引用本文：赵子琦, 吴爱军, 李成娇, 田世祥. 地下空间火灾烟气的泡沫净化技术研究[J]. 消防科学与技术, 2024, 43(1): 45-50.
Zhao Ziqi, Wu Aijun, Li Chengjiao, Tian Shixiang. Research on foam purification technology in smoke from underground space fires[J]. Fire Science and Technology, 2024, 43(1): 45-50.地下空间火灾烟气的泡沫净化技术研究
赵子琦1,吴爱军1,李成娇1,田世祥2
（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,贵州 贵阳 550025）摘要：为了有效控制地下空间火灾烟气，本文提出一种泡沫净化的新型消烟技术，并搭建了试验平台，简要介绍了泡沫消烟技术的优点，并阐述了净化工作原理。通过试验分析不同溶液与不同烟气浓度（以CO2体积分数为跟踪表征物质）对CO2脱除率的影响。研究结果表明：纯水、单体发泡液、复配发泡液3种溶液的CO2脱除效率分别为38.18%、56.71%、92.2%，从而得出复配发泡液对于CO2有着明显的净化效果。随着入口烟气浓度增加，CO2脱除率由93.21%降低至80.85%，降幅较小，证明了该泡沫净化技术对烟气中CO2良好的吸收效果。研究结果表明，泡沫对地下烟气具有明显的控制效果。
关键词：地下空间；火灾烟气；泡沫；净化
中图分类号：X932；TU96+7
基金项目：国家自然科学基金项目（52104079）
目前，有关地铁、隧道、地下车库、城市管廊等地下空间的防烟排烟技术已经得到一定的发展。第一种是通风排烟，有自然通风和机械通风两种方式。自然排烟，即利用火灾产生的热烟气流的浮力和外部风力的作用下，将烟气排出火场或稀释烟气的浓度，如利用专设的排烟口、竖井排烟。机械排烟是利用机械作用力将火场烟气排出，比如在每个需要排烟的部位设置独立的排烟风机直接进行排烟，或者将建筑物划分为若干个区，在每个区内设置排烟风机，通过排烟风机排烟。然而，通风排烟对建筑建构有所限制，地下空间结构复杂，通风不当反而会加剧火势。第二种是细水雾降烟。细小的水雾滴能够吸附捕捉悬浮的烟气颗粒，从而提高火灾现场的能见度，同时水雾因火场高温而汽化能吸收大量热量，有助于降低火灾现场温度，吸附净化有毒烟气，提高火场逃生概率，降低救援难度。MEHADDI R等在一个地铁站进行了全尺寸试验，结果表明，细水雾系统有助于降低烟雾温度和有毒物质浓度，改善乘客疏散的生存条件。WANG Z G等研究了水雾幕防止火灾烟雾扩散的潜在用途以及不同喷嘴的喷雾特性，并提出了最佳的工作压力。SUN J Y等验证了细水雾系统抑制隧道火灾烟气以及热量的有效性。虽然细水雾降烟技术得到了一定发展，但是细水雾降烟技术需要源源不断的水供给，对水质又有高要求，否则喷嘴容易堵塞，从而失去降烟功能。第三种是声波团聚技术，通过高强声场促进细颗粒之间的相对运动和碰撞效率，使得细颗粒在短时间内被团聚为大颗粒。ZHANG G X等证明了在火场中通过声学聚集来消除烟雾的潜力。YUAN D K等研究了声波团聚技术应用于地下隧道电缆火灾烟气的消除。MAO Z C等采用声波团聚与水滴耦合的方法消除电缆火灾烟气。但是，具有明显差异的颗粒粒径，将不会碰撞团聚，声波团聚技术还需要克服如何在火场中使颗粒保持一定团聚效果的难题。基于以上问题，有必要找到一种高可靠性、高效率的消烟方法。泡沫作为一种气液两相介质，已经在诸多领域得到发展。REN W X等提出并开发一种泡沫控制粉尘新技术，研究结果表明，泡沫对煤矿井下粉尘控制有明显效果。YANG X等利用泡沫全自动授粉代替人工授粉。CAO Z X等提出了一种新型的泡沫辅助局部排气通风（SBA-LEV）系统，该系统利用肥皂泡从环境空气中分离出集中释放的空气污染物，防止污染物扩散过程中的混合和稀释。左天林提出利用泡沫净化火灾烟气的思路，采用消防用烟饼模拟泡沫净化烟气试验，并对其作用机理进行了探究。向银等研究了离散型泡沫净化粉尘技术。LOU M W等研究了水成膜泡沫与蛋白质泡沫在柴油火灾中的性能，并分析了不同泡沫的灭火机理。南玮研究了基于泡沫的阻燃电缆火灾烟气净化新技术。张乐分析研究因汽油燃烧引起的火灾烟气物化性质，模拟泡沫润湿烟气过程，利用消烟泡沫技术抑制消除有限空间汽油火灾烟气。 基于泡沫良好的黏附性和隔离性，笔者提出吸入式泡沫净化烟气技术，将高浓度的烟气封装在泡沫中，实现地下空间火场烟气的净化，重点对不同溶液与入口烟气（以CO2为示踪气体）浓度对烟气的净化率的影响规律进行理论与试验研究。1 试验装置
1.1 试验系统
整个过程可以分为2个阶段，即鼓泡池和起泡柱内的传质过程。其主要反应为二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸钠与二氧化碳、水反应生成碳酸氢钠。如图1所示，烟气经风机驱动，经排烟管道通入鼓泡池内，经过发泡盘形成大量气泡。在烟气持续通入发泡液的情况下，包裹烟气的气泡不断上升，促进气液两相的传质和反应。当气泡浮至液面与空气接触时，表面活性剂分子就会吸附在液面两侧形成双分子膜，这时形成了两个内外气液界面，中间则是复配发泡液。气泡不断积累，在起泡柱中形成密集的含烟气泡沫，泡沫液膜变大，大大增加了气液相的传质面积。Fig. 1 Foam formation process
根据拉普拉斯定律，由于气泡液膜两边存在压力差，被封装在气泡内部的烟气会通过气膜扩散至液膜，并与液膜携带的碱性添加剂发生反应，具体过程如图2所示。最后，被净化的烟气穿过泡沫层向上排出。在表面张力的作用下，烟尘进入液膜，由于液相分子间作用力，小颗粒烟尘黏附团聚，失去移动的能力。由于泡沫液膜吸附了大量的烟气颗粒及有毒有害气体，并且在重力作用下发生排液，造成液膜厚度快速减小，最后泡沫破裂。Fig. 2 Schematic diagram of mass transfer process of flue gas in foam
1.2 试验装置
搭建的试验平台示意图如图3所示。试验装置由3部分组成：火灾烟气发烟系统、含烟气气流抽排系统、鼓泡封装系统。 1-CO2实时数据采集系统；2-CO2传感器；3-模拟地下受限空间；4-集烟罩；5-离心风机；6-交流调压电源；7-发泡盘；8-鼓泡池；9-起泡柱Fig. 3 Schematic diagram of experimental platform
1）火灾烟气发烟系统由PVC圆筒（内径为350 mm，壁厚为1 mm，高度为450 mm），以及顶部开有集气罩孔、CO2浓度测试探头孔的盖板组成。2）含烟气气流抽排系统由集烟罩（内径为180 mm）、变频风机、L形PVC弯管（直径为110 mm）和排烟管道组成。集气罩嵌入发烟室顶部的圆形盖板，这样便于收集所有烟气；变频风机一端与集烟罩相连，另一端与L形PVC排烟管道相接，竖向排烟管底部安装一个鼓泡盘（直径为250 mm，厚度为1 mm，180个直径为6 mm的孔，开孔率为11.42%）。3）烟气鼓泡封装系统：有机玻璃鼓泡池（内径为490 mm，壁厚为5 mm，高度为500 mm），亚克力透明圆筒型起泡柱（内径为480 mm，壁厚为1 mm，高度为1 500 mm），这两部分垂直组合形成了一个高为1.5 m的柱。由于烟气的组分复杂，监测净化效率以哪一种物质为标准，是判断本试验的一个关键指标。目前，现有的仪器设备对高浓度烟气颗粒存在连续给出实时动态数据的困难，而烟气中的气体组分的浓度是可以实时监测的。为了方便实时监测烟气被泡沫的净化效率，以烟气中的CO2为跟踪显示气体，试验采用CO2传感器和计算机连接而组成的数据采集系统，分别放置在烟气的入口端和出口端来实时记录烟气的浓度变化。1.3 试验材料
1.3.1 发烟材料
为了使烟气总量在特定范围内且安全可控，本文选用灭蚊片作为试验的发烟材料，它能够产生浓密、持久且逼真的烟雾。主要成分为富右旋反式丙烯菊酯，是一种高效低毒低残留的拟除虫菊酯类。规格见图4。
Fig. 4 Smoking material specification schematic
1.3.2 试验溶液配置
分别选用纯水、单体发泡液和复配发泡液对CO2脱除率进行对比，来验证泡沫净化烟气的猜想。用于净化的复配发泡液是由水、表面活性剂、水溶性聚合物以及碱性添加剂组成的。本试验选取的复配发泡液配方为：1.1%质量分数的十二烷基硫酸钠（K12）+0.7%质量分数的月桂基葡糖苷（APG）+0.08%质量分数的羧甲基纤维素钠（CMC-Na）+0.4%质量分数的碳酸钠（Na2CO3）。加入表面活性剂，溶液的表面张力降低，润湿性得到提高；阴离子（K12）和非离子（APG）表面活性剂复配后，会起到增效作用，效果要优于单一表面活性剂。水溶性聚合物能够增加泡沫液的黏度，提高泡沫稳定性。碱性添加剂能够吸收烟气中的一部分酸性气体。非离子表面活性剂多用于稳泡剂使用，因此选择相同浓度的K12用于对比试验的单体发泡液。 发泡液的配方采用改进Ross-mile法，表面张力以及黏度的测定来进行优选，具体参数见表1。Table 1 Foaming fluid properties and measurement results![]()
采用德拉弗斯试验法，对不同溶液对烟尘的润湿性能进行检测。取100 mL的3种溶液倒至250 mL烧杯中，再将1 g发烟片燃烧尘粒轻轻倒入烧杯中，当尘粒接触溶液表面时开始计时，每组试验重复3次，最终取平均值，沉降速度越快，证明润湿性能越好，如图5所示。由图5可以看出，在水中没有明显沉降变化，说明大多数尘粒属于疏水颗粒。不管是单体还是复配发泡液的润湿效果都比水好，这是因为表面活性剂分子在烟尘颗粒表面发生定向吸附，形成双分子吸附层，构成亲水表面，能够被溶液润湿。300 s后，单体发泡液的液面上仍残留部分颗粒，而在复配发泡液液面上的颗粒全部沉降到溶液底部，证明选取的复配发泡液润湿性能相对较好。
Fig. 5 The wetting and settling condition at t=0 s and t=300 s
1.4 试验方法
试验过程如下：试验开始前，预先配置好溶液，装至鼓泡池内至液深75 mm，发泡盘浸没深度为20 mm；启动CO2传感器记录实时数据，检测频率为4 s一次；点燃发烟片，经过20 s燃烧完全，打开风机，交流调压电源控制在90 V，将烟气通入盛装溶液的鼓泡池内，待入口处CO2低于2 000 mg/m3（根据GB/T 18883-2022《室内空气质量标准》CO2标准值≤0.1%（1小时平均））并维持一段时间后，关闭风机，结束试验。工况如表2所示。Table 2 Experimental settings
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2 试验结果及讨论
因为烟气的排放浓度一般存在较大的波动，出口浓度不同时间点的数值亦存在一定的差异。所以本文选择46~74 s时的烟气浓度峰值段，对6个工况的CO2脱除率进行比较。2.1 不同溶液对CO2去除效果分析
由图6可知，在纯水中生成的气泡通常不稳定，上升到一定高度后迅速破裂，几乎锁不住烟气，所以与发泡液相比，烟气在纯水中逸散严重。在两种发泡液中生成的气泡较为稳定，这是因为泡沫液中的表面活性剂有助于保持气泡的完整性，使其能够持续存在一段时间，且两者的烟气逸散情况都低于纯水。与此同时，在相同的时间条件下，复配发泡液所产生的泡沫的持久性、抗破裂性、数量等性能均远优于单体发泡液。Fig. 6 Purification state at t=60 s
图7是不同溶液CO2脱降率对比情况。从图7可知，纯水、单体发泡液、复配发泡液3种溶液的CO2脱除效率分别为38.18%、56.71%、92.20%，且复配发泡液的CO2脱除效率始终高于其他两种溶液。这是因为CO2作为可溶性气体，在与纯水接触时，CO2扩散至水中，并形成碳酸，但由于碳酸极不稳定，容易分解成CO2和水。而且，由于纯水的表面张力较大，向水溶液中通入大量烟气气流时，形成的气泡数量不仅少，而且稳定性较差，极易破碎，所以导致大量烟气从水溶液中逃逸，致使其净化效率较低。因此，纯水虽然对烟气有一定的消减作用，但是吸收效果并不明显。Fig. 7 Comparison of CO2 removal rate of different solutions
相较于纯水溶液，单体发泡液的CO2脱除率有所提升。烟气被封装在泡沫里，使得气液两相有较高的接触面积，传质效率较高，从而能有效吸收CO2。除此之外，因为表面活性剂的添加，能够快速润湿烟气颗粒，使颗粒团聚沉降。图8展示了工况2在t=0 s到t=480 s时泡沫净化烟气的试验过程图片。可以看出，在t=0 s时烟气浓度较高，但随着时间的推移，烟气扩散至液膜被发泡液吸收，t=120 s时烟气浓度逐渐下降，但可见度并没有得到很大程度的提高；t=240 s和t=480 s时，整体能见度达到较高水平。因此可以得出结论：泡沫技术对净化地下空间火灾烟气具有重要作用。
Fig. 8 Purification process under condition 2 from 0 to 480 s
与另外两个工况相比，复配发泡液有着显著优势，CO2脱除率高达92.2%。一方面，K12溶液具有良好的起泡性能，但是泡沫稳定性较差，CO2易透过液膜扩散，使得泡沫快速破裂，烟气逃逸。而复配发泡液由阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配，二者发生了增效作用，增强了液膜强度，同时添加了CMC-Na，增加了泡沫液的黏弹性，减缓了排液速度，泡沫稳定性明显优于单体发泡液；另一方面，由于Na2CO3的存在，CO2能与之发生化学反应生成NaHCO3，从而有效消除CO2。 2.2 不同入口烟气CO2体积分数对CO2去除效果分析
如图9所示，初始阶段，随着入口烟气浓度的增加，起泡柱内的能见度越来越低。随着时间推移，烟气和烟气颗粒不断被泡沫吸附，每个工况的清晰度逐渐提高。之后，由于泡沫吸附过多的烟尘和烟气，在重力和毛细力的作用下，液膜排液使得厚度变薄，最终泡沫快速破裂。3种工况下，工况4的清晰度要高于工况5和工况6，能够明显地看到泡沫的图像。而入口烟气浓度越大，泡沫的边界轮廓越不清晰。Fig. 9 Purification process from t=0 s to t=840 s
泡沫破裂不仅发生在起泡柱顶部与大气接触部分，同时内部的泡沫也在不断破裂。但是，在泡沫柱内部，泡沫破裂后，烟气又被周围的泡沫包裹。从图9还可以发现，工况4在480 s时相比于其他两个工况，泡沫的大小、形状和分布在空间上呈现出均匀一致的特征，具有良好的均一性。在840 s时，工况6泡沫破碎速度相比其他两个工况快，这是因为入口处CO2体积分数的增加，从而泡沫内部压力过大，随着烟气扩散，扰动了泡沫平衡，导致泡沫快速破裂。如图10所示，随着入口CO2体积分数的增大，脱除率呈下降趋势，但是降幅较小。当入口CO2体积分数从5.7%增至15.6%，脱除率由93.21%降低至80.85%，其主要原因是：虽然随着CO2体积分数增加，相应气液界面分压增加，从而增大了气液传质的推动力，有利于CO2向泡沫液内部、泡沫液膜中扩散，加快气液反应速率；但是，过高的CO2体积分数也会加速消耗泡沫液中的碱性添加剂，导致吸收CO2的液膜阻力增加，使得出口浓度增加，脱除率下降。综合来看，该净化技术对烟气中的CO2体积分数有良好的适应性。 Fig. 10 Effect of inlet CO2 concentration on CO2 removal rate
3 结 论
1）泡沫净化烟气技术具有良好的黏附性能、润湿性能，较大的接触面积等特点，对控制烟气有明显优势。2）以不同溶液的CO2脱除效率为切入点，验证复配发泡液净化烟气的合理性，其对CO2的净化效率达到92.2%，相较于纯水和单体发泡液分别提高了54.02%和35.49%，因此，复配发泡液对CO2有着显著的净化效果。3）CO2脱除率会随着入口CO2体积分数的增加而下降，但降幅较小，表现出泡沫净化技术对烟气中CO2体积分数范围适应性很强。
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