專利名稱：防火系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防火系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明和在下面僅通過實施例更詳細描述的防火系統(tǒng)和方法，特別適于用在重量和尺寸可能存在問題的情況下，例如在飛機或其它交通工具上。
背景技術(shù)：
一種抑制或熄滅火災的方法是用惰性氣氛包圍火。這種防火方法非常適用于一個封閉空間，內(nèi)部的空氣至少部分地被惰性氣氛所取代。惰性氣氛可以通過在壓力下儲存在氣瓶中的一種或幾種惰性氣體而產(chǎn)生，當需要時充入到封閉空間。然而，這樣的氣瓶與防火系統(tǒng)重量和體積最小化的要求是不適宜的，例如，在空間受限且重部件意味著攜帶更少的裝載量的飛機上。
GB-A-1395691公開了一種飛機燃料容器惰化系統(tǒng)，它包括使空氣和燃料反應的催化劑反應器，和提供反應氣體進入燃料容器的導管。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種防火或防爆系統(tǒng)，包括通過有機燃料的低溫催化氧化有效產(chǎn)生惰性氣體輸出(B)的惰性氣體產(chǎn)生裝置，和使惰性氣體輸出有效通入到防止發(fā)生火災或爆炸的區(qū)域的裝置，其中，惰性氣體產(chǎn)生裝置包含有效使空氣(A)和有機燃料混合的混合裝置，和有效傳遞所得混合物通過一種貴金屬催化劑的裝置，其特征在于，混合裝置在第一階段中有效使空氣(A)與以氧化有機燃料形式存在的有機燃料混合，在第二階段，有效使空氣(A)與以烴類燃料形式的有機燃料混合，從而當所得混合物經(jīng)過加熱的催化劑時產(chǎn)生惰性氣體。
根據(jù)本發(fā)明，進一步提供了一種保護一個區(qū)域免于發(fā)生火災或爆炸的方法，包括使來源于氣源(A)的空氣與來源于有機燃料源的有機燃料混合的步驟，傳遞混合物通過催化劑進行低溫氧化反應以產(chǎn)生惰性氣體輸出(B)，傳遞所得的惰性氣體輸出(B)進入受保護的區(qū)域，其特征在于混合步驟包括其中燃料是氧化有機燃料的第一階段，和其中燃料是烴類的第二階段。


附圖是根據(jù)本發(fā)明的火災保護系統(tǒng)示意性框圖。現(xiàn)在僅為了舉例，參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的防火系統(tǒng)和方法，例如用于飛機上。
具體實施例方式
將要描述的系統(tǒng)能產(chǎn)生相對大量的惰性氣體和具有低重量與小尺寸。因此特別適用于在飛機上，在飛機上重量和尺寸是需要考慮的重要因素。然而，也可以用在其它應用中，例如需要低重量和小尺寸的地方，如其它交通工具中(例如，軍用車輛)。
在飛機中，將要描述的系統(tǒng)特別適合于在具有封閉空間的燃料箱和貨艙(盡管不完全密封)中抑制和預防火災或爆炸，惰性氣體可以充入到該燃料箱和貨艙中。
關(guān)于飛機燃料箱，缺量空間(ullage space)的尺寸在飛行過程中明顯地變化(增大)，缺量空間內(nèi)部氣氛在飛行過程中也會變化，壓力和溫度隨飛機爬升或下降而變化。當環(huán)境壓力降低造成液態(tài)燃料中的溶解氣體脫離溶液，特別是比氮氣更易溶解于烴類中的氧氣脫離溶液，導致缺量空間的氣氛也會改變其組成。因此，缺量空間內(nèi)氣氛的可燃性在飛行過程中會變化。由于這個原因，在起飛前在燃油箱里簡單地充入惰性氣氛是不可行的。因此需要在飛機中有一個系統(tǒng)在飛行過程中產(chǎn)生惰性氣體，使得需要量的惰性氣體根據(jù)缺量空間條件的變化充入燃料箱缺量空間。
關(guān)于飛機貨艙，通常與飛機客艙以基本相同的方式增壓，特別是因為通常被設(shè)計用來攜帶家畜，于是一股空氣在飛行過程中流入艙中。如果在飛行過程中貨艙發(fā)生火災，滅火劑會被注入貨艙，例如鹵素滅火劑或噴水。然而，雖然這會熄滅明火，但因為攜帶材料(特別是乘客行李)的性質(zhì)，卻不可能阻止貨艙的持續(xù)陰燃。惰性氣體輸入到貨艙因此成為一種非常有效的阻止或至少控制這類陰燃的方法，直到飛機能安全著陸。所以，需要在飛機飛行過程中在飛機上產(chǎn)生惰性氣氛的裝置。
在附圖中表示的系統(tǒng)包括空氣流量控制單元10，第一燃料容器12，第二燃料容器13，燃料流量控制單元14，混合室16，與相關(guān)的溫度控制單元20連接的催化劑床18，傳感單元22，和控制單元24。
空氣在環(huán)境壓力或稍微增加的壓力下從氣源A在空氣流量控制單元10的控制下進入系統(tǒng)。燃料在燃料控制單元14的控制下從第一個容器12或第二個容器13進入混合室16，在此與來自空氣流量控制單元10的氣體混合(在下面將更詳細描述)。氣體和燃料混合物然后從混合室16通過催化劑床18與催化劑反應(在下面更詳細地描述)。所得的惰性氣體混合物在B點排出系統(tǒng)，從那里可以將其注入飛機燃料箱的缺量空間或飛機的貨艙。
優(yōu)選地，在第一個容器12中的燃料是一種氧化有機物質(zhì)例如甲醇CH3OH，或乙醇C2H5OH，或其混合物。這些燃料在催化劑上反應不需要催化劑床18的預熱。在第二個容器13中的燃料可以是一種氣態(tài)或液態(tài)烴例如庚烷或汽油或航空煤油。使用這些燃料時，催化劑床18必須預熱到400-500℃才能引發(fā)反應。
最初，使用來自第一個容器12的所述氧化有機物質(zhì)，一旦催化劑通過與氧化有機物質(zhì)反應被充分地加熱，隨后使用來自第二個容器13的所述烴類燃料。這種方法的優(yōu)點在于每單位質(zhì)量烴類燃料比單位質(zhì)量氧化有機物質(zhì)去除更多的氧氣，因此重量效率更高。自然，這是在飛機上使用一種系統(tǒng)需著重考慮的事項。
烴類燃料優(yōu)選地來自飛機的主要燃料供應，即提供給飛機引擎的燃料供應。在這種情況下，第二個容器13可以是飛機的常用燃料箱(或之一)。優(yōu)點在于不須為系統(tǒng)提供額外的烴類燃料箱，減輕了系統(tǒng)的總重量。
燃料可以與來自氣源A的空氣在混合室16中通過任何合適的方法混合，例如使空氣通過液態(tài)燃料使空氣用燃料蒸氣飽和，或在壓力下把液態(tài)燃料在使其全部蒸發(fā)的溫度噴霧到空氣流中；燃料可以在燃料流量控制單元14的控制下通過任何常規(guī)方法例如電子泵或在儲存的氣體壓力作用下計量進入到氣流中。在飛機上空氣A的一種常規(guī)氣源是飛機的排放氣。通過空氣流量控制單元10調(diào)節(jié)其進入系統(tǒng)的流動。應當理解，氣源A可能包括任何合適的氣源并不局限于飛機的排放氣。
如果甲醇為燃料，則在催化劑床18上發(fā)生如下氧化反應
這會產(chǎn)生組成為11.5vol％CO2、65.4vol％N2和23.1vol％H2O的氣體混合物。于是來源于氣源A的空氣中的氧氣被例如不會支持燃燒的二氧化碳和水蒸汽所取代，而且，導致混合物與純氮氣相比增強了滅火性能。就是輸出B處產(chǎn)生的氣體混合物。系統(tǒng)只要存在燃料和空氣就會產(chǎn)生惰性氣體。甲醇燃料是液態(tài)且優(yōu)選地保存在加壓的貯藏容器中。
催化劑床18中的催化劑需要高的熱穩(wěn)定性，機械強度和對燃料中發(fā)現(xiàn)的任何有毒物有抵抗力。催化劑可以是周期表中第八族的金屬，如鉑、鈀、銠或銥。這些物質(zhì)可以選擇使用其最有活性的氧化物形式。優(yōu)選地催化劑基本上包括鉑或鈀，或混合物，因為與從混合室16進來的空氣和燃料的混合物不經(jīng)過混合物的預熱就開始反應。
催化劑可包括金屬微粒(例如粒徑在3-20nm范圍)分散在惰性的礦物基載體上。這種類型的載體可能包括氧化鋁或纖維狀鋁硅酸鹽或結(jié)晶形態(tài)鋁硅酸鹽，或多孔團?；蛴裳趸X，氧化鋁/二氧化硅組合物或其它惰性氧化物制成的蜂窩狀整體結(jié)構(gòu)。構(gòu)造所述載體，以便不會阻礙氣流經(jīng)過催化劑床18，但是反應物(從混合室16引入的空氣和燃料混合物)和催化劑表面會保持足夠的接觸時間。
溫度控制單元20對于防止由于反應產(chǎn)生的熱使催化劑床18過熱是必須的，因為催化劑的效率在過熱的條件下會惡化。例如，催化劑應當保持在1000℃以下來防止燒結(jié)，燒結(jié)會造成催化劑顆粒熔合在一起。由反應產(chǎn)生的溫度會顯著小于通過有焰燃燒產(chǎn)生的溫度，有焰燃燒溫度會超過1500℃，因為反應發(fā)生在催化劑表面并且沒有火焰。溫度控制單元20可能也會被用來預先加熱催化劑床18，這對于引發(fā)反應也是必須的。
系統(tǒng)在控制單元24的控制下運轉(zhuǎn)，控制單元接收來源于傳感單元22的反饋，每一個傳感單元可以檢測氣體、壓力、溫度和流量。一個傳感器單元22位于空氣流量控制單元10和混合室16之間，另一個位于混合室16和催化劑床18之間，第三個位于催化劑床18的下游?？刂茊卧?4用來控制空氣流量控制單元10、燃料流量控制單元14和溫度控制單元20，這些單元響應來自傳感器單元22的反饋，以保證系統(tǒng)有效地和安全地運轉(zhuǎn)，以及氣體在離開B點時濃度在特定范圍內(nèi)?？諝庵腥剂蠞舛缺３衷诓蛔慊瘜W計量范圍以內(nèi)，因為如果混合物從混合室16開始就變得富含燃料，那么催化劑床18的排放氣在B點會包括大量的未反應的燃料和一氧化碳。因為存在氣體從貨艙到客艙的反向漏氣的可能，一氧化碳是特別不希望的。
控制單元24通過流量控制單元14控制第一個容器12和第二個容器13中哪一個供燃料。當接受到來自溫度控制單元的指示催化劑充分加熱能夠用儲存在第二個容器13中的燃料發(fā)生反應時，控制單元24可切換第一個容器12到第二個容器13向混合室16供給燃料。
另外，控制裝置當接受到第一個容器12只剩余預定量燃料的指示時，它將燃料供給從第一個容器12切換到第二個容器13。當容器12基本上為空時，優(yōu)選給出切換容器的指示。通過液面?zhèn)鞲衅?、通過定時器(指示從第一個容器12提供流體的時間)或一個流量傳感器(流量減小指示燃料用完)，可以確定容器12為空。用盡容器12的燃料是有利的，因為，第一，有機燃料具有較低的閃點，也就是，儲存有機燃料本身是危險的，第二，所儲存燃料的重量負載會減輕。有了這樣的安排后，儲存有機燃料的量會優(yōu)選地僅僅足以加熱催化劑到需要的溫度。
應當理解，控制單元24還可控制用來提供初始滅火的火災檢測裝置和火災防護系統(tǒng)。
空氣和燃料不必在混合室中混合。系統(tǒng)中可有多于3個的傳感器單元；每一個傳感器單元可以檢測不同的參數(shù)。
就飛機燃料箱來說，在輸出B點產(chǎn)生的惰性氣體在飛行過程中會根據(jù)燃料箱中的溫度和壓力的變化情況和燃料用量按控制的量導入缺量空間，惰性氣體的導入可以在合適的傳感器的控制下自動進行。所以，在這種情況下，惰性氣體的導入僅僅是為了預防目的且不依賴于火災或爆炸的檢測。
就飛機貨艙來說，通過貨艙中適當?shù)幕馂奶綔y器檢測到有火災存在時，惰性氣體一般才會導入到貨艙。對最初的火災探測響應，一種滅火系統(tǒng)會立即起動來抑制火災。這個系統(tǒng)可能采用任何合適的形式，例如使用快速釋放鹵素滅火劑或鹵素滅火劑替代品或噴水系統(tǒng)。接著惰性氣體導入貨艙中，同時切斷到貨艙的正?？諝饬?。為了補償空氣漏入艙中或惰性氣體從艙中逸出，惰性氣體需要不斷供給。
在任一種情況下，惰性氣體不必在需保護的區(qū)域產(chǎn)生。本發(fā)明的催化劑床18可位于遠離要保護區(qū)域的位置，所得的惰性氣體混合物通過管道到達所述區(qū)域。催化劑床18的一個合適位置是在輔助動力單元(APU)艙，因為這些艙通常位于飛機隔火墻或壓力殼層的外面，這些艙本身是防火的。使催化劑床18遠離要保護的區(qū)域減小了燃料源12靠近要保護區(qū)域的危險。
雖然所述系統(tǒng)因為低重量和小尺寸特別適合于飛機上的防火目的，但并不局限于這樣的應用。它們可應用于其它防火或防爆炸目的，特別是在需要低重量和/或小尺寸的場合，例如在其它交通工具如軍用車輛，例如卡車或火車。系統(tǒng)的低重量和小尺寸使它們具有比產(chǎn)生惰性氣體輸出的其它方法更具有優(yōu)越性，例如煙火惰性氣體發(fā)生器和空氣分離技術(shù)。前者是一種非常高密度儲存媒介并能非常迅速地產(chǎn)生大量的惰性氣體。然而，反應產(chǎn)生惰性氣體的煙火本質(zhì)和所產(chǎn)生的高溫氣體致使這個方法對于許多應用并不合適，特別是飛機。后者，包括吸附氣體分離例如在分子篩上的壓力波動吸附(PSA)，通過聚合物膜的選擇滲透，涉及使用高壓和復雜機械的液態(tài)空氣的低溫分離，其重量非常重，因此，在許多應用上是不希望的，特別在飛機上。
權(quán)利要求
1.一種防火或防爆系統(tǒng)，包括使用有機燃料的低溫催化氧化有效產(chǎn)生惰性氣體輸出(B)的惰性氣體產(chǎn)生裝置，和有效導入惰性氣體輸出進入防火或防爆區(qū)域的裝置，其中惰性氣體產(chǎn)生裝置包括有效使空氣(A)與有機燃料混合的混合裝置(16)和有效使所得混合物通過貴金屬催化劑(18)的裝置，其特征在于混合裝置(16)在第一階段有效把空氣(A)與以氧化有機燃料(12)形式的有機燃料混合和在第二階段有效把空氣(A)與以烴類燃料(13)形式的有機燃料混合，從而當所得混合物通過加熱的催化劑(18)時會產(chǎn)生惰性氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的防火或防爆系統(tǒng)，其中氧化有機燃料和/或烴類燃料是液態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的防火或防爆系統(tǒng)，其中氧化有機燃料(12)包括甲醇和/或乙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的防火或防爆系統(tǒng)，其中烴類燃料(13)是煤油。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的防火或防爆系統(tǒng)，包括當催化劑(18)達到預定溫度時，使混合裝置(16)在第二階段有效運行的裝置(24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的防火或防爆系統(tǒng)，包括使混合裝置(16)在第二階段有效運行的裝置(24)，該裝置根據(jù)容器中存在預定量的氧化有機燃料的指示做出響應。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的防火或防爆系統(tǒng)，其中所說的預定量是被選擇為指示容器排空時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中，催化劑(18)來自周期表中第VIII族。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的防火或防爆系統(tǒng)，其中，催化劑(18)基本上是鉑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的防火或防爆系統(tǒng)，其中，催化劑(18)基本上是鈀。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的防火或防爆系統(tǒng)，其中，催化劑(18)基本上是鉑或鈀的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中，催化劑(18)包含在催化劑床中。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中，所述區(qū)域是一種封閉空間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的防火或防爆系統(tǒng)，其中，所述區(qū)域在飛機上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的防火或防爆系統(tǒng)，其中，所述封閉空間是燃料箱的缺量空間。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的防火或防爆系統(tǒng)，其中，所述封閉空間是貨艙。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中空氣是飛機的排放氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中烴類燃料(13)是由飛機主燃料供應提供的。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的防火或防爆系統(tǒng)，其中惰性氣體產(chǎn)生裝置位于遠離要保護的區(qū)域。
20.一種保護一個區(qū)域免受火災或爆炸的方法，包括以下步驟把來自氣源(A)的空氣與來自有機燃料源的有機燃料混合，使該混合物通過催化劑(18)經(jīng)過低溫氧化反應產(chǎn)生一種惰性氣體輸出(B)，和使所得惰性氣體輸出(B)進入要保護的區(qū)域，其特征在于所述混合步驟包括燃料是一種氧化有機燃料(12)的第一階段和燃料是烴類(13)的第二階段。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中氧化有機燃料和/或烴類燃料是液體。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中第一階段中的燃料(12)包括甲醇和/或乙醇。
23.根據(jù)權(quán)利要求20、21或22的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中烴類燃料(13)是煤油。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中當催化劑(18)已經(jīng)達到規(guī)定溫度時，第二階段才開始。
25.根據(jù)權(quán)利要求20-24任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中，根據(jù)容器中存在預定量的氧化有機燃料的指示而開始第二階段。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中預定量被選擇為指示容器排空時。
27.根據(jù)權(quán)利要求20-26任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中催化劑(18)來自周期表中第VIII族。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中催化劑(18)基本上是鉑。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中催化劑(18)基本上是鈀。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中催化劑(18)基本上是鉑或鈀的混合物。
31.根據(jù)權(quán)利要求20-30任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中催化劑(18)包含在催化劑床中。
32.根據(jù)權(quán)利要求20-31任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中，所述區(qū)域是一種封閉空間。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中所述區(qū)域是在飛機上。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中所述封閉空間是燃料箱的缺量空間。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中所述封閉空間是貨艙。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中空氣源是飛機的排放氣。
37.根據(jù)權(quán)利要求33-36任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中烴類燃料是由飛機主燃料供給提供的。
38.根據(jù)權(quán)利要求20-36任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，包括利用空氣流量控制單元(10)控制空氣源(A)步驟，和利用燃料流量控制單元(14)控制燃料源的步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中每一個空氣流量控制單元(10)和燃料流量控制單元(14)是受控制單元(24)控制的。
40.根據(jù)權(quán)利要求20-39中任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，包括利用溫度控制單元(20)控制催化劑(18)溫度的步驟。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中溫度控制單元(20)是受控制單元(24)控制的。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，當依賴于權(quán)利要求31時，其中控制單元(24)還控制空氣流量控制單元(10)和燃料流量控制單元(14)。
43.根據(jù)權(quán)利要求38-42任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，還包括以下步驟在混合前，混合后和反應后各點，檢測混合物中氣體的各種參數(shù)包括氣體、壓力、溫度和流量，空氣流量單元、燃料流量單元和溫度控制單元根據(jù)檢測到的參數(shù)進行操作。
44.根據(jù)權(quán)利要求20-43任一項的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，包括在把惰性氣體混合物通入到要保護的區(qū)域前，通過另外的方法滅火的步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中滅火步驟受權(quán)利要求42的控制單元(24)控制。
46.根據(jù)權(quán)利要求42的保護一個區(qū)域免受火災和爆炸的方法，其中檢測火災的步驟是受控制單元(24)控制的。
全文摘要
從氣源A來的空氣，可能是飛機的排放氣，在空氣流量控制單元(10)控制下進入系統(tǒng)。有機燃料從燃料容器(12或13)在燃料流量控制單元(14)控制下進入混合室(16)與空氣進行混合。在第一階段，有機燃料是來自容器(12)的氧化有機燃料，在隨后階段中，有機燃料是來自容器(13)的烴類燃料。氣體和燃料混合物進入包含貴金屬催化劑如鉑、鈀或其混合物的催化劑床(18)。發(fā)生較低溫度、非燃燒反應，所得的氣體混合物包含低濃度的氧氣和大量的惰性氣體如氮氣、二氧化碳和水蒸汽。這種反應后的混合物，在B點離開系統(tǒng)，適于抑制和熄滅火災，尤其適于在飛行中當檢測到火災時，用于吹洗飛機貨艙的空氣。溫度控制單元(20)與催化劑床(18)相關(guān)聯(lián)，可用來防止其在反應中過熱?？刂茊卧?24)根據(jù)系統(tǒng)中各個點處傳感單元(22)檢測的各種參數(shù)如氣體，壓力，溫度和流量的信號做出的響應，控制空氣流量控制單元(10)、燃料流量控制單元(14)和溫度控制單元(20)。
文檔編號A62C2/04GK1514743SQ02811307
公開日2004年7月21日 申請日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月4日
發(fā)明者D·J·斯普林, D J 斯普林 申請人:基德Ip控股有限公司