碳達峰條件下的壓細水霧滅火技術的前景分析

李曉暉 馮向勇 張艷芹 孫孟輝 高佩川

（南京工程學院機械工程學院,江蘇 南京 211167）

當前全球氣候變化已經引起了全人類的關注，碳排放引起的溫室效將是人類在未來很長一段時間內共同面對的重大挑戰(zhàn)。為了倡導人類命運共同體意識，必須加快形成以綠色低碳為主導風向的經濟發(fā)展模式和生產生活方式，最終實現(xiàn)人類和大自然的和諧共存。早在2014年11月，習近平主席在《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中提到“我國計劃2030年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰”。2015年6月，我國政府明確提出了二氧化碳排放將在2030年左右達到峰值并爭取盡早達峰[1]，并向聯(lián)合國氣候變化框架公約秘書處提交了《強化應對氣候變化行動——中國國家自主貢獻》。隨著“2020年碳排放強度較2005年下降40 %～45 %”，我國在第一階段溫室氣體減排目標已經基本實現(xiàn)，正式進入到實現(xiàn)碳排放峰值的戰(zhàn)略軌道，今后包括消防安全在內的許多領域和區(qū)域都將必須考慮其碳排放峰值的目標實現(xiàn)途徑和采取的主要措施。

1 傳統(tǒng)消防滅火劑的性能對比分析

鹵代烷滅火劑又稱哈龍滅火劑，是20世紀90年代以前應用最廣泛的滅火劑，主要是由于其滅火效率高，可撲滅A、B、C、D等多種類型的火災。但鹵代烷滅火劑極易破壞臭氧層，《蒙特利爾條約》明確規(guī)定要用其他滅火劑或者滅火裝置逐步取代鹵代烷[2]。因此，全球各研究機構也正在大力研發(fā)鹵代烷替代滅火劑。以鹵代烷滅火劑為代表的滅火劑是現(xiàn)在消防設備的主流產品，除此之外，其他主要的滅火劑還有惰性氣體滅火劑、水系滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、金屬滅火劑等[3]，以上各類滅火劑在封閉空間或半封閉空間使用均有不足之處。干粉滅火劑即二氧化碳滅火劑，由于其成本低，具有一定的實用性和可靠性，滅火后不產生副產物等原因被長期使用，但其主要缺點是滅火效率較低，二氧化碳濃度較高時對人體健康有害，一般推薦的滅火濃度為5 %；當濃度達到17 %以上可以致人死亡，而且滅火后很難自行分解，二氧化碳會造成碳排量增加，引起大氣層的溫室效應。氮氣作為一種典型的惰性氣體滅火劑，其本身為無色、無味、不導電的氣體，在滅火過程中不產生分解物，其耗氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）均為0；但其滅火后容易混合在空氣中形成氮氧化物顆粒物，從而降低周圍環(huán)境的氧濃度，影響人的正常呼吸，嚴重時還會導致人因缺氧而窒息死亡。在某種程度上具有一定的綠色環(huán)保性的泡沫滅火劑主要缺點是對保護對象會造成不可逆的損害，同時清理也不方便。目前使用的自動水噴淋滅火系統(tǒng)水漬損失大，使用水量多。這些傳統(tǒng)的消防滅火劑均附帶引起了次生環(huán)境污染，特別是二氧化碳滅火劑在消防安全使用中進一步增加了碳排量，在做好碳達峰和碳中和工作的條件下必須推進消防技術創(chuàng)新的方法。

2 高壓細水霧滅火的C含量分析對比

為了能更好地評價細水霧滅火系統(tǒng)的實用性和局限性，進一步促進超細水霧滅火技術的發(fā)展，國際上許多國家的研究機構和研究人員均參照IMO測試規(guī)范，研究了各種細水霧滅火系統(tǒng)的滅火性能[4-5]，主要包括火源功率、火源被遮擋程度、機房大小、通風條件、霧化程度等。以動力機房火災的滅火試驗研究為例，細水霧滅火系統(tǒng)同氣相滅火劑相比，能迅速控制火災，有效降低機房溫度，并使機房中燃燒產物CO 和CO2的濃度維持在較低水平。加拿大國家研究局（NRC）基于低壓雙向流細水霧對燃氣輪機動力機房的火災進行了現(xiàn)場實驗研究，機房溫度能夠在細水霧作用15 s后迅速降到50 ℃，實驗所測得CO和CO2最大濃度分別不超過0.08 %和3.5 %，這種熱環(huán)境和氣體濃度有利于消防人員安全進入動力機房進行后續(xù)的撲救工作。鑒于火災燃燒和細水霧滅火對氧氣濃度的需求不同，實驗表明大尺度的火比小尺度的火更容易撲滅，如果火源被遮擋程度加大，由于細水霧到達火源位置的霧通量會大幅越少，火焰將會更難撲滅。在此基礎上，美國海軍在通風情況下將細水霧滅火與哈龍、二氧化碳等氣相滅火劑進行對比試驗，實驗結果表明，當受限空間的房門全部打開時，小尺度的火焰細水霧滅火時間有所增加，而對于大尺度的火焰卻幾乎沒有變化。如果在細水霧中添加防火添加劑，可以大大提高其滅火效果，為此美國海軍在雙相流體細水霧滅火系統(tǒng)中加入12 %～25 %的添加劑Quad-Ex進行實驗，發(fā)現(xiàn)添加劑的使用可使滅火性能提高兩倍以上，滅火時間可以縮短85 %～99 %，同時也大大減少了用水量。經過近二十年的技術發(fā)展，細水霧滅火系統(tǒng)逐漸替代哈龍或二氧化碳滅火系統(tǒng)，能有效地保護艦船機艙，得到了認可，并在艦船和工業(yè)領域得到廣泛應用。通過對比細水霧滅火技術和其他滅火劑滅火后CO2的含量，高壓細水霧滅火技術不失為碳達峰時代的一種行之有效的新技術，既可減少碳排量，又可以起到保護環(huán)境和人員安全的作用。

3 高壓超細水霧滅火技術的組成特點與最新研究成果

高壓超細水霧滅火技術是在高壓細水霧基礎上進一步提高系統(tǒng)壓力，從而使霧化顆粒更小，滅火效果更好，被認為是一種高效無毒的哈龍?zhí)娲鷾缁饎?，通常由高壓泵組、區(qū)域控制閥、調壓閥、細水霧噴頭、水箱、管路，以及煙霧傳感器、火災報警系統(tǒng)等組成，泵源壓力通常達到14 MPa，其機理主要是利用高壓細水霧泵組將高壓水通過離心式壓力噴嘴形成霧狀細水霧，均勻覆蓋到保護區(qū)域，通過吸熱冷卻、隔氧窒息等作用而達到滅火的目的。筆者在華中科技大學機械學院工作期間先后參與了以海水和淡水為介質的水壓元件的基礎研究和應用研究，所研制的高壓大流量消防泵組及配套的溢流閥、分區(qū)閥等控制閥件和霧化噴嘴[6-7]等元器件裝備于海軍某型艦艇，這些器件的關鍵零部件均使用低碳或無碳成分的不銹鋼、海軍黃銅等耐腐蝕耐磨損材料制成，管路采用不銹鋼鋼管，使用純凈的自來水作為滅火介質，進一步研制完成了高壓超細水霧滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可適用于受限空間和密閉空間，而且也可以用于城市除塵、降溫等環(huán)境保護方面。針對諸如太空站等特殊密閉空間的體積限制，基于高壓細水霧原理將固定式泵組系統(tǒng)改制成為便攜式細水霧滅火器[8]，目前該產品均已配備使用在國內高鐵車廂和樓宇滅火系統(tǒng)等區(qū)域。

4 碳達峰時代細水霧滅火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

綜合對比現(xiàn)代其他滅火產品的各項性能指標，高壓超細水霧自動滅火技術因其自身所具備的滅火效率高、環(huán)境相容性好、取材方便、人員安全、用水量小、水漬損失小等優(yōu)勢，目前已經廣泛應用于圖書館、檔案館、展覽館、古建筑旅游景點、高校機房、實驗室、商用廚房、地鐵及高鐵車廂等保護性要求高的密閉場所。近年來高壓細水霧滅火技術研究的創(chuàng)新發(fā)展，進一步凸顯出其節(jié)能環(huán)保、電氣絕緣、消除煙霧等優(yōu)點，特別適用于撲救電氣火災，將來可以應用于國家電網的綜合管廊電纜艙、空間站、深海載人潛器和潛艇等水下航行器[9]。

2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話指出，“將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[10-11]。這將意味著在2030年之前，以鹵代烷為代表的滅火劑消防系統(tǒng)還將有一定的市場份額，甚至在這一時期還可能繼續(xù)維持一定的大份額，但是2030年之后，隨著碳達峰和碳中和的目標實施，為盡可能實現(xiàn)CO2凈零排放，以高壓細水霧滅火為代表的新型低碳消防產品將會逐漸取代鹵代烷滅火劑的地位。在消防安全領域如何落實碳達峰和碳中和的工作目標，將為高壓細水霧滅火技術的廣泛應用提供一次新機遇，同時也提出新的挑戰(zhàn)，那就是如何進一步創(chuàng)新高壓細水霧滅火技術水平和系統(tǒng)參數的優(yōu)化設計，進一步降低滅火后產生的碳排量問題。第一，高壓細水霧滅火泵組、噴頭以及管路等材料的改進和優(yōu)選，盡可能使用低碳或無碳材料，同時兼顧生產成本的低價格；第二，基于流體動力學的噴嘴結構優(yōu)化設計，實現(xiàn)超細水霧的霧粒精細化和滅火的高效化的兼容性；第三，針對不同類型火災產生的燃燒物，提高細水霧滅火產生的合成物的碳含量檢測技術，實現(xiàn)滅火后生成污染物的低碳控制。當前，綠色低碳已經成為全球未來經濟發(fā)展的主旋律，隨著高壓超細水霧滅火技術的創(chuàng)新發(fā)展，將會不斷取代鹵代烷為代表的滅火劑系列產品，為消防領域提供一種全新的低碳產品，同時，為我國實現(xiàn)碳達峰目標和碳中和愿景積極發(fā)揮細水霧滅火技術的巨大作用，為建設環(huán)境友好型社會、資源節(jié)約型社會，推動社會主義市場經濟低碳綠色發(fā)展貢獻其新力量。