第1章 绪论

1.1 细水雾灭火技术简介和研究现状

在各种灾害中，火灾是最经常和最普遍的威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾不但会对人们的生命、财产造成重大威胁，同样会对自然环境造成严重的破坏。因此，如何灭火成为伴随人类用火历史不断发展的一个重要课题。

传统的灭火方法中具有代表性的物理类灭火剂有惰性气体及水喷淋等，化学类的如含添加剂细水雾、F-500及哈龙灭火剂等，其中以哈龙系列的灭火剂应用最为广泛。这些灭火剂虽然都可以扑灭火灾，但同时也存在着灭火剂用量大、水泽危害和破坏环境等一系列问题。

哈龙灭火剂是一种卤代烷灭火剂，自1947年美国Purdne基金会对哈龙灭火剂进行研究后，确认哈龙1301和1211灭火剂具有灭火效率高、储存性好、毒性低、不污染受灾物品等优点，是一种较为理想的灭火剂，使得哈龙灭火剂迅速在各种场合得到广泛应用。20世纪80年代开始，哈龙灭火剂在我国广泛应用于仓库、实验室及交通运输等行业。

然而，1974年美国加利福尼亚大学的Rowland教授和Molina博士提出卤代烷化合物是造成臭氧空洞的重要原因后，全球发起了取消消耗臭氧层物质（ODS）的倡议，我国于1989年加入了《关于保护臭氧层的维也纳公约》，1991年加入了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。根据逐步淘汰臭氧层消耗物的计划，我国消防行业于2010年开始全面停止使用哈龙灭火剂。另外，国际海事组织（IMO）于1997年发布一项规定，要求海上行驶的商用船只全部需要对现有的船用水喷淋灭火系统进行改造。这两项规定的出台无疑成了寻找一种清洁型灭火剂，从而全面取代哈龙灭火剂的推手。

清洁型灭火剂主要有以下几个特点：

（1）不会破坏臭氧层，ODP≤0.05，不产生温室气体，GWP≤0.1；

（2）对人体无毒害副作用，可用于有人的场所；

（3）灭火效率高，灭火浓度低；

（4）喷射后不会产生大量残留物，不产生二次污染和破坏；

（5）储存稳定性良好，适于长期储存；

（6）成本低，适合广泛使用。

为满足上述需求，当前各国研究人员已经研究开发了细水雾、惰性气体、干粉、洁净气体和气溶胶等灭火技术，各自的特点见表1.1。

1.1.1 细水雾灭火技术简介

细水雾灭火系统因具有无环境污染（ODP=0, GWP=0）、耗水量低、灭火迅速、适用多种类型火灾、对受灾物品破坏小等特点，被视为哈龙灭火剂的主要替代品。在高技术领域与重大工业危险源的特殊火灾领域，例如计算机机房、电气化控制室、航空与航天机舱、船舶舱室内火灾及大规模工业厂房火灾等，细水雾灭火系统获得了广泛的应用，并展现出了良好的发展潜力。

细水雾的灭火机理主要包括以下几个方面：

（1）冷却燃料表面：细水雾通过降低燃料表面的热解速率，降低向火焰反应区的燃料供给来降低火焰热释放速率和火焰对燃料表面的热反馈。

（2）气相冷却火焰：细水雾液滴的热容和蒸发潜热作用可以吸收一部分燃烧产生的热量，使得火焰区内部的能量不足以维持燃烧过程的化学反应而使火焰熄灭。

（3）稀释氧浓度：细水雾液滴在冷化过程中除吸收大量的热之外，体积会迅速膨胀1700多倍，临近火焰反应区会聚集大量水蒸气，稀释燃烧区的氧气浓度，降低燃料的燃烧速率。

其他的机理还包括衰减热辐射，通过降低可燃物对燃料表面的辐射热反馈，降低燃料燃烧速率来达到抑制燃烧的作用。另外，高压细水雾对火焰产生强烈的拉伸作用，使火焰结构变得不稳定而易于熄灭。

细水雾具有较好灭火效果的潜能主要是由于其具有较高的蒸发潜热值，如图1.1所示。

由图1.1可知，使1L水的温度由0℃上升到100℃所需的能量是418kJ，而之后需要吸收2257kJ的能量才能使水由液态变为气态，在此相变过程中，温度维持100℃不变。然而，蒸发只发生在液体表面，因此，从理论上来说，提高水的灭火效率最简单的方法是增加每单位体积水的表面积。而细水雾相对于传统水喷淋和室内消火栓的优势是增加了水的蒸发面，加快了水转化成水蒸气的速率。

图1.2为液滴尺寸的图谱。该图谱将液滴粒径限定在0.1～10000μm，这个区间的平均值（Average）范围是100～1000μm，为最适宜灭火的液滴粒径区间。小于平均值的部分按液滴粒径由粗到细分别为细液滴级别（Fine）（10～100μm）、灰尘级别（Dust）（1～10μm）和胶体级别（Colloid）（0.1～1μm）；大于平均值的部分为粗液滴级别（Coarse）（1000～10000μm）。图1.2中虽然将不同尺寸的液滴粒径进行划分，但细水雾（mist）和水喷淋（spray）的临界点还不是十分明显。

NFPA 750标准对细水雾的定义为：在最小设计工作压力下、距喷嘴1m处的平面上，测得水雾最粗部分的液滴有99%的体积直径不大于1000μm，即滴粒径Dv99<1000μm的水雾均为细水雾范畴。而传统水喷淋灭火系统产生的水雾粒径一般Dv99>5000μm。Back在研究中表明，细水雾能够灭火是依靠较小粒径的液滴（<500μm），而粒径更小的液滴（约100μm）由于具有较小的终端速度，可以向气体灭火剂一样悬浮在空气中，通过全淹没的方式来消除火灾。同时也可以看出，NFPA750对细水雾的定义的范围过于宽泛，由此带来的弊端就是，一些传统的水喷淋灭火系统厂商稍加修改水喷淋的粒径标准，就可以使其达到细水雾的级别并从中获利。因此，有研究人员对NFPA750的细水雾定义进行了细化：平均粒径在80～200μm，且Dv99≤500μm的液滴称为细水雾，大大缩小了细水雾的粒径范围，有效防止了一些水喷淋厂商的“偷梁换柱”。

Mawhinney和Solomon提出了一种基于体积累积分数的细水雾粒径分级方法，如图1.3所示。

第Ⅰ级细水雾，Dv90≤200μm，即90%的水微粒直径小于200μm，是最细的细水雾，一般来说，需要很高的压强才能产生且流量较小。

第Ⅱ级细水雾，200μm≤Dv90≤400μm，即90%的水微粒直径大于200μm而小于400μm，相对于第Ⅰ级细水雾来说，第Ⅱ级细水雾所需压强较低且流量较大。

第Ⅲ级细水雾，400μm≤ Dv90≤1000μm，即90%的水微粒直径大于400μm而小于1000μm，这种细水雾所需压强最小，且流量最大，可由中压冲击式喷嘴产生。

按这种分级方法，较“细”的细水雾液滴全部都可以在火灾环境中快速蒸发，发挥气相冷却火焰、稀释氧浓度等主要的灭火机理。在实践中，Ⅰ级和Ⅱ级细水雾适用于扑灭池火或喷射火，对避免燃料的飞溅也有一定的效果。而Ⅲ级细水雾对A类火效果明显，如对于可以接受水泽污染的场所，也可以选择Ⅲ级细水雾扑灭该类场所发生的火灾。

综上所述，细水雾在灭火过程中会降低火焰的化学反应速率和传播速率，有利于控制火灾的发展，直至灭火。但是，细水雾灭火仍属于物理灭火，灭火效能低于哈龙灭火剂和其他化学灭火剂，在一些特殊的火灾场景下，其应用也存在一定的局限性：

（1）当火灾位于障碍物以下或被物体遮挡时，雾滴难以像气相灭火剂那样具有较好的分散性而直接进入火焰区发挥吸热作用，只能间接通过稀释深位火附近的氧浓度来达到灭火的目的。并且稀释氧浓度的作用易受到气流扰动、火灾所处环境等诸多因素的影响，因此，稀释氧浓度的作用通常只能是抑制火焰，难以有效地将火灾扑灭。

（2）在通风良好的火灾环境下，雾滴易受到气流扰动的影响，直径小于100μm的液滴很容易在气流的带动下带偏离火焰区。另外，在此环境下，氧气能够得到及时补充，细水雾稀释氧浓度的作用微乎其微。因此，在通风良好的环境下，细水雾的灭火效能大幅下降。

（3）纯水的渗透性能与润湿性能较为一般，在普通流量下，其难以扑灭固体可燃物深位火灾的不足会直接导致可燃物的复燃。

（4）纯水细水雾在低于0℃的情况下会结冰，限制了细水雾在低温环境下的应用。

因此，如何提高细水雾的灭火效率，弥补上述不足逐渐成为各国研究的焦点。其中选择性地向水中添加某些有机化合物或无机化合物以改进水的应用性能，成为国际火灾科学的前沿研究热点之一。另外，细水雾灭火机理复杂，其灭火性能受到包括细水雾的粒径大小、雾锥角、雾动量、雾通量、入射方向、火源位置、规模和遮挡程度、空间通风情况等较多因素控制。因此，对于消防工程应用上的细水雾灭火系统，仅从总结灭火实验并在分析数据的基础上理解其灭火原理和过程。虽然有研究人员采用火灾动力学和火灾物理化学的方法分析细水雾的灭火机理和过程，但并未形成以工程的基本原理为基础的一般设计方法，应用性的灭火实验成了使系统达到防火目标的唯一手段。96版的NFPA750是世界上第一个细水雾灭火系统的性能化设计安装规范，其内容规定“应执行实验方案，以验证系统和组件的工作范围、安装参数”。NFPA750的出现进一步推动了细水雾灭火的深入研究，也标志着细水雾的应用进入了一个崭新的阶段。我国于2002年首先在浙江推出了浙江省工程建设标准《细水雾灭火系统设计、施工及验收规范》（DB33/1010—2002）,2003—2006年，北京（DBJ 01/74—2003）、安徽（DB012/T1234—2004）、湖北（DB/J42-282—2004）、江苏（DGJ32/J09—2005）、广东（DBJ/T15-41—2005）、河南（DBJ41/T074—2006）、四川（DB51/T592—2006）、山西（DB/J04-247—2006）等地先后出台了工程建设标准《细水雾灭火系统设计、施工及验收规范》，并且在辽宁省于2003年出台《中、低压单流体细水雾灭火系统设计、施工及验收规程》（DB21/1235—2003）后，由河南海力特机电制造有限公司主编的《高压细水雾消火栓系统设计、施工及验收规范》也于2016年8月19日顺利通过评审，标志着我国在细水雾灭火系统的应用上进入了高速发展的阶段。而这些标准中无一例外地规定了细水雾的设计参数应根据“模拟应用现场单元保护对象的系统灭火性能实验”。然而，如果对于每个建筑的每种细水雾灭火系统的设计方案都进行实验室的全尺寸实验，将耗费过多的人力、物力和财力，也不利于细水雾灭火技术的推广和应用。因此，通过设计实验室小规模灭火实验，使其相比实际的火灾场景具有过余的安全余量，使实验结果适用于一般细水雾灭火系统的安装场合，并发展合理可靠的数值模拟方法，以减少对实验的依赖是推广细水雾灭火技术应用的另一个关键问题。

另外，我国于2013年颁布了《细水雾灭火系统技术规范》（GB 50898—2013）作为细水雾灭火系统设计的一般性原则和统一标准，标志着细水雾灭火技术已经有成熟的实施标准。然而，含添加剂细水雾由于其对存储设备的腐蚀性、溶质的溶解性及保质期等问题，并没有进入大规模的实际应用阶段，虽然添加剂能够明显地提高细水雾灭火性能，但是由于添加剂的灭火机理和一些应用方面的问题还没有得到解决，并且细水雾及含添加剂细水雾的最小灭火浓度对消防设计和科学研究都是非常重要的参数，但实际规范中均未涉及，使得在实际应用中对细水雾或含添加剂细水雾灭火系统的评价还没有统一的标准，这些都限制了含添加剂细水雾系统的推广应用。

1.1.2 细水雾灭火技术研究现状

细水雾的研究始于20世纪50年代中期，Braidech（1955）描述了细水雾抑制熄灭固体和液体火灾的基本原则。随后，Rashbash（1957,1960）提出了熄灭液体燃料火灾的两个基本机理，即火焰气相冷却和燃料表面冷却。在细水雾的作用下，火焰气相冷却的速度非常快，而冷却燃料表面则需要细水雾能够穿透火焰到达燃料表面。Mcgee（1975）和Tamanini（1976）对细水雾抑制熄灭固体燃料火灾进行了研究，这些研究主要集中在细水雾与固体燃料表面火的相互作用，并提出了若要熄灭固体燃料深位火，需要提高细水雾的灭火效率。而此时，作为细水雾灭火的主要机理，却鲜有理论研究和实验数据深入研究细水雾的气相冷却作用。最早进行细水雾与火焰相互作用机理研究的是Seshadri（1978），实验燃料为庚烷和甲醇，氧化剂为氮气、氧气和细水雾的混合物。通过对撞火焰燃烧器进行实验，依据火焰熄灭时临界氧浓度和火焰拉伸率的函数关系，推导出该燃烧系统的一阶动力学参数，提出了细水雾灭火的热机理。然而，随着哈龙系列灭火剂的广泛应用，关于细水雾的研究在20世纪80年代几乎停滞，取而代之的是哈龙系列灭火剂的“蓬勃发展”，直到1987年蒙特利尔条约签订后，细水雾作为最有力的哈龙替代品又重新回到人们的视野当中。McCaffrey（1989）对细水雾作为抑制熄灭射流扩散火焰的灭火实验数据和文献进行了回顾和整理，设计了由H2作为火源和动力源的小型气动雾化喷嘴细水雾灭火实验，在20世纪90年代已广泛应用于高动量射流扩散火焰条件下细水雾对火焰的影响。通过在火焰底部通入的空气中加入细水雾，使火焰“抬离”正常燃烧的位置，以此来降低火焰峰值温度和辐射水平来抑制甚至熄灭火焰。在火焰临近“吹熄”时，可以明显观察到火焰位置的改变。其研究成果可以作为一般结论推广到很多的细水雾与碳氢燃料相互作用的研究中。Mawhinney（1994）通过对垂直向下喷射的细水雾与柴油火相互作用过程中热释放速率的测定，发现在柴油火初期加入细水雾时，火焰的热释放速率有较大幅度的提升，认为此时在细水雾的作用下，火焰卷吸了更多的空气，造成燃烧强化。随后，改变细水雾的喷射方式，即由火焰下方喷射时，火焰变大且不稳定，认为此时细水雾的作用是扰动周围气流，使柴油挥发的速率变快而强化燃烧。Mawhinney的研究表明，在火灾初期，细水雾的存在会起到火焰强化的作用，并且细水雾的不同入射方式对其灭火效能具有较大的影响。随后，Atreya（1994）、Kim（1997）、Chang（2007）和Richard（2013）等人的研究中，均观察到了这种火焰强化现象：Atreya认为强化现象的产生是由于煤油燃烧过程中产生的炭黑颗粒与水蒸气发生的化学反应。而Kim的研究表明，并非任何时候都能发生火焰强化，而是存在一条临界曲线，将整个空间划分为灭火区域和强化区域。Chang从实验中得出的结论是，若细水雾仅从一个角度射入火焰时，火焰只发生偏转，并不发生强化。Richard认为发生火焰强化的原因为燃料油品的飞溅、蒸汽爆炸和沸腾。Shilling（1996）首次通过杯式燃烧器（Cup-burner）方法，测试了粒径为8.2μm的细水雾抑制熄灭庚烷火的最小灭火浓度为174g·m-3，灭火效率低于模拟结论的149g·m-3的原因是，在数值模拟时，将细水雾液滴的输运方式等同于空气，但实验中却是完全不同的情况。Shilling的研究拉开了应用小型气相灭火装置进行细水雾灭火最小浓度测试的“性能化设计大幕”。丛北华（2006）、Fisher（2007）、Sakurai（2013）等人分别用改进的杯式燃烧器对细水雾的最小灭火浓度进行测试，但侧重点有所不同：丛北华通过实验和数值模拟的方法在得到细水雾抑制熄灭甲烷扩散火焰最小灭火浓度的同时，说明了细水雾粒径和火焰结构对细水雾的灭火效能有较大影响。Fisher的研究侧重于粒径为10μm细水雾液滴与火焰的相互作用，通过影像学的手段发现在火焰根部周围存在一个空白区域，许多细水雾液滴并没有被火焰卷吸进去，而实际上与火焰“擦身而过”。Sakurai的研究侧重于杯式燃烧器本身的设计参数，如燃烧杯厚度对细水雾最小灭火浓度的影响。Ndubizu（1998）用改进的Wolfhard-Parker气体燃烧器对细水雾的潜热吸热、热容吸热和氧气稀释灭火作用的相对贡献进行了定量研究。火焰抑制剂分别选取细水雾、氮气和水蒸气，实验结果表明，这三种机理对于熄灭火焰均有重要贡献，细水雾的气相冷却作用主要依靠潜热吸热和热容吸热，当雾滴Sauter平均直径在60μm范围左右时，气相冷却效应的作用大于氧气稀释效应。值得一提的是，我国于1998年由公安部天津消防研究所开始细水雾灭火的研究课题，并将其列为国家“九五”科技攻关项目，先后召开了两次大型专家评定会，得到关于A类和B类火灾工程应用技术参数和结论。Zegers（2000）和Fuss（2002）分别通过预混火焰燃烧器和对撞火焰燃烧器系统研究了细水雾粒径对实验室规模火焰灭火效能的影响，得出了细水雾在某些特定条件下的灭火效能高于哈龙1301的结论。Grant（2000）、Mawhinney（2004）和Novozhilov（2007）总结了影响细水雾灭火的主要因素，包括细水雾粒径分布、雾滴速率、喷头产生的细水雾形状、雾锥角、喷头距离火源的位置、细水雾保护空间的通风情况及细水雾与浮力扩散火羽流相互作用的动力学等，为细水雾的应用奠定了很好的理论基础。

近10年间，围绕着上述细水雾与火焰相互作用的“里程碑”式的研究成果，各国的研究人员将细水雾研究的重点转向了应用方面。刘江虹（2003）在总结前人实验结果的基础上，通过假设一系列的条件，得到了细水雾灭火时间模型，并通过实验验证了模型的正确性，作为细水雾灭火系统设计和安装潜在的指导依据。Liu（2004—2006）从理论和实验的角度详细论述细水雾特性对灭食用油火有效性的影响，得出熄灭较大规模食用油火的临界水雾密度。黄鑫（2006）同样研究细水雾的灭火机理和影响因素，但实验的环境为高纬度地区，并对其特殊性进行初步的分析。Liu（2007）将液体燃料燃烧过程中表面温度进行区分，说明细水雾对于抑制燃烧过程中燃料表面温度较高的液体燃料尤其有效。针对细水雾难以熄灭障碍物下火灾的不足，余明高（2008）采用全尺寸实验和模拟的方法，研究了障碍物的位置、形状和遮挡面积对细水雾灭火效能的影响。Santangelo（2010）的研究发现，双流体雾化器可以产生更细的细水雾，并且可以通过改变动力源气体的压力来改变喷雾特性，对研究细水雾发生装置的特征参数对灭火效率的影响具有重要的意义。此后，Gupta（2013）利用双流体雾化器在1m3封闭空间内对平均粒径为17～27μm的低压全淹没式细水雾的灭火效能进行评价，得到该条件下细水雾抑制熄灭油池火的雾滴特性参数，推进了中、低压细水雾的应用进程。

不难看出，随着细水雾应用范围的不断扩大，细水雾灭火技术已经全面替代哈龙系列灭火剂并占领了市场，保护场合涵盖了传统的计算机房（房玉东，2003）、军舰（韦艳文，2006）、飞机（Abbud-Madrid,2006），并发展到火灾危险性较大的隧道（Mawhinney,2012; Biccr,2014）、高危仓库（Santangelo,2012）和空间站（Carriere,2013）。