气溶胶灭火剂性能量化方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Method for quantifying the performance of aerosol fire-extinguishing agents

　　摘要：确定扑灭火焰所需的最小气溶胶浓度对于合理设计气溶胶灭火系统至关重要，但目前尚无标准化的测量方法。新型气溶胶灭火剂通过热反应产生气体和压力来分散气溶胶，这类灭火剂无需使用坚固的加压容器，从而为设计提供了更大灵活性。本研究旨在测试两种测量气溶胶浓度的方法：在封闭空间中利用激光进行分析，以及通过视频分析灭火场景。基于这两种方法，研究了气溶胶浓度与火焰抑制之间的关系。视频分析显示，火焰熄灭时的气溶胶浓度为45.7毫克/升，而780纳米、980纳米和1550纳米波长的激光分析结果分别为13.1±0.7毫克/升、22.9±3.3毫克/升和16.9±3.0毫克/升。视频分析得到的浓度始终高于激光分析的结果，而780纳米和1550纳米激光的分析结果则较为接近。两种结果之间的差异可归因于视频分析中的各种因素，比如气溶胶颗粒对光线的反射和散射，包括蜡烛火焰反射的光线，以及摄像机不仅拍摄火焰附近区域，还会拍摄光路中的气溶胶。该研究展示了在火焰熄灭时刻估算气溶胶浓度时，基于激光和基于视频的方法存在差异。

引言：哈龙气体是最有效的灭火化学品之一。但由于其被列为消耗臭氧层物质，人们开始研发其他类型的灭火剂（Wang等人，2024年；Cao等人，2024年；Ma等人，2026年）。气溶胶灭火剂作为有潜力的替代品受到了关注。这类灭火剂基于烟火技术，含有钾等金属化合物（Rohilla等人，2019年、2022年）。当环境温度在200–300摄氏度左右时，会发生热分解和化学反应。反应产物包括细小的气溶胶颗粒以及将这些颗粒扩散到大气中的气体。当这些颗粒接触到火焰时，会释放出具有灭火作用的物质，从而中断火焰中的链式化学反应，最终实现灭火（Kikkawa和Endo，2023年）。这种灭火系统利用压力生成机制来实现气溶胶的扩散。传统灭火器依靠高压惰性气体进行扩散，需要坚固的容器，而烟火类灭火剂则因其灵活性而适用于多种场合。例如，可以将薄片状的装置嵌入建筑墙壁中，那些无法安装传统灭火设备的场所，这样就能保护具有美学价值的古建筑，避免因庞大容器而破坏其外观。小型装置也可放置在潜在的火源附近。如果将装置安装在无外壳的断路器箱中，配电盘内的火花就有可能引发暴露在外的气溶胶灭火剂发生反应，从而迅速灭火。然而，气溶胶灭火剂的评估和验证仍然面临挑战。目前有一些标准规定了气溶胶灭火剂的性能要求。例如，ISO 15779标准阐述了气溶胶灭火系统的要求和测试方法，其中规定了各类潜在灭火剂的测试程序。这些测试通过向封闭空间内喷射气溶胶，让气溶胶扑灭七烷和木制框架等可燃物的火焰，以此来判断灭火剂的效果。但目前还没有标准化的方法来测定火焰熄灭瞬间的瞬时质量浓度。虽然正在研发的灭火剂通常通过实验室规模的火焰蔓延速度来进行评估（Ding等人，2026年），但首先必须确定抑制火焰所需的最小有效浓度，才能合理设计气溶胶灭火系统。本研究评估了两种用于测定火焰被抑制时气溶胶颗粒浓度的方法：基于激光的分析和基于视频的分析。激光分析利用光线穿过气溶胶颗粒云时被部分吸收和散射的现象，检测到光线后，根据吸光度与浓度之间的关系计算光路中的气溶胶颗粒浓度。此外，还进一步研究了视频分析的适用性。激光分析能够确定光路中的浓度，而视频分析则可以绘制出空间浓度分布图。在视频分析中，会记录下气溶胶的扩散情况，然后通过图像处理进行分析。随着气溶胶浓度的增加，图像会变白，表明亮度上升。基于这一观察结果，人们认为亮度与气溶胶浓度呈线性关系。研究人员利用这两种方法建立了校准曲线，进而根据这些曲线确定了火焰熄灭时的气溶胶浓度。以往关于气溶胶浓度测量的研究主要集中于使用颗粒计数器测定颗粒数浓度（Ankilov等人，2002年），或者在大规模气溶胶扩散模拟中进行研究（Zhang等人，2022年），尤其是在COVID-19疫情期间。但这些方法无法提供火焰熄灭瞬间气溶胶颗粒的质量浓度，而这正是确定气溶胶灭火剂最小有效浓度的关键参数。此外，目前也不存在标准化的测量方法。本研究通过开发并比较两种专门用于测定火焰抑制时刻气溶胶浓度的方法——基于激光的透射率分析和基于亮度的视频分析——来弥补这一不足。这项工作的创新之处在于利用这两种光学方法直接实时地测量火焰熄灭时的气溶胶浓度，并对比分析它们各自的优缺点。

章节节选：基于激光的分析：在一个5升的试验室内安装了激光发射器和接收器，用于建立校准曲线。将一定量的灭火剂放入试验室，然后用热镍铬丝将其点燃。在气溶胶扩散之前检测到的光强被用作参考值。随后使用不同量的灭火剂（0.01–0.8克）进行了相同的实验。在气溶胶扩散稳定后，测量了相应量灭火剂对应的吸光度。

基于激光的分析：基于激光的分析利用了光在气溶胶颗粒云中被吸收和散射而导致的衰减现象。光的吸光度是吸收物质的浓度C与吸收层厚度L的函数。这一关系根据朗伯-比尔定律（Goldstein和Day，1954年）可表示为：I(L)=I0e?κCL，其中I(L)是光经过长度为L的光路后的透射强度，I0是入射激光强度，κ是...

结论：基于烟火技术的气溶胶灭火剂因有助于减少臭氧层损耗而备受关注。本研究采用了两种方法来量化火焰熄灭时的气溶胶浓度：基于激光的分析和基于视频的分析。基于激光的分析利用了可见光的吸光度，该吸光度与气溶胶浓度成正比。视频分析则记录了气溶胶扩散和灭火的过程，并据此进行计算。

作者贡献说明：Yuika Sasahara：数据整理、定量分析、研究、软件应用、验证、可视化、初稿撰写。Kyoshiro Usuki：研究、方法设计。Yoshiki Sakurai：研究、方法设计、验证。Mieko Kumasaki：概念构思、定量分析、资金筹集、研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、监督、验证、文章修订与编辑。Ken Okada：方法设计、资源协调。Kenji Wakui：研究。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Yuika Sasahara|Kyoshiro Usuki|Yoshiki Sakurai|Mieko Kumasaki|Ken Okada|Kenji Wakui|Tatsuki Endo
日本神奈川县横滨市保土谷区常盘台79-7，横滨国立大学环境信息科学研究生院，邮编240-8501