气溶胶灭火技术在舰船上的应用概述
【摘要】介绍了气溶胶灭火剂的灭火机理、国内外的发展历程，指出气溶胶灭火技术的发展方向。鉴于其灭火效率高、对船舶环境有好及存储维修简单等优点，气溶胶灭火剂在舰船消防上有着广阔的发展前景。
【关键词】气溶胶灭火剂;灭火机理;舰船消防
1.引言
哈龙灭火剂以其高效、洁净、无毒无害的性能在舰船灭火、防爆和抑爆范围内得到广泛的应用[1]，但由于卤代烷烃对臭氧层的破坏作用，已逐渐被淘汰[2]。气溶胶灭火剂作为哈龙灭火剂的替代产品，因其灭火效率高、对臭氧层无破坏及生产成本低等优点，已经成为国内外研究的热点[3]。气溶胶灭火剂利用喷射出烟雾灭火，适合在舰船的货舱、引擎仓、控制间、发电机房、电池柜、燃料泵房、船底、厨房、抽水机房等设备间作为紧急灭火系统[4]。
2.气溶胶灭火机理
气溶胶灭火剂就其本质而言属于烟火药的一种，主要有氧化剂、可燃剂、粘结剂组成，通过烟火药燃烧产生灭火介质。气溶胶灭火剂按质量百分比，60%为气体，其成分主要是N2 、少量的CO2 以及微量的CO、NOx、O2和碳氢化合物;占40%的固体颗粒主要是金属氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐以及少量的金属碳化物，通过以上物质相互之间的协同作用达到灭火效果。灭火机理有物理抑制和化学抑制两个方面，且以化学抑制为主[5]，具有灭火效率高、对舰船环境有好及人体危害小等优点。
2.1 物理抑制作用
进入到火焰中的气溶胶微粒吸收热量，自身温度升高（热熔作用），当温度上升到一定值时，微粒发生了熔化、汽化和分解，进一步的吸取热量，从而使火焰区的温度下降。产生的惰性气体有隔离、窒息和冷却的作用，抑制燃烧反应的进行。
2.2 化学抑制作用
气溶胶形成的各种物质从化学上干预火焰链反应，有效地中止有焰燃烧。当气溶胶作用与火焰的燃烧区域时，发生了均相和非均相的反应从而使火焰熄灭。均相过程发生在气相，固体微粒分解后的粒子有效的捕捉了燃烧链反应的自由基[6]。非均相化学抑制作用发生在固体粒子表面，即火焰中的自由基被固体粒子表面吸附而消失，从而减弱了链反应[7，8]。气溶胶固体微粒直径在1µm左右，这个粒径远小于灭火粉末极限粒径，微粒悬浮能力强，易于扩散到火焰区和燃烧深部，且有较长的保留时间（见图1）。
正是基于这种，对火焰传递自由基的捕捉作用，气溶胶灭火剂具有非常高效的灭火性能。其灭火效率是哈龙灭火剂的3～4倍、七氟丙烷的6倍、二氧化碳的10倍[4]。
典型气溶胶灭火产品的灭火过程演示图见图2。
3.气溶胶灭火技术的发展
3.1 国外发展情况
早在20世纪60年代，前苏联就率先研制出了气溶胶灭火剂，之后其他国家也相继研制了各自的配方。但由于当时哈龙灭火剂以其洁净、高效的灭火性能备受人们关注，使气溶胶灭火剂未能得到有效的推广。进入二十世纪80年代后，人们认识到哈龙灭火剂对臭氧层的破坏作用，研制其替代产品是各国消防人员的当务之急。为了研制能更好替代哈龙灭火剂的物质，各国都在各个方面需求不同的突破和尝试。其中代表性的是20世纪80年代末，美国安素公司推出商品名为Inergen的IG-541混合气体灭火系统。20世纪90年代，美国大湖公司推出商品名为FM200的七氟丙烷灭火系统。自此，三大气体灭火系统均得到广泛应用。三大气体灭火系统中，气溶胶灭火系统因设计用量小、运行维护成本低、无管网设计、无压存储等特点而具有较好的经济效益，在哈龙替代品中具有良好的发展前景[9]。
基于此，各国研究并开发出的多种类型气溶胶灭火产品，使气溶胶的应用技术得到了快速发展和推广。这项技术在俄罗斯已形成系列产品，美国、英国、德国、日本、加拿大等国家也相继开发出各自的气溶胶灭火产品并推广应用。
随后，气溶胶得到国际的关注，气溶胶灭火技术得以广泛应用。俄罗斯在T70坦克、苏27飞机、现代驱逐舰上使用了气溶胶;美国Olin Aerospace（奥林航天公司）、美国Spectrex（斯派克斯）公司、澳大利亚的Pyrogen（普罗根）等在航天、航空、船舶交通工具、军事装备、计算机房、电子设备等场所应用气溶胶技术。澳大利亚已将气溶胶灭火产品在计算机、通讯机房的使用列入国家标准。英、澳、德等国家从2001年至今，已先后在约7080艘船舶上安装了气溶胶灭火系统。美国环保（EPA）重大哈龙替代物管理署（SNAP）目前已正式批准了几种气溶胶灭火产品为重要哈龙替代物[10]。典型的国外气溶胶灭火产品见图3。
图3 Pyrogen公司的系列化气溶胶灭火产品
图4 国内典型气溶胶灭火产品
3.2 国内发展情况
国内，陕西坚瑞消防股份有限公司、北京华麟三龄消防科技有限责任公司、广东荣丰化工科技有限公司、江西清华实业有限公司、江西剑安消防设备有限责任公司、深圳鸿嘉利科技有限公司、深圳市鸿海盛特种消防科技有限公司等都是专门从事气溶胶灭火剂在的开发和应用。鉴于气溶胶灭火剂自身的特点和优势，其已经在建筑消防的民用领域取得了较好的市场。国内典型的建筑用气溶胶灭火产品见图4。
国内气溶胶灭火产品发展主要有K型和S型两种。K型气溶胶灭火技术，主要以硝酸钾作为灭火剂中氧化剂主要成分，具有灭火效能高、灭火迅速等优点，缺点为腐蚀性略高，不太适用于精密仪器场所保护。S型气溶胶灭火技术，主要以硝酸锶、硝酸钾为灭火剂中氧化剂主要成分，具有洁净无害，腐蚀性低等优点，但其灭火效能远比K型要差。国内气溶胶灭火技术在国内主要是经历经过上世纪十几年的技术沉淀后，终于在本世纪初迎来了蓬勃发展的高峰期。以西安坚瑞、江西清华、深圳鸿嘉利为代表的气溶胶灭火产品生产企业，在近十年都取得了较快的发展。其中，西安坚瑞公司更是凭借自身气溶胶灭火产品优势，2010年8月成功在创业板上市，募集资金约4亿元人民币，为国内气溶胶灭火技术的发展注入强大动力。
目前，国内气溶胶发展的思路主要是在建筑领域，采用全淹没的方式进行灭火，因此客户普遍比较关注气溶胶灭火后，灭火剂的残留物对于未着火的精密设备的损坏情况。因此，在这样的背景下，S型气溶胶灭火剂在国内得到了较大的推广和应用，为其付出的代价就是灭火剂灭火性能下降，使用量增加。从气溶胶灭火剂的灭火机理上说，S型灭火剂中的主要灭火物质也是硝酸钾。对于保护同样的灭火空间1m3来说，S型需要100g，K型只需要30g。一般S型灭火剂中硝酸钾含量为18%左右，即为18g/m3;K型灭火剂中硝酸钾含量为70%左右，即为21g/m3。因此，在这个方面上说，K型和S型气溶胶灭火剂的腐蚀性应该是相当的。当然，即便是气溶胶灭火剂灭火后的产物有一定的腐蚀性，其腐蚀性也十分轻微，很多情况下，并不影响设备的二次使用，比目前其他灭火剂在总体上仍要洁净的多。与国内的发展思路不同，国外在气溶胶灭火剂的发展上走的是“点对点”的灭火方式，针对可能发生火灾的场所进行局部重点预防和保护。因此，国外产品更注重灭火剂的灭火性能，主要发展的是我国分类中的K型气溶胶灭火产品（其实国外气溶胶灭火剂只有一种，并无K型、S型之分）。国内这几年，灭火的保护方式也在逐步由大空间、全淹没方式往区部重点区域保护上转变，从探火管灭火装置的冉冉兴起就可以看出这样的趋势。可以预测，在这样的大背景下，气溶胶灭火技术将更加能发挥其优势，扩大其应用范围。随着更多气溶胶灭火产品的出现，借鉴国外气溶胶发展的成功经验，气溶胶灭火技术也必将会从目前国内的建筑消防领域向通讯、能源、交通、海洋、军工等更多的领域中推广应用。
4.气溶胶灭火技术与船舶消防
船舶火灾是直接关系到船舶财产安全、人命安全及水上污染的一个重大问题。长期以来船舶固定消防主要是哈龙灭火系统和二氧化碳灭火系统[10]。哈龙灭火剂由于其对臭氧层严重的破坏作用，已被世界公约禁止使用。二氧化碳属于惰性气体，一般采用全淹没方式进行灭火。主要是依靠物理作用消灭火源，灭火效率低，且需要强大的压力灌储存，使用和维修的成本都较高。气溶胶灭火剂是以化学作用为主，灭火效率高;靠自身燃烧产生驱动力，使得灭火介质有效的扩散及附着在火焰的表面，存储和维修简单，是一种很理想的船舶用灭火系统。我国中国船舶工业综合技术经济研究院、中国船级社、中国水上消防协会、江西三星气龙新材料股份有限公司等有关单位联合制定了国标GB/T 20829-2007《船用固定式气溶胶灭火系统性能和试验方法》[10]。于此同时，气溶胶灭火技术本身的规范也在随着行业的发展不断更新，从GA499.1-2004，GA500-2004到现在最新的GA499.1-2010，充分反映了气溶胶灭火技术在我国的快速发展。
船舶火灾着火主要是指油品、舰船舱室内的装饰物和可燃物、舰船上的货物。其着火的位置以船舶系统的动力舱为高发区，据不完全统计，近些年我国年均船舶火灾近30起，其中动力舱火灾占总数的75%[11]，而气溶胶灭火技术因其自身特点非常适合这种动力舱室的灭火环境。典型动力舱室安装的气溶胶灭火产品情况见图5。
图5 典型气溶胶灭火装置
芬兰海军在其众多船体舱室装备了气溶胶灭火产品，见图6。
图6 芬兰海军“KAMPELA”号安装的气溶胶灭火装备
气溶胶作为一种清洁、高效的灭火系统，凭借自身高效灭火、无管网、无压存储等特点，必将会在船舶领域得到消费者的欢迎。气溶胶灭火产品，属于自供能的无压存储灭火产品，具有很强的使用环境适应性。与传统的气体灭火器必须使用钢瓶高压存储不同，气溶胶灭火产品可以很大在很大范围内自由设计产品外形，适应多种作用环境需求。随着气溶胶灭火技术进步、新灭火思路的发展，国内消费者对于气溶胶灭火产品不断了解和接受，气溶胶灭火技术必将会在国内船舶系统同造福人民。
5.气溶胶灭火技术的发展方向
5.1 降低气溶胶的反应温度
随着哈龙灭火剂的逐步淘汰，气溶胶灭火剂以其优异的灭火率、广泛的适用性及较低的成本不断得到重视。但目前使用的气溶胶灭火剂多数为热气溶胶灭火剂，热气溶胶灭火剂释放的热反应问题会限制气溶胶的广泛应用。因此寻求新的降低气溶胶反应温度的方法是气溶胶灭火剂的一个研究方向。
5.2 扩大气溶胶的使用范围
由于气溶胶灭火剂不具备冷却作用，不适用于扑灭A类深位火灾。尽管有文献报道在俄罗斯开发的TTK气溶胶配方中，最新型的TTK8药柱能够扑救深度木材火灾。美国陆海Spectronix有限公司开发的SFE/EMAA灭火剂D配方，能够扑救A类深位火灾。虽然在扩大气溶胶灭火剂的使用范围方面取得了一定的成果，但在这一方面仍需要进一步的研究。
5.3 开发冷气溶胶灭火技术
针对热气溶胶灭火剂的缺点而研制的冷气溶胶灭火剂是气溶胶灭火技术研究领域的新一代产品。它有效地克服了热气溶胶灭火剂的缺点，且比热气溶胶灭火剂有更高的灭火效率，因此冷气溶胶也是气溶胶灭火剂的一个研究发展方向。英国KIDDE公司，将气溶胶微粒的制备和形成分成两部进行。即先将气溶胶灭火剂溶于水溶液，通过雾化干燥使其产生1～3微米的超细颗粒，然后封存释放。这种灭火技术俗称“非高温冷气溶胶技术”，也叫做“冷气溶胶技术”。
无论从灭火效能，安装成本，还是使用维护的角度来看，气溶胶灭火均存在优势。从航空到远洋船舶，从军事到民用，气溶胶灭火装置在更为广泛的领域里得到了运用。它所能提供的高效灭火，安全可靠和纯净环保性能以及对未来技术开发的前瞻性，预计会让越来越多的业内人士选择气溶胶灭火产品。
6.结束语
介绍了热气溶胶灭火剂的灭火机理，以化学抑制为主，物理抑制为辅。阐述了气溶胶灭火技术目前的主要问题和后续发展方向。气溶胶灭火技术具有灭火效率高、灭火后洁净无残留、无压存储、维修简单方便等诸多有点。以俄罗斯为代表的国外气溶胶灭火技术，在经过几十年的技术发展后，已经各个领域有了很广泛的运用，特别是在飞机、坦克、舰船等军用装备。国内气溶胶灭火技术，目前主要在民用建筑消防领域方兴未艾，凭借其自身的优势和特点，不断有技术突破和新产品的出现，正逐步向更广泛的领域发展。鉴于其灭火效率高、对船舶环境有好及存储维修简单等优点，气溶胶灭火剂在舰船消防上有着广阔的发展前景。
参考文献
[1]彭玉辉，曾勇，郑兴海.舰船哈龙灭火剂的替代品和气体灭火剂的选型分析[J].中国船舶研究，2007，2（5）：72-75.
[2]刘江虹，金翔，黄鑫.哈龙替代技术的现状分析与展望[J].火灾科学，2005，14（3）：160-166.
[3]邢军，杜志明，阿苏娜.气溶胶灭火剂的研究进展[J].材料导报，2008，22（9）：69-71.
[4]郭鸿宝，岳大可.气溶胶灭火技术[M].化学工业出版社，2005.
[5]杨杰.气溶胶灭火剂的灭火机理及影响因素[J].江南大学学报（自然科学版），2003，2（3），303-308.