CN1514743A - 防火系统和方法 - Google Patents
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Abstract
从气源A来的空气，可能是飞机的排放气，在空气流量控制单元(10)控制下进入系统。有机燃料从燃料容器(12或13)在燃料流量控制单元(14)控制下进入混合室(16)与空气进行混合。在第一阶段，有机燃料是来自容器(12)的氧化有机燃料，在随后阶段中，有机燃料是来自容器(13)的烃类燃料。气体和燃料混合物进入包含贵金属催化剂如铂、钯或其混合物的催化剂床(18)。发生较低温度、非燃烧反应，所得的气体混合物包含低浓度的氧气和大量的惰性气体如氮气、二氧化碳和水蒸汽。这种反应后的混合物，在B点离开系统，适于抑制和熄灭火灾，尤其适于在飞行中当检测到火灾时，用于吹洗飞机货舱的空气。温度控制单元(20)与催化剂床(18)相关联，可用来防止其在反应中过热。控制单元(24)根据系统中各个点处传感单元(22)检测的各种参数如气体，压力，温度和流量的信号做出的响应，控制空气流量控制单元(10)、燃料流量控制单元(14)和温度控制单元(20)。
Description
技术领域
本发明涉及防火系统和方法。根据本发明和在下面仅通过实施例更详细描述的防火系统和方法，特别适于用在重量和尺寸可能存在问题的情况下，例如在飞机或其它交通工具上。
背景技术
一种抑制或熄灭火灾的方法是用惰性气氛包围火。这种防火方法非常适用于一个封闭空间，内部的空气至少部分地被惰性气氛所取代。惰性气氛可以通过在压力下储存在气瓶中的一种或几种惰性气体而产生，当需要时充入到封闭空间。然而，这样的气瓶与防火系统重量和体积最小化的要求是不适宜的，例如，在空间受限且重部件意味着携带更少的装载量的飞机上。
GB-A-1395691公开了一种飞机燃料容器惰化系统，它包括使空气和燃料反应的催化剂反应器，和提供反应气体进入燃料容器的导管。
发明内容
根据本发明，提供了一种防火或防爆系统，包括通过有机燃料的低温催化氧化有效产生惰性气体输出(B)的惰性气体产生装置，和使惰性气体输出有效通入到防止发生火灾或爆炸的区域的装置，其中，惰性气体产生装置包含有效使空气(A)和有机燃料混合的混合装置，和有效传递所得混合物通过一种贵金属催化剂的装置，其特征在于，混合装置在第一阶段中有效使空气(A)与以氧化有机燃料形式存在的有机燃料混合，在第二阶段，有效使空气(A)与以烃类燃料形式的有机燃料混合，从而当所得混合物经过加热的催化剂时产生惰性气体。
根据本发明，进一步提供了一种保护一个区域免于发生火灾或爆炸的方法，包括使来源于气源(A)的空气与来源于有机燃料源的有机燃料混合的步骤，传递混合物通过催化剂进行低温氧化反应以产生惰性气体输出(B)，传递所得的惰性气体输出(B)进入受保护的区域，其特征在于混合步骤包括其中燃料是氧化有机燃料的第一阶段，和其中燃料是烃类的第二阶段。
附图说明
附图是根据本发明的火灾保护系统示意性框图。现在仅为了举例，参考附图描述根据本发明的防火系统和方法，例如用于飞机上。
具体实施方式
将要描述的系统能产生相对大量的惰性气体和具有低重量与小尺寸。因此特别适用于在飞机上，在飞机上重量和尺寸是需要考虑的重要因素。然而，也可以用在其它应用中，例如需要低重量和小尺寸的地方，如其它交通工具中(例如，军用车辆)。
在飞机中，将要描述的系统特别适合于在具有封闭空间的燃料箱和货舱(尽管不完全密封)中抑制和预防火灾或爆炸，惰性气体可以充入到该燃料箱和货舱中。
关于飞机燃料箱，缺量空间(ullage space)的尺寸在飞行过程中明显地变化(增大)，缺量空间内部气氛在飞行过程中也会变化，压力和温度随飞机爬升或下降而变化。当环境压力降低造成液态燃料中的溶解气体脱离溶液，特别是比氮气更易溶解于烃类中的氧气脱离溶液，导致缺量空间的气氛也会改变其组成。因此，缺量空间内气氛的可燃性在飞行过程中会变化。由于这个原因，在起飞前在燃油箱里简单地充入惰性气氛是不可行的。因此需要在飞机中有一个系统在飞行过程中产生惰性气体，使得需要量的惰性气体根据缺量空间条件的变化充入燃料箱缺量空间。
关于飞机货舱，通常与飞机客舱以基本相同的方式增压，特别是因为通常被设计用来携带家畜，于是一股空气在飞行过程中流入舱中。如果在飞行过程中货舱发生火灾，灭火剂会被注入货舱，例如卤素灭火剂或喷水。然而，虽然这会熄灭明火，但因为携带材料(特别是乘客行李)的性质，却不可能阻止货舱的持续阴燃。惰性气体输入到货舱因此成为一种非常有效的阻止或至少控制这类阴燃的方法，直到飞机能安全着陆。所以，需要在飞机飞行过程中在飞机上产生惰性气氛的装置。
在附图中表示的系统包括空气流量控制单元10，第一燃料容器12，第二燃料容器13，燃料流量控制单元14，混合室16，与相关的温度控制单元20连接的催化剂床18，传感单元22，和控制单元24。
空气在环境压力或稍微增加的压力下从气源A在空气流量控制单元10的控制下进入系统。燃料在燃料控制单元14的控制下从第一个容器12或第二个容器13进入混合室16，在此与来自空气流量控制单元10的气体混合(在下面将更详细描述)。气体和燃料混合物然后从混合室16通过催化剂床18与催化剂反应(在下面更详细地描述)。所得的惰性气体混合物在B点排出系统，从那里可以将其注入飞机燃料箱的缺量空间或飞机的货舱。
优选地，在第一个容器12中的燃料是一种氧化有机物质例如甲醇CH3OH，或乙醇C2H5OH，或其混合物。这些燃料在催化剂上反应不需要催化剂床18的预热。在第二个容器13中的燃料可以是一种气态或液态烃例如庚烷或汽油或航空煤油。使用这些燃料时，催化剂床18必须预热到400-500℃才能引发反应。
最初，使用来自第一个容器12的所述氧化有机物质，一旦催化剂通过与氧化有机物质反应被充分地加热，随后使用来自第二个容器13的所述烃类燃料。这种方法的优点在于每单位质量烃类燃料比单位质量氧化有机物质去除更多的氧气，因此重量效率更高。自然，这是在飞机上使用一种系统需着重考虑的事项。
烃类燃料优选地来自飞机的主要燃料供应，即提供给飞机引擎的燃料供应。在这种情况下，第二个容器13可以是飞机的常用燃料箱(或之一)。优点在于不须为系统提供额外的烃类燃料箱，减轻了系统的总重量。
燃料可以与来自气源A的空气在混合室16中通过任何合适的方法混合，例如使空气通过液态燃料使空气用燃料蒸气饱和，或在压力下把液态燃料在使其全部蒸发的温度喷雾到空气流中；燃料可以在燃料流量控制单元14的控制下通过任何常规方法例如电子泵或在储存的气体压力作用下计量进入到气流中。在飞机上空气A的一种常规气源是飞机的排放气。通过空气流量控制单元10调节其进入系统的流动。应当理解，气源A可能包括任何合适的气源并不局限于飞机的排放气。
如果甲醇为燃料，则在催化剂床18上发生如下氧化反应：
这会产生组成为11.5vol％CO2、65.4vol％N2和23.1vol％H2O的气体混合物。于是来源于气源A的空气中的氧气被例如不会支持燃烧的二氧化碳和水蒸汽所取代，而且，导致混合物与纯氮气相比增强了灭火性能。就是输出B处产生的气体混合物。系统只要存在燃料和空气就会产生惰性气体。甲醇燃料是液态且优选地保存在加压的贮藏容器中。
催化剂床18中的催化剂需要高的热稳定性，机械强度和对燃料中发现的任何有毒物有抵抗力。催化剂可以是周期表中第八族的金属，如铂、钯、铑或铱。这些物质可以选择使用其最有活性的氧化物形式。优选地催化剂基本上包括铂或钯，或混合物，因为与从混合室16进来的空气和燃料的混合物不经过混合物的预热就开始反应。
催化剂可包括金属微粒(例如粒径在3-20nm范围)分散在惰性的矿物基载体上。这种类型的载体可能包括氧化铝或纤维状铝硅酸盐或结晶形态铝硅酸盐，或多孔团粒或由氧化铝，氧化铝/二氧化硅组合物或其它惰性氧化物制成的蜂窝状整体结构。构造所述载体，以便不会阻碍气流经过催化剂床18，但是反应物(从混合室16引入的空气和燃料混合物)和催化剂表面会保持足够的接触时间。
温度控制单元20对于防止由于反应产生的热使催化剂床18过热是必须的，因为催化剂的效率在过热的条件下会恶化。例如，催化剂应当保持在1000℃以下来防止烧结，烧结会造成催化剂颗粒熔合在一起。由反应产生的温度会显著小于通过有焰燃烧产生的温度，有焰燃烧温度会超过1500℃，因为反应发生在催化剂表面并且没有火焰。温度控制单元20可能也会被用来预先加热催化剂床18，这对于引发反应也是必须的。
系统在控制单元24的控制下运转，控制单元接收来源于传感单元22的反馈，每一个传感单元可以检测气体、压力、温度和流量。一个传感器单元22位于空气流量控制单元10和混合室16之间，另一个位于混合室16和催化剂床18之间，第三个位于催化剂床18的下游。控制单元24用来控制空气流量控制单元10、燃料流量控制单元14和温度控制单元20，这些单元响应来自传感器单元22的反馈，以保证系统有效地和安全地运转，以及气体在离开B点时浓度在特定范围内。空气中燃料浓度保持在不足化学计量范围以内，因为如果混合物从混合室16开始就变得富含燃料，那么催化剂床18的排放气在B点会包括大量的未反应的燃料和一氧化碳。因为存在气体从货舱到客舱的反向漏气的可能，一氧化碳是特别不希望的。
控制单元24通过流量控制单元14控制第一个容器12和第二个容器13中哪一个供燃料。当接受到来自温度控制单元的指示：催化剂充分加热能够用储存在第二个容器13中的燃料发生反应时，控制单元24可切换第一个容器12到第二个容器13向混合室16供给燃料。
另外，控制装置当接受到第一个容器12只剩余预定量燃料的指示时，它将燃料供给从第一个容器12切换到第二个容器13。当容器12基本上为空时，优选给出切换容器的指示。通过液面传感器、通过定时器(指示从第一个容器12提供流体的时间)或一个流量传感器(流量减小指示燃料用完)，可以确定容器12为空。用尽容器12的燃料是有利的，因为，第一，有机燃料具有较低的闪点，也就是，储存有机燃料本身是危险的，第二，所储存燃料的重量负载会减轻。有了这样的安排后，储存有机燃料的量会优选地仅仅足以加热催化剂到需要的温度。
应当理解，控制单元24还可控制用来提供初始灭火的火灾检测装置和火灾防护系统。
空气和燃料不必在混合室中混合。系统中可有多于3个的传感器单元；每一个传感器单元可以检测不同的参数。
就飞机燃料箱来说，在输出B点产生的惰性气体在飞行过程中会根据燃料箱中的温度和压力的变化情况和燃料用量按控制的量导入缺量空间，惰性气体的导入可以在合适的传感器的控制下自动进行。所以，在这种情况下，惰性气体的导入仅仅是为了预防目的且不依赖于火灾或爆炸的检测。
就飞机货舱来说，通过货舱中适当的火灾探测器检测到有火灾存在时，惰性气体一般才会导入到货舱。对最初的火灾探测响应，一种灭火系统会立即起动来抑制火灾。这个系统可能采用任何合适的形式，例如使用快速释放卤素灭火剂或卤素灭火剂替代品或喷水系统。接着惰性气体导入货舱中，同时切断到货舱的正常空气流。为了补偿空气漏入舱中或惰性气体从舱中逸出，惰性气体需要不断供给。
在任一种情况下，惰性气体不必在需保护的区域产生。本发明的催化剂床18可位于远离要保护区域的位置，所得的惰性气体混合物通过管道到达所述区域。催化剂床18的一个合适位置是在辅助动力单元(APU)舱，因为这些舱通常位于飞机隔火墙或压力壳层的外面，这些舱本身是防火的。使催化剂床18远离要保护的区域减小了燃料源12靠近要保护区域的危险。
虽然所述系统因为低重量和小尺寸特别适合于飞机上的防火目的，但并不局限于这样的应用。它们可应用于其它防火或防爆炸目的，特别是在需要低重量和/或小尺寸的场合，例如在其它交通工具如军用车辆，例如卡车或火车。系统的低重量和小尺寸使它们具有比产生惰性气体输出的其它方法更具有优越性，例如烟火惰性气体发生器和空气分离技术。前者是一种非常高密度储存媒介并能非常迅速地产生大量的惰性气体。然而，反应产生惰性气体的烟火本质和所产生的高温气体致使这个方法对于许多应用并不合适，特别是飞机。后者，包括吸附气体分离例如在分子筛上的压力波动吸附(PSA)，通过聚合物膜的选择渗透，涉及使用高压和复杂机械的液态空气的低温分离，其重量非常重，因此，在许多应用上是不希望的，特别在飞机上。
Claims (46)
1.一种防火或防爆系统，包括使用有机燃料的低温催化氧化有效产生惰性气体输出(B)的惰性气体产生装置，和有效导入惰性气体输出进入防火或防爆区域的装置，其中惰性气体产生装置包括有效使空气(A)与有机燃料混合的混合装置(16)和有效使所得混合物通过贵金属催化剂(18)的装置，其特征在于混合装置(16)在第一阶段有效把空气(A)与以氧化有机燃料(12)形式的有机燃料混合和在第二阶段有效把空气(A)与以烃类燃料(13)形式的有机燃料混合，从而当所得混合物通过加热的催化剂(18)时会产生惰性气体。
2.根据权利要求1的防火或防爆系统，其中氧化有机燃料和/或烃类燃料是液态。
3.根据权利要求1或2的防火或防爆系统，其中氧化有机燃料(12)包括甲醇和/或乙醇。
4.根据权利要求1、2或3的防火或防爆系统，其中烃类燃料(13)是煤油。
5.根据权利要求1-4中任一项的防火或防爆系统，包括当催化剂(18)达到预定温度时，使混合装置(16)在第二阶段有效运行的装置(24)。
6.根据权利要求1-4中任一项的防火或防爆系统，包括使混合装置(16)在第二阶段有效运行的装置(24)，该装置根据容器中存在预定量的氧化有机燃料的指示做出响应。
7.根据权利要求6的防火或防爆系统，其中所说的预定量是被选择为指示容器排空时。
8.根据权利要求1-7任一项的防火或防爆系统，其中，催化剂(18)来自周期表中第VIII族。
9.根据权利要求8的防火或防爆系统，其中，催化剂(18)基本上是铂。
10.根据权利要求8的防火或防爆系统，其中，催化剂(18)基本上是钯。
11.根据权利要求8的防火或防爆系统，其中，催化剂(18)基本上是铂或钯的混合物。
12.根据权利要求1-11任一项的防火或防爆系统，其中，催化剂(18)包含在催化剂床中。
13.根据前述权利要求任一项的防火或防爆系统，其中，所述区域是一种封闭空间。
14.根据权利要求13的防火或防爆系统，其中，所述区域在飞机上。
15.根据权利要求14的防火或防爆系统，其中，所述封闭空间是燃料箱的缺量空间。
16.根据权利要求14的防火或防爆系统，其中，所述封闭空间是货舱。
17.根据权利要求14-16任一项的防火或防爆系统，其中空气是飞机的排放气。
18.根据权利要求14-17任一项的防火或防爆系统，其中烃类燃料(13)是由飞机主燃料供应提供的。
19.根据前述权利要求任一项的防火或防爆系统，其中惰性气体产生装置位于远离要保护的区域。
20.一种保护一个区域免受火灾或爆炸的方法，包括以下步骤：把来自气源(A)的空气与来自有机燃料源的有机燃料混合，使该混合物通过催化剂(18)经过低温氧化反应产生一种惰性气体输出(B)，和使所得惰性气体输出(B)进入要保护的区域，其特征在于所述混合步骤包括燃料是一种氧化有机燃料(12)的第一阶段和燃料是烃类(13)的第二阶段。
21.根据权利要求20的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中氧化有机燃料和/或烃类燃料是液体。
22.根据权利要求20或21的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中第一阶段中的燃料(12)包括甲醇和/或乙醇。
23.根据权利要求20、21或22的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中烃类燃料(13)是煤油。
24.根据权利要求20-23任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中当催化剂(18)已经达到规定温度时，第二阶段才开始。
25.根据权利要求20-24任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中，根据容器中存在预定量的氧化有机燃料的指示而开始第二阶段。
26.根据权利要求25的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中预定量被选择为指示容器排空时。
27.根据权利要求20-26任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中催化剂(18)来自周期表中第VIII族。
28.根据权利要求27的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中催化剂(18)基本上是铂。
29.根据权利要求27的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中催化剂(18)基本上是钯。
30.根据权利要求27的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中催化剂(18)基本上是铂或钯的混合物。
31.根据权利要求20-30任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中催化剂(18)包含在催化剂床中。
32.根据权利要求20-31任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中，所述区域是一种封闭空间。
33.根据权利要求32的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中所述区域是在飞机上。
34.根据权利要求33的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中所述封闭空间是燃料箱的缺量空间。
35.根据权利要求33的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中所述封闭空间是货舱。
36.根据权利要求35的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中空气源是飞机的排放气。
37.根据权利要求33-36任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中烃类燃料是由飞机主燃料供给提供的。
38.根据权利要求20-36任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，包括利用空气流量控制单元(10)控制空气源(A)步骤，和利用燃料流量控制单元(14)控制燃料源的步骤。
39.根据权利要求38的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中每一个空气流量控制单元(10)和燃料流量控制单元(14)是受控制单元(24)控制的。
40.根据权利要求20-39中任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，包括利用温度控制单元(20)控制催化剂(18)温度的步骤。
41.根据权利要求40的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中温度控制单元(20)是受控制单元(24)控制的。
42.根据权利要求41的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，当依赖于权利要求31时，其中控制单元(24)还控制空气流量控制单元(10)和燃料流量控制单元(14)。
43.根据权利要求38-42任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，还包括以下步骤：在混合前，混合后和反应后各点，检测混合物中气体的各种参数包括气体、压力、温度和流量，空气流量单元、燃料流量单元和温度控制单元根据检测到的参数进行操作。
44.根据权利要求20-43任一项的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，包括在把惰性气体混合物通入到要保护的区域前，通过另外的方法灭火的步骤。
45.根据权利要求44的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中灭火步骤受权利要求42的控制单元(24)控制。
46.根据权利要求42的保护一个区域免受火灾和爆炸的方法，其中检测火灾的步骤是受控制单元(24)控制的。
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