油类火灾灭火剂及其研究进展

郭丁坤 张存位教授

(中国人民警察大学 救援指挥学院，河北 廊坊065000)

0 引言

随着我国经济的快速发展，火灾愈发呈现出多发性、复杂性特点。油类火灾属于B类火灾，是各类火灾中危险性最大、扑救难度最高的火灾类型。油类火灾具有火焰温度高、热辐射强、易形成大面积火灾、容易引发爆炸、易发生复燃且油品蒸汽含有一定毒性的特点。油类一旦发生火灾，能在短时间内迅速蔓延扩散，且扑救困难，最终导致重大的人员伤亡和经济财产损失。因此油类火灾发生时，灭火剂的选择尤为重要。本文介绍油类火灾常用灭火剂的灭火机理，分析各类灭火剂灭油类火灾时存在的缺陷，综述各类灭火剂的研究现状，对油类火灾灭火剂的发展提出展望。

1 干粉灭火剂

干粉灭火剂是以金属盐或铵盐为原料制得的粉状固体。根据适用范围，可分为BC类干粉和ABC类干粉；按粒径大小可分为普通干粉和超细干粉。杨冬雷等通过球磨机细化得到不同粒径的BC类干粉，将其用于熄灭煤油火和酒精火，研究结果表明干粉粒径越小，灭火时单位面积受热越多，分解更快，灭火效能越好。化学抑制作用是干粉灭火剂的主要灭火机理，干粉颗粒在火焰的作用下分解生成卤素自由基X，带走一部分热量的同时与火焰区内的H、OH自由基结合生成HO，从而终止链式反应。此外，干粉颗粒在高压气体如CO、N的推动下，从储粉罐中喷出，迅速在火焰表面形成悬浮粉雾，起到隔离热辐射和降低环境中氧含量的作用。

干粉灭火剂的灭火方式为全淹没式灭火，对于油类火灾而言，干粉颗粒需要完全覆盖整个油面才能有效灭火。而对于油面较大的火灾而言，干粉灭火剂的有效射程无法覆盖整个油面，同时燃烧产生的高温烟气也会卷吸干粉颗粒，大大降低干粉的灭火效果。此外，高扬等测试不同灭火剂扑灭石蜡油盘火的灭火性能，发现干粉灭火剂仅能在前期抑制火焰，而无法扑灭火灾，这是由于干粉灭火剂的冷却效果较差，不能有效降低油面温度，高温仍能维持自然基的产生，使得被终止的链式反应又重新开始，火焰复燃。因此，干粉灭火剂一般仅应用于小尺寸油类火灾。

2 细水雾灭火剂

细水雾是指细小的雾状水，它是在压力作用下，经特殊喷嘴产生的，其粒径可低至100μm。微小的粒径使其作用到火焰表面时，能迅速汽化，吸收热量的同时降低环境中的氧浓度。此外，汽化产生的水蒸气也能对高温辐射区有一定的阻隔作用。细水雾是一种清洁环保的灭火剂，相较于一般的水灭火技术，其具备出色的灭火效能，打破了水不能灭油火的传统观念。

国内学者对细水雾扑灭油类火灾进行深入研究，发现其灭火过程伴随短暂火焰强化现象。马瑞雪等通过自主研发的析出式气泡雾化细水雾系统对不同油品进行灭火实验，研究结果表明，煤油、柴油等燃料的火焰强化现象系液滴飞溅和空气扰动所致，汽油则单由液滴飞溅所致；贾海林等为减少火焰强化现象的危险性，将环氧乙烷与烷基酚经缩合反应后的去离子液作为改性剂对细水雾进行改性，改进后的细水雾灭火性能得到提高，同时减少了液滴飞溅，抑制了火焰强化现象。

杜友威等设计了一款新型直射—旋流预混细水雾喷头，用于改善普通喷头喷射角小以及穿透性弱的问题。通过实验，研究喷口直径对轴向速度和切向速度的影响，并结合能耗效率，确定最佳喷口尺寸

d

=1.5m。油类灭火实验结果表明，新型喷头较普通喷头具有更好的抑温效果和更短的灭火时间。

Lu等在纯水雾的基础上通过实验进一步研究不同添加剂对不同油类灭火效率的影响，分别比较碳酸氢钾、碳酸铵和表面活性剂对汽油、柴油以及变压器油火灾的影响，结果表明，对于汽油和柴油火灾而言，碳酸铵的灭火效率最佳，因为碳酸铵在灭火过程中能吸收大量热量分解，促使火焰温度降低。同时，产生N、CO等阻燃气体稀释O。对于变压器油火灾而言，表面活性剂能有力减小水雾的表面张力，使其在油品表面形成一层薄膜，阻止燃料与O的接触，是最佳的添加剂。

Ni等在水雾中添加溴氟丙烯，研究其抑制汽油火灾的性能。通过比较灭火过程中火焰形态与温度的变化，发现水雾与溴氟丙烯具有协同作用。一方面，少量溴氟丙烯的添加大大提高了水雾的灭火性能。另一方面，水雾可以降低溴氟丙烯抑制产生的氟化氢浓度。同时，溴氟丙烯容易蒸发，因此使用添加溴氟丙烯的水雾不会造成任何残留物清洁问题。

尽管细水雾灭火剂的灭火性能优异，但它也存在诸多问题：射程有限，保护半径较小，难以扑救大尺寸油类火灾；细水雾灭火设备结构复杂，技术要求高，造价也高；受环境因素影响大，风力、障碍物等因素都会影响细水雾的使用，这些问题都制约着细水雾灭火剂在油类火灾上的应用。

3 泡沫灭火剂

3.1 泡沫灭火剂分类和灭火机理

泡沫灭火剂分类方式众多，可以依照发泡倍数、基料、适用对象等进行分类。根据发泡倍数即泡沫形成前后的体积比，可将泡沫灭火剂划分为低、中、高倍数泡沫，分别对应0～20、20～200和200倍以上，罗慧中等利用大尺寸柴油油池燃烧试验，对高、低倍数泡沫液灭火能力进行比较，发现低倍数泡沫控制油类火灾更加迅速，且使用的泡沫更少。在众多分类方式中，按照适用对象与基料进行分类的实际意义更大。根据适用对象，可将泡沫灭火剂分为一般型泡沫灭火剂和抗溶型泡沫灭火剂，后者可用于扑救极性液体火灾，如乙醇、甘油等。根据基料的不同，可将泡沫灭火剂划分成蛋白泡沫灭火剂和以水成膜泡沫灭火剂为代表的合成泡沫灭火剂。

泡沫灭火剂的灭火机理主要为冷却降温作用、隔绝作用和窒息作用。当泡沫接触到燃烧油品表面时，其内部的水分会吸热、蒸发，使燃烧物表面温度下降。同时，水蒸发产生的水蒸气弥漫在空气中，能使空气中的氧浓度降低。此外，泡沫的相对密度比油品低，能在油品表面形成泡沫覆盖层，从而将油品与空气分隔开来，窒息灭火；泡沫覆盖层同时还能遮挡火焰对油品表面的热辐射，从而阻止油品的蒸发和可燃气体的进入。

3.2 油类火灾常用泡沫灭火剂

在油类火灾中，主要使用的泡沫灭火剂是普通蛋白泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂以及水成膜泡沫灭火剂。

3.2.1 普通蛋白泡沫灭火剂

普通蛋白泡沫灭火剂是以动植物蛋白的水解浓缩液为基底，并添加适量的稳定剂、防腐剂、抗冻剂等制得。主要成分为水和水解蛋白，与其他类型灭火剂相比，其成本较低、抗燃性能良好且析液时间较长，但其在灭火过程中会造成二次污染。同时其储存时间较短、存在异味、抗油类污染的能力差，且流动性能较差，无法高效灭火。随着灭火剂技术的发展，普通蛋白泡沫灭火剂已逐渐被灭火效果更好的灭火剂所取代。近年来对此类灭火剂的研究也相应较少。

3.2.2 氟蛋白泡沫灭火剂

氟蛋白泡沫灭火剂是在20世纪60年代为改善普通蛋白泡沫灭火剂缺陷而开发的一种泡沫灭火剂。它是在普通蛋白泡沫灭火剂之上添加适量氟碳表面活性剂制得，随着氟碳表面活性剂的加入，泡沫的表面张力和界面张力明显减弱，使泡沫能更快地铺展在油面上，窒息灭火。此外，其抵抗油类污染的能力也得到加强。因此，近年来氟蛋白泡沫灭火剂被广泛应用于油类火灾的扑救工作中。

虽然氟碳表面活性剂极大加强了蛋白泡沫灭火剂的灭火性能，但并没有改善其在灭火过程中会造成二次污染、保质期短、不易降解以及存在异味等问题。近年来，对于氟蛋白泡沫灭火剂的研究也多从这些方面出发。冯伟等对蛋白泡沫灭火剂的除臭和储存寿命进行研究，指出蛋白泡沫灭火剂存在臭味以及寿命较短可能是由于蛋白质中硫元素在碱性条件下水解生成无机硫化物和含硫残基导致的，并提出改进措施；毕波等采用急性毒性标准实验方法对OBS型氟蛋白泡沫灭火剂对水环境的安全影响进行评估，结果表明其对小球藻呈剧毒性、对斑马鱼呈高毒性，并提出可运用小球藻检测氟蛋白泡沫灭火剂的排放，并进行预警；张宪忠等通过快速生物降解实验对氟蛋白泡沫灭火剂及其各组分的生物降解性能进行测试，研究结果表明蛋白基料易于生物降解，防腐剂苯酚对氟蛋白泡沫的生物降解有一定促进作用，泡沫稳定剂硫酸亚铁则会在一定程度上降低氟蛋白泡沫的生物降解率，延长其降解时间。

此外，李华敏对氟蛋白泡沫发泡倍数的影响因素进行研究，指出环境温度高低、风速大小、泡沫溶液流量以及泡沫接受位置都会影响发泡倍数测定；Zhao等在氟蛋白泡沫灭火剂中添加溴氟丙烯，研究其灭火性能的变化，通过设立27m实验室尺寸的汽油池火灾场景，确定空气与泡沫溶液的最佳体积比，然后向泡沫溶液中添加不同剂量的溴氟丙烯，测定其灭火性能的变化，研究结果表明，随着溴氟丙烯的加入，氟蛋白泡沫灭火剂的灭火性能有所加强，灭火所需时间减少，复燃时间延后，其中溴氟丙烯体积比为3.75%时，灭火性能最佳，灭火时间减少43%。

3.2.3 水成膜泡沫灭火剂

水成膜泡沫灭火剂(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)的概念是在20世纪60年代由美国海军研究所Richard L Tuve等人提出，并正式发布于1966年的专利中。AFFF是以氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂为主要成分，辅以抗冻剂、稳定剂等制得。氟碳表面活性剂的加入使得水的表面张力及油水两相的界面张力大大减小，灭火剂能够迅速铺展覆盖在燃烧油品表面，形成一层水膜，与泡沫起到双重灭火的效果。陈现涛等分别研究低压低氧环境、温度、气液比对AFFF的灭火性能影响，研究结果表明，在低氧低压条件下AFFF的发泡倍数略微减小，单个泡沫体积减小，壁厚增加，25%析液时间增加，其稳定性变强，灭火效果更好；温度无法对AFFF的性能产生较大影响，其性能参数总体趋于稳定；AFFF的发泡倍数和析液时间随气液比的加大先上升后趋于稳定，从而提升灭火性能。

AFFF具备优异的灭火性能，被世界上公认为灭油类火灾性能最优的灭火剂，其在西方发达国家油类灭火剂的市场份额曾一度达到70%。但是随着研究的深入，人们发现作为AFFF核心组分的C8类氟碳表面活性剂，在生产和使用过程中会生成全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)。PFOA和PFOS属于不易降解的污染物，会在生物体内长期存在并产生集聚效应，不易降解，当其剂量达到阀值后，会造成各种不良的生物学效应。在2009年斯德尔摩公约第四次缔约方大会上，PFOS被正式列为公约持久性有机污染物，其使用受到严格限制。这对AFFF的发展产生了巨大冲击，目前针对AFFF的研究主要集中于探寻取代PFOS、PFOA的新型表面活性剂。

Hagenaars等通过生物学毒性实验测试PFOS替代品氟碳表面活性剂©1157、©1157N的生物毒性，研究结果表明©1157的生物毒性小于©1157N和PFOS，其作为PFOS的替代物具有一定的发展前景；端木亭亭等通过酰胺化、加成和水解等反应制备得到氨基酸型氟碳表面活性剂，并将其与碳氢表面活性剂复配加以辅助添加剂制得新型水成膜泡沫灭火剂，并对其物理性能和灭火性能等进行表征，实验结果表明，其具备出色的表面张力和界面张力，能够在10s内扑灭火灾，抗烧时间大于10min，弥补了国内市场氟蛋白泡沫灭火剂原料的空白；吴楠等将十二烷基糖苷(APG0810)、十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)表面活性剂分别与蒸馏水配置得到单一表面活性剂泡沫液，并运用实验对其物理性能和灭火性能进行测定，实验结果表明，BS-12和CAB制得的泡沫液具备良好性能，泡沫稳定性高、流动性好、灭火迅速。

此外，肖舒以全氟丁基为基料，通过化学反应制备得到新型阳离子氟表面活性剂和两性表面活性剂，分别对其表面性能进行测定，发现其均具备良好的表面性能，能够作为PFOS的替代物。通过实验分别制得两者单独添加和复配的AFFF，运用实验室方法比较他们的灭火性能差异，并结合成本考虑，确定最佳AFFF为两者复配水成膜泡沫灭火剂。经过国家权威机构的测试，在缓释放条件下，灭火时间≤5min，抗烧时间≥10min；强释放条件下，灭火时间≤3min。

4 干水灭火剂

“干水”的概念最早出现于Brunner等1964年的发明专利中，并于1977年由美国科学家艾伦正式命名。干水是以高速剪切力下形成的小液滴为芯，疏水SiO为壁材，在轴向力的包覆下制备得到的。其外观呈粉末状，粒径在0～500μm之间，近年来广泛应用于化妆品、气体储运、二氧化碳吸收、催化剂、灭火剂等领域。干水灭火剂制备简单且清洁环保，其粒子中水含量最高可达95%，外观类似干粉灭火剂，密度小于水。在灭火时，既能发挥水的冷却窒息作用，又能发挥干粉的化学抑制和覆盖隔氧的作用，这为干水灭火剂扑灭油类火灾提供了可能。

近年来，国内外学者对干水灭火剂灭油类火灾进行实验研究。Ni等通过简单搅拌法制备得到干水材料，并通过汽油火灾表征其灭火性能，实验结果表明，该粉体灭火性能相较传统的ABC粉末、细水雾和纯硅粉更加优越，具备广阔的研究前景；李成孝设计了一款简易灭火装置，利用爆炸驱动灭火剂，实验结果表明，干水和干粉在爆炸压力的作用下均能快速扑灭汽油火灾，干水灭火剂在爆炸压力的影响下结构被破坏，液芯和SiO粉体协同作用于火源，灭火时间相较干粉灭火剂更短。

此外，徐方荣在纯干水的基础上添加磷酸二氢铵和磷酸，用于研究添加剂对干水灭火剂灭油类火灾性能的影响。实验采用20cm×20cm×6cm方形油盘，油品选择为100ml正庚烷。研究结果表明，磷酸二氢铵干水灭油类火灾灭火效能最好，灭实验火平均灭火剂用量为38.62g，平均降温时间为16.42s，优于纯干水和ABC类超细干粉。在灭火过程中，干水灭火剂能在油面形成一层SiO隔层，隔离热辐射，提高降温速率。史燕娟等通过向液芯中添加水玻璃制备得到凝胶干水，通过对其流动性、稳定性、松密度的表征，发现凝胶干水的力学性能较普通干水有较大提高，普通干水在2000r/min的转速下结构就被破坏，而凝胶干水在6000r/min时仍能保持整体稳定，出现少量结块。

尽管干水灭火剂表现出优异的灭火性能，但由于疏水SiO与液芯之间的相互作用力相对较弱，使得干水的力学性能较弱，在运输储存和使用过程中容易出现破损，因此，还需要进一步研究干水灭火剂的结构性能，才能使其更好地运用于各类火灾。

5 油类火灾灭火剂展望

泡沫灭火剂、干粉灭火剂、细水雾灭火剂、干水灭火剂是未来油类火灾灭火剂研究的主要方向。他们各自的组分与灭火机理不同，在灭油类火灾时的表现也各不相同，但他们无不存在缺陷，不能作为灭油类火灾的“完美”灭火剂。

泡沫灭火剂在灭油类火灾时，能迅速铺展在油品表面，隔离氧气的同时，起到冷却降温的作用，适用于各型油类火灾。其中氟蛋白泡沫灭火剂和水成膜泡沫灭火剂灭火效果最佳，是最成熟的油类火灾灭火剂。但泡沫普遍耐热性有限，高温会使泡沫破裂，影响灭火效率。此外，大量使用的泡沫会对周围环境和河流产生污染。对于泡沫灭火剂而言，未来的研究应着重于提高泡沫的稳定性和环保性。探寻在高温条件下，让泡沫尽可能保持结构完整性，减小破损率的方法。此外，还需要研究FPOS和FPOA的降解方法，寻找氟碳表面活性剂的替代物，改进表面活性剂的结构与复配方法，在保证灭火性能的同时减小泡沫的污染性。对于蛋白泡沫而言，可发展工业废水回收产业链，提取水解蛋白，实现废物利用，减小污染。

干粉灭火剂主要依靠化学抑制作用灭火，能够消耗火焰区内的自由基，终止链式反应。但其有效射程较短，对于较大尺寸油类火灾往往力不从心，此外，其冷却效果较差，易导致复燃的发生。因此，多用于小尺寸油类火灾或作为一种辅助措施。未来可将干粉灭火剂视为辅助灭火剂运用于油类火灾，设计干粉灭火剂与其他灭火剂联动控制的装置，以实现协同灭火，解决干粉灭火剂冷却效果差易复燃的问题。

细水雾灭火剂能吸收热量、隔离氧气、隔离热辐射，是一种清洁环保的灭火剂，同时打破了水不能灭油火的传统观念。但射程有限，保护半径较小，难以扑救大尺寸油类火灾；灭火设备结构复杂，技术要求高，造价也高；受环境因素影响大，风力、障碍物等问题都制约着细水雾灭火剂在油类火灾上的应用，目前也仅应用于小尺寸油类火灾。对于细水雾灭火剂而言，未来的重点可集中于动力装置的改进与设备结构的优化。在强喷雾动力的作用下，细水雾的保护半径和抵抗外界因素干扰的能力都将有所提升；设备结构优化可以减小水雾的水流损失，降低成本。此外，还应加强细水雾的推广与宣传，改善人们水不能灭油火的刻板印象。

干水作为一种新型灭火剂，核壳结构使得其在灭火时能发挥水和干粉的双重作用，国内外对于干水灭火剂灭油类火灾的实验结果表明，其在油类火灾应用上具有一定前景。但目前，其在运输储存和使用方面还存在一定问题，干水结构的完整性易在喷射施压过程中破坏。未来还需要在生产工艺、灭火剂的改性等方面对其做出更深入的研究，加强其力学性能与保水性。此外，还应加强干水灭火剂的基础研究，如原料选取、规范制定、技术测试等，为干水的工业化生产打下基础。

6 结论

随着科技和人类社会的进步，油类火灾日益严峻的同时，人们对于消防措施和环保领域也都提出了更高要求。如何高效合理地扑灭油类火灾，成为国内外学者关注的焦点。泡沫灭火剂、干粉灭火剂、细水雾灭火剂作为较为常用或具有一定前景的油类火灾灭火剂，具备优秀灭火性能的同时，仍存在着污染重、保护半径小、造价高等问题。干水灭火剂是一种新型灭火剂，因为其具有的核壳结构，同时综合了干粉灭火剂、细水雾灭火剂和水等常用灭火剂的诸多优势，是一类比较有发展前景的灭火剂类型。

针对当前灭火剂应用中存在的问题，今后应重点关注灭火效能提高、环境友好性、成本低廉等方面的研究。通过对现有灭火剂的不断研究，获得更多更好的油类火灾灭火剂，更好地解决油类火灾扑救的关键问题。