新型超細干粉高效滅火劑及滅火系統(tǒng)

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(西安新竹防災(zāi)救生設(shè)備有限公司，西安 710075)

目前，世界范圍內(nèi)掀起了淘汰哈龍滅火劑的環(huán)保運動，因此尋找開發(fā)新型環(huán)保高效滅火劑以逐步、最終完全替代哈龍滅火劑勢在必行[1]。由于哈龍對大氣臭氧層的破壞作用，消防界正在探索哈龍滅火系統(tǒng)的替代技術(shù)，而干粉滅火系統(tǒng)正是應(yīng)用較為成熟的該類技術(shù)之一。《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》已將干粉滅火系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)列為哈龍系統(tǒng)替代技術(shù)的重要組成部分。干粉滅火系統(tǒng)是傳統(tǒng)的四大固定式滅火系統(tǒng)(水、氣體、泡沫、干粉)之一，應(yīng)用廣泛。美國、日本、德國、英國都相繼制訂了干粉滅火系統(tǒng)規(guī)范。英國基德·格雷威尼有限公司開發(fā)的DXP干粉滅火裝置已成功應(yīng)用于戰(zhàn)車上，大量試驗已經(jīng)證實在戰(zhàn)車上使用這種新型的滅火劑在重量和性能上可以和哈龍1211和哈龍1301滅火劑相媲美。

無論是水面艦船還是潛艇，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜加之濃煙彌漫使人難以接近和發(fā)現(xiàn)火源，容易引發(fā)相鄰艙室相繼起火甚至爆炸。由于很難借助外力進行撲救。因此在淘汰哈龍滅火劑后，艦船消防迫切需要一種環(huán)保、高效、快速的新型滅火劑及滅火系統(tǒng)。本文介紹新型超細干粉高效滅火劑及滅火系統(tǒng)。

1 超細干粉高效滅火劑

1.1 超細干粉高效滅火劑簡介

傳統(tǒng)的干粉滅火劑存在滅火效能較低，全淹沒式滅火性能差的特點。之后，又開發(fā)出GA578-2005 超細干粉滅火劑 ，在超細干粉滅火劑標準中定義為“90%的粒徑小于或等于20 μm的固體粉末滅火劑”，滅火效能小于或等于150 g/m3。此滅火劑的滅火效能和全淹沒式滅火性能較傳統(tǒng)干粉滅火劑有顯著的改善，但仍不能形成較穩(wěn)定的冷氣溶膠，滅火效能也有待進一步提高。

西安新竹防災(zāi)救生設(shè)備有限公司開發(fā)的新型ABC超細干粉高效滅火劑(以下簡稱高效干粉滅火劑)，90%的粒徑小于或等于10 μm，滅火效能90 g/m3，經(jīng)滅火裝置噴嘴噴射后形成均勻分散、懸浮于空氣中相對穩(wěn)定的冷氣溶膠，具有全淹沒方式滅火特性，也可用于局部空間滅火，它滅火效能高、滅火速度快。高效干粉滅火劑和滅火裝置取得了國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心頒發(fā)的檢驗報告。

此高效干粉滅火劑是以一定粒徑的聚磷酸銨(APP)為基體材料，輔以多組分，經(jīng)表面包覆處理制成。噴射后形成冷氣溶膠滅火劑，滅火機理是以化學(xué)作用與物理作用相結(jié)合的方式滅火，以化學(xué)方式滅火為主，即捕捉自由基、阻斷引起火焰?zhèn)鞑サ逆準椒磻?yīng)，從而抑制燃燒，滅火效能高、滅火速度快，也是高效抑爆劑(210 g/m3)。APP是無毒(LD50>10 g/kg)的環(huán)保性滅火劑及阻燃材料[2]，此干粉高效滅火劑綠色環(huán)保，小白鼠吸入毒性試驗表明，對人體毒害類似吸入粉塵。它不但可以替代哈龍滅火劑，而且有其獨特的優(yōu)勢。

1.2 APP的熱分解歷程

1.2.1 APP的化學(xué)結(jié)構(gòu)

式中:n為聚合度，APP的聚合度對滅火劑是一項重要的參數(shù)，目前，使用的APP聚合度為100～1 000。APP以N-P協(xié)同效應(yīng)，是優(yōu)良的阻燃劑。

1.2.2 APP的分解歷程

用熱失重分析(TGA)視差掃描量熱分析(DSC)，發(fā)現(xiàn)APP的熱分解呈3個階段進行：260～420、420～500和500～680 ℃，它們的失重率分別為13%、4%和78%，而在680℃僅殘留5%。從DSC測量得知，APP有3個分解吸熱峰，310 ℃的吸熱峰表示APP吸熱分解，225 ℃的肩峰表示APP結(jié)晶的熔化和晶形的轉(zhuǎn)化吸熱，560 ℃的肩峰表示PO4結(jié)晶的熔化吸熱。同時對溢出氣體進行分析，提出如下分解機理。

從上述APP熱失重分析結(jié)果看，APP在一定溫度下分解，分解產(chǎn)物為氨和水及交聯(lián)結(jié)構(gòu)的磷-氧固體物，不會產(chǎn)生任何其它有毒產(chǎn)物，為優(yōu)良的阻燃劑。由于其分解溫度高，作為滅火劑基體材料而言并不是最理想的材料。但是，在APP滅火劑研制和滅火試驗中發(fā)現(xiàn)，當APP的90%粒徑小于10 μm時，其滅火效能顯著提高。分析認為，當滅火劑粒徑小于某臨界值，APP的比表面積增加，活性更高，分解速度加快，使得滅火效能顯著提高，適合作為滅火劑基體材料。此外，包覆處理前、后的APP細粉，即使充分吸濕后也不結(jié)硬塊，從根本上消除了干粉滅火劑長期貯存結(jié)塊的風(fēng)險。

1.3 噴射后形成冷氣溶膠滅火劑

氣溶膠滅火劑是指以空氣為分散介質(zhì)、以固態(tài)或液態(tài)的滅火劑微粒為分散質(zhì)形成的具有滅火效能的溶膠體系。將超細干粉滅火劑微粒射入大氣中，所形成的煙幕狀氣溶膠，稱之為“冷氣溶膠”滅火劑[3]。90%的粒徑≤10 μm的干粉高效滅火劑，通過壓縮氣體經(jīng)噴嘴噴射后形成均勻分散、懸浮于空氣中相對穩(wěn)定的冷氣溶膠滅火劑，見表1。它不但具備比表面積大，活性高，受熱分解速度快，捕獲火焰自由基能力強，滅火效能高的特點，而且具有彌散性、流動性、可壓縮性等氣體滅火劑的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)全淹沒式滅火。當向有限空間內(nèi)噴射的干粉滅火劑達到滅火濃度時，最快可使火焰在百毫秒量級的時間內(nèi)熄滅，即使火源被物體遮蔽，冷氣溶膠滅火劑也能繞開障礙物快速撲滅火災(zāi)。

表1 不同粒徑固體顆粒沉降速度[4]及顆粒下落時間對照

由表1可見，粒徑5 μm和10 μm的固體顆粒滅火劑下降速度約是粒徑20μm的固體顆粒滅火劑顆粒下降速度的1/15和1/4。下降2 m的距離，可分別達到42.7、10.7 min，加上干粉滅火劑的粒徑分布基本符合正態(tài)分布，因此，90%粒徑小于等于10 μm的超細干粉高效滅火劑經(jīng)滅火裝置噴射后，能懸浮于空氣中形成相對穩(wěn)定的冷氣溶膠，滿足滅火抑爆的要求。

1.4 滅火、抑爆機理

燃燒是一種靠活性自由基不斷傳遞而進行的劇烈鏈式氧化反應(yīng)。干粉高效滅火劑是以化學(xué)作用與物理作用相結(jié)合的方式滅火，與傳統(tǒng)的滅火劑相比較，它在對有焰燃燒的抑制(負催化)、對表面燃燒的窒息和對熱輻射的遮隔及燃燒區(qū)氧的稀釋作用等方面優(yōu)勢明顯。

1)對有焰燃燒的抑制作用。有焰燃燒是一種鏈式氧化反應(yīng)過程，燃燒分子在燃燒的高溫下或其它形成的能量作用下被激活，在氧的存在下產(chǎn)生自由基或活性基團，并靠這些具有很高能量的自由基傳播反應(yīng)。它們具有很高的能量，非?；顫姡坏┥删土⒓催M行下一步反應(yīng)，生成更多的自由基，表現(xiàn)為火越燒越大，直到燃燒分子被徹底裂解[5]。

干粉高效滅火劑組分中的微細顆粒是燃燒反應(yīng)的不活性物質(zhì)，當它們進入燃燒區(qū)與火焰混合時，可以同時捕獲燃燒自由基。當火焰中燃燒的自由基的消耗速度大于生成速度時，燃燒自由基很快被耗盡，鏈式反應(yīng)歷程被終止，火焰迅即熄滅，以上作用被稱作對燃燒的化學(xué)抑制作用。

2)對燃燒表面(陰燃)的窒息作用。ABC超細干粉滅火劑不僅可有效撲滅有焰燃燒，還可以撲滅一般固體火災(zāi)的表面燃燒。超細干粉晶體粉粒與灼熱的燃燒物表面接觸時，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，部分反應(yīng)物質(zhì)在固體表面被熔化并形成玻璃狀覆蓋層，這層玻璃狀覆蓋層將固體的表面與周圍空氣中的氧隔開，使燃燒窒息。

3)對熱輻射的遮隔及燃燒區(qū)氧的稀釋作用。超細干粉冷氣溶膠濃云般的粉霧與火焰結(jié)合，可以有效地遮隔火焰對燃燒物表面的熱輻射，吸收火焰的部分熱量。滅火劑釋放時用作驅(qū)動作用的氮氣也隨之噴出，進一步稀釋了燃燒區(qū)內(nèi)的氧。

4)油汽爆炸抑爆是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，包含著流體力學(xué)、燃燒化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜控制機理，其中的湍流、壓力波、火焰抑制等的相互作用還沒有合理的理論可以解釋。因此，試驗是研究可燃氣體抑爆過程必不可少的基本手段[6]。公司建立模擬爆炸抑爆系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的油汽爆炸及抑爆試驗研究，試驗結(jié)果表明，超細干粉冷氣溶膠是一種高效的抑爆劑。

1.5 滅火劑的主要優(yōu)勢與特點

1)新型超細干粉高效滅火劑，是替代哈龍滅火劑的理想產(chǎn)品，滅火機理以化學(xué)方式為主，是化學(xué)作用與物理作用結(jié)合的滅火方式，滅火效能高，滅火速度快，見表2。

表2 氣體滅火劑、超細干粉滅火劑與新型超細干粉高效滅火劑滅火效能對比 g·m-3

由表2可見，干粉高效滅火劑的滅火效能約比1301滅火劑高出5倍，比七氟丙烷和CO2滅火劑高8倍，比普通超細干粉滅火劑高1.7倍。

2)適用于全淹沒式滅火。超細干粉經(jīng)滅火裝置噴嘴噴射后，可形成相對穩(wěn)定的冷氣溶膠高效滅火劑，即使火源被障礙物遮蔽，也會繞開障礙物快速撲滅封閉或有限空間內(nèi)的火災(zāi)。

3)能實現(xiàn)半封閉空間和室外局部處所的滅火。超細干粉高效滅火劑，雖然主要是小粒徑的超細干粉，但同時配方中也可按照一定的比例參雜著一些粒徑較大的“大粒子”。滅火裝置啟動噴射出的氣粉混合流中，大小粒子相互作用產(chǎn)生渦流區(qū)，渦流夾帶著小粒子運動具有很大的能量，不但易于穿透火焰區(qū)，而且它們受局部氣象條件的影響不顯著，減少了滅火劑的散失量。

4)綠色環(huán)保。臭氧耗損潛能值ODP和溫室效應(yīng)潛能值GWP均為零；APP實際上可視為無毒，其LD50>10 g/kg，對人體皮膚無刺激，對人體呼吸道有輕微的類似粉塵的刺激，佩戴防塵口罩即可對人體呼吸道進行有效防護。

5)滅火裝置工作壓力低(1.3～2.8 MPa)，檢查和維護簡單、方便、可靠。

6)干粉高效滅火劑容易實現(xiàn)大流量、遠距離噴射。超細干粉滅火劑是固體粉末物質(zhì)，常壓密度與氣體相差1～2個數(shù)量級，見表3。

表3 20 ℃時，常壓下超細干粉滅火劑與氣體滅火劑的密度比較 kg·m-3

高壓氣體驅(qū)動下形成的“氣-粉”兩相射流的噴射距離和噴射流量均比氣體滅火劑大得多。因此，超細干粉滅火劑能夠進行大流量、高強度、遠距離噴射，根據(jù)這一特點還可以研制大噴射流量的固定式和高機動性的冷氣溶膠消防裝置，為冷氣溶膠滅火劑應(yīng)用開辟新的道路[7]。

8)具有與其它滅火劑復(fù)合噴射的優(yōu)勢。干粉高效滅火劑具有優(yōu)異的斥水性，利用該特性，可以將其與水或泡沫滅火劑從同一滅火裝置中同時射出，形成復(fù)合滅火劑，復(fù)合噴射，充分發(fā)揮干粉滅火速度極快的優(yōu)勢，將火勢快速撲滅；水或泡沫滅火劑則具有極好的冷卻和覆蓋效果，這種協(xié)同滅火不但滅火速度快，而且冷卻效果好，還可防止火勢復(fù)燃。

9)粉塵污染輕微，易于清除。干粉高效滅火劑在滅火后會形成粉塵污染，但是干粉高效滅火劑在固體物質(zhì)上形成的粉塵污染較少，容易吹除，試驗表明吹除后玻璃儀表盤上殘留部分再經(jīng)擦拭即可光亮如新；設(shè)備上有油污部分滅火后也容易擦除；在液體(如油罐中的油料)中形成的粉塵污染可通過沉淀和過濾使其恢復(fù)使用。

西安新竹防災(zāi)救生設(shè)備有限公司委托西安交通大學(xué)動物試驗中心對超細干粉高效滅火劑進行了小白鼠吸入性毒性試驗，小白鼠在干粉滅火劑濃度140 g/m3下保持10 min取出試驗箱，試驗結(jié)果表明，粉塵對呼吸道有明顯的刺激作用，10 min后，呼吸基本正常，無毒、副作用。

公司委托陜西省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢查院，對超細干粉冷氣溶膠對數(shù)碼相機、電腦性能影響進行了檢測，結(jié)果表明，冷氣溶膠滅火劑對上述電子產(chǎn)品性能無影響；吹掃后，產(chǎn)品外觀也無影響。

10)易于存儲、運輸。超細干粉高效滅火劑是固體粉末，較氣體滅火劑更易于存儲和運輸，維護、檢測更簡單、方便。

2 滅火系統(tǒng)及特點

2.1 固定式滅火系統(tǒng)組成

固定式滅火系統(tǒng)主要由火災(zāi)報警系統(tǒng)、滅火控制系統(tǒng)和滅火裝置三部分組成，滅火裝置主要由儲粉罐、儲氣瓶(儲壓式滅火裝置無此瓶)、管網(wǎng)及噴嘴組成。

2.2 滅火裝置分類

1)按干粉滅火劑貯存的形式可分為儲壓式滅火系統(tǒng)和非儲壓式滅火系統(tǒng)。

儲壓式和非儲壓式滅火系統(tǒng)都是用壓縮氮氣做動力源。儲壓式是把一定壓力的氮氣和粉體共同儲存在儲粉罐中，滅火時，打開儲粉罐瓶頭閥，將干粉滅火劑噴射到保護區(qū)實施滅火。無壓式是把儲存一定壓力的氮氣瓶和儲粉罐連接好，但不充氣，需要時打開儲氣瓶瓶頭閥向儲存干粉的壓力容器內(nèi)充氣，儲粉罐達到工作壓力后噴射干粉滅火劑到保護區(qū)實施滅火。儲壓式滅火裝置系統(tǒng)組成見圖1。

2)按系統(tǒng)組成可分為管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)和無管網(wǎng)式滅火系統(tǒng)。

3)按干粉滅火劑的種類可分為BC超細干粉滅火系統(tǒng)和ABC超細干粉滅火系統(tǒng)。

圖1 超細干粉高效滅火劑儲壓式 滅火裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.3 滅火系統(tǒng)的控制方式

滅火裝置系統(tǒng)動作程序流程見圖2。

圖2 滅火裝置系統(tǒng)動作程序流程

2.3.1 自動控制

將滅火報警聯(lián)動控制器上控制方式選擇鍵撥到“自動”位置時，滅火裝置系統(tǒng)處于自動控制狀態(tài)。當保護區(qū)發(fā)生火情，火災(zāi)探測器發(fā)出火災(zāi)信號，滅火報警聯(lián)動控制器即發(fā)出聲光報警信號，同時發(fā)出聯(lián)動指令，關(guān)閉聯(lián)鎖設(shè)備，經(jīng)過設(shè)定的一段時間延時后，發(fā)出滅火指令，噴射干粉滅火劑滅火。

2.3.2 電氣手動控制

1)將滅火報警聯(lián)動控制器上控制方式選擇鍵撥到“手動”位置時，滅火系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)。當保護區(qū)發(fā)生火情，可手動或控制盒上啟動按鈕即可噴射干粉滅火劑，實施滅火。

2)當發(fā)現(xiàn)誤報或不需要釋放滅火劑滅火時，按下滅火報警聯(lián)動控制器或手動控制盒上緊急停止按鈕，即可阻止滅火指令的發(fā)出。

3)當發(fā)現(xiàn)誤報，按下緊急停止按鈕后，仍然可以再按壓啟動按鈕，啟動滅火。

2.3.3 機械應(yīng)急操作

當保護區(qū)發(fā)生火情，自動或電氣啟動不能發(fā)出滅火指令時，應(yīng)通知有關(guān)人員撤離現(xiàn)場，關(guān)閉聯(lián)動設(shè)備，然后拔出各閥上的安全銷，順序壓下各手柄，即可釋放干粉滅火劑，實施滅火。

2.4 固定式滅火裝置的特點

1)火災(zāi)探測、判斷精度高，滅火裝置啟動速度快，控制啟動方式科學(xué)、可靠。

2)滅火裝置噴射超細干粉高效滅火劑后，能在保護區(qū)形成懸浮于空氣中相對穩(wěn)定的冷氣溶膠，具有全淹沒滅火的特性。

3)適用于封閉空間，改變噴嘴設(shè)置或滅火劑粒度分布也可用于半封閉空間和室外有關(guān)處所的局部保護。

4)滅火裝置的設(shè)計依托現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)具體的消防處所的結(jié)構(gòu)特點、保護對象，必要時以基本火災(zāi)實體模型通過滅火試驗得出具體的設(shè)計參數(shù)，從實際出發(fā)，確保初期火災(zāi)的撲救成功率達100%。

5)滅火裝置工作壓力低，安全可靠，便于維護保養(yǎng)。

3 滅火抑爆系統(tǒng)

滅火抑爆系統(tǒng)主要由火焰探測器、滅火抑爆控制系統(tǒng)和滅火裝置組成。滅火裝置由儲壓式儲粉罐、連接管、噴嘴等組成。當保護區(qū)閃現(xiàn)火焰時，探測器將電信號傳至滅火控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令啟動滅火裝置噴射干粉形成冷氣溶膠滅火劑實現(xiàn)滅火抑爆，整個過程在百毫秒量級的時間內(nèi)完成。

針對某特種車輛空間特點、抑爆要求，采用超細干粉冷氣溶膠抑爆新技術(shù)，建立了油汽爆炸及抑爆模擬試驗系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的油汽爆炸及其試驗研究，試驗結(jié)果表明，超細干粉冷氣溶膠是一種高效的抑爆劑，抑爆臨界濃度為210 g/m3，能滿足有關(guān)標準規(guī)定的抑爆時間、油汽燃爆引起的壓超限制、外露皮膚的燒傷要求。

4 移動式滅火設(shè)備

4.1 超細干粉冷氣溶膠消防車

冷氣溶膠消防車以壓縮氣體為動力，以氣-粉射流的方式將超細干粉滅火劑射出干粉滅火劑到火災(zāi)區(qū)，實施滅火。

4.2 超細干粉與水系滅火劑復(fù)合噴射槍(炮)

利用干粉與水或泡沫滅火劑復(fù)合噴射的優(yōu)勢，制作復(fù)合噴射槍(炮)，將滅火劑噴射至火災(zāi)區(qū)，實施滅火。

5 應(yīng)用說明

干粉高效滅火劑及滅火系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于庫房、控制室、民用車輛、特種車輛、電纜隧道、電纜溝等有限空間，油田、油品車間、汽車加油(汽)站、小型油庫、油罐等處所的消防滅火及特種車輛、瓦斯管道滅火抑爆。適用于水面艦船的機、爐艙，控制站，坦克艙，噴氣燃料泵艙、噴氣燃料加油站，輔助油料貯存艙、隔離艙等艙室消防滅火和潛艇各艙室的消防滅火，對提高艦船海上生存能力和二次戰(zhàn)斗力具有重要的意義。

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