含钾盐添加剂细水雾灭火原理及实例

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1 700 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。

图1.1　水的相变能量

由图1.1 可知，使1 L 水的温度由0 ℃上升到100 ℃所需的能量是418 kJ，而之后需要吸收2 257 kJ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0.1～10 000 μm，这个区间的平均值（Average）范围是100～1 000 μm，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）（10～100 μm）、灰尘级别（Dust）（1～10 μm）和胶体级别（Colloid）（0.1～1 μm）；大于平均值的部分为粗液滴级别（Coarse）（1 000～10 000 μm）。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。

图1.2　液滴尺寸图谱

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1 m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1 000 μm，即滴粒径Dv99<1 000 μm 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>5 000 μm。Back 在研究中表明，细水雾能够灭火是依靠较小粒径的液滴（<500 μm），而粒径更小的液滴（约100 μm）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80～200 μm，且Dv99≤500 μm 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”。(www.xing528.com)

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。

图1.3　细水雾粒径分级

第Ⅰ级细水雾，Dv90≤200 μm，即90%的水微粒直径小于200 μm，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，200 μm≤Dv90≤400 μm，即90%的水微粒直径大于200 μm而小于400 μm，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，400 μm≤Dv90≤1 000 μm，即90%的水微粒直径大于400 μm 而小于1 000 μm，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100 μm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。