第4章2015火灾探测及灭火化学原理.

第四章火灾探测与灭火的化学问题本章主要由以下几个部分组成：火灾防治概述基于化学原理的火灾探测技术灭火剂及常用灭火系统新型灭火剂及其灭火原理火灾探测技术是“防”的重要组成部分，有部分基本工作原理与化学相关。灭火是“治”的主体，灭火剂大多由化学物质按一定配比制备而成，需根据燃烧物类型选择不同的灭火剂，这里面也包含相当多的化学问题。本章从以上两方面着手，分析与火灾防治相关的化学原理及防治过程中遇到的各种化学问题。第一节火灾防治概述一、火灾防治技术的概念（1）“防”－阻燃、防火、探测、报警等；（2）“治”－灭火；（3）“防”和“治”是减少火灾损失的基本途径；（4）分为主动和被动两种方式：前者如探测、报警、疏散和灭火等；后者如阻燃、抑烟和防火等。二、火灾防治的重要性1.火灾是发生最频繁且极具毁灭性的灾害。2.火灾的危害：（1）造成人员伤亡和经济损失；（2）造成环境和生态系统破坏；（3）给社会带来不安定因素。为了预防火灾给人类带来的危害，需要发展响应更快、可靠性更高的火灾防治技术。三、火灾防治的主要任务（1）研究火灾燃烧机理，探讨发生火灾的固有特征和阶段特性；（2）通过对火灾固有特征和阶段特性的分析和比较，判断火灾是否发生、在哪一阶段最具危险性、如何有效地扑灭火灾；（3）为选择或设计火灾探测报警的手段以及火灾扑救和灭火的方法提供理论依据。四、火灾防治的主要方法：1.火灾探测技术：火灾探测器：将火灾中产生的物理参量如火焰、烟雾、温度、气体、光和声音等转换成电信号，向火灾报警控制器发送信号报警的一种自动火灾探测装置。火灾探测器可分为：感光、感温、感烟、感气以及复合火灾探测器等类型。2.灭火技术：根据可燃物燃烧机理发展出多种扑灭火灾的方法：如：气体灭火、泡沫灭火等或者各种灭火手段相结合的方式；用水灭火也具有多种形式，如喷淋、水雾、消防水炮以及细水雾等方式。由于可燃物的燃烧特性以及产物的不同，对不同可燃物引起火灾所采用的火灾探测报警手段以及灭火方式也不同。研究不同可燃物的燃烧特性以及扑救灭火的方式，探索对特定可燃物引起火灾所采用的火灾探测手段以及灭火方式的优化组合。五、火灾防治的重要场所：各种火灾形式中，建筑火灾和森林火灾发生最普遍、危害最严重，也是火灾防治的最主要场所。一些人口密集的场所，如大型体育场、大型会展中心、大型仓库、国际机场等建筑。这类建筑具有覆盖空间范围大、容纳人员多、火灾防治难度加大的特点。第二节基于化学原理的火灾探测技术一、火灾探测技术的发展现状和发展趋势：1.火灾探测器的发展历程：19世纪40年代－20世纪40年代，100年间，感温探测器一直占据着主导地位；20世纪50年代－70年代，出现了感烟探测器；20世纪80年代后火灾探测技术与信号处理技术、人工智能技术和自动控制等技术开始了更广泛的交叉和结合；20世纪90年代开始倡导极早期火灾智能报警系统，它能在火灾发生初期对火灾进行识别并发出报警信号，将火灾抑制在萌芽状态。2.火灾探测技术的发展方向：现今火灾探测的研究焦点是如何量化探测器所处的火灾和非火灾环境，其发展主要有两个方向：（1）纵向延伸：发展新的火灾判据、新的火灾识别模式和相应的火灾探测器或复合探测器；（2）横向延伸：基于现有的探测原理和方法，与其它技术交叉，通过改进信号采集和处理方法来改善系统性能。3.火灾探测的基础研究发展的方向有：（1）如何预知现有探测扑救系统在非理想的实际状况下的性能；（2）如何区分与火灾现象具有相同或相似产物的背景源、加热和燃烧状况下的材料行为；（3）如何探测低浓度的热解或燃烧产物（光、热、烟气）等。4.火灾探测应用研究的发展方向有：（1）提高探测系统性能，在现有工艺的基础上，准确区分火灾与非火灾的环境变化；（2）采用新型探测技术和探测器，扩展现有系统的能力；（3）发展特殊环境下（如电信大楼、计算机网络中心和载人航天器）或动态环境下的火灾探测技术。在火灾探测的应用技术方面，还将在以下方面获得进一步发展：（1）其他领域的新技术引发火灾探测技术新途径；（2）多元复合探测和多判据探测，其中尤以气体复合探测器为代表；（3）激光技术在火灾探测中的应用。激光图象粒径分群将是一种有效的火灾/非火灾识别方法，激光前向/后向散射的应用将极大改善光点激光感烟探测的性能；（4）模糊逻辑、神经网络算法和其它小波变换的信号处理方法在探测算法中的引入；（5）探测技术与自动化、现代通讯技术、智能大厦技术的进一步结合，探测系统更趋自动化、开放化和模块化。二、火灾探测器的分类在火灾的初始阶段会出现不少特殊现象或征兆，如发光、发热、发声以及散发出烟尘和可燃气体等。这些特征为发现火灾提供了信息和依据。依据不同火灾现象的特征，人们发展了多种火灾探测方法。感烟探测器、感温探测器、感光探测器、复合探测器、可燃气体探测器三、可燃气体火灾探测技术火灾早期阶段，由于热和气化作用会产生多种可燃挥发物，其中一般包括的成分有：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、碳氢化合物（CxHy）、水蒸气（H2O）等。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟探测器尚未发出信号之前就能达到相当大的浓度。利用气敏元（器）件实现对可燃气体的探测在理论上是可行的，而且早期报警的效果比感烟探测器好。可燃气体探测器的主体部分是气敏传感器。气敏传感器：把气体（多数为空气）中的特定成分检验出来，并将其转化成电信号的器件，以便提供有关待测气体的分布及其浓度大小的信息。气敏传感器的用途：（1）可燃气体和瓦斯泄漏报警器（2）有毒气体检测、容器或管道检漏、环境检测、锅炉及汽车的燃烧监测和控制、工业过程的检测和自动控制（3）医疗、空气净化、家用燃气灶和热水器等气敏传感器的种类主要有：半导体式接触燃烧式定电位电解式气体热传导式隔膜Galvanic电池式油敏感性电阻式等半导体气敏材料主要有：氧化锌系、氧化锡系和氧化铁系几种常用的可燃气体探测器（一）催化燃烧型火灾探测器（二）固体电解质型火灾探测器（三）感烟型火灾探测器（一）催化燃烧型火灾探测器催化燃烧型火灾探测器是一种基于化学原理的气敏探测器；它广泛用于矿井瓦斯的探测，对保障煤矿生产的安全、防止瓦斯爆炸事故的发生起了重要作用。1．铂丝催化型铂丝催化型传感器是目前比较常用的一种，它主要由铂丝、载体和催化剂组成，其结构如图所示。铂丝催化型传感器结构示意图2．气敏半导体型（1）工作原理：在气敏元件被加热到稳定状态后，被测气体接触元件表面而被吸附，元件的电导率（电阻）会产生变化。在N型半导体气敏元件（SnO2、ZnO等）上吸附还原性气体，如H2、NO、碳氢化合物（CH4、C3H8等）和酒精等，元件电阻减小；吸附氧化性气体，如O2或NOx（如NO2等），元件电阻增加。若是P型半导体气敏元件，情况则相反，氧化性气体使其电阻减小，还原性气体使其电阻增加。气敏传感器通电后，气敏元件电阻会急剧下降，过一段时间（2-10min）后，又逐步上升到一稳定值（初始稳定状态），达到该状态才能用于气体检测。气敏传感器的气体选择性十分重要。若其气体选择性不佳或使用过程中逐渐变劣，都会给气体测试、控制或报警带来很大困难，甚至造成重大事故。半导体气体传感器主要是以氧化物半导体为基本材料，使气体吸附于该半导体表面，利用由此产生的电导率变化测量被测气体的成分和浓度。半导体气体传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，目前是产量最大、应用最广的传感器之一。按检测不同气敏特征量的方式，半导体式气体传感器可分为电阻式和非电阻式两种。半导体气体传感器的分类分类主要的物理特性传感器举例工作温度代表性被测气体电阻式表面控制型氧化锡、氧化锌室温~450℃可燃气体体探测型γ-Fe2O3、氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡300℃~450℃酒精、可燃性气体、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特征铂/硫化镉、铂/氧化钛室温~200℃氯气、CO、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应管150℃氢气、硫化氢以SnO2为气敏材料的表面控制型多孔质烧结体气体传感器在目前工艺比较成熟、应用比较广泛。它是以SnO2为基体材料，通过添加不同物质，同时将加热丝和测量电极放在一起进行烧结而成的，其器件结构如图所示。SnO2气体传感器以SnO2半导体感应CO和H2S为例，说明其感应原理。工作温度为300℃时，由于SnO2晶粒表面的吸附氧增多，薄膜表现为P型半导体的导电特性，当CO浓度比较小时，CO与SnO2晶粒表面的吸附氧发生反应：eCOOCO2将电子释放到SnO2导带中，使得SnO2晶粒中的空穴浓度减小，薄膜电阻增大；当CO浓度继续增大时，SnO2薄膜逐渐转变为N型导电，薄膜电阻随CO浓度的增大而升高。工作温度为150℃时，随CO浓度的增大薄膜电阻没有明显变化。由于CuO在含H2S的气氛中很活泼，SnO2-CuO表面会发生化学反应：OHCuOSHCuO22另一方面，反应生成的CuS在空气中被氧化，通过的可逆反应回到CuO。事实上，正是这两个反应支配着SnO2-CuO薄膜的响应与恢复。这可以解释为何低温下恢复差。22SOCuOOCuS（2）一些新型气敏半导体材料①超细掺锑SnO2②掺镁YFeO3固溶体（3）提高半导体气敏元件气体选择性的方法a.向气敏功能材料掺杂其它金属氧化物及不同的添加物。b.控制元件的烧结温度。c.改变气敏元件工作时的加热温度。d.晶粒尺寸的大小会影响半导体材料的灵敏度。（二）固体电解质型火灾探测器燃烧过程中会产生一些挥发物，如氢气、水蒸气、CO2和SO2等。针对这些气体进行监控和探测，需要开发一些专用型探测器。1．氢气传感器2．水蒸气传感器3．二氧化碳传感器1、氢气和水蒸气传感器某些具有AB1-aMaO3-a（M为某些三价稀土元素，a为单位化合物晶胞中的氧空位）分子式的钙钛矿型化合物在高温无氢、无水蒸气存在的情况下为P型导电体，但当有氢或水蒸气存在时，却呈现出质子导电性，成为质子导电体。典型的化合物：SrCe0.95Yb0.05O(3-a)、BaCe0.9Nd0.1O(3-a)、CaZr0.9In0.1O(3-a)、SrZr0.94Y0.06O(3-a)等。这些质子导体在其两侧存在不同氢分压或水蒸气分压时即可构成氢浓差或水蒸气浓差电池，依此可作氢传感器或水蒸气传感器。其适用温度一般在1000℃以下。（1）氢传感器氢浓差电池电动势的表达式为：)()(22ln2IIHIHppFRTE式中，)(2pIH和)(2pIIH分别为高氢分压和低氢分压，其中任一侧均可作为参比电极。（2）水蒸气传感器当具有不同湿度的空气分别引入水蒸气浓差电池的两个电极室时，产生如下的电极反应：高OH2p侧eOHOHII2212)(2)(2低OH2p侧)(2)(22212IIIIOHeOH电池反应为：)(2)(2)(2)(22121IIIIIIOHOOOH电池理论电动势'为21)()()()('2222ln2IOIIOIIOHIOHppppFRTJ.Maier等人根据化合物热力学性质研究的启示，采用了平衡固相氧化物或复合氧化物作为参比电极，得到稳定性良好且使用寿命较长的CO2传感器，设计原理如下：假定有如下类似弱酸的盐被强酸置换。弱酸游离的反应为：2)()()(2COABABCOSSS（3）CO2传感器上面的反应可以看作这种类型，此反应也可以看作碱性氧化物B(Na2O)与酸性氧化物A（ZrO3）形成更稳定化合物Na2ZrO3而CO2游离的反应。为此，可设计以下的电池：AuOCOZrOZrONaNaCONaCOOAu222323222,,,,,离子导体负极：eOCONaCONa2212223232222212ZrONaNaOeZrO正极：232232COZrONaZrOCONa例如，电池反应：2322