汽油火灾烟气净化碱性发泡液的性能及应用实验

张 乐 田世祥 吴爱军 向 银

（1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.贵州大学矿业学院 贵阳 550025）

汽油易燃烧、易蒸发、有毒性，能使火灾疾速蔓延，汽油火灾危害性大。当汽油燃烧时，火焰会立即垂直向上攀升并产生气柱，卷吸周围空气加速燃烧，随后向四周蔓延并产生大量黑烟。如果在隧道中发生汽油火灾，高温有毒的黑烟将会对被困人员的生命安全造成极大威胁，也会影响能见度从而降低救援速度和自救可能性［1］。针对汽油火灾产生的黑烟，采取有效的消烟措施是十分必要的。

当前国内外常用的火灾烟气控制方法有细水雾消烟［2］、通风排烟［3-4］、降温消烟灭火弹［5］和静电消烟［6］等。目前这些火灾烟气治理方法存在一定缺陷。在细水雾技术中，当水滴粒径极小时，水雾受火场气流影响发生飘移现象，会导致火区隔绝氧气作用减弱，灭火净烟效果差。自然排烟技术受限于环境条件和建筑物自身的密闭性。机械排烟技术虽然克服了自然排烟易受外界环境干扰的缺陷，但是建设成本和维修费用高，对设备耐温性要求高，在火灾猛烈阶段排烟效果不理想。现有的降温消烟灭火弹，受实际灭火环境的影响，有着灭火净烟效果不理想、机动性差、灭火成本高和安全性低等缺陷。静电消烟在实际应用中并未推广，因为其在实际火场的相对大空间应用效果较差，且在火场上高压操作会对消防员和被困群众的生命构成威胁［6］。因此，需要一种针对汽油火灾烟气的消烟新工艺。本研究将文献［7］提出的泡泡除尘消烟技术应用于净化汽油火灾烟气。

为能快速净化火场烟气，必须针对火灾烟气特点配置发泡液，且要求所生成的泡泡不仅可以吸附烟气固体颗粒、冷却高温蒸汽，还能中和火灾产生的毒气。因此，发泡液的配置是火灾烟气净化的核心与关键问题。由于火灾中释放出的有毒气体如一氧化碳、氰化氢、二氧化硫和氮氧化物多为酸性，其中二氧化硫和氮氧化物能与水蒸气结合生成硫酸、硝酸，故在发泡液中加入碱性无机盐使泡泡可以中和酸性毒气。

基于上述有关汽油烟气净化思路，本文主要研究：（1）分析碱性无机盐添加剂对发泡液性能的影响，选配出具有良好的发泡性、稳泡性的二元发泡液；（2）发泡液对汽油燃烧残留物润湿性的影响；（3）用自制烟气收集净化装置和实验室模拟隧道环境测试碱性发泡液的净烟效果。

1 泡泡消烟原理

如图1所示，离散型泡泡消烟法含碰撞、捕捉、吸附、润湿与沉降等过程［8］。将一定质量浓度表面活性剂与水配制成泡泡液，通过发泡机向烟气喷射大量泡泡，泡泡与悬浮在烟气中的固体和液体颗粒状物质发生碰撞，碰撞过程中泡泡将烟气颗粒捕捉、吸附于泡泡表面，泡泡液浸润烟气颗粒，颗粒物被润湿后重量增加与泡泡一同沉降至地面，最终达到净化烟气、减少火场有毒气体含量、增大火灾现场能见度、增加火灾现场逃生与救援机会的目的。

图1 泡泡消烟原理图Fig.1 Schematic diagram of bubble fume elimination

2 材料及方法

2.1 实验材料

碱性发泡液的组成为水、表面活性剂、碱性添加剂。选用亚硫酸钠（Na2SO3）、硫代硫酸钠（Na2S2O3）、碳酸氢钠（NaHCO3）和氢氧化钠（NaOH）4种碱性物质作为碱性添加剂。为减少离子对溶液性能的影响，本文选用的是含Na无机盐。其中Na2SO3属于强碱弱酸盐，在水中电离为弱碱性，能与NO2发生反应，从而吸收NO2。Na2S2O3能和游离的氰离子相结合，使氰化物变为无毒的硫氰酸盐。碳酸氢钠受热分解是吸热过程，能降低火场温度，分解为水、碳酸钠和二氧化碳，是干粉灭火器的主要灭火材料。NaOH是强碱，具有碱的一切通性，作为3种弱碱的对比组。碱性添加剂的质量分数设置为：0.04%，0.08%，0.40%，0.80%，1.00%和3.00%。根据相关文献调研和单体表面活性剂泡沫性能预备实验结果，选用具有良好缓蚀性能、温和不含硅油等刺激性成分、发泡性能好的月桂酰两性基二乙酸二钠（LAD）（C20H38N2Na2O6）作为表面活性剂配制成质量分数1% 的LAD水溶液进行本次实验。LAD作为两性离子表面活性剂，其亲水基中既有阴离子特征羧基 COOH，也有阳离子特征氮鎓离子N+，而亲油基主要为十一烷基。

2.2 性能参数测试

用BZY-201自动表面张力仪测定发泡液的表面张力；用PH818酸碱检测计测量发泡液的pH值；用NDJ-1S数显黏度计传感器检测发泡液的黏度；采用改进Ross-mile法测定发泡液泡沫性能［9］；用CCZ1000浓度测量仪（苏州亿利安机电科技有限公司）测量烟气浓度，现场直接读数，恒流取样，测量仅与被测介质的质量有关，不受颗粒的粒径、成分、颜色及分散状态等因素的影响。基于性能分析选配出具有良好发泡性和稳泡性的二元发泡液。

2.3 汽油燃烧残留物沉降实验

由于汽油中大多数有机物为疏水性质，所以一般用水雾除尘效果很差。加入表面活性剂的发泡液能改善泡泡的性质，使得烟气颗粒可快速被润湿。烟气颗粒仅吸附于泡泡而未被润湿会继续停留在空中，因此只有烟气颗粒被润湿了才会随着泡泡沉降，达到消烟的目的。采用德拉弗斯实验法［10］记录汽油燃烧残留物在发泡液中的沉降时间。取汽油30 mL于容器中，放在方形金属罩容器内燃烧。燃烧产生的黑烟颗粒物部分会残留于金属罩内壁，燃烧结束后，用刮刀将残留物刮取收集。将收集的炭黑颗粒放入干燥箱中（40℃）烘干24 h。冷却后，将炭黑样本密封在塑料袋中，以备后续测试。每次量取20 mg炭黑轻轻倒入100 mL碱性发泡液中，用秒表记录炭黑被完全润湿所需时间［11］。润湿沉降状态［10］主要有图2所示的3种状态，即：不润湿不沉降、部分润湿沉降和完全润湿沉降。

图2 汽油燃烧物润湿沉降情况Fig.2 Wetting and sedimentation of gasoline combustibles

2.4 汽油烟气导入泡沫液净化实验

采用自制烟气收集净化装置（图3）测试汽油燃烧产生黑烟通入水和发泡溶液中的pH值变化。

图3 烟气收集净化装置作业原理Fig.3 Operation principle of flue gas collection and purification device

烟气收集净化装置主要由置液桶、通气管、离心式风机、吸气管、集气罩和燃油池等组成，其净烟工作原理如图3所示。风机抽走集气罩下燃油池中汽油燃烧的黑烟，将其通入桶内发泡液中；气体进入液体后会立刻浮出液面，在液体表面张力作用下排出液面的烟气被液膜包裹成含烟气泡；随着烟气不断被通入发泡液中，含烟泡泡很快就溢满整个置液桶。实验前测量并记录水及发泡液的pH值。实验取汽油5 g于器皿中，置于集气罩下方，燃烧汽油，待燃烧结束后用烧杯收集桶中液体并测量通入烟气后液体的pH值。

2.5 隧道汽油火灾烟气净化模拟实验

在自制的模拟隧道内（图4）使用发泡液进行汽油火灾烟气净化实验，用CCZ100浓度测量仪测量烟气浓度。

图4 模拟隧道汽油火灾烟气净化实验示意图Fig.4 Schematic diagram of gasolinefire flue gas purification experiment in simulated tunnel

（1）燃烧汽油使黑烟自行消散，测定黑烟浓度自行消散变化规律。将两个粉尘浓度测量仪分别置于监测点A和监测点B处，取5 g汽油置于燃油位置，点燃汽油使其充分燃烧至自然熄灭，燃烧期间每5 min测一次黑烟浓度，直到其质量浓度降到100 mg／m3以下。每组实验重复3次，取平均值。

（2）使用泡泡净化汽油黑烟，测定黑烟浓度随时间变化规律。将两个浓度测量仪分别置于监测点A和监测点B处，分别取5 g和10 g汽油置于燃油位置，点燃汽油使其充分燃烧至自然熄灭，燃烧期间每30 s测一次黑烟浓度，测量间隔内启动发泡机，持续喷射泡沫20 s，当浓度降到100 mg／m3以下时停止实验。每组实验重复3次，取平均值。

3 结果与分析

3.1 性能参数测试结果

3.1.1 发泡液的pH值

由于pH值受温度影响会产生波动，本次实验在12℃环境下测量试样的pH值。测量得知无碱剂时1% LAD溶液的pH值为8.39。图5显示了含不同质量分数碱剂发泡液的pH值。从图5可以看出，4种碱性发泡液的pH值均随着碱性物质含量的增加而增大。添加NaOH的发泡液pH值最大。随NaOH质量分数增加pH值快速增大。当NaOH质量分数超过1% 时pH值增速变慢，当其质量分数为3% 时达最高值13.41。加入3种弱碱的发泡液pH值上升缓慢。当弱碱剂质量分数为3% 时，Na2SO3的pH值最高，为8.99，Na2S2O3和NaHCO3的pH值均低于9。pH值会随碱剂质量分数增加而增大，这是因为发泡液中加入碱剂会使H+的浓度小于OH-的浓度，且随着碱量增加两种离子浓度差距增大。说明LAD溶液与碱剂无中和反应，可以进行二元复配。

图5 含不同质量分数碱剂发泡液的pH值Fig.5 pH value of alkaline foaming solution with different mass fractions of alkaline agents

3.1.2 表面张力

图6 是不同质量分数碱剂发泡液表面张力的测试结果。强碱NaOH使发泡液表面张力明显提高，在NaOH质量分数3% 时达到最大值38.3 mN／m，随后发泡液表面张力值保持稳定，不受NaOH含量变化影响。说明NaOH浓度升高时OH-过多，造成表面活性物质停留于溶液表面［12］，阻碍了OH-与更多表面活性物质的反应机会，溶液表面张力不再受影响。图6中弱碱Na2S2O3，NaHCO3变化规律与NaOH相似，低浓度时发泡液表面张力激增，达到质量分数0.8%之后，表面张力值增幅减缓。NaOH加入使发泡液表面张力增加了35.7%，而其他3种弱碱无机盐在浓度最大时（质量分数3%）仅增加约10%。与强碱剂相比，弱碱剂对溶液表面张力影响较小。

图6 加入碱剂后发泡溶液的表面张力Fig.6 Surface tension of mixed solution after adding alkali agent

3.1.3 黏度

图7中4种碱剂对发泡液的黏度影响规律相似，发泡液黏度均先随碱剂含量增加而增大，当达到一定值时增幅变缓。其中含质量分数1% NaHCO3发泡液黏度最高（1.86 mPa·s），继续增加NaHCO3含量，发泡液黏度不再增大而缓慢降低。添加NaHCO3后，发泡液中胶团聚集数增大，胶束的形状从球形向圆柱体再到网状结构改变［14］，所以黏度升高；当NaHCO3质量分数大于1% 时，胶束网状结构被破坏成乳状结构［12-13］，导致黏度降低。

图7 加入碱剂后发泡溶液黏度Fig.7 Viscosity of mixed solution after adding alkali agent

3.1.4 泡沫性能

（1）发泡性能

图8（a）为加入不同浓度碱剂时LAD溶液起泡高度变化情况。图中横向虚线为无碱剂时起泡高度516 mm。加入弱碱后，不同程度上提高了表面活性剂的发泡性能。其中Na2SO3对LAD溶液发泡性能影响最大，当其添加质量分数0.4%时达到最大发泡高度561 mm，提高了9%。强碱NaOH对LAD溶液发泡性能有消极作用，0.8% NaOH加入导致发泡液的发泡高度降低30%。3种弱碱加入都不同程度增强了发泡液的起泡能力，说明表面活性剂与弱碱性无机盐的二元体系之间协同作用能够促进发泡液的发泡性能提升。

图8 加入碱剂后发泡溶液发泡性能测试Fig.8 Foaming performance testing of foaming solution after adding alkali agent

（2）稳定性能

向质量分数1%的LAD溶液中加入不同质量分数碱性无机盐时消泡速度变化情况如图8（b）所示。图中横向虚线为无碱性添加剂时的消泡速度8.4 mm／min。3种弱碱变化趋势相似，消泡速度均随碱剂含量增加而上升。添加NaHCO3发泡液稳定性最差，NaHCO3添加质量分数1% 时达到最大消泡速度36.5 mm／min。加入Na2SO3发泡液稳定性最好，随Na2SO3含量增加，消泡速度始终保持较低水平，与无碱性添加剂时相当。其中，添加质量分数0.4% Na2SO3发泡液的消泡速度最小，为7.4 mm／min。原因是低含量Na2SO3会使发泡溶液表面膜上形成的双电层的电场强度和厚度增加，泡泡稳定性增强。随着NaOH含量增加发泡液消泡速度先上升后降低，说明过量碱加入会使发泡液稳定性变差。

结合以上性能参数测试结果，在质量分数1%的LAD溶液中添加质量分数0.4% 的Na2SO3碱性添加剂复配出的二元体系碱性发泡液的发泡性和稳定性最好。

3.2 碱性发泡液对燃烧残留物沉降速率的影响

燃烧残留物具有强疏水性，它很难被水润湿。燃烧残留物落在水面上会堆积不会沉降，并且在燃烧残留物与水之间会形成一层气膜，此气膜将水与燃烧残留物隔绝，因此燃烧残留物很难被润湿。燃烧残留物在水中的状态如图9所示。

图9 燃烧残留物在水中的状态Fig.9 State of combustion residues in water

加入表面活性剂后，燃烧残留物与水之间的气膜消失，由此推测加入表面活性剂后使气膜破裂，故燃烧残留物更容易被浸润。从表1可知，含Na2SO3碱液燃烧残留物完全沉淀用时166.8 s，仅为NaOH发泡液耗时的44%。故二元体系中质量浓度为1%LAD和0.4% Na2SO3复配出的发泡液对燃烧残留物润湿效果最佳。

表1 汽油燃烧残留物在发泡液中的沉降时间Tab le 1 Settlement tim e of the gasoline combustion residue in the foam ing fluid

3.3 汽油烟气净化效果

将汽油燃烧黑烟分别通入自来水和发泡溶液中（图10、图11）。图10显示汽油烟气通入水后，容器中迅速产生泡泡并迅速破裂，烟气从水面和破裂的泡泡中逸散，说明烟气难以被水吸收。图11显示通入烟气后，发泡液容器中迅速产生大量黑色泡泡，说明烟气被密封在每一个泡泡里无法逸散。随后，烟气不断与泡泡液发生中和、吸附作用后溶入发泡液中，少量烟气因泡泡破灭而逸散。而通入自来水中的烟气成泡量极少，迅速逸散空气中。

图10 烟气通入水中产生的泡泡Fig.10 Bubbles produced by the flue gas flowing into the water

图11 烟气通入发泡液产生的泡泡Fig.11 Bubbles produced by the flue gas passing into the foaming solution

通入黑烟前后水和发泡液的颜色由透明变成灰黑色，其pH值测定结果见表2。从表2可以看出，自来水pH值小幅度下降了0.11，而发泡液pH值下降了0.75，说明烟气封入泡泡中可与泡泡液反应。含碱剂发泡液生成的泡泡能有效吸附烟气中的炭黑，中和部分氮氧化物、硫化物、CO2等酸性气体，使发泡液pH值大幅降低。通入自来水中的烟气迅速从水中逸散，无法吸收反应，故pH值降幅较小。

表2 通入烟气前后溶液的pH值Table 2 p H value of the solution before and after the inflow of fumes

3.4 隧道汽油火灾烟气模拟净化效果

隧道汽油火灾烟气模拟净化实验中汽油燃烧及净化过程：汽油燃烧并产生大量黑烟充满整个模拟隧道中，能见度逐渐降低，仅能看见汽油燃烧的火光；汽油已完全燃烧并熄灭，隧道内烟气扩散，能见度低，无法看清隧道内物品；发泡机喷射泡泡，隧道内烟气在泡泡作用下逐渐减少，能见度增加；净烟结束，能见度恢复至汽油燃烧前。

图12为自由消散和泡泡净化作用下不同量汽油燃烧的黑烟浓度随时间的变化情况，黑色A点线和红色B点线分别代表监测点A处和B处测得的黑烟浓度。图12（a）是5 g汽油黑烟自由消散过程中黑烟浓度随时间的变化情况。A测点数据表明，用时35 min，黑烟浓度从最高值3 325.5 mg／m3降低至19.1 mg／m3。图12（b）是5 g汽油黑烟被泡泡净化过程中黑烟浓度随时间的变化情况。A测点数据表明，用时150 s，黑烟浓度从最高值2 995.9 mg／m3降低至72.5 mg／m3，净化率为97.6%。图12（c）是10 g汽油黑烟被泡泡净化过程中黑烟浓度随时间的变化情况。A测点数据表明，用时150 s，黑烟浓度从最高值3 909.9 mg／m3降低至65.3 mg／m3，净化率为98.3%。燃烧10 g汽油产生的黑烟最高浓度与燃烧5 g汽油产生的黑烟最高浓度相差17.6%～30.5%，说明在固定空间体积的有限空间内，汽油量增加会增大烟气浓度。使用泡泡净烟与不使用任何净烟措施相比，黑烟净化耗时降低85.7%，净烟效率极大提高。

图12 黑烟浓度随时间的变化Fig.12 Changes of black smoke concentration over time

远离火源的B点的黑烟浓度先下降后升高，产生波动原因为：黑烟产生过程中扩散缓慢还未完全蔓延到整个隧道，又因为同温度下烟气密度大于空气密度，故扩散过程中黑烟首先是水平扩散向下流动，故会有黑烟浓度下降的趋势；当黑烟温度升高并迅速上升，能影响到离着火点很远的地方时，由于烟气和室内空气存在着温度差和密度差，烟气会由于热压作用，沿隧道内壁上升，其浓度会有所回升。图12（b）和图12（c）中靠近发泡位置的B点所测数据呈先降低后升高再降低的波动曲线，这是因为使用的发泡设备主要依靠风力制泡，并将泡泡吹入隧道中。由外界吹入的冷空气和泡泡先与部分黑烟相遇并沉降，故黑烟浓度先下降；之后隧道内逐渐冷却的烟气和冷空气流向燃烧着的汽油，形成了隧道内的自然对流，故火越烧越旺，黑烟越来越多，烟气层会逐渐增厚导致黑烟浓度再次上升；由于汽油燃烧完毕无更多燃料燃烧产生黑烟，在泡泡的持续净化作用下，黑烟浓度继续下降。发泡液的pH值与净化黑烟后泡泡液的pH值（表3）对比表明，泡泡液的pH值下降，这是由于汽油燃烧黑烟与泡泡液在吸附过程中发生中和反应。

表3 泡泡液净化汽油黑烟前后的pH值Table 3 p H value of bubble solution before and after purifying gasoline black fumes

4 结论

（1）在质量分数1% 的LAD溶液中添加质量分数0.4% 的Na2SO3碱性添加剂复配出的二元体系碱性发泡液的泡沫起泡性能较好，形成的泡泡稳定，且对汽油燃烧残留物有良好的润湿性，其生成的泡泡能有效净化汽油火灾烟气。

（2）在水中燃烧残留物不发生沉降，而加入表面活性剂后燃烧残留物可以迅速被润湿。不同浓度、种类的碱性添加剂配制的发泡液对燃烧残留物的润湿性不同。质量分数1% 的LAD和质量分数0.4% 的Na2SO3复配出的发泡液对燃烧残留物润湿效果最佳。

（3）净化实验发现泡泡能有效吸收烟气中的炭黑，中和部分毒气，使反应后的溶液pH值降低。净烟作业可使烟气浓度降低97.8%。