碳达峰条件下的压细水雾灭火技术的前景分析

李晓晖 冯向勇 张艳芹 孙孟辉 高佩川

（南京工程学院机械工程学院,江苏 南京 211167）

当前全球气候变化已经引起了全人类的关注，碳排放引起的温室效将是人类在未来很长一段时间内共同面对的重大挑战。为了倡导人类命运共同体意识，必须加快形成以绿色低碳为主导风向的经济发展模式和生产生活方式，最终实现人类和大自然的和谐共存。早在2014年11月，习近平主席在《中美气候变化联合声明》中提到“我国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰”。2015年6月，我国政府明确提出了二氧化碳排放将在2030年左右达到峰值并争取尽早达峰[1]，并向联合国气候变化框架公约秘书处提交了《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》。随着“2020年碳排放强度较2005年下降40 %～45 %”，我国在第一阶段温室气体减排目标已经基本实现，正式进入到实现碳排放峰值的战略轨道，今后包括消防安全在内的许多领域和区域都将必须考虑其碳排放峰值的目标实现途径和采取的主要措施。

1 传统消防灭火剂的性能对比分析

卤代烷灭火剂又称哈龙灭火剂，是20世纪90年代以前应用最广泛的灭火剂，主要是由于其灭火效率高，可扑灭A、B、C、D等多种类型的火灾。但卤代烷灭火剂极易破坏臭氧层，《蒙特利尔条约》明确规定要用其他灭火剂或者灭火装置逐步取代卤代烷[2]。因此，全球各研究机构也正在大力研发卤代烷替代灭火剂。以卤代烷灭火剂为代表的灭火剂是现在消防设备的主流产品，除此之外，其他主要的灭火剂还有惰性气体灭火剂、水系灭火剂、泡沫灭火剂、干粉灭火剂、金属灭火剂等[3]，以上各类灭火剂在封闭空间或半封闭空间使用均有不足之处。干粉灭火剂即二氧化碳灭火剂，由于其成本低，具有一定的实用性和可靠性，灭火后不产生副产物等原因被长期使用，但其主要缺点是灭火效率较低，二氧化碳浓度较高时对人体健康有害，一般推荐的灭火浓度为5 %；当浓度达到17 %以上可以致人死亡，而且灭火后很难自行分解，二氧化碳会造成碳排量增加，引起大气层的温室效应。氮气作为一种典型的惰性气体灭火剂，其本身为无色、无味、不导电的气体，在灭火过程中不产生分解物，其耗氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）均为0；但其灭火后容易混合在空气中形成氮氧化物颗粒物，从而降低周围环境的氧浓度，影响人的正常呼吸，严重时还会导致人因缺氧而窒息死亡。在某种程度上具有一定的绿色环保性的泡沫灭火剂主要缺点是对保护对象会造成不可逆的损害，同时清理也不方便。目前使用的自动水喷淋灭火系统水渍损失大，使用水量多。这些传统的消防灭火剂均附带引起了次生环境污染，特别是二氧化碳灭火剂在消防安全使用中进一步增加了碳排量，在做好碳达峰和碳中和工作的条件下必须推进消防技术创新的方法。

2 高压细水雾灭火的C含量分析对比

为了能更好地评价细水雾灭火系统的实用性和局限性，进一步促进超细水雾灭火技术的发展，国际上许多国家的研究机构和研究人员均参照IMO测试规范，研究了各种细水雾灭火系统的灭火性能[4-5]，主要包括火源功率、火源被遮挡程度、机房大小、通风条件、雾化程度等。以动力机房火灾的灭火试验研究为例，细水雾灭火系统同气相灭火剂相比，能迅速控制火灾，有效降低机房温度，并使机房中燃烧产物CO 和CO2的浓度维持在较低水平。加拿大国家研究局（NRC）基于低压双向流细水雾对燃气轮机动力机房的火灾进行了现场实验研究，机房温度能够在细水雾作用15 s后迅速降到50 ℃，实验所测得CO和CO2最大浓度分别不超过0.08 %和3.5 %，这种热环境和气体浓度有利于消防人员安全进入动力机房进行后续的扑救工作。鉴于火灾燃烧和细水雾灭火对氧气浓度的需求不同，实验表明大尺度的火比小尺度的火更容易扑灭，如果火源被遮挡程度加大，由于细水雾到达火源位置的雾通量会大幅越少，火焰将会更难扑灭。在此基础上，美国海军在通风情况下将细水雾灭火与哈龙、二氧化碳等气相灭火剂进行对比试验，实验结果表明，当受限空间的房门全部打开时，小尺度的火焰细水雾灭火时间有所增加，而对于大尺度的火焰却几乎没有变化。如果在细水雾中添加防火添加剂，可以大大提高其灭火效果，为此美国海军在双相流体细水雾灭火系统中加入12 %～25 %的添加剂Quad-Ex进行实验，发现添加剂的使用可使灭火性能提高两倍以上，灭火时间可以缩短85 %～99 %，同时也大大减少了用水量。经过近二十年的技术发展，细水雾灭火系统逐渐替代哈龙或二氧化碳灭火系统，能有效地保护舰船机舱，得到了认可，并在舰船和工业领域得到广泛应用。通过对比细水雾灭火技术和其他灭火剂灭火后CO2的含量，高压细水雾灭火技术不失为碳达峰时代的一种行之有效的新技术，既可减少碳排量，又可以起到保护环境和人员安全的作用。

3 高压超细水雾灭火技术的组成特点与最新研究成果

高压超细水雾灭火技术是在高压细水雾基础上进一步提高系统压力，从而使雾化颗粒更小，灭火效果更好，被认为是一种高效无毒的哈龙替代灭火剂，通常由高压泵组、区域控制阀、调压阀、细水雾喷头、水箱、管路，以及烟雾传感器、火灾报警系统等组成，泵源压力通常达到14 MPa，其机理主要是利用高压细水雾泵组将高压水通过离心式压力喷嘴形成雾状细水雾，均匀覆盖到保护区域，通过吸热冷却、隔氧窒息等作用而达到灭火的目的。笔者在华中科技大学机械学院工作期间先后参与了以海水和淡水为介质的水压元件的基础研究和应用研究，所研制的高压大流量消防泵组及配套的溢流阀、分区阀等控制阀件和雾化喷嘴[6-7]等元器件装备于海军某型舰艇，这些器件的关键零部件均使用低碳或无碳成分的不锈钢、海军黄铜等耐腐蚀耐磨损材料制成，管路采用不锈钢钢管，使用纯净的自来水作为灭火介质，进一步研制完成了高压超细水雾灭火系统，该系统不仅可适用于受限空间和密闭空间，而且也可以用于城市除尘、降温等环境保护方面。针对诸如太空站等特殊密闭空间的体积限制，基于高压细水雾原理将固定式泵组系统改制成为便携式细水雾灭火器[8]，目前该产品均已配备使用在国内高铁车厢和楼宇灭火系统等区域。

4 碳达峰时代细水雾灭火系统的发展趋势

综合对比现代其他灭火产品的各项性能指标，高压超细水雾自动灭火技术因其自身所具备的灭火效率高、环境相容性好、取材方便、人员安全、用水量小、水渍损失小等优势，目前已经广泛应用于图书馆、档案馆、展览馆、古建筑旅游景点、高校机房、实验室、商用厨房、地铁及高铁车厢等保护性要求高的密闭场所。近年来高压细水雾灭火技术研究的创新发展，进一步凸显出其节能环保、电气绝缘、消除烟雾等优点，特别适用于扑救电气火灾，将来可以应用于国家电网的综合管廊电缆舱、空间站、深海载人潜器和潜艇等水下航行器[9]。

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话指出，“将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[10-11]。这将意味着在2030年之前，以卤代烷为代表的灭火剂消防系统还将有一定的市场份额，甚至在这一时期还可能继续维持一定的大份额，但是2030年之后，随着碳达峰和碳中和的目标实施，为尽可能实现CO2净零排放，以高压细水雾灭火为代表的新型低碳消防产品将会逐渐取代卤代烷灭火剂的地位。在消防安全领域如何落实碳达峰和碳中和的工作目标，将为高压细水雾灭火技术的广泛应用提供一次新机遇，同时也提出新的挑战，那就是如何进一步创新高压细水雾灭火技术水平和系统参数的优化设计，进一步降低灭火后产生的碳排量问题。第一，高压细水雾灭火泵组、喷头以及管路等材料的改进和优选，尽可能使用低碳或无碳材料，同时兼顾生产成本的低价格；第二，基于流体动力学的喷嘴结构优化设计，实现超细水雾的雾粒精细化和灭火的高效化的兼容性；第三，针对不同类型火灾产生的燃烧物，提高细水雾灭火产生的合成物的碳含量检测技术，实现灭火后生成污染物的低碳控制。当前，绿色低碳已经成为全球未来经济发展的主旋律，随着高压超细水雾灭火技术的创新发展，将会不断取代卤代烷为代表的灭火剂系列产品，为消防领域提供一种全新的低碳产品，同时，为我国实现碳达峰目标和碳中和愿景积极发挥细水雾灭火技术的巨大作用，为建设环境友好型社会、资源节约型社会，推动社会主义市场经济低碳绿色发展贡献其新力量。