热气溶胶灭火剂及S型热气溶胶灭火系统在高层建

摘　要： 热气溶胶灭火剂作为一种新型灭火剂, 具有灭火效率高、对臭氧层不破坏、不产生温室效应气体、初投资成本较低、维护保养简单方便等特点，相比其他几种常用气体灭火剂优势明显，作为哈龙替代产品将发挥巨大作用。本文综述了热气溶胶灭火剂组成、灭火机理、S型热气溶胶灭火剂改进特点及其与几种常用气体灭火剂性能比较，并就S型热气溶胶灭火系统在高层建筑变电站消防应用实例说明。

关键词：灭火系统 热气溶胶灭火剂 S型热气溶胶 高层建筑 变电站
1.引言
　　长期以来, 国 内外 普遍 使用 的灭 火剂 主要 有清 水灭 火剂、干粉灭火剂、惰性气体灭火剂、泡沫灭火剂和哈龙灭火剂等。就总体灭火性能而言, 哈龙 系列 灭火 剂以 其灭 火效 率高、安 全清洁、低毒无残留、腐蚀性小、易储存、适用性广等特点被广泛应用。但最近30年的 研究表 明, 哈 龙灭火 剂对大 气中的臭氧有很大的破坏作用, 国家现行《建筑设计防火规范》（GB 50016- 2006），《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-1995，2005年版，以下简称《高规》)已明确要求不得使用卤代烷1211、1301作为气体灭火介质。
　　热气溶胶灭火剂作为一种新型灭火剂, 具有无毒、灭火快、效果持久、灭火范围广、可常压贮存、工程造价低等特点,尤其是它的臭氧消耗潜能值(ODP)和温室效应潜能值(GWP)均为零,被认为是哈龙灭火剂的优良替代品，且其设备结构简单、占地面积小、安装方便,特别适于柴油发电机房、变配电室、电子计算机房和通讯机房等场所。
　　《气体灭火系统设计规范》（GB50370-2005，以下简称《气规》）对热气溶胶灭火系统的设计方法和要求做出了具体说明。
2.热气溶胶灭火系统特点
2.1热气溶胶灭火剂组成
　　气溶胶俗称烟或雾，是以极细小的液体或固体微粒（10- 5～10- 2μm）悬浮于气体介质中的一种稳定或准稳定胶体。热气溶胶灭火剂生成的气溶胶中，气体与固体产物的比约为6：4，其中固体颗粒主要是金属氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐、炭粒以及少量金属碳化物等；气体产物主要是N2、少量的CO2和CO等。
2.2热气溶胶灭火机理
　　以下以金属K为例说明气溶胶灭火剂的灭火机理:
　　A.吸热分解的降温灭火作用
　　K2O在温度大于350℃时就会分解，K2CO3的熔点为891℃，超过这个温度就会分解，这都是强烈的吸热反应。另外，K2O和C在高温下可能进行下列反应：
　　K2O+C→CO+2K+
　　2K2O+C→CO2+4K+
　　能谱分析结果表明有可能生长成K2C2。上述反应都是强烈的吸热反应。在发生上述化学分解之前，还会有固体颗粒的物理吸热作用以及分解出水蒸气的反应。任何火灾在较短时间内放出的热量是有限的，如果在短时间内气溶胶中的固体颗粒能够吸收火源所放出的一部分热量，那么火焰的温度就会降低，辐射到燃烧表面和用于将已经气化的可燃烧分子裂解成自由基的热量就会减少，燃烧反应就会得到一定程度的抑制。
　　B.气相化学抑制作用
　　在热的作用下，气溶胶中的固体颗粒离解出的K可能以蒸汽或阳离子的形式存在，在瞬间可能与燃烧中的活性基团H、OH和O发生多次链反应：
K+OH→KOH
K+O→KO
KOH+OH→KO+H2O
KOH+H→K+H2O
　　消耗和抑制活性基团H、OH和O之间的放热反应，从而对燃烧反应起到抑制作用。
　　C.多项化学抑制作用
　　微米级气溶胶离子有表面能量很高的大表面面积，能够吸附链式反应传播者OH、H和O，并且催化他们重组成稳定的分子，从而使火源中燃烧过程的分支链式反应中断，上述反应可示意表示如下：
K2O（s）+2H（g）+ O（g）→2KOH（s）
KOH（s）+OH（g）→KO（s）+H2O（g）
K2O（s）+O（g）→2KO（s）
KO（s）+H（g）→KOH（s）
　　上述反应快速反复进行从而产生瞬时灭火和有效防止再次着火。
3. 热气溶胶灭火剂发展历程及S型热气溶胶灭火剂优点
　　热气溶胶灭火技术可追溯到第二次世界大战,当时主要用于扑救坦克火灾；70年代公安部天津消防研究所研究成功了用于扑灭油罐火灾的烟雾灭火剂；90年代中期，北京理工大学在学习国外经验的基础上，研发出K型热气溶胶灭火剂产品；在此基础上又开发出第三代热气溶胶灭火剂——S型热气溶胶灭火剂。
　　与K型热气溶胶灭火剂相比，S型热气溶胶灭火剂有以下优点：
　　A.采用SrNO3作为氧化剂，使灭火气溶胶既保证了高的灭火效率和合理的喷放速度，又使分解产物的浓度控制在对精密设备产生损害的浓度以下。
　　B.主氧化剂SrNO3的分解产物为SrO、Sr（OH）2 和 SrCO3，这3种物质不会吸收空气中的水分，形成具有导电性和腐蚀性的电解质液膜，从而避免了对设备的损害。而K型气溶胶的主氧化剂为KNO3，其喷发后的固体微粒主要是K2CO3、KHCO3、K2O，这3种物质均是极易吸湿，易溶于水的物质，且均与水能生成强碱性的溶液。这些微粒沉降于被保护物表面或其内部后，快速与空气中的水相结合形成一种发黄发黏的强碱性导电液膜。这些液膜可破坏精密仪器的电路板的绝缘性，对文物和精密仪器造成腐蚀，纸质档案则表现为发黄、变脆等。
　　C.K型气溶胶灭火剂中含有K2O，其熔点仅为约800℃，正好处在灭火剂的生成反应温度区，因此造成K2O过多地挥发到灭火气体中，从而引起灭火中固体微粒含量过大（30%以上），且吸收空气中水分后粒径进一步增加（10μm以上），使易于沉降的固体微粒数量增大，不利于精密仪器工作。S 型气溶胶灭火剂含有SrO，其熔点为2450℃，远高于灭火剂生成反应温度区，不会过多挥发，因此其灭火气体固体微粒含量较少（2%）且粒径小（1μm），不易沉降。
4.S型热气溶胶与几种常用气体灭火剂的比较
　　目前，国内市场上流行的气体灭火产品有：K型热气溶胶、S型热气溶胶、哈龙1211、1301、IG-541、高低压CO2、七氟丙烷（FM-200）这几种产品。其中，K型热气溶胶对电子设备的损害较大，S型热气溶胶已进行有针对性的改进；哈龙灭火剂 ODP值为10，严重损耗大气臭氧层，国家已禁止使用；CO2灭火系统，喷发后会使人窒息，对人体损害较大，国家正逐步减少其使用。关于这几种常用气体灭火剂灭火性能参数，灭火系统灭火效率、贮存状况、工程造价、维护状况、毒性、设备二次损害、臭氧耗损潜能值（ODP）、温室效应潜能值（GWP）、大气存留时间（ALT）及发展状况等特点的具体比较详见图1和表1。

　　图1 常用气体灭火剂灭火性能比较
产品名称
K型热
气溶胶
S型 热
气溶胶
哈龙
1211 1301
IG-541
CO2
七氟丙烷FM-200
灭火效率
高
高
中
低
低
中
贮存状况（Mpa）
常压
常压
高压专用钢瓶1.05/4.20
高压专用钢瓶15/20
高压专用钢瓶2.07/5.17
高压专用钢瓶2.5/5.60
工程造价
低
低
中
高
高
中
维护状况
简便
简便
复杂
复杂
复杂
复杂
毒性
无
无
低毒
无
窒息
低毒
二次损害
大
无
无
无
无
无
臭氧耗损潜能ODP
0
0
10
0
0
0
温室效应潜能GWP
0
0
5800
0
1
2050
大气存留时间ALT
0
0
100
0
120
31
发展状况
成型
成型
逐步禁止
成型
逐步减少
成型







　　　表1 常用气体灭火系统特点比较
　　由比较可见，目前气体灭火领域成型及具有良好前景的是IG-541、七氟丙烷和S型热气溶胶。而S型热气溶胶相比而言具有两个优点。
　　A.灭火效率高。在同样体积的保护空间内，所需IG-541灭火剂与保护空间的体积比为37.5%～42.8%，七氟丙烷为7%～10%，而S型气溶胶灭火装置灭火装置最低，以放气量计算只需2.6%～3.7%。其灭火效果最好。
　　B.成本低，维护简单。除S型热气溶胶灭火剂外，IG-541，七氟丙烷都需要在高压钢瓶中压缩或液化储存。而S型热气溶胶灭火剂为固态存储，省略了高压钢瓶、阀门等大量复杂的设备，也大大降低了成本。在维护上，S型热气溶胶火装置只需每年测一次电阻，简单可靠，费用几乎为零，而不需要像其他气体灭火剂，每年都要检测瓶体是否漏气，阀门是否正常，程序极为复杂，而且容易出现泄漏。
5. S型热气溶胶灭火系统在高层建筑变电站消防应用
5.1工程应用概况
　　某高层酒店，建筑高度186m，建筑面积10万m2。酒店30层避难及设备层内设置10kV干式变压器变电站，机房尺寸36x5m，面积180m2，变压器设备体积72m3，本层层高4.90m，机房距地面高度120m。
5.2防护区火灾特分析
　　该防护区火灾类型为E类电气火灾，设施长期持续运行，一般无人值守，火灾会造成巨大的经济损失和社会影响，发生火情后扑救困难。《高规》中7.6.6.2条要求对可燃油油浸电力变压器宜设水喷雾或气体灭火系统，虽然本变电站采用干式变压器，但鉴于火灾潜在危险性，参照《高规》7.6.7.6条，其他特殊重要设备室应设置气体灭火系统。《气规》中3.2.1条气体灭火可用于电器火灾（注，除电缆隧道及自备发电机房外，K型和其他型热气溶胶预制灭火系统不得用于其他电气火灾。），故本变电站采用气体灭火系统进行消防防护。
5.3气体灭火系统选择
　　由表1几种常用气体灭火系统特点比较分析，IG-541储存压力高，钢瓶数量及气瓶间面积大，变压器设备间对洁净要求相对较低，且成本最高，故不建议采用；民用建筑变配电室常使用七氟丙烷气体灭火系统，变电室运行状态一般无人值守，七氟丙烷药剂低毒优势不明显；七氟丙烷气体灭火系统如果使用无管网系统，机房面积较大，呈长方形布置，需多台同时使用，需解决多台联动启动的可靠性问题；若采用有管网系统，需单独设置气瓶间，占用设备层面积，且单位荷载偏大（气瓶间要求单位荷载800～1000kg/m2，酒店设备层结构设计标准荷载700 kg/m2），外储压式（备压式）其用于驱动灭火剂的增压氮气与灭火剂分别贮存在两个钢制容器中，其最大输送距离约120m，可满足要求，但结构相对复杂，内储压式（储压式）增压氮气与灭火剂贮存在一个钢制容器中，低增压时输送距离不宜大于40m，机房长向36m，不利于管网布局；同时七氟丙烷气体灭火系统对防护区围护结构防爆泄压要求较高，泄压口宜设置在直接通向室外的外墙上（距地面120m），破坏酒店外立面玻璃幕墙效果。综合比较技术与经济性能，选用S型热气溶胶灭火系统，该系统为无管网系统，不需要设置单独气瓶间，无荷载要求，无泄压口要求，直接在机房合适位置设置S型热气溶胶灭火装置，灭火效率高，成本低，维保简单。
5.4防护区实例计算
根据《气规》S型热气溶胶灭火剂用量计算公式：
　　　　
　　W——灭火剂设计用量（kg）；　　 
　　V——防护区净容积（m3），本工程为810 m3；　　
　　KV——容积修正系数，本工程取1.1；
　　V＜500 m3,KV=1.0；500 m3≤V＜1000 m3,KV=1.1；V≥1000m3,KV=1.2；
　　C2——灭火设计密度（kg/m3），本工程取140g/m3；
通讯机房和电子计算机房等场所的电气设备火灾，C2≥130g/m3，
电缆隧道（夹层、井）及自备发电机房火灾，C2≥140g/m3。
本工程灭火剂计算用量124.74kg，设计用量130 kg。
产品选用陕西坚瑞消防股份有限公司S型热气溶胶灭火装置DKL系列产品。
6.小结
　　热气溶胶灭火剂作为一种新型灭火剂, 具有灭火效率高、灭火后对人体不造成危害、对臭氧层不破坏、不产生温室效应气体、初期投资成本较低、维护保养简单方便等较多优点,尤其对于消灭封闭空间火灾具有较好灭火效果。综合比较看来，S型热气溶胶灭火剂相比其他几种常用气体灭火剂优势明显，热气溶胶灭火系统必将在哈龙替代领域发挥巨大作用。希望此文对业界同仁有借鉴和参考价值。


参考文献
1.气体灭火系统设计规范，GB 50370-2005；
2.气体灭火系统施工及验收规范，GB 50263-2007；
3.高层民用建筑设计防火规范，GB 50045-1995，2005年版；
4.热气溶胶自动灭火系统设计、施工及技术规范，DB 61/368-2005；
5.热气溶胶灭火装置，中华人民共和国公共安全行业标准，GA 499.1-2010；
6.气溶胶灭火技术, 郭鸿宝，化学工业出版社，2005年，ISBN：7502569685。
7.气溶胶灭火技术的应用现状与发展趋势，蔡传化，安徽建筑工业学院学报，2006年10月，Vol.14 No.5；
8.浅谈厦门国际物流中心项目中的热气溶胶灭火系统，叶红星，福建建筑，2008年，Vol.116 No.2；
9.论S型热气溶胶预制灭火系统在高层建筑配电室的应用，蔡茜、杨娜，广东公安科技，2009年第3期。