于粒径大，在火焰中几乎不发生分解、气化等反应，而是在灭火过程从火焰中吸热升温，热量以热穴形式储存在粒子中，灭火效能与粒子热容相关。

粒子在火焰中的停留时间取常数，粒子粒径与粒子升高的温度成指数关系，随着粒径增大，温度减小。即只有临界粒径以下的粒子才能达到分解温度，临界粒径以上粒子由于粒径大而达不到分解温度。因此，大粒子在火焰中几乎不会发生分解。

综上所述，干粉灭火剂的灭火组份只有在分解后才能发挥灭火作用，而只有小于临界粒径的粒子才能分解气化。因此，在干粉灭火剂生产过程中应严格控制小于临界粒径以下的灭火组份含量，以确保灭火组份的灭火效能。

三、临界粒径以下粒子最佳比例

3.1粒子分布对灭火效能的影响

虽然只有临界粒径以下粒子（小粒子）才能真正起到灭火作用，但是在实际灭火过程中，灭火剂中只有小粒子时灭火效果不一定最好，而是需要一定量的大粒子作为载体才能达到最好的灭火效果。

干粉灭火剂从喷嘴喷射出来，向灭火对象运动过程中，会有部分小粒子偏析出来，散失到环境中，起不到灭火作用。而气粉喷出喷嘴的运动中，气体受到载体粒子的阻挡，流动状态发生变化，粒子表面气体的边界层剥离，形成旋涡，部分小粒子随之进入漩涡，随气体向灭火对象运动，不再发生偏析现象。载体粒子的动量越大，小粒子在惯性力的作用下，越不易偏析出来。喷射压力增大，载体粒子产生的漩涡速率增大，夹带走的小粒子量增多同时，小粒子动量增大，在惯性力的作用下，偏析量减少。小粒子散失量与干粉灭火剂大、小粒子的粒度分布密切相关，其间存在着小粒子最佳比值，这时小粒子的散失量最少。

以磷酸铵盐干粉灭火剂灭木垛火为例。将干粉灭火剂中NH₄H₂PO₄小粒子的质量分数X与灭火时灭火剂用量绘制曲线，如图3所示。实验表明，NH₄H₂PO₄小粒子质量分数的变化对灭火效能影响很大。

曲线最低点处X为0.45，灭火用量约50g，X增至0.6，灭火用量约100g，约是最低点的2倍。曲线最低点X值是一特定值，称为小粒子最佳比X_A。

如果干粉灭火剂中小粒子所占的质量分数太大，则载体粒子就会减小，造成部分小粒子无法在大粒子的带动下达到灭火对象，从而增大了灭火剂的灭火用量。

3.2小粒子最佳比的计算

小粒子最佳比与喷射压力无关，与载体的种类和质量分数无关，而与载体粒径加权平均值平方的倒数成线性关系，数学表达见式（6）、式（7）。

X_A=0.0673[10⁴/(S_A)²]+0.332             （6）

S_A=∫Sdx                              （7）

式中：S_A为载体粒径加权平均值；S为载体粒度分布；X为载体粒子的质量分数。

小粒子最佳比计算举例，见表4所示。 

四、结束语

干粉灭火剂中只有小于临界粒径的灭火组份才能充分分解，真正起到灭火作用，而大粒子起到载体作用，夹带小粒子到达灭火对象，必须严格控制干粉灭火剂中大、小粒子的比例，使其达到最好的灭火效果。

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本文主要内容来自于：李姝（公安部天津消防研究所，天津300382）

中图分类号：X924.4，TQ569文献标志码：B        文章编号：1009-0029（2018）07-0954-04

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