CN104777125B - 火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法及分析系统 - Google Patents

Abstract

一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统，包括依次连接的试验室、采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀型气体吸收池和红外光谱仪，以及烟气过滤装置、第一抽气机，样气采集装置、精密多组分配气装置、多种标准气体钢瓶、第二抽气机和尾气处理装置，尾气处理装置通过第二抽气机与耐腐蚀型气体吸收池连接；烟气过滤装置与采样冷却装置连接，样气采集装置分别与烟气过滤装置和耐腐蚀型气体吸收池连接，第一抽气机与样气采集装置连接；精密多组分配气装置分别与红外光谱仪和多种标准气体钢瓶连接。本发明能够实现多种火场气体的在线定量测量和气体灭火剂的定量测量，可扩展性和准确性高。

Description

火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法及分析系统

技术领域

本发明涉及一种气体定量分析技术，具体地，涉及一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法及分析系统。

背景技术

火灾是各种灾害中发生最频繁且极具毁灭性的危害之一，火灾产生的气体产物具有非常大的毒性，是威胁人员安全的主要因素。在消防安全及相关应用领域中，对各种火场气体产物进行有效测量，是一种必要的分析手段。

火场气体产物往往成分复杂、量程变化大，如木材火一般只产生一氧化碳、二氧化碳，而油类火会产生二氧化硫、二氧化氮，电缆火还会产生氯化氢等物质，根据火灾规模的不同，气体产物浓度的变化从百万分之一(ppm)量级到百分之一(％)量级均有分布，而传统气体测量设备采用电化学等探测方法，由于原理性的限制，只适用于固定量程的单组分气体测量，且容易发生传感器中毒而失效，不适用于火场中多组分气体的测量。

另外，对于人工合成的新气体物质(如新型灭火剂NOVEC1230)的应用或研究时，气体浓度往往是一种必须的测量参数，由于这些物质使用时间较短、范围较窄，市场上几乎没有可应用的定量分析装置。例如，近年来，对于卤代烷气体灭火剂的替代研究中，对于不同厂家开发的各类新型灭火剂，其空间浓度是一个重要的设计参数，为了能对其实际的灭火效能和应用效果的进行有效评价，就必须对各种灭火剂在不同应用场景下的浓度进行定量测量，同时还需要关注灭火剂在空间中的不同位置在一定时间内变化的情况，既对灭火剂的空间弥散性分布进行定量分析。

然而，目前并没有可以进行气体灭火剂定量分析的测量仪器，同时，一般的气体定量测量装置，往往只能实现在单个采样点对少数常见气体的测量，无法满足对气体灭火剂弥散性分布进行定量测量的应用需要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法及分析系统，本发明是基于傅里叶变换红外光谱分析的分析方法及系统，可以实现对火场气体产物的在线定量检测、以及对多种气体灭火剂弥散性分布的定量测量。

根据本发明的一个方面，提供一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统，包括：试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统，采样前处理子系统包括采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、烟气过滤装置和第一抽气机，光谱仪子系统包括红外光谱仪、耐腐蚀型气体吸收池、样气采集装置、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶，安全子系统包括第二抽气机和尾气处理装置，试验室、采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀型气体吸收池和红外光谱仪依次从前至后连接；第二抽气机与耐腐蚀型气体吸收池连接，尾气处理装置与第二抽气机连接；烟气过滤装置与采样冷却装置连接，样气采集装置分别与烟气过滤装置和耐腐蚀型气体吸收池连接，第一抽气机与样气采集装置连接；精密多组分配气装置一端与红外光谱仪连接，另一端与多种标准气体钢瓶连接。

优选地，样气采集装置包括多个采样气体吸收池，各采样气体吸收池与烟气过滤装置连接。

优选地，除红外光谱仪外，试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置之间均通过管径4～8mm、壁厚1～3mm的耐腐蚀耐高温气管连接，耐腐蚀型气体吸收池架装于FTIR光谱仪上，两者之间通过准直反射镜连接。

优选地，还包括多个开关阀门，各开关阀门分别设置在试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置的连接管路之间。

优选地，红外光谱仪采用Thermo-Fisher Scientific公司的FTIR(FourierTransform Infrared，傅里叶变换红外光谱)光谱仪Nicolet680。

优选地，第一抽气机和第二抽气机均采用真空泵。

根据本发明的另一个方面，提供一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，包括以下步骤：

步骤1：打开耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机和尾气处理装置之间管路上的各开关阀门，同时，打开FTIR红外光谱仪、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶管路之间的各开关阀门，关闭其它阀门，形成标定气路，通过精密多组分配气装置产生不同组分浓度的混合气体并通入气路，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息，分析各组分气体浓度变化与光谱特征之间的对应关系，形成浓度与光谱的相关曲线，并存储在FTIR光谱仪上，建立各组分气体的标定曲线。

步骤2：开启采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机以及尾气处理装置之间的开关阀门，关闭其它开关阀门，形成火场气体产物测量气路，之后将采样冷却装置与试验室之间的开关阀门打开，向试验室引入待测量火场气体，通过FTIR光谱仪采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行火场气体的在线定量分析。

步骤3：开启采样冷却装置、烟气过滤装置、样气采集装置及第一抽气机之间管路上的各开关阀门，关闭其它开关阀门，形成灭火剂定量分析气路，之后，开启采样冷却装置与试验室之间的开关阀门，完成待测量气体灭火剂的引入，之后，控制样气采集装置每隔一个时间间隔将气路中样气封存在样气采集装置的一个采样气体吸收池中，并对该采集气体吸收池进行编号，完成灭火剂的样气采集；最后，将对应编号的采样气体吸收池接入FTIR光谱仪，完成采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行灭火剂浓度的定量分析。

优选地，形成标定气路后控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息。

优选地，步骤2中，向试验室引入待测量火场气体后，控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、耐腐蚀型气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1,通过FTIR光谱仪采集光谱信息。

优选地，步骤3中，样气采集装置的各采样气体吸收池压力为70KPa，时间间隔为1～10s。

现有气体定量测量技术和设备由于测量原理的限制，往往可测量的气体组分较少、可进行测量的量程固定，而且对于一些新型的合成气体往往没有可用的定量测量设备，而火场气体产物往往包含多种组分，且各个组分在不同燃烧环境下会很大的浓度差异，同时，很多气体灭火剂都是人工合成的新型物质，往往没有可以对其进行空间分布变化定量测量的设备。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统和方法，可以很好的解决现有技术存在的上述问题，通过采用基于FTIR的光谱分析法，可以分析除双原子对称气体分子(如O₂、N₂等)之外的所有气体，并建立了相应的标定方法、设备及模型，能够在一套系统上实现对多种火场气体在大量程变化下的在线定量测量，同时，可以实现对新型气体灭火剂空间分布变化的定量测量，且系统具有良好的可扩展性和准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统组成示意图；

图2为本发明火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统进行气体标定的流程图；

图3为本发明火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统进行火场气体在线定量分析的测量示意图；

图4为本发明火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统进行灭火剂浓度定量分析的多点测量示意图；

图5为本发明实施例的混合气体样本光谱图；

图6为本发明实施例的火场气体光谱及定量变化图。

图中：1为试验室，2为采样冷却装置，3为耐腐蚀型气体预处理装置，4为烟气过滤装置，5为红外光谱仪，6为耐腐蚀型气体吸收池，7为样气采集装置，8为精密多组分配气装置，9为多种标准气体钢瓶，10为第一抽气机，11为第二抽气机，12为尾气处理装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统，包括：试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统，采样前处理子系统包括采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、烟气过滤装置和第一抽气机，光谱仪子系统包括红外光谱仪、耐腐蚀型气体吸收池、样气采集装置、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶，安全子系统包括第二抽气机和尾气处理装置，试验室、采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀型气体吸收池和红外光谱仪依次从前至后连接；第二抽气机与耐腐蚀型气体吸收池连接，尾气处理装置与第二抽气机连接；烟气过滤装置与采样冷却装置连接，样气采集装置分别与烟气过滤装置和耐腐蚀型气体吸收池连接，第一抽气机与样气采集装置连接；精密多组分配气装置一端与红外光谱仪连接，另一端与多种标准气体钢瓶连接。

除红外光谱仪外，试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置之间均通过管径4～8mm、壁厚1～3mm的耐腐蚀耐高温气管连接，耐腐蚀型气体吸收池架装于FTIR光谱仪上，两者之间通过准直反射镜连接。本发明还包括多个开关阀门，各开关阀门分别设置在试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置的连接管路之间。

采样冷却装置通过气管与烟气过滤装置和耐腐蚀型气体预处理装置连接，对燃烧室引入的气体进行降温和过滤。样气采集装置包括多个采样气体吸收池，并通过气管与烟气过滤装置连接，精密多组分配气装置通过气管接入多种标准气体钢瓶。

具体地，红外光谱仪采用Thermo-Fisher Scientific公司的FTIR光谱仪Nicolet680。FTIR红外光谱仪通过准直反射镜将红外干涉光投射至所述耐腐蚀型气体吸收池或所述样气采集装置中包括的采样气体吸收池，并检测出射光来进行系统标定或气体分析。第一抽气机和第二抽气机均采用真空泵，第一抽气机通过气管与样气采集装置连接，使从燃烧室引入的气体在气路中流动，第二抽气机通过气管与尾气处理装置连接，完成有毒有害尾气的处理。

本发明火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统技术参数如下：

测量对象：常见火灾气体(CO、CO₂等)，腐蚀性气体(HF、HCl等)，气体灭火剂(NOVEC1230等)。

单点测量速度：在线实时测量，测量频率至少2s/次。

多点测量速度：设计为空间6个位置，测量频率6次采样/30s。

光谱范围：7800-350cm^-1，

气体吸收池光程长度：2m

气体吸收池容积：200ml

气体吸收池光谱范围：5000-550cm^-1

气体吸收池平均光透过率：20％

气体吸收池工作压力：≥1Atm

气体吸收池工作温度：≥150℃

气池内压力测量分辨率：0.1KPa

采样冷却装置允许进口温度：不高于900℃

采样冷却装置出口温度：120℃±10℃

采样切换控制系统：实现单点在线实时测量以及空间6个位置，各个位置6次采样/30s的样气采集。

根据本发明的另一个方面，还提供一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，包括以下步骤：

步骤1：打开耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机和尾气处理装置之间管路上的各开关阀门，同时，打开FTIR红外光谱仪、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶管路之间的各开关阀门，关闭其它阀门，形成标定气路，通过精密多组分配气装置产生不同组分浓度的混合气体并通入气路，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息，分析各组分气体浓度变化与光谱特征之间的对应关系，形成浓度与光谱的相关曲线，并存储在FTIR光谱仪上，建立各组分气体的标定曲线。

本发明采集大量混合气体的形成气体样本库，通过对样本库的统计学分析，通过基于多元变量的化学计量学方法建立标定模型。如图2所示，在试验前根据分析待测气体产物的种类及浓度范围，取浓度高于各种待测气体浓度范围的标准气体，配制不同种类不同浓度的单组分气体或多组分混合气，之后获取该浓度下混合气红外吸收光谱(如图5所示，其为本发明一个实施例的混合气体产生的红外光谱图，该光谱中，一氧化碳浓度为994ppm，二氧化碳浓度为3030ppm，一氧化氮浓度为890ppm，二氧化硫浓度为102ppm，二氧化氮浓度为721ppm)，之后，根据建立光谱图与组分浓度的关系模型。一次气体标定结束后想标准气体中冲入氮气，调节气体浓度，进行下一次气体标定。

具体地，形成标定气路后控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息。

步骤2：开启采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机以及尾气处理装置之间的开关阀门，关闭其它开关阀门，形成火场气体产物测量气路，之后将采样冷却装置与试验室之间的开关阀门打开，向试验室引入待测量火场气体，通过FTIR光谱仪采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行火场气体的在线定量分析。

如图3所示，将采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第一抽气机以及尾气处理装置连接，形成火场气体产物测量气路，将采样冷却装置前端气管插入试验室，完成待测量火场气体的引入。控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、耐腐蚀型气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1,通过FTIR光谱仪采集光谱信息，并进行火场气体的在线定量分析。

测量过程中，高温的火灾烟气通过采样分析前处理系统降温，除去其中的烟颗粒和水汽，并加热气体吸收池中的待测气体通过光谱仪的快速扫描获得吸收光谱图，经数据分析获得火灾烟气中多种组分浓度随时间变化的结果。测量尾气通过尾气处理装置去除其中有毒有害的成分。

FTIR光谱仪对多幅采集到的光谱进行平均后调用在步骤1中建立的定量模型进行分析，并每隔1s输出该时刻的光谱图像，以及火场多种气体组分的浓度值，并进行火场气体组分的变化曲线，如图6所示。

步骤3：开启采样冷却装置、烟气过滤装置、样气采集装置及第一抽气机之间管路上的各开关阀门，关闭其它开关阀门，形成灭火剂定量分析气路，之后，开启采样冷却装置与试验室之间的开关阀门，完成待测量气体灭火剂的引入，之后，控制样气采集装置每隔一个时间间隔将气路中样气封存在样气采集装置的一个采样气体吸收池中，并对该采集气体吸收池进行编号，完成灭火剂的样气采集；最后，将对应编号的采样气体吸收池接入FTIR光谱仪，完成采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行灭火剂浓度的定量分析。

如图4所示，将采样冷却装置、烟气过滤装置、样气采集装置、真空泵连接，形成灭火剂定量分析气路，将采样冷却装置前端气管插入试验室，完成待测量火场气体的引入。控制各采样气体吸收池压力为70KPa，样气采集装置每隔一个时间间隔将气路中样气封存在一个采样气体吸收池中，完成灭火剂的样气采集，具体时间间隔根据实际需要进行设置，一般取1～10s。

将对应编号的采样气体吸收池接入FTIR光谱仪，完成采集多幅光谱信息并进行平均，再通过在步骤1中建立的定量模型分析灭火剂浓度，最后通过整理各个编号采样气体吸收池的浓度数据，形成气体灭火剂空间分布变化的测量。

该测量过程用于测量一种或多种待测气体在实验室不同的空间位置浓度随时间的变化。在测量过程中，通过干燥过滤装置去除气体中可能存在的颗粒物，采集各时刻的待测气体并存入气体采样池，采样结束后将各个采样池放入光谱仪分析气体中的气体，通过数据分析绘制出不同空间位置浓度随时间的变化。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统，其特征在于，包括：试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统，所述采样前处理子系统包括采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、烟气过滤装置和第一抽气机，所述光谱仪子系统包括红外光谱仪、耐腐蚀型气体吸收池、样气采集装置、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶，所述安全子系统包括第二抽气机和尾气处理装置，所述试验室、采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀型气体吸收池和红外光谱仪依次从前至后连接；所述第二抽气机与所述耐腐蚀型气体吸收池连接，所述尾气处理装置与所述第二抽气机连接；所述烟气过滤装置与所述采样冷却装置连接，所述样气采集装置分别与所述烟气过滤装置和耐腐蚀型气体吸收池连接，所述第一抽气机与所述样气采集装置连接；所述精密多组分配气装置一端与所述红外光谱仪连接，另一端与所述多种标准气体钢瓶连接；

所述火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统是基于傅里叶变换红外光谱分析的系统。

2.根据权利要求1所述的火场气体产物及气体灭火剂定量分析系统，其特征在于，样气采集装置包括多个采样气体吸收池，各所述采样气体吸收池与烟气过滤装置连接；

除所述红外光谱仪外，试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置之间均通过管径4～8mm、壁厚1～3mm的耐腐蚀耐高温气管连接，所述耐腐蚀型气体吸收池架装于FTIR光谱仪上，两者之间通过准直反射镜连接；

还包括多个开关阀门，所述各开关阀门分别设置在试验室、采样前处理子系统、光谱仪子系统和安全子系统所包括的装置的连接管路之间；

所述红外光谱仪采用Thermo-Fisher Scientific公司的FTIR光谱仪Nicolet680；

所述第一抽气机和第二抽气机均采用真空泵。

3.一种火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：打开耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机和尾气处理装置之间管路上的各开关阀门，同时，打开FTIR红外光谱仪、精密多组分配气装置和多种标准气体钢瓶管路之间的各开关阀门，关闭其它阀门，形成标定气路，通过精密多组分配气装置产生不同组分浓度的混合气体并通入气路，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息，分析各组分气体浓度变化与光谱特征之间的对应关系，形成浓度与光谱的相关曲线，并存储在FTIR光谱仪上，建立各组分气体的标定曲线；

步骤2：开启采样冷却装置、耐腐蚀型气体预处理装置、耐腐蚀气体吸收池、FTIR红外光谱仪、第二抽气机以及尾气处理装置之间的开关阀门，关闭其它开关阀门，形成火场气体产物测量气路，之后将采样冷却装置与试验室之间的开关阀门打开，向试验室引入待测量火场气体，通过FTIR光谱仪采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行火场气体的在线定量分析；

步骤3：开启采样冷却装置、烟气过滤装置、样气采集装置及第一抽气机之间管路上的各开关阀门，关闭其它开关阀门，形成灭火剂定量分析气路，之后，开启采样冷却装置与试验室之间的开关阀门，完成待测量气体灭火剂的引入，之后，控制样气采集装置每隔一个时间间隔将气路中样气封存在样气采集装置的一个采样气体吸收池中，并对该采集气体吸收池进行编号，完成灭火剂的样气采集；最后，将对应编号的采样气体吸收池接入FTIR光谱仪，完成采集光谱信息，将得到的光谱特征与步骤1建立的标定曲线进行比较，进行灭火剂浓度的定量分析。

4.根据权利要求3所述的火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，其特征在于，步骤1中，形成标定气路后控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1，通过FTIR红外光谱仪采集光谱信息。

5.根据权利要求3所述的火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，其特征在于，步骤2中，向试验室引入待测量火场气体后，控制气路流量为4L/min，控制气体吸收池温度为150℃、耐腐蚀型气体吸收池压力为70KPa，控制光谱仪分辨率为4cm^-1,通过FTIR光谱仪采集光谱信息。

6.根据权利要求3所述的火场气体产物及气体灭火剂定量分析方法，其特征在于，步骤3中，样气采集装置的各采样气体吸收池压力为70KPa，所述时间间隔为1～10s。