李曉暉 馮向勇 張艷芹 孫孟輝 高佩川

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 211167）

當(dāng)前全球氣候變化已經(jīng)引起了全人類(lèi)的關(guān)注，碳排放引起的溫室效將是人類(lèi)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)共同面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。為了倡導(dǎo)人類(lèi)命運(yùn)共同體意識(shí)，必須加快形成以綠色低碳為主導(dǎo)風(fēng)向的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和生產(chǎn)生活方式，最終實(shí)現(xiàn)人類(lèi)和大自然的和諧共存。早在2014年11月，習(xí)近平主席在《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中提到“我國(guó)計(jì)劃2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰”。2015年6月，我國(guó)政府明確提出了二氧化碳排放將在2030年左右達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰[1]，并向聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約秘書(shū)處提交了《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》。隨著“2020年碳排放強(qiáng)度較2005年下降40 %～45 %”，我國(guó)在第一階段溫室氣體減排目標(biāo)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，正式進(jìn)入到實(shí)現(xiàn)碳排放峰值的戰(zhàn)略軌道，今后包括消防安全在內(nèi)的許多領(lǐng)域和區(qū)域都將必須考慮其碳排放峰值的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)途徑和采取的主要措施。

1 傳統(tǒng)消防滅火劑的性能對(duì)比分析

鹵代烷滅火劑又稱(chēng)哈龍滅火劑，是20世紀(jì)90年代以前應(yīng)用最廣泛的滅火劑，主要是由于其滅火效率高，可撲滅A、B、C、D等多種類(lèi)型的火災(zāi)。但鹵代烷滅火劑極易破壞臭氧層，《蒙特利爾條約》明確規(guī)定要用其他滅火劑或者滅火裝置逐步取代鹵代烷[2]。因此，全球各研究機(jī)構(gòu)也正在大力研發(fā)鹵代烷替代滅火劑。以鹵代烷滅火劑為代表的滅火劑是現(xiàn)在消防設(shè)備的主流產(chǎn)品，除此之外，其他主要的滅火劑還有惰性氣體滅火劑、水系滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、金屬滅火劑等[3]，以上各類(lèi)滅火劑在封閉空間或半封閉空間使用均有不足之處。干粉滅火劑即二氧化碳滅火劑，由于其成本低，具有一定的實(shí)用性和可靠性，滅火后不產(chǎn)生副產(chǎn)物等原因被長(zhǎng)期使用，但其主要缺點(diǎn)是滅火效率較低，二氧化碳濃度較高時(shí)對(duì)人體健康有害，一般推薦的滅火濃度為5 %；當(dāng)濃度達(dá)到17 %以上可以致人死亡，而且滅火后很難自行分解，二氧化碳會(huì)造成碳排量增加，引起大氣層的溫室效應(yīng)。氮?dú)庾鳛橐环N典型的惰性氣體滅火劑，其本身為無(wú)色、無(wú)味、不導(dǎo)電的氣體，在滅火過(guò)程中不產(chǎn)生分解物，其耗氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）均為0；但其滅火后容易混合在空氣中形成氮氧化物顆粒物，從而降低周?chē)h(huán)境的氧濃度，影響人的正常呼吸，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致人因缺氧而窒息死亡。在某種程度上具有一定的綠色環(huán)保性的泡沫滅火劑主要缺點(diǎn)是對(duì)保護(hù)對(duì)象會(huì)造成不可逆的損害，同時(shí)清理也不方便。目前使用的自動(dòng)水噴淋滅火系統(tǒng)水漬損失大，使用水量多。這些傳統(tǒng)的消防滅火劑均附帶引起了次生環(huán)境污染，特別是二氧化碳滅火劑在消防安全使用中進(jìn)一步增加了碳排量，在做好碳達(dá)峰和碳中和工作的條件下必須推進(jìn)消防技術(shù)創(chuàng)新的方法。

2 高壓細(xì)水霧滅火的C含量分析對(duì)比

為了能更好地評(píng)價(jià)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的實(shí)用性和局限性，進(jìn)一步促進(jìn)超細(xì)水霧滅火技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和研究人員均參照IMO測(cè)試規(guī)范，研究了各種細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火性能[4-5]，主要包括火源功率、火源被遮擋程度、機(jī)房大小、通風(fēng)條件、霧化程度等。以動(dòng)力機(jī)房火災(zāi)的滅火試驗(yàn)研究為例，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)同氣相滅火劑相比，能迅速控制火災(zāi)，有效降低機(jī)房溫度，并使機(jī)房中燃燒產(chǎn)物CO 和CO2的濃度維持在較低水平。加拿大國(guó)家研究局（NRC）基于低壓雙向流細(xì)水霧對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力機(jī)房的火災(zāi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究，機(jī)房溫度能夠在細(xì)水霧作用15 s后迅速降到50 ℃，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得CO和CO2最大濃度分別不超過(guò)0.08 %和3.5 %，這種熱環(huán)境和氣體濃度有利于消防人員安全進(jìn)入動(dòng)力機(jī)房進(jìn)行后續(xù)的撲救工作。鑒于火災(zāi)燃燒和細(xì)水霧滅火對(duì)氧氣濃度的需求不同，實(shí)驗(yàn)表明大尺度的火比小尺度的火更容易撲滅，如果火源被遮擋程度加大，由于細(xì)水霧到達(dá)火源位置的霧通量會(huì)大幅越少，火焰將會(huì)更難撲滅。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)海軍在通風(fēng)情況下將細(xì)水霧滅火與哈龍、二氧化碳等氣相滅火劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)受限空間的房門(mén)全部打開(kāi)時(shí)，小尺度的火焰細(xì)水霧滅火時(shí)間有所增加，而對(duì)于大尺度的火焰卻幾乎沒(méi)有變化。如果在細(xì)水霧中添加防火添加劑，可以大大提高其滅火效果，為此美國(guó)海軍在雙相流體細(xì)水霧滅火系統(tǒng)中加入12 %～25 %的添加劑Quad-Ex進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)添加劑的使用可使滅火性能提高兩倍以上，滅火時(shí)間可以縮短85 %～99 %，同時(shí)也大大減少了用水量。經(jīng)過(guò)近二十年的技術(shù)發(fā)展，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)逐漸替代哈龍或二氧化碳滅火系統(tǒng)，能有效地保護(hù)艦船機(jī)艙，得到了認(rèn)可，并在艦船和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比細(xì)水霧滅火技術(shù)和其他滅火劑滅火后CO2的含量，高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)不失為碳達(dá)峰時(shí)代的一種行之有效的新技術(shù)，既可減少碳排量，又可以起到保護(hù)環(huán)境和人員安全的作用。

3 高壓超細(xì)水霧滅火技術(shù)的組成特點(diǎn)與最新研究成果

高壓超細(xì)水霧滅火技術(shù)是在高壓細(xì)水霧基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)壓力，從而使霧化顆粒更小，滅火效果更好，被認(rèn)為是一種高效無(wú)毒的哈龍?zhí)娲鷾缁饎?，通常由高壓泵組、區(qū)域控制閥、調(diào)壓閥、細(xì)水霧噴頭、水箱、管路，以及煙霧傳感器、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等組成，泵源壓力通常達(dá)到14 MPa，其機(jī)理主要是利用高壓細(xì)水霧泵組將高壓水通過(guò)離心式壓力噴嘴形成霧狀細(xì)水霧，均勻覆蓋到保護(hù)區(qū)域，通過(guò)吸熱冷卻、隔氧窒息等作用而達(dá)到滅火的目的。筆者在華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院工作期間先后參與了以海水和淡水為介質(zhì)的水壓元件的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，所研制的高壓大流量消防泵組及配套的溢流閥、分區(qū)閥等控制閥件和霧化噴嘴[6-7]等元器件裝備于海軍某型艦艇，這些器件的關(guān)鍵零部件均使用低碳或無(wú)碳成分的不銹鋼、海軍黃銅等耐腐蝕耐磨損材料制成，管路采用不銹鋼鋼管，使用純凈的自來(lái)水作為滅火介質(zhì)，進(jìn)一步研制完成了高壓超細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可適用于受限空間和密閉空間，而且也可以用于城市除塵、降溫等環(huán)境保護(hù)方面。針對(duì)諸如太空站等特殊密閉空間的體積限制，基于高壓細(xì)水霧原理將固定式泵組系統(tǒng)改制成為便攜式細(xì)水霧滅火器[8]，目前該產(chǎn)品均已配備使用在國(guó)內(nèi)高鐵車(chē)廂和樓宇滅火系統(tǒng)等區(qū)域。

4 碳達(dá)峰時(shí)代細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

綜合對(duì)比現(xiàn)代其他滅火產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，高壓超細(xì)水霧自動(dòng)滅火技術(shù)因其自身所具備的滅火效率高、環(huán)境相容性好、取材方便、人員安全、用水量小、水漬損失小等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于圖書(shū)館、檔案館、展覽館、古建筑旅游景點(diǎn)、高校機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、商用廚房、地鐵及高鐵車(chē)廂等保護(hù)性要求高的密閉場(chǎng)所。近年來(lái)高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)研究的創(chuàng)新發(fā)展，進(jìn)一步凸顯出其節(jié)能環(huán)保、電氣絕緣、消除煙霧等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于撲救電氣火災(zāi)，將來(lái)可以應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)的綜合管廊電纜艙、空間站、深海載人潛器和潛艇等水下航行器[9]。

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話(huà)指出，“將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[10-11]。這將意味著在2030年之前，以鹵代烷為代表的滅火劑消防系統(tǒng)還將有一定的市場(chǎng)份額，甚至在這一時(shí)期還可能繼續(xù)維持一定的大份額，但是2030年之后，隨著碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)實(shí)施，為盡可能實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放，以高壓細(xì)水霧滅火為代表的新型低碳消防產(chǎn)品將會(huì)逐漸取代鹵代烷滅火劑的地位。在消防安全領(lǐng)域如何落實(shí)碳達(dá)峰和碳中和的工作目標(biāo)，將為高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供一次新機(jī)遇，同時(shí)也提出新的挑戰(zhàn)，那就是如何進(jìn)一步創(chuàng)新高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)水平和系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低滅火后產(chǎn)生的碳排量問(wèn)題。第一，高壓細(xì)水霧滅火泵組、噴頭以及管路等材料的改進(jìn)和優(yōu)選，盡可能使用低碳或無(wú)碳材料，同時(shí)兼顧生產(chǎn)成本的低價(jià)格；第二，基于流體動(dòng)力學(xué)的噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超細(xì)水霧的霧粒精細(xì)化和滅火的高效化的兼容性；第三，針對(duì)不同類(lèi)型火災(zāi)產(chǎn)生的燃燒物，提高細(xì)水霧滅火產(chǎn)生的合成物的碳含量檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)滅火后生成污染物的低碳控制。當(dāng)前，綠色低碳已經(jīng)成為全球未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，隨著高壓超細(xì)水霧滅火技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，將會(huì)不斷取代鹵代烷為代表的滅火劑系列產(chǎn)品，為消防領(lǐng)域提供一種全新的低碳產(chǎn)品，同時(shí)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)和碳中和愿景積極發(fā)揮細(xì)水霧滅火技術(shù)的巨大作用，為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)、資源節(jié)約型社會(huì)，推動(dòng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)低碳綠色發(fā)展貢獻(xiàn)其新力量。