Композиция для охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси

Изобретение относится к области противопожарной техники и может быть использовано для осуществления охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси. Композиция включает в качестве теплопоглощающих наполнителей основной карбонат магния и/или карбонаты металлов I или II группы, в качестве окислителя нитрат, перхлорат калия или их смеси, в качестве технологических добавок графит, стеарат натрия или кальция или их смесь. Помимо этого композиция дополнительно включает неорганическое связующее хлорид калия, силикат щелочного металла общей формулы Me₂O·mSiO₂, где Me - калий или натрий, a m-силикатный модуль составляет 2,1-3,8, или их смеси и сорбент. Сочетание компонентов в определенном соотношении обеспечивает эффективное охлаждение газоаэрозольной смеси и пожаротушение, а также повышение уровня прочности таблеток, гранул, получаемых из композиции, и уровня экологической чистоты пожаротушащей смеси. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к области противопожарной техники, а именно к средствам для осуществления охлаждения и фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси (ПГАС), генерируемой при горении пиротехнических зарядов в генераторах.

Охлаждение и фильтрация являются стадиями процесса формирования ПГАС, повышающими ее эффективность за счет снижения температуры и токсичности. Это обстоятельство приводит к существенному расширению сфер применения аэрозольных генераторов, в частности, в помещениях с присутствием людей.

Предшествующий уровень техники

Одним из перспективных направлений организации процесса формирования ПГАС является охлаждение и ее одновременное фильтрование.

Согласно RU 2142306, 10.12.1999 эти процессы осуществляют за счет взаимодействия ПГАС с веществами с высокой теплопоглощающей способностью, выбранные из группы алюмосиликатов, например цеолита, силикагеля или их смеси.

В RU 2142835, 20.12.1999 охлаждение осуществляют путем пропускания ПГАС через металлический теплообменник, а затем дополнительное охлаждение и одновременную фильтрацию осуществляют пропусканием ПГАС через фильтрующий сорбент, выбранный из группы цеолитов, силикагелей, активированных углей или их смесей. Фильтрующий сорбент дополнительно может содержать на своей поверхности карбонаты или гидраты щелочных металлов.

Указанные изобретения имеют существенные недостатки, заключающиеся в том, что их нельзя применять для аэрозольных генераторов с использованием пиротехнических зарядов с высокой (более 1000° С) температурой сгорания и высокой (более 3 мм/сек) скоростью сгорания. Это объясняется тем, что при температурах выше 800° С в гранулах цеолита, силикагеля происходят большие термические пульсации, которые приводят к их развалу. В результате эффективность фильтрующего действия сорбента падает до нуля. Кроме того, развалившиеся раскаленные частицы, так как они ничем не связаны, вылетают из выходного отверстия генератора и могут способствовать вторичному поджиганию, а при несанкционированном срабатывании генератора и к возникновению пожара. В некоторых типах устройств генератора (например, с обратным выходом ПГАС) развалившиеся частицы сорбента оказывают (особенно при больших 7-8 мм/сек скоростях сгорания заряда) большое динамические сопротивление потоку ПГАС, что может приводить к взрыву генератора. В этой связи стоит проблема связывания индивидуальных гранул цеолитов, силикагелей в более крупные агрегаты (таблетки) с помощью специальных связующих.

Оценивая собственно теплопоглощающую способность цеолитов, силикагелей следует отметить, что она не является более высокой по сравнению с гидратами, гидрооксидами, оксалатами металлов I и II группы, сформированными вместе со специальными добавками в композиции и отпрессованными в таблетки.

Известна композиция для охлаждения огнетушащего аэрозоля (RU 2086278, 10.08.1997) на основе нитроцеллюлозы, пластификаторов, стабилизаторов, катализаторов, технологических добавок и теплопоглощающего наполнителя: основного карбоната магния или оксалата аммония или основного фосфата магния в количестве 25-45 маc. %.

Данная композиция обладает рядом недостатков, а именно:

- низкий коэффициент эффективности охлаждения (Кэо) ПГАС на выходе из генератора (Кэо равен отношению температуры сгорания пиротехнического заряда к температуре ПГАС на выходе из генератора с охладителем). В данном случае Кэо=1900/380=5,0. Относительно малая эффективность охлаждения объясняется малой долей в композиции теплопоглощающего наполнителя (не более 45 мас.%). Введение же большего количества невозможно из-за технологических затруднений при переработке;

- низкий уровень прочности (0,60-0,69 МПа) таблеток, получаемых в процессе формования композиции. Это обстоятельство накладывает ограничения на условия транспортировки таблеток и готовых генераторов, а также их эксплуатацию в условиях вибрационных перегрузок в транспортных средствах;

- высокий уровень токсичности газов, выделяемых при воздействии на композицию высоких температур, таких как: СО, NO, NH₃, HCN, которые образуются при разложении нитроцеллюлозы, пластификаторов, стабилизаторов и других компонентов.

Известна композиция для охлаждения огнетушащего аэрозоля (RU 2120318, 20.10.1998) на основе связующего карбоксиметилцеллюлозы и/или поливинилацетата, или поливинилового спирта, технологических добавок (каолин, стеарат натрия или цинка, масло индустриальное или приборное) и теплопоглощающего наполнителя: основного карбоната магния или оксалата аммония, основного фосфата магния в количестве 25-45 мас.%.

Данная композиция обладает рядом недостатков, таких как:

- низкий уровень прочности (0,63-0,75 МПа) таблеток, получаемых в процессе формования композиции;

- низкий коэффициент эффективности охлаждения ПГАС (Кэо=1900/325=5,84);

- высокий уровень токсичности за счет высокой концентрации газов, таких как СО, NH₃, которые образуются при воздействии высоких температур на компоненты композиции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности существенных признаков является охлаждающий состав для газогенератора (RU 2166975, 20.05.2001).

Данный охлаждающий состав включает гидроокись магния и/или основной карбонат магния 20-60 мас.%, борную кислоту 10-20 мас.%, карбонат металла I или II группы - остальное. В качестве карбанатов металлов применяют: карбонат натрия, карбонат магния или кальция. Дополнительно охлаждающий состав может содержать бикарбонат натрия - 10-55 мас.%, окись магния - 10-40 мас.%, гидратированный сульфат кальция - 10-25 мас.%, а также катализаторы 10-30 маc.% - оксиды металлов переходной валентности (CuO, MnO₂). Охлаждающий состав дополнительно может содержать окислители 10-45 маc. %, такие как нитраты, перхлораты, перманганаты, хроматы щелочных металлов или соли надугольной кислоты или перекиси щелочноземельных металлов. В охлаждающий состав входят технологические добавки 0,5-3,0 маc.%, выбранные из ряда стеаратов щелочных или щелочноземельных металлов, или карбоксиметилцеллюлоза, или метилцеллюлоза, или желатин.

Коэффициент эффективности охлаждения в среднем составляет Кэо=1350/210=6,42, Среднее значение концентрации оксида углерода на выходе из генератора 0,7-2,2 об.%. Таблетки охладителя, получаемые из данного состава, имеют прочность на сжатие 0,4-2,1 МПа.

Данный охлаждающий состав обладает рядом недостатков:

- низкий коэффициент эффективности охлаждения ПГАС на выходе из генератора. Это объясняется наличием в охлаждающем составе борной кислоты, которая имеет относительно низкую температуру плавления (170,9° С) и выполняет роль цементирующего компонента. При работе генератора под воздействием высокой температуры сгорания (1250-1350° С) за короткий промежуток времени происходит плавление борной кислоты и, как следствие, разрушение таблеток, слипание элементов охладителя, забивание их поверхности продуктами плавления и разложения;

- низкий уровень экологической чистоты ПГАС на выходе из генератора за счет высокого уровня концентраций токсичных газов.

- низкий уровень прочности таблеток, получаемых в процессе формования композиции, ограничивает срок применения генераторов в условиях вибрационных нагрузок и кратковременных повышений температур, т.к. борная кислота, применяемая в качестве связующего, под действием температуры подвергается пластической деформации;

Все известные аналоги, в том числе и ближайший, не обеспечивают одновременного получения высокого уровня пожаротушащей эффективности (за счет повышения доли наиболее активных пожаротушащих частиц аэрозоля размером 1-2 мкм), высокой эффективности охлаждения ПГАС, ее высокого уровня экологической чистоты за счет адсорбции вредных газов при достижении высокого уровня прочности изделий из композиции - таблеток, гранул.

Раскрытие изобретения

Настоящим изобретением ставится задача создания такой композиции для охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси, которая позволяла бы одновременно:

- повысить эффективность охлаждения ПГАС на выходе из генератора за счет увеличения в композиции массовой доли теплопоглощающего наполнителя до 90 мас.%;

- повысить уровень пожаротушащей эффективности композиции путем повышения доли наиболее активных пожаротушащих частиц аэрозоля размером 1-2 мкм за счет фильтрации аэрозоля;

- повысить уровень прочности таблеток, гранул, получаемых из композиции за счет использования новой совокупности компонентов неорганического связующего, теплопоглощающего наполнителя, окислителя, сорбента и технологических добавок;

- повысить уровень экологической чистоты ПГАС за счет использования сорбента, сорбирующего вредные газы.

Предлагаемая композиция для охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси содержит:

- в качестве теплопоглощающего наполнителя - основной карбонат магния и/или карбонаты I или II группы в количестве 25-90 маc. %;

- в качестве окислителя - нитрат, перхлорат калия или их смесь в количестве 1-10 маc. %;

- в качестве технологических добавок - графит, стеарат натрия или кальция или их смесь в количестве 0,2-1,5 маc. %:

- в качестве неорганического связующего - хлорид калия, силикат щелочного металла общей формулы Me₂O· mSiO₂, где Me - калий или натрий, a m 2,1-3,8 или их смесь в количестве 5-10 маc. %;

- сорбент - остальное. Премущественно используют сорбент, выбранный из группы цеолитов, силикагелей или их смеси.

Из заявленного широкого диапазона концентраций компонентов выбор их конкретного соотношения проводят, руководствуясь принципами технологической сбалансированности и функциональной применимости.

Сопоставительный анализ заявляемой композиции для охлаждения и одновременной фильтрации ПГАС с ближайшими аналогами выявил следующие отличительные признаки:

а) неорганическое связующее хлорид калия, силикат щелочного металла общей формулы Ме₂O· mSiO₂, где Me - калий или натрий, m - силикатный модуль составляет 2,1-3,8 или их смеси.

Неизвестно применение в композициях для охлаждения и одновременной фильтрации ПГАС таких неорганических связующих.

Использование в композиции выбранного неорганического связующего хлорида калия, которое обладает высокой термостойкостью (Тпл KCl=771° С), и силикатов щелочных металлов, которые не разлагаются вплоть до 1400° С, обеспечивает заданные технологические свойства при высокой степени наполнения композиции и позволяет получать высокий уровень прочности изделий - таблеток, гранул.

б) сорбент, преимущественно выбранный из группы цеолитов, силикагелей или их смеси, который при воздействии высокой температуры горения пиротехнического состава (более 1500° С) образует шлак пористой структуры. Таким образом, сорбент осуществляет одновременно фильтрацию аэрозольных частиц и адсорбцию вредных газов.

При сгорании пиротехнического состава горячая ПГАС нагревает поверхность таблетки, в результате чего происходит разложение окислителя с выделением кислорода, окисляющего недоокиспенные газообразные продукта в составе ПГАС, а также разложение теплопоглощающего наполнителя. Одновременно гранулы цеолита и силикагеля спекаются между собой и с другими продуктами горения (KCl, К₂СО₃, К₂O, КНСО₃), образуя пористый шлак, обладающий фильтрующей способностью.

Использование сорбентов, образующих шлакообразующие пористые структуры в композициях для охлаждения и фильтрации ПГАС, не описано ранее и не является очевидным. Так например, если выбранные нами сорбенты поместить в композицию прототипа, то его эффективность по адсорбции токсичных газов и фильтрации твердых частиц аэрозоля будет сведена к нулю, так как при высоких температурах ПГДС происходит плавление борной кислоты, что приводит к забиванию пор.

в) новая совокупность компонентов: теплопоглощающий наполнитель (основной карбонат магния и/или карбонаты I или II группы), окислитель (нитрат, перхлорат калия или их смесь), технологическая добавка (графит, стеарат натрия или кальция или их смесь), неорганическое связующее (хлорид калия, силикат щелочного металла общей формулы Ме₂O· mSiO₂, где Me - калий или натрий, m - силикатный модуль составляет 2,1-3,8 или их смеси), сорбент (преимущественно выбранный из группы цеолитов, силикагелей или их смеси).

Заявленная композиция для охлаждения и одновременной фильтрации ПГАС позволяет осуществлять одновременно охлаждение ПГАС за счет эндотермической реакции разложения теплопоглощающего наполнителя, фильтрацию аэрозольных частиц с увеличением на выходе из генератора доли частиц 1-2 мкм за счет формирующейся шлакообразной пористой структуры при нагреве таблетки, адсорбцию вредных газов и доокисление газов на поверхности сорбента кислородом разложившегося окислителя, а также повысить прочность таблеток, гранул за счет новой совокупности компонентов.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Пример 1.

Для изготовления 1 кг композиции в смеситель для смешения сыпучих компонентов загружают 800 г основного карбоната магния (3МgСО₃·Мg(ОН)₂·3Н₂О), 50 г карбоната натрия Na₂CO₃, 50 г карбоната магния МgСО₃ с размерами частиц 15-80 мкм, 5 г нитрата калия КNО₃, 5 г перхлората калия KClO₄ с размерами частиц 5-10 мкм, 5 г графита, 5 г стеарата натрия, 60 г неорганического связующего KCl, 20 г цеолита марки КА дисперсностью 200-500 мкм. Смесь компонентов перемешивают в течение 40 минут.

Из полученной смеси методом глухого прессования на роторном прессе при давлении 200 МПа формуют таблетки диаметром 8 мм и высотой 5 мм, которые подвергают испытанию на прочность при сжатии.

Полученные таблетки используют при снаряжении генератора, состоящего из металлического корпуса, блока пиротехнического состава с воспламенительным устройством, камеры сгорания, блока охлаждения и фильтрации и выходного отверстия. В качестве пиротехнического состава используют пиротехнический аэрозолеобразующий огнетушащий композиционный материал с температурой продуктов сгорания 1500° С при следующем соотношении исходных компонентов, маc.%:

Нитрат калия 64

Перхлорат калия 20

Фенолформальдегидная смола 11,1

Дибутилфталат 2,5

Стерата кальция 0,4

Фторопласт (Ф-4) 2,0

В испытательной камере осуществляют запуск в работу генератора. С помощью хромельалюмелевой термопары и регистрирующего прибора измеряют температуру ПГАС на расстоянии 20 см от среза. Массовую долю частиц 1-2 мкм в составе дисперсной фазы аэрозоля определяют путем отбора под микроскопом и последующим взвешиванием.

Анализ содержания токсичных продуктов ПГАС осуществляют путем отбора проб через газоводы, расположенные в средней части испытательной камеры.

Для определения оксида углерода пробу газа отбирают в газовую бюретку с водяным затвором и анализируют далее методом газовой хроматографии на хроматографе с детектором по теплопроводности. Хроматографическая колонка - стеклянная, насадочная длиной 2,4 м, внутренним диаметром 2,5 мм. Скорость газаносителя (гелий) 30 см³/мин, температура колонки 32° С, объем дозы 1 см³. Регистрацию хроматограмм проводят самописцем ТЦ-1601. Результаты измерений концентраций газов получают в объемных процентах и пересчитывают в миллиграммах на кубический метр для условий: давление - 760 мм рт.ст. и температура - 293 К (20° С) (нижний предел измерений 0,001 по объему, что соответствует концентраци 11 мг/м³; 1 Па=750 мм рт.ст.)

Для определения аммиака, оксидов азота и цианидов газовая фаза ПГАС барботируют через уловительный сосуд со стеклянным фильтром, заполненный водой, со скоростью 2 л/мин в течение 10 минут.

Аммиак определяют фотоколориметрическим методом по продукту взаимодействия ПГАС с реактивом Несслера (нижний предел измерения 2 мкг в анализируемом объеме пробы 2 мл, что соответствует концентрации аммиака 0,5 мг/м³).

Оксиды азота определяют фотоколориметрическим методом по продукту взаимодействия с реактивом Грисса-Илосвая (нижний предел измерения 0,3 мкг в анализируемом объеме пробы 2 мл, что соответствует концентрации оксидов азота 0,075 мг/м³).

Цианид определяют фотоколориметрическим методом по реакции образования роданида железа (нижний предел измерения 2 мкг в анализируемом объеме пробы 5 мл, что соответствует концентрации цианида 0,1 мг/м³).

Результаты измерений представлены в таблице.

Пример 2.

Для приготовления 1 кг композиции в смеситель для смешения вязкотекучих композиций (типа миксер) загружают при перемешивании 140 г 50% водного раствора силиката натрия с силикатным модулем 2,5. При перемешивании мешалкой со скоростью вращения от 100 до 300 об/мин вводят в смеситель 900 г основного карбоната магния с размером частиц 15-80 мкм порциями по 50 г, 10 г нитрата калия с размером частиц 5-10 мкм, 2 г стерата кальция, 2 г графита и 16 г силикагеля дисперсностью 200-500 мкм. После введения всех компонентов дополнительно перемешивают 15-20 минут до получения однородной тестообразной массы. Полученную массу формуют при комнатной температуре проходным прессованием на гидравлическом прессе с усилием 50 МПа в бесканальные шнуры диаметром 8 мм. Затем шнуры укладывают на лоток и провяливают до влажности 20-30 мас.%, после чего их режут на цилиндрические гранулы длиной 6 мм. Полученные гранулы для еще большего удаления воды сушат при температуре 90-120° C до равновесной влажности ≈ 0,5 мас.% Полученными гранулами снаряжают генератор, как это указано в примере 1, и аналогичным способом тестируют. Результаты измерений представлены в таблице.

Промышленная применимость

Предложенная композиция для охлаждения и фильтрации ПГАС позволяет проводить эффективное тушение пожаров в сооружениях и помещениях, в том числе в которых находятся люди, животные.

Преимуществами предложенной композиции являются:

высокая эффективность охлаждения ПГАС;

высокий уровень пожаротушащей эффективности ПГАС;

- высокая прочность таблеток, гранул;

- высокий уровень экологической чистоты ПГАС;

- простота и безопасность производства композиции.

Таблица Сравнительные характеристики заявляемой композиции для охлаждения и фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси и результаты испытаний
Наименование компонентов композиции	Соотношение компонентов, маc. %	Состав по прототипу RU 2166975
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Теплопоглощающие наполнители
Основной карбонат магния	80	90	90	60	36,5	25	30	40	89	-	-	30
Карбонат магния	5	-	-	-	-	-	-	14	-	50	-	-
Карбонат натрия	5	-	-	25	40	-	5,0	10	-	-	50	7
Бикарбонат натрия	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	15
Окислители									-
Нитрат калия	0,5	1,0	-	3,0	10	10	4,0		1,0	2,5	-	-
Перхлорат калия	0,5	-	1,0	5,0	-	-			-	-	2,5	25
Оксид магния		-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	10
Технологические добавки
Графит	0,5	0,2	0,2	-	-	0,1	0,5	0,4	0,2	0,1	0,1	-
Стеарат кальция	-	0,2	0,2	-	0,75	-	0,5	0,6	-	0,4	0,4	-
Стеарат натрия	0,5		-	-	0,75	0,1	-		-	-	-	3
Неорганическое связующее
Хлорид калия	6	-	-	5	10	10	5	10	7,7	-	-	-
Силикат щелочного металла: Me=Na	-	7,0	-	-	-	-	5	-	-	7,0	7,0	-
Ме=К	-	-	7,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-
(Ме2O· mSiO2)	-	2,2	3,8	-	-	-	2,7	-	-	2,2	-	-
Борная кислота	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	10
Сорбент
Цеолит	2	-	-	1,0	1,0	54,8	-	12,5	2,0	-	-	-
Силикагель	-	1,6	1,6	1,0	1,0	-	50	12,5	-	40	40	-
Сравнительные результаты испытаний
Температура ПГАС на выходе из генератора ° С	115	120	125	140	160	180	190	145	125	190	180	210
Коэффициент эффективности охлаждения ПГАС, Кэо	13,04	12,5	12,0	10,71	9,37	8,82	7,89	10,34	12,0	7,9	8,8	6,42
Прочность, МПа	2,5	2,3	2,2	2,4	0,7	0,6	0,8	2,7	1,9	0,9	0,7	0,6
Содержание токсичн. газов: % об. СО	0,25	0,33	0,27	0,25	0,23	0,21	0,22	0,30	0,28	0,27	0,30	1,4
мг/м3 NH3	17,0	19,0	16,0	19,5	21,0	19,0	18,0	17,5	19,0	19,6	18,5	-
мг/м3 NxOy	180	195	210	240	270	280	290	185	205	260	270	-
мг/м3 HCN	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет	нет	-
Содержание частиц 1-2 мкм в составе аэрозоля, %	65	70	68	67	55	54	54	69	64	-	-	-

1. Композиция для охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси, включающая в качестве теплопоглощающих наполнителей основной карбонат магния и/или карбонаты металлов I или II группы, в качестве окислителя нитрат, перхлорат калия или их смеси, в качестве технологических добавок графит, стеарат натрия или кальция или их смесь, а также дополнительно неорганическое связующее хлорид калия, силикат щелочного металла общей формулы Me₂O·mSiO₂, где Me - калий или натрий, a m - силикатный модуль составляет 2,1-3,8, или их смеси и сорбент при следующем содержании компонентов, мас.%:

Теплопоглощающий наполнитель 25-90

Окислитель 1-10

Технологические добавки 0,2-1,5

Неорганическое связующее 5-10

Сорбент Остальное

2. Композиция для охлаждения и одновременной фильтрации пожаротушащей газоаэрозольной смеси по п.1, где в качестве сорбента используют сорбент, выбранный из группы цеолитов, силикагелей или их смеси.