气溶胶灭火技术概述

 一、概述

　　气溶胶的介质是气体，气溶胶是微细的固体颗粒，或微细的液体颗粒和惰性气体在气体介质中悬浮、弥散形成的溶胶状态。气溶胶灭火技术近年来发展较快，国内外的研究人员对各类气溶胶及其应用技术进行了大量的有成效的研究、开发，并取得了一些成果。

　　气溶胶，按形成的方式可分为：“高温技术气溶胶”（通常称“热气溶胶”）和“非高温技术气溶胶”（通常称“冷气溶胶”）。热气溶胶灭火技术，是将固体燃料混合剂通过自身燃烧反应，产生足够浓度的悬浮固体颗粒和惰性气体，释放于着火空间，抑制火焰燃烧，并且使火焰熄灭。烟雾灭火技术就属于热气溶胶技术范畴。冷气溶胶灭火技术通过压力使容器内的超细干粉经喷头喷出，使其悬浮于着火空间，使火焰熄灭。实际上，细水雾灭火技术，也是一种冷气溶胶灭火技术。

　二、热气溶胶灭火技术

　　热气溶胶灭火剂为前苏联最先研制。该灭火剂中含有35%—50%的氧化剂，15%—40%的燃料（含氮有机物），约22%—35%的铵、钠、钾、钙、镁的碳酸盐，以及3%的艾杜糖醇，其中氧化剂为KClO3，KNO3，NaNO或NH4NO3，燃料为二氰胺，硝基胍和尿素。俄罗斯研制的一种热气溶胶灭火剂，是由固体燃料混合剂燃烧时产生的气体与微粒的混合物，这种固体燃料混合剂称TTK药柱，是由含钾的无机氧化剂（如氯酸盐和硝酸钾）和有机还原剂（包括各种树脂、增塑剂和硬化剂等）构成。
国内热气溶胶灭火技术研究开发比较早，经吸收国外技术，并进一步研究改进，在技术上有新的改进，如降低了热气溶胶灭火装置的出口温度，由原来的300℃降到现在的80℃等，其产品已达到国外同类产品的先进水平。

　　表1为气溶胶与几种主要气体灭火剂性能参数一览表

名 称 项 目	超细干粉灭火剂（冷气溶胶）	高温技术气溶胶（热气溶胶）	1301 卤代烷	FM200 七氟丙烷	混合 惰性气体
物质状态	微粒粒径 平均＜5μm	微粒粒径 平均＜1μm	液/气	液/气	气体
灭火浓度g/m³	50-70	70-100	200-300	200-620	800-1000
空间能见度	较低	较低	较高	较高	较高
毒性	无毒	无毒	低毒	低毒	无毒
储存方式	常压储存	常压储存	高压储存	高压储存	高压储存
使用安全性	好	不好	较好	较好	较好
安装方式	无管网、 有管网	无管网	有管网	有管网	有管网
对臭氧层的影响	无	无	有	无	无
使用周期 成本	低	较低	较高	高	高
运用灭火 器具	常压钢瓶	特别装置	高压钢瓶	灭火系统	高压钢瓶

　　注：表1资料出处

　　1、《1301灭火系统规范》GB50163-92

　　2、《1211灭火系统规范》GB2110-87

　　3、《气体灭火系统—物理性能及系统设计》ISO/CD/14520—9，第9部分HFC227ea灭火剂。

　　4、西安坚端化工有限责任公司《固定式DKL自动灭火系统》。

　　5、江西三星气龙新材料有限公司《气溶胶自动灭火装置》。

　　6、《超细干粉无管网灭火系统设计、施工及验收标准》DB42/294—2004。

　　热气溶胶灭火装置是通过燃烧装置内的药柱而产生的微粒和惰性气体进行灭火，其灭火机理主要是气相、固相的化学抑制燃烧作用及生成的惰性气体对保护区氧气的稀释作用。热气溶胶灭火装置的特点：

　　1、灭火效率高。由于其灭火机理主要是化学抑制，灭火浓度低，灭火效率高。热气溶胶一般最低灭火浓度为70—100g/m3，是目前在用的几种灭火剂中较低的一种。

　　2、毒性小，不破坏大气臭氧层，有利于环境保护。

　　3、使用专用的灭火装置，不需要采用耐压容器（油罐专用烟雾灭火装置除外）。

　　4、全淹没应用灭火，可扑救A类、B类、C类和带电设备火灾。不能用于局部保护应用灭火，极大的限制了热气溶胶灭火剂及其灭火装置的应用范围。

　　5、安全性能较差。1995年我国推出第一代EBM热气溶胶自动灭火装置，在使用过程中相继发生了一些事故。公安部消防产品行业管理办公室于1997年6月3日下发公消行（1997）040号《关于禁止使用第一代固定式全淹没EBM自动灭火装置的通知》。经过科研人员不断研究改进，1999年又推出第二代EBM热气溶胶，但热气溶胶灭火装置仍不时发生事故。看来，热气溶胶的安全性能需进一步研究和改进。

　　6、有“热连带反应”。第一代热气溶胶灭火装置灭火剂释放的出口温度超过300℃，这对于一般易燃固体已是可产生燃烧的温度。第二代热气溶胶灭火装置的出口温度降到80℃，但仍然很高，对保护区来不及撤离的人员和保护物均可能造成损害。

　　7、热气溶胶灭火技术不适合用来抑暴和惰化，因其靠燃烧产生气溶胶灭火剂，本身就是点火源。对阴燃物的火灾，热气溶胶的灭火效果也较差。

　　8、灭火速度慢。热气溶胶是通过灭火剂的燃烧时产生的固体微粒和惰性气体来灭火的，灭火装置内药柱的燃烧时间≤60S,灭火时间≤60S。

　三、冷气溶胶灭火技术

　　热气溶胶灭火技术具有灭火效率高，电绝缘性好，不破坏大气臭氧层等优点。也存在缺陷如：有“热连带反应”、不能进行局部保护应用、灭火速度慢等问题。如何发挥气溶胶应用灭火的长处，克服其固有的缺陷，国内外进行了大量的卓有成效的研究。近几年，冷气溶胶灭火技术的研究和应用，就是哈龙替代技术研究的新成果。

　　1、超细干粉灭火技术

　　超细干粉灭火剂是国内最新研制的一种“非高温气溶胶灭火技术”，也称“冷气溶胶”。灭火剂以氮气（N2）、等惰性气体为驱动体，超细干粉为被分散体，释放后形成气粉混合的雾状气溶胶进行灭火，灭火机理以化学灭火为主，物理灭火为辅，可全淹没灭火应用，也可局部保护灭火应用。

　　超细干粉灭火剂按基料成分可分为：磷酸铵盐超细干粉、碳酸氢钠超细干粉、还有其它灭火材料组成的超细干粉。以磷酸铵盐为基料的超细干粉粒径为10—20μm，由于粒子细化，灭火时能充分反应，灭火效果显著增加。原料磷酸铵盐在制备过程中需硅化，粒子质量较大，经氮气驱动喷射后，大部分粉粒很快落于地面，没有形成气溶胶参与灭火反应，因而用于全淹没灭火效果不很理想。

　　英国科技工作者采用喷雾造粒技术，用小型喷雾干燥器制造出粒径在5μm以下的超细粉体，经加压喷射形成冷气溶胶灭火，全淹没灭火使用效率可达哈龙灭火剂的3—5倍。由于所需设备和工艺要求复杂，产品生产能耗巨大，至今未能推广应用。武汉绿色消防器材有限公司科研人员应用国内外最新技术，采用新型的灭火材料，研制成功一种新型的超细干粉高效灭火剂。表2为该灭火剂的主要技术参数。

　　表2 超细干粉灭火剂主要技术参数

项    目		技术要求
松密度，g/ml		≥0.30
含水率，%（m/m）		≤0.25
吸湿率，%（m/m）		≤3.00
斥水性		无明显吸水，不结块
抗结块性（针入度），mm		≥16.0
耐低温，s		≤5.00
90%粒径，μm		≤5
电绝缘性，KV		≥7.00
灭火效能，g/m³	B、C类火	65
	木垛火	65
	聚丙烯火	65

　　超细干粉灭火剂灭火机理以化学灭火为主，物理灭火为辅。

　　A、对有焰燃烧的抑制作用。有焰燃烧是一种链式反应过程。燃烧分子在燃烧的高温下或其它形成的能量下被活化，在氧的存在下产生燃烧自由基或活性基团，并靠这些具有很高能量的自由基传播反应，维持燃烧持续进行。燃烧自由基具有很高的能量，非常活泼，它们一旦生成，就立即发生下一步的反应，生成更多的自由基。超细干粉中的灭火组分是对燃烧反应的不活性物质，当它们的粒子进入燃烧区与火焰结合时，可以同时捕获燃烧自由基，其结果使火焰中的自由基被消耗速度大于生产的速度，燃烧自由基很快耗尽，链式反应的历程终止，火焰即熄灭。以上作用被称为对燃烧的化学抑制作用和负催化作用。

　　B、对表面燃烧的熄灭作用。超细干粉灭火剂不仅能有效扑灭有焰燃烧，而且还可以扑灭一般固体物质的表面燃烧。超细干粉晶体粉粒与灼烧的燃烧物表面接触时，发生一系列化学反应，并在固体表面的高温作用下被熔化并形成一个玻璃状覆盖层，将固体表面与周围空气的氧隔开，使燃烧窒息

　　C、对热的遮隔作用。使用超细干粉灭火时，浓云般的粉雾（气溶胶）与火焰相混合，可以降低火焰对燃烧物表面的辐射热，使火焰的温度降低，使燃烧过程变得缓慢。

　　D、对燃烧区氧气的稀释作用。超细干粉灭火剂灭火时，在火焰的高温作用下会发生一系列的分解反应，这些反应一般为吸热反应，可吸收火焰的部分热量，并产生一些不活性体如二氧化碳（CO2）等，对燃烧区的氧浓度进行稀释，使燃烧变得缓慢，同时用作驱动喷放超细干粉的压力气体氮气随着超细干粉一起释放于燃烧区，也进一步稀释燃烧区的氧气，抑制燃烧，使燃烧熄灭。

　　超细干粉灭火剂的特点：

　　（1）、绿色环保。超细干粉灭火剂对大气臭氧层耗减潜能值（ODP）为零，温室效应潜能值（GWP）为零，无毒无害，对人体无刺激，对保护物无腐蚀。

　　（2）、灭火效率高。超细干粉灭火剂的灭火速率是水的40倍，是热气溶胶灭火剂的20倍，是混合气体灭火剂的6倍。灭火效率是水的30倍，是热气溶胶灭火剂的2倍，是哈龙灭火剂的2—3倍，是七氟丙烷灭火剂的4—8倍，是混合气体灭火剂的12—16倍，是普通干粉灭火剂的6—10倍。

　　（3）、应用范围广。超细干粉灭火剂可在封闭的空间全淹没灭火，也可在开放的场所大面积局部应用灭火，具有全淹没全方位灭火的优点。灭火剂的流动性、电绝缘性等指标优良，可充装通常使用的手提式灭火器、固定灭火装置（无管网灭火系统）、有管网灭火系统、森林灭火弹等，广泛应用于国防军事和民用设施，用以扑救A类、B类、C类火灾和带电设备火灾。

　　众所周知，作为化学灭火剂，其粒径与其灭火效率成反比关系，即粒度越小，灭火效率越高。超细干粉灭火剂，由于受加工技术及成本的制约，目前平均粒径已可做到≤5μm，其灭火速率，灭火效率已很优良。如果将超细干粉的粒径加工至更细，以至于达到纳米级，并解决在运用过程中的一系列技术性问题，其灭火效率将急剧提高几十甚至上百倍。

　　2、细水雾灭火技术

　　细水雾技术首先是由芬兰、美国、加拿大等少数发达国家开发的灭火技术。由于哈龙灭火剂即将被淘汰，在各国纷纷研究开发哈龙替代物的大背景下，细水雾灭火技术得到重视。上世纪九十年代，细水雾灭火技术得到飞跃发展。1997年，由美国开发和工程部门、细水雾灭火系统制造商、保险公司、法律机构及客户代表组成了细水雾灭火系统NFPA技术委员会，提出了设计、安装及标准化的相关文件，并正式出版了《细水雾系统标准》（NFPA750）。我国90年代末开始进行细水雾灭火技术的研究开发和试验工作，并列为国家“九五”科技攻关项目。目前已相继开发出各类型细水雾灭火系统产品问世。

　　目前国内外已有不少企业生产细水雾灭火系统。根据系统的压力、灭火剂在管道中的流相，应用方式、系统的形成及安装方式等，细水雾灭火系统分成以下几类：见表3

　　表3 细水雾灭火系统分类

分类依据	系统名称		系统特点
系统压力	中高压细水雾系统 低压细水雾系统		P>3.45MPa P<1.21MPa
灭火剂 流相	单相细水雾系统		管道中只有水流
	两相细水雾 系统	气水同管	增压气体在管道内混合，通过喷嘴喷出细水雾。
		气水异管	增压气体与水分别通过管道与喷嘴相连，在喷嘴处混合，喷出细水雾。
系统应用方式	全淹没细水雾系统		保护有限封闭空间
	局部应用细水雾系统		保护封闭、敞开、半敞开空间内的具体部位
	区域应用细水雾系统		保护有限空间内的特定部分
系统形式	湿式细水雾系统		采用闭式喷嘴， 管道内长期充压力水
	雨淋细水雾系统		采用开式喷嘴，管道为空管，需用探测系统启动
	预作用细水雾系统		采用闭式喷嘴，管道内充压缩空气，需用探测系统启动。
	干式细水雾系统		采用闭式喷嘴，管道内充压缩空气，不需探测系统，管道泄压后自动启动。
安装方式	预安装系统		储水瓶组，氮气瓶组和控制阀已预制在一起，现场只安装管道和喷嘴

　　细水雾灭火系统的灭火机理主要为物理灭火。

　　1）、气相冷却作用。细水雾的雾滴一般情况下DV0.90小于400μm,比表面积较一般水喷雾大，在火场中能完全蒸发，可吸收大量的热，使燃烧变得缓慢。

　　2）、窒息作用。细水雾喷入火场后，迅速蒸发形成蒸汽，体积急剧膨胀，排除空气，在燃烧区或燃烧物周围形成屏障，阻止新鲜空气的进入，使燃烧区氧气浓度降低，使火焰窒熄。

　　3）、阻隔辐射热作用。细水雾蒸发后，蒸汽迅速将燃烧物火焰、烟羽流笼罩，对火焰的辐射具有良好的阻隔作用，能够有效抑制辐射热引燃周围其它物品，达到防止火焰蔓延的效果。

　　细水雾灭火系统的特点：

　　1）、细水雾灭火系统可以扑救A类、B类、C类火灾。如果雾滴直径大部分在40—200μm的范围内，细水雾还可以有效扑救电气火灾。

　　2）、细水雾灭火系统以易取价廉的水为灭火剂，资源利用率和环境保护方面的指标均优于其它灭火系统。细水雾灭火系统使水的利用率大大提高，和水喷雾灭火系统相比，水的利用率提高3倍以上；和水喷淋灭火系统相比，水的利用率提高6倍以上。

　　3）、细水雾灭火系统灭火机理为物理灭火，灭火速度比起化学灭火慢得多。

　　4）、细水雾灭火系统对水和环境温度要求严格。细水雾储水器应充装纯净水，一般应采用经过处理的可饮用水。储水器的水应定期更换，防止水存放时间长后滋生物堵住喷孔。细水雾灭火系统应设置在环境温度4-50℃的专用设备间内，因为温度过低会使水结冰，温度过高会使储罐内的水温升高，产生气化或热交换，并可能产生水垢或滋生物，影响水质。因为水易受到污染或其它环境影响，所以细水雾系统应设置在专用房间。

　　5）细水雾灭火系统应用于全淹没灭火，其灭火能力更多地依赖于喷头的技术参数的选择以及保护对象的形状和位置。就目前产品的技术水平，细水雾产品还达不到将水雾雾滴均匀分布到整个保护空间。细水雾系统灭遮挡火有很大难度，当喷头与火焰之间有障碍物时，火焰附近的温度不能很快地降下来，灭火时间将会延长，所以并不总能使其熄灭。这是由于障碍物的阻挡作用使细水雾在障碍物的表面沉积下来，减少了水雾的数量和动量。特别是预制型悬挂式灭火装置，由于其储水的数量和动量有限，还不能全淹没灭火应用，其局部保护应用的范围也很有限。在该项技术应用指标上，目前细水雾灭火系统比超细干粉灭火系统差得多，也比不上气体灭火系统。

　　6）、细水雾灭火系统的性能取决于两个能力。一个是生产足够小的水滴的能力，一个是将足够数量的水分布到整个空间的能力。这两种能力又受液滴的大小、速度、分布、冲量以及喷头几何特性等因素的影响，同时也受保护对象的几何形状和保护空间的形状、大小等其它客观因素的影响。如何提高上述的两个能力，将是细水雾灭火系统应用和发展的关键。

　　7）、细水雾灭火技术应用于手提式灭火器，目前已有一部分产品上市，但效果还不理想。原因是受喷头技术参数影响以及储水的数量和动能的影响，喷出的水雾较近，很难对火形成隔氧的效应。对B类火，主要是由喷射到油面上的覆盖层隔绝氧来灭火，细水雾喷射距离近，同时在油面形成覆盖膜也比直接用一般轻水膜灭火器慢得多。