Study of the physicochemical properties of an extinguishing powder for sodium fires : aging, fabrication, and mechanism of extinction

par Nur Andriani Pramudita Kusumanindyah

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Henri Berthiaux et de Laurent Brissonneau.

Soutenue le 13-12-2016

à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés (Toulouse) , en partenariat avec Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (laboratoire) et de Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE (laboratoire) .

Le président du jury était Loïc Favergeon.

Le jury était composé de Henri Berthiaux, Laurent Brissonneau, Khashayar Saleh, Jean-Louis Consalvi, Cendrine Gatumel, André Laurent.

Les rapporteurs étaient Khashayar Saleh, Jean-Louis Consalvi.

  • Titre traduit

    Etude des propriétés physicochimiques d'une poudre extinctrice pour les feux sodium : vieillissement, fabrication, et mécanisme d'extinction


  • Résumé

    Le Commissariat à l’Energie atomique et aux énergies alternatives (CEA) a développé une poudre extinctrice efficace capable d'éteindre le feu de sodium. Elle est une poudre à base d'un mélange de carbonate de lithium (Li2CO3) et de carbonate de sodium à basse hydraté (Na2CO3.H2O) dans une proportion proche de l'eutectique, avec une température de fusion d'environ 500°C, associée à du graphite. Cependant, depuis le démantèlement de plusieurs anciennes installations de sodium, le CEA dispose d'un stock important de lots de poudre inutilisés. L'idée de réutiliser ces poudres initie la question sur leur efficacité pour éteindre un feu de sodium après un stockage à long terme. Cette étude a proposé des analyses physicochimiques de ces poudres afin d'identifier leurs compositions et les caractéristiques des différents lots. Les résultats mettent en évidence la présence de carbonate de lithium de sodium (LiNaCO3) et trona (Na2CO3.NaHCO3.2H2O) qui ne sont pas mentionnés dans le brevet. Les expériences de vieillissement ont été développées pour étudier le rôle de l'humidité et du dioxyde de carbone à l’air ambiant au cours du stockage. Les résultats montrent que LiNaCO3 est sensible à la présence d'humidité, capable de transformer en carbonate de lithium et le carbonate de sodium monohydrate, quant à celui-ci réagit avec de l'eau et du dioxyde de carbone pour former du trona. Une étude de la formation de LiNaCO3 a permis d’avoir la compréhension du procédé de fabrication de la poudre. Ce composé se trouve à se produire grâce aux réactions mécanochimiques entre Li2CO3 et Na2CO3.H2O au cours du processus de broyage. Le Chris(X)ti-Na installation expérimentale est construit pour comprendre les mécanismes d'extinction en particulier concernant le rôle des propriétés physicochimiques sur l'extinction. Deux étapes de mécanismes d'extinction sont proposés, qui comprend (1) la formation d'hydroxyde de sodium liquide (NaOH) et (2) la fusion des carbonates eutectique. La première étape peut se produire directement (par la réaction directe du trôna et / ou Na2CO3.H2O avec Na(g) et / ou Na2O(s)), soit indirectement (par l'intermédiaire de la réaction de décomposition du trôna et Na2CO3.H2O avant la réaction de H2O(g) libéré avec Na(g) et / ou Na2O(s)). Les deux réactions mènent la possibilité de la formation d'hydrogène (H2) qui pourrait être représenté par la flamme flash observée avant l'extinction. Ils contribuent également à la diminution rapide de la température due à la formation d'hydroxyde de sodium liquide (NaOH) en tant que couche protectrice. Cette couche est nécessaire pour couvrir la surface de sodium d'un contact prolongé avec de l'oxygène. La présence de trona semble ne pas altérer la capacité d'extinction de la poudre. Avec la même quantité de NaOH produit par les deux composés, trona libère plus de quantité de H2 et plus exothermique que celle de Na2CO3.H2O. Dans l'ensemble, 0,5-0,9g d'eau est nécessaire pour éteindre 19,6 cm2 de sodium feu en nappe, ce qui équivalent à 1-2g de NaOH. Sur la base de ces tests, la teneur minimale en eau nécessaire à l'extinction est 5.6w%. Les poudres dont la teneur en eau d'hydratation est proche de 13w% semblent plus susceptibles de produire une flamme vigoureuse élevée avant l'extinction. La deuxième étape est considérée comme étant plus lent que l'étape précédente. La couche de carbonates eutectique a une viscosité supérieure à celle de NaOH qui le rend moins avantageux pour former la couche étanche à la surface de sodium. Par conséquent, son rôle pourrait être moins important en particulier pour le feu de sodium ayant commencé à basse température. Néanmoins, son effet est considéré comme plus important lorsqu'il est appliqué au feu de sodium à température élevée (supérieure à 500°C). Enfin, la taille des particules apparemment ne démontre pas une contribution significative à la performance d'extinction outre qu’affecter les performances d'épandage.


  • Résumé

    The French Atomic and alternatives Energy Commission (CEA) developed an effective powder capable of extinguishing sodium fire. It is a powder based on a mixture of lithium carbonate (Li2CO3) and low-hydrated sodium carbonate (Na2CO3.H2O) in a near eutectic proportion, with a melting temperature of around 500°C, associated with graphite. However, ever since the dismantling of several old sodium installations, CEA has at its disposal an important stock of unused powder batches. The idea of reutilizing these powders initiates the question about their efficiency to extinguish a sodium fire after long term storage. This study proposed the physicochemical analyses of these powders in order to identify their compositions and characteristics for different batches. The results highlight the presence of lithium sodium carbonate (LiNaCO3) and trona (Na2CO3.NaHCO3.2H2O), which are not mentioned in the patent. The aging experiments were developed to study the role of moisture and ambient carbon dioxide during the storage. The results showed that LiNaCO3 is sensitive to the presence of moisture, able to transform it into lithium carbonate and sodium carbonate monohydrate, meanwhile the latter reacts with water and carbon dioxide to form trona. A study of the formation of LiNaCO3 allowed the understanding of the fabrication method of the powder. This compound is found to be produced as the results of mechanochemical reactions between Li2CO3 and Na2CO3.H2O during the grinding process. The Chris(X)ti-Na experimental facility is built to understand the mechanisms of extinction especially related to the role of physicochemical properties on extinction. Two steps of extinction mechanisms are proposed that includes (1) the formation of liquid sodium hydroxide (NaOH) and (2) the melting of eutectic carbonates. The first step can happen directly (via the direct reaction of trona and/or Na2CO3.H2O with Na(g) and/or Na2O(s)) or indirectly (via the decomposition reaction of trona and Na2CO3.H2O prior to reaction of H2O(g) released with Na(g) and Na2O(s)). Both reactions explore the possibility of hydrogen (H2) formation that might be represented by the flash flame observed prior to extinction. They also contribute to the rapid decrease of temperature due to the formation of liquid sodium hydroxide (NaOH) as a protective layer. This layer is essential to cover the sodium surface from prolonged contact with oxygen. The presence of trona appears to be not altering the extinction capacity of the powder. With the same amount of NaOH produced by both compounds, trona releases more quantity of H2 and more exothermic in terms of energy release than that of Na2CO3.H2O. Overall, 0.5-0.9 g of water is necessary to extinguish 19.6 cm2 of sodium pool fire, which equivalent to 1-2g of NaOH. Based on these tests, the minimum water content required for extinction is 5.6w%. Meanwhile, powders whose hydration water content is close to 13w% seem more likely to produce a high vigorous H2 flame prior to the extinction. The second step is considered to be slower than the previous step. The eutectic carbonates layer has higher viscosity than NaOH that makes it less beneficial to form sealed layer on the sodium surface. Therefore, its role might be less significant especially for the sodium fire starts at low temperature. Nevertheless, the effect is considered to be more important when applied to sodium fire at higher temperature (more than 500°C). Finally, the particle size apparently doesn’t demonstrate a significant contribution in the extinguishing performance other than affecting the spreading performance.


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  • Sous le titre : Study of the physicochemical properties of an extinguishing powder for sodium fires : aging, fabrication, and mechanism of extinction
  • Détails : 1 vol. (pagin. mult.)
  • Annexes : Bibliogr. p. XXI-XXIV
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