浅议几种气体灭火技术

人类社会的发展对气体灭火技术提出了除了灭火、人身安全两大衡量指标外的一个新指标，即对人类生存的自然环境的保护指标。从根本上讲，气体灭火技术不但要灭火，还要保护人身安全，更要确保不干扰和不破坏人类赖以生存的大自然。
  这就是现代灭火技术发展的最大特点。
  1  几种典型替代技术简介
  为了确保尽可能地减少对人类赖以生存的环境的干扰和破坏，人们舍弃了灭火性能和人身安全均为最佳的哈龙灭火技术，在全球范围内推出多种替代技术,如惰性气体IG—01，洁净气体IGl00和混合气体IG55，以及IG—541，FM—200和CO2等。1．1  1G—01氩气灭火技术
  Ar(氩气)又称IG—01。它由100％的惰性气体氩气组成，其密度是空气密度的1.38倍，特别适用于固体深位火灾，可以维持灭火浓度相当长一段时间，达到抑制火灾复燃的作用。氩气是人类很熟悉的一种惰性气体，大量应用在钢铁冶炼等行业。氩气是从大气中分离出来的，因为它的惰性，即使在火灾造成的高温高压下也不参与任何化学反映。它不导电，无色无味无毒,对环境和人体没有任何不良影响。
  氩气的罐装技术在国内已经非常成熟，业主可在任何一家空气分离厂自行得到。
  氩气灭火采取的是窒息法。它将燃烧区中的氧气替换或驱散，将物质燃烧所需的氧气降到可燃浓度以下，以熄灭燃烧。IG01不足之处在于：灭火浓度高，以气态形式储存，造成贮存瓶组多，装置庞大。
    IG—0l全淹没系统适用于扑救A、B、C类和电气设备火灾。1．2  1G—100氮气灭火技术
   N2(氮气)又称IG—100，它由100％的氮气组成，其密度接近于空气密度。由于由纯N2组成，在灭火过程中有可能参加反应。其灭火机理为稀释燃烧区内氧气，达到窒息灭火的目的。1．3  1C—55氮气氩气灭火技术
    IG—55由50％氮气，50％氩气组成。其密度大于空气密度。由于含有N2，在灭火过程中有可能参加反应。其灭火机理为稀释燃烧区内氧气，达到窒息灭火的目的。1．4  FM—200七氟丙烷类灭火技术
    FM—200又称七氟丙烷或HFC—227ea，是HFC的一种。其灭火机理：通过化学抑制作用终止燃烧的连锁反应，灭火速度快。FM—200灭火过程中会分解出氢氟酸，其酸气的生成量是哈龙1301的8～10倍。输送距离短是它的不足。1．5  IC—541烟洛尽(Inergen)灭火技术
    烟洛尽又称IG—541，它是氮气、氩气和二氧化碳以52:40:8的体积比例混合而成的一种灭火剂。它的3个组成成分均为无色、无味、不导电、无毒的气体，其密度近似于空气的密度，由于含有CO2和N2，所以这两种气体在灭火过程中有可能参加反应。其灭火机理为稀释燃烧区内氧气，达到窒息灭火的目的。其中的二氧化碳主要起刺激人体呼吸作用，但随着灭火浓度的增大，保护区内的CO2的含量接近于4％时有可能对人体造成危险。IG541的缺点在于：罐装需特殊设备，在国内只有上海、天津等有限的大城市可以罐装。1．6   CO2灭火技术
    二氧化碳(CO2)是地球大气成分之一，在常温常压下是一种无色、无味、不导电、化学上呈中性、无腐蚀的气体。其灭火机理主要是稀释氧气，起窒息作用，二氧化碳可液化储存，这种方式比IG01的储存要方便。由于CO2的浓度达到10％时在几分种内会使人丧失意识甚至死亡，这一浓度远低于其34％的最小设计浓度。因此CO2系统应用于有人环境时必须考虑人身安全防范问题。CO2灭火技术较为成熟，在哈龙被禁止后又重新被人类所认识，发挥其潜能。2  哈龙的替代技术的选择标准

    针对某一应用场所选择适当的替代技术，首先要明确选择的标准，亦即衡量产品性能的指标。哈龙替代品的性能指标有很多，包括物理性能、化学性能等多个方面，但是应用性能主要体现在以下几个方面。2．1  对大自然的干扰级别
    对大自然的干扰，分A、B和C三级。这是一个宏观指标，定性描述灭火技术与大自然的协调和对大自然的干扰程度。其中人为地通过化学方法合成的灭火剂对大自然进行干扰的为A级，以某种物理方式对大自然进行干扰的为B级，几乎不对大自然产生干扰的为C级。 
 
2．2  臭氧耗减潜能值ODP(ozone depleting poten—tial)
    以CFC—11为基准，设其ODP值为1。2．3  全球变暖潜能值GWP(global warning poten—tial)    用于表示和比较消耗臭氧层物质对全球气候变暖影响能力的大小。2．4  大气存留时间ALTA(atmospheric lifetime)
    表示消耗臭氧层物质在大气中的存在寿命，以年为单位。2．5  灭火效率
    哈龙替代物的灭火浓度、灭火时间指标综合反映了灭火剂的灭火效率。2．6  毒性
    灭火剂的毒性包括灭火剂本身的毒性及灭火剂受热分解产物的毒性两个方面，常以NOAEL(无毒性反应的最高浓度)、LOAEL(出现毒性反应的最低浓度)等表示。
2．7  存贮稳定性
    包括耐热稳定性和化学稳定性。
2．8  能见度
    能见度的降低不利于人员的疏散，因此对于有人工作场所，能见度成为关键性指标。IG01和Inergen为气态储存，在排放时没有雾气生成；FM—200和CO2喷射时有较强烈气化及吸热效应，致使空气冷凝出现浓雾。2．9  残留物
    灭火后若有残留物，为防止发生意外事故必须清理干净。气体灭火剂属清洁灭火剂，灭火后不留痕迹。2．10  质量与占用空间
    对于某些特殊应用场所，灭火系统的质量与占用空间成为重要的考虑因素。2．11  工程造价
    在保证灭火能力、不破坏环境、确保人员和财产安全的前提下，应尽量减少投资，提高哈龙替代品的性能价格比。
3  气体灭火系统的定性选择

3．1  环境因素
    几种气体灭火剂的环境特性参数

     在进行分析时，首先我们把对自然的干扰为A级(即化合物)的灭火剂排除。我们选用B、C级灭火气体进行比较，可以看到，在B、C级中有IG—01、IGLOO和IG55，以及IG—541，IG—541和IG—55均由混合气体组成，且IG—541含有CO2，IG—55中含有N2，在高温高压下有可能参与化学反应，对自然有一定干扰。最后我们来分析C级灭火气体中的IG—01和IGLOO，这两种气体均为单质，但IG1OO为N2组成，在高温高压下有可能参与化学反应；而IC—01气体完全由自然界存在惰性气体组成，它的释放是将这些气体放归自然，对环境没有影响。
  3．2  毒性
    关于毒性方面的比较，我们分别以对生命的保护和对财产的保护两个方面来论述。
  3．2．1  对生命的保护
    对生命的保护主要要求灭火剂毒性低，对人体无影响，有利于防护区人员的安全疏散等。
    四种灭火剂的毒性参数

       从表2可知IG—01、IG—100、IG—55、七氟丙烷和IG—541的NOAEL均不小于系统的最小设计浓度，就灭火剂在防护区内本身喷放而言，对人体是相对安全的。
    因此，我们选用IG—01、IG—541、七氟丙烷和C02为代表进行比较。
    IG—541中由于含有8％的CO2，随着灭火浓度的增高，保护区中的CO2：含量随之增大。特别是对于计算机房类火灾来说，无论是欧洲CEA标准、德国VDS标准还是我国唯一的气体灭火标准(二氧化碳灭火系统设计规范GB50193—93)中同样要求电子计算机房的灭火浓度为47％，且要求抑制时间10分钟。此时，IG—541中的CO2的含量接近于4％，有可能会对人体产生危害。
    七氟丙烷最小设计浓度为7.5％，无毒性反应的最高浓度(NOAEL)为9％，有毒性反应的最低(LOAEL)为10.5％，该三个值比较接近。事实上，当防护区内七氟丙烷的浓度在5％～9％时，人员可停留时间为1min。而浓度高于9％时只能用于无人停留区域。此外七氟丙烷在灭火过程中的高温条件下裂解有剧毒物氢氟酸产生，散发着刺鼻的气味，有一定的腐蚀性。这也是灭火时七氟丙烷必须在10s内释放完毕的关键原因。
   CO2对人体危害主要是窒息作用，在有人场合使用具有危险性。
    CO2不同浓度对人体的影响

        二氧化碳灭火系统的最小设计灭火浓度为34％(Kb＝1.0)，大于20％为致死浓度。所以CO2灭火系统用于有人的场所必须考虑人员报警与撤离延时喷放问题。
    此外，七氟丙烷和CO2以液态储存，喷放过程中迅速气化会产生大量的“白雾”，在一定程度上影响了内部人员的安全疏散。
    IG—01的灭火机理是降低空气中氧气的含量。一般而言，当氧气在空气中的含量低于15％时燃烧难于维持。IG—01在实施灭火时，将氧气的含量降低至12.05％，使火熄灭。对处于火灾现场的人而言，正常人在10％以下的氧气条件下会缺氧。
    IG—01是以气态储存的纯惰性气体，喷放时可以清楚地看到紧急出口，在高温条件下甚至与火焰接触也不会分解产生有毒或有腐蚀性的分解物。因此IG—01对人员是安全的。
    因此，从保护生命的角度出发，在有人场所适合选择IG—01灭火系统。但IG—01灭火系统也有不可克服的缺点，如因为以气态储存，导致钢瓶数量多，且储存压力高达16MPa，高于其他气体灭火系统，亦可视为一种不安全因素。
3．2．2  对财产的保护
   CO2是以液态储存的灭火剂，喷放时会使防护区内的温度在短时间内急剧下降，使精密设备和珍贵财物因“冷激”或“冷脆”作用而损坏。喷放时还从周围吸
收大量热量，使空气中的水蒸气大量凝结，产生严重的结露”现象而损坏财物。尤其是对计算机房、通信机房内的集成芯片、电路有较大影响，并会使电器设备表面产生静电积累。
    七氟丙烷在一定程度上也存在与CO2相同的危害。由于七氟丙烷在灭火过程在高温条件下会裂解产生HF等酸性分解物，从而产生结露，对设备造成损害。   IG—541以压缩气体的形式储存，喷放时防护区内温度变化很小，仅为2C左右，不会在保护设备表面形成冷凝。IG—541由氩气、 CO2、氮气气体组成，由于含有CO2和氮气，在高温高压下有可能会发生化学反应。
    IG—01以压缩气体的形式储存，喷放时防护区内温度变化很小，仅为2C左右，不会在保护设备表面形成冷凝。IG—01由100％惰性气体氩气组成，无腐蚀性，
喷放后无残留物，灭火时不会发生化学反应，不污染环境，无毒，具有良好的电绝缘性能，不会对被保护设备构成损害。
    因此，对于有精密设备、珍贵财物等的场所，使用IG—01灭火系统较为适宜。

4  气体灭火性能的定量选择

    灭火效率主要是通过灭火浓度来衡量的，灭火时间和灭火效果也对系统的灭火效率产生影响。
 4．1  针对电气类火灾灭火性能
    三种气体的灭火性能
4．2  灭火时间
    各种系统的灭火时间是和灭火剂的喷放时间直接相关的。
    不同的气体灭火系统，喷放时间的规定不同。对于卤代烃灭火剂，七氟丙烷(HFC—227ca)《洁净气体灭火系统设计规范》(DBJ15—23—1999)规定“七氟丙烷的喷放时间，不应大于10s”。对于惰性气体灭火剂，《惰性气体灭火系统标准》(1S014520—12氩气灭火系统标准)中规定氩气“灭火剂的喷射时间应保证在60s之内达到最小设计浓度的95％”。((1S014520—15》中规定烟洛尽“灭火剂的喷射时间应保证在60s之内达到最小设计浓度的95％”。《二氧化碳灭火系统设计规范》(GB50193—93)1999中规定“二氧化碳全淹没灭火系统的喷射时间不应大于60s”。
    氟丙烷灭火系统因喷放时间要求较短(小于10s)，极大地限制了系统防护的范围和距离。
4．3  维持10分钟灭火效果
    气体灭火系统的灭火效果是由保护持续时间来保证的。系统设计时重要的是不但要达到灭火剂的设计浓度，而且应维持足够长的浸渍时间，以便有关人员采取有效的紧急措施来消除危险。这一点非常重要，因为持续的点火源(如电弧、热源或阴燃火灾)在气体灭火剂一旦消散后极有可能复燃。
   CO2的分子量为44，密度约为空气的1．5倍，IG01的密度约为空气的1 .38倍，据检测IG—01系统能保证维持灭火浓度至少10min。由于密度较大，喷射后灭火剂具有很好的渗透能力，对于深位火灾而言灭火效果显著，并能维持相当长一段时间。
    而IG—541，由于含有40％的氩气(Ar)，52％的氮气，8％的CO2分子量分别为40、28和44，在喷放后的一段时间内可以保持均匀混合，但一旦失压，由于各气体分子量不同，有可能产生各气体分离现象，即失去了IG—541混合气体的本性，较难维持足够长的浸渍时间，从而影响灭火效果。
5  气体灭火系统的经济比较

    灭火系统的造价除了一次性设备器材投资外，还应包括日常的维护保养费，灭火系统的维护保养费用主要包括灭火剂的再填充和瓶站的维护保养费。灭火
剂价格越高，系统的钢瓶设备越多，则系统的维护保养费用就越高。
    工程实例表明，对灭火剂的再填充费用，七氟丙烷药剂费用昂贵，但充装较方便。对于IG—541，由于现在只有天津和上海等有限的几个大城市可以充装，所以充装很不方便，运输钢瓶费用昂贵。CO2的再填充费用低廉。
    IG—01(氩气)是气体分离的副产品，价格便宜，且应用广泛，不但各大城市可以充装且在各中小城市也可以进行再填充。
    瓶站的维护保养费用方面，一方面低压CO2灭火系统由于存在日常压缩制冷机的运行，所以维护费用相对较高，另一方面IG—01灭火系统由于瓶组数量较多，且储存压力较高，故亦有一定的维护保养费用，但因无运转部件，系统发生故障的机会要少一点。
    综上所述，就维护保养费来说，七氟丙烷灭火系统最高，低压CO2灭火系统次之，IG—541再次，IG—01灭火系统最低。

参考文献：
[门  公安部消防局公消(2001)217号，关于进一步加强哈龙替代品及其替代技术管理的通知．
[2]  IS014520—12氩气灭火系统标准，惰性气体灭火系统标准．
[3]  VDS2093．07/83，德国VDS气体灭火系统设计标准．
[4]  NFPA2001(1996年版)，清洁灭火剂灭火系统标准．