艦船綠色環保滅火劑選型分析

吳曉偉 翁 平 鄒高萬 張宇明

（1.海軍裝備研究院 北京100161；

2.海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室 上海200011；

3.哈爾濱工程大學 哈爾濱 150001）

0 引 言

哈龍滅火劑自問世以來，由于滅火效果好、毒性較小、對被保護對象不會造成二次污染，且在艦船滅火、防爆和抑爆方面具有優越的性能，因此一直是艦船機艙固定式氣體滅火系統首選的滅火劑，得到廣泛和長期的應用。1974年美國加利福尼亞大學的Rowland教授和Molina博士通過研究發現，哈龍滅火劑對大氣臭氧層具有極大的破壞作用。聯合國環境規劃署（UNEP）分別于1985年3月通過了《保護臭氧層維也納公約》，1987年9月通過了 《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》。從此，全球掀起了全面淘汰臭氧層消耗物質（ODS）和保護臭氧層的運動。

1996年，我國國家環境保護總局和公安部消防局聯合制定了《中國消防行業哈龍整體淘汰計劃》，規定“2005年全部淘汰哈龍1211滅火劑，2010年完全淘汰哈龍1301滅火劑”。目前哈龍滅火劑已經受到嚴格限制使用，并逐步被全面停止。雖然，軍事領域并不屬于禁止使用哈龍滅火劑的規定場所，但哈龍替代問題已經引起有關部門的高度重視。

尋找哈龍替代品的研發工作在世界范圍內積極開展。目前國內外正在研究的哈龍替代品很多，主要包括鹵代烴、新型惰性氣體、氣溶膠、細水霧和泡沫滅火劑等，而不同哈龍替代品又有各自的特點和適用范圍。針對艦船機艙，選擇滅火高效的、綠色環保的、能夠替代哈龍的新型滅火劑工作十分重要。

1 哈龍滅火劑及其危害

1.1 哈龍滅火劑及其滅火機理

鹵代烷是以鹵素原子取代烷烴類（甲烷或乙烷）化合物分子中一個或數個氫原子后生成的一類人工合成化合物的總稱。

哈龍（Halon）是鹵代烷中含溴的氯氟烴類統稱，目前世界各國一般都采用美國提出的命名方法，將其化學式按碳、氟、氯、溴、碘的原子個數順序組成五位數（如沒有碘就剩四位數）。例如：二氟一氯一溴甲烷（CF2ClBr，哈龍 1211）、三氟一溴甲烷（CF3Br，哈龍 1301）、四氟二溴乙烷（C2F4Br2，哈龍 2402），通常我們所說的哈龍滅火劑主要指這三種。

鹵代烷的滅火機理被認為是通過抑制燃燒的化學反應過程，中斷燃燒的連鎖反應而迅速滅火。即滅火劑接觸火焰或高溫表面時分解產生的活性自由基，奪取了燃燒鏈鎖反應中生成的活性物質，破壞了燃燒過程中的鏈傳遞而達到滅火目的。以下為甲烷氧化過程的幾個中間過程：

向火場施放的鹵代烷滅火劑在燃燒區受到高溫的作用發生分解，分解釋放的鹵素游離基（Br·、F·、Cl·等）將使燃燒反應區中的活性游離基（H·、OH·）惰化。

通過上述步驟可以使燃燒反應減慢，直至完全停止。其中R是碳氫離子。

哈龍1211和1301滅火劑是一種穩定的惰性化合物，達到滅火濃度時具有較低的毒性。但其熱分解產物HCl、HBr、HF對呼吸道有刺激作用，同時它們是酸性氣體，具有一定的腐蝕性。

1.2 哈龍對臭氧層的破壞

在地球大氣層近地面約20～30 km的平流層，紫外線相當強烈，一個氧分子（O2）吸收短波紫外線分解為氧原子，這一過程稱之為光解過程。氧原子的不穩定性極強，極易與其他物質發生反應。如與氫（H2）反應生成水（H2O），與碳（C）反應生成二氧化碳（CO2）。同樣的，與氧分子（O2）反應時，就形成了臭氧（O3）。

式中，M是用來攜帶在化合反應中釋放能量的第三種物質，O·是氧自由基。可見，氧氣消耗紫外線制造臭氧，臭氧在平流層中產生。

臭氧產生后，由于其比重大于氧氣，會逐漸向下降落沉淀，聚集而形成臭氧層。臭氧在降落過程中隨氣溫上升，其不穩定性又趨明顯，再受到長波紫外線的照射，會再度還原為氧分子。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉換的動態平衡。臭氧含量占平流層氣體總量的十萬分之一。臭氧含量雖然極微，卻具有強烈的吸收紫外線的功能，因此，它能擋住太陽紫外線輻射對地球生物的傷害，保護地球上的一切生命。

氟氯烴（CFCs）和氟溴烴（Halon）是嚴重消耗臭氧層物質。CFCs和Halon化學穩定性好，在對流層不易分解而進入平流層。到達平流層的CFCs受到短波紫外線UV-C照射被激化，分解為活性很強的鹵元素自由基 X·（指 Cl·和 Br·）

自由基X·在平流層內參與臭氧分子的消耗，消耗臭氧是一連續鏈鎖循環過程

可見，自由基X·一方面不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應中再生。反應過程中釋放的自由基X·可以在平流層中存在幾年。據估計，一個氟原子可破壞10萬個臭氧分子，而溴原子破壞臭氧的速度比氟原子快60倍。因此只要有少量的溴就能產生巨大的破壞作用。平流層中的臭氧遭到破壞，從而降低了臭氧濃度造成臭氧空洞。

通過臭氧空洞大量的紫外線直接輻射地面，導致人類皮膚癌、白內障發病率增高，并抑制人體免疫系統功能；農作物受害減產，影響糧食生產和食品供應；海洋浮游生物大量死亡，破壞海洋生態系統的食物鏈，導致生態平衡破壞。

2 哈龍替代品的評價標準

2.1 一般評價標準

目前，國際上哈龍替代品研究領域公認的清潔氣體滅火劑評價標準傾向于從主要和次要兩個角度劃分，共包括 10 個方面內容［1］。

主要的有：

（1）清潔：噴射后蒸發不留殘渣，無固、液相殘留物；

（2）對環境大氣無害：臭氧層耗損潛能值≤0.05（Ozone Depletion Potential，ODP），最好 ODP=0；溫室效應潛能值（Global Warming Potential，GWP）要小，最好不產生溫室效應；

（3）滅火效能高：滅火劑用量少，滅火時間快；

（4）對人體無毒性危害：以未觀察到不良反應濃度（NOAEL），也稱無毒性反應的最高濃度）表示，要求類似哈龍1301的微毒級，能應用于有人場所。

次要的有：

（5）合成物在大氣中存留壽命（ALT）短；

（6）良好的氣相電絕緣性，不能擊穿電子設備；

（7）良好的熱穩定性和化學穩定性，利于長期儲存；

（8）儲罐占地面積小，應用量相對于哈龍1301的容積比小；

（9）與彈性密封原件的相容性好，不易泄漏；

（10）制造成本相對較低、較為經濟，價格易被市場所接受。

2.2 艦用替代品的評價標準

對于軍用艦船，由于空間資源寶貴、重量限制嚴格以及所擔負的使命任務等，選擇哈龍替代品時要考慮的因素就更加復雜。參考上述通用的哈龍替代品評價標準，經分析，筆者提出篩選理想的艦船哈龍替代品應從以下6條評價標準方面進行綜合考慮：

（1）卓越的滅火效能。這是首要的、最基本的前提條件，主要體現在滅火速度快和滅火劑用量少兩個方面。

（2）良好的環境效應。哈龍滅火劑因對環境危害大而遭到禁用。新型滅火系統所采用的滅火劑的環境效應體現在兩方面：一是對地球環境而言，無破壞臭氧層的作用，盡可能低的溫室效應，大氣存留時間短；二是對保護區環境而言，釋放后無殘留物和有害的滅火產物，對保護區內的設備、設施無破壞作用，不會造成因釋放滅火劑而帶來二次污染。

（3）低毒或無毒。不僅要求包括滅火劑本身在滅火設計濃度范圍內對人體無毒害；同時，滅火劑在火場的分解產物在一定范圍內也應對人體無毒害。

（4）系統占用空間小，重量輕。與一般民用船舶相比，軍用艦船上的空間資源十分寶貴，對重量限制要求十分嚴格。如果替代滅火系統所占總體空間很大、重量增加很多，則將難以實現替代。

（5）保障性好。對滅火劑而言，有效期要盡量長，即化學性質穩定性好，且要便于存儲和運輸；對滅火系統而言要便于檢修和維護，日常損耗小，再次充裝方便且易操作。

（6）較好的經濟性。滅火系統的經濟性受多方面因素的影響，評價一套滅火系統的經濟性要從以下三方面進行分析：一是滅火劑成本，涉及滅火劑的價格、用量、供貨渠道等；二是滅火系統成本，包括滅火系統瓶組、管網和相關設備等；三是系統日常維護成本，滅火劑日常損耗少、儲壓低、無/低腐蝕等，都可以降低成本。

3 典型哈龍替代品的性能分析

目前，市場上的哈龍替代品按其物理特性可分為氣體類和非氣體類，其中氣體類主要包括鹵代烷烴類、新型惰性氣體、二氧化碳、Novec1230等；非氣體類主要包括細水霧、氣溶膠滅火劑等。

3.1 鹵代烷烴類滅火劑

鹵代烷烴類滅火劑的種類很多，大致可將其分為以下五類［2］：

（1）PFC，全氟代烷；

（2） HFC，氫-氟代烷；

（3） HCFC，氫-氟氯代烷；

（4） HBFC，氫-氟溴代烷；

（5） FIC，氟碘代烷。

鹵代烷烴類氣體滅火劑的主要環保性能見表1。

表1 鹵代烷烴類滅火劑的環保性能

對于上述五大類鹵代烷烴類滅火劑進行以下的分析和判斷：

（1）PFC類：雖然PFC類物質滅火效果好，ODP值為0，毒性也低，但其溫室效應潛能值（GWP值）較大，特別是在大氣中存留的時間非常長（ALT值大）。因此不宜作為哈龍替代品。

（2） HFC 類：雖然ODP值為0，但ALT值和GWP值較大，也不是理想的哈龍替代品。英、美等國已將HFC類物質劃入需要控制使用范圍之列，因此不宜作長期替代品考慮，但可作為過渡性哈龍替代品。

（3）HCFC類：由于HCFC類的消耗臭氧潛能值（ODP值）不等于0，聯合國環境規劃署已將HCFC列入受控制使用之列，應盡可能不選擇HCFC作為哈龍替代品。聯合國環境規劃署要求在2030年對HCFC-A和HCFC-124給予淘汰；歐盟（EU）要求在2015年對這兩種物質給予淘汰。我國已將其列為哈龍替代禁用品。

（4）FIC類：FIC1311滅火劑（三氟一碘甲烷）的滅火速度快，大氣停留時間小于1天。1992年已通過美國消防協會（NFPA）的認證，并被正式使用。但該類滅火劑的滅火濃度遠高于人體安全濃度，有很強毒性，不能在有人工作的場所使用；而且在滅火時會分解形成HF、HI和I2，其酸性值高于哈龍1301滅火劑。因此，也不宜作為可接受的哈龍替代品。

（5） HBFC類：HBFC-22B1的ODP值高達0.74，不可作為哈龍替代物。國外已在1996年淘汰，我國目前也已將其列為哈龍替代禁用品。

通過上述分析可知，大多數鹵代烷烴類滅火劑不適宜作為哈龍替代品使用，只有HFC-23（商品號FE-13）和 HFC-227ea（商品號 FM-200）可以作為過渡性哈龍替代品，尤以HFC-227ea（商品號FM-200）應用較為廣泛。

七氟丙烷（FM-200）滅火劑的滅火機理與哈龍滅火劑類似，為抑制化學鏈反應。其在常壓下為無色無味氣體，密度大約是空氣密度的6倍，在一定的壓力下呈液態儲存，具有良好的熱穩定性和化學穩定性；釋放后不含有粒子或油狀的殘余物，且不會污染環境。其具有以下主要特點。

優點：

撲救范圍廣、效率高，能有效撲救A、B、C類及電氣火災，且不會發生復燃；毒性較低，正常情況下對人體不會產生不良影響，可用于經常有人活動的場所；不導電，由于不含水性物質，不會損壞電器設備、磁帶、資料等；對環境的影響較哈龍滅火劑要小，特別是臭氧層耗減潛能值（ODP值）為0，不會破壞臭氧層；滅火后沒有固相、液相殘留物。

缺點：

在滅火時會熱分解產生較高濃度的氟化氫（HF）氣體。由于氟化氫（HF）是一種高度腐蝕性氣體，對現場人員和設備都極為有害。據有關資料，在滅火時七氟丙烷滅火劑比哈龍滅火劑所分解出的HF濃度要高出約2～10倍。

3.2 新型惰性氣體滅火劑

新型惰性氣體滅火劑是20世紀80年代末發展起來的，目前作為潔凈滅火劑用于哈龍替代的主要有四種，即：IG-541（Inergen）、IG-55（Agonite）、IG-01（Argotec）和 IG-100（Nitrogen），具體成分和環保性能見表2和表3。其中IG-541（中文譯名“煙烙盡”）在技術上相對成熟、各種性能指標比較合理，在我國應用較為廣泛。

表2 鹵代烷烴類哈龍替代物

表3 鹵代烷烴類滅火劑性能

IG-541滅火劑的滅火機理與CO2滅火劑基本相同，為物理滅火，即主要通過降低火場燃燒區空氣中的氧氣含量，從而達到滅火效果。由于IG-541滅火劑由大氣層中現有的天然氣體混合組成，釋放后只是將這些天然氣體放回大氣層，不會造成大氣臭氧層的破壞（ODP=0）。雖然組成中的CO2氣體具有“溫室效應”的效果，但其成分極少，影響很小，即GWP≈0。另外，IG-541滅火劑在火場條件下不產生熱分解產物，既不污染空氣，也不腐蝕電氣設備。通常狀況下，空氣中O2含量為21%，CO2的含量約為1%。當噴入IG-541滅火劑后，防護區內氧氣的濃度降至約12.5%，而CO2的濃度則上升2%～5%，30分鐘內一般不會對人體產生傷害［3］。另外，IG-541滅火劑是一種無色透明的氣體，噴放時不會形成濃霧而降低能見度，所以也不妨礙人員火場逃生。

IG-541滅火劑存在的主要缺點是：由于其為物理滅火，一方面滅火劑用量大，“應用量相對容積比”是哈龍1301滅火劑的15倍左右，這大大限制了IG-541滅火劑的使用范圍，也不宜用于局部應用系統或便攜式滅火裝置；另一方面，滅火效率不高，排放持續時間相對較長（約1～2 min），所以在某些火災蔓延較快的場合中使用受限。

3.3 二氧化碳滅火劑

二氧化碳（CO2）是一種傳統的惰性氣體，很早就被用來作為滅火藥劑使用。它在常溫常壓下是一種無色、無味的氣體，具有不燃燒、不助燃、不導電等特點，滅火機理為物理滅火。CO2對臭氧層無破壞作用，但其為產生溫室氣體效應的主要成分。

低壓CO2滅火系統屬于全淹沒系統，適用于撲救A（表面火）、B、C類及電氣火災。對于大型保護場所，低壓CO2滅火系統較高壓CO2滅火系統占地面積小，便于安裝和維護保養。但由于高濃度的CO2對人體有致命作用，因此不能適用于經常有人的場所；CO2（特別是低壓CO2）在噴放過程中，由于液相和固態“干冰”的快速汽化，防護區溫度會急劇下降，會對保護對象產生一定程度的“結露”、“冷激”、“冷淬”現象，因此，用于保護精密設備和珍貴財物的場所時要慎重。另外，CO2滅火系統存在滅火劑用量多、瓶組體積大的顯著特點，這也限制了其在軍用艦船特別是戰斗艦艇上的使用。

3.4 Novec1230滅火劑

Novec1230滅火劑是美國3M公司于2001年研制成功的一種新型環保滅火劑，化學名為全氟己酮，分子式為 CF3CF2C（O）CF（CF3）2，在常溫常壓下為絕緣無腐蝕的無色透明液體；沸點為48℃，汽化潛熱低（是水的1/25），蒸汽壓力是水的12倍，揮發性很強，因此噴射后會迅速汽化并以氣態形式存在［4］。良好的環保性和無毒是Novec1230滅火劑的兩個突出優點。其不會破壞臭氧層（不在蒙特利爾議定書規定的所淘汰物質之列），也不會對地球大氣環境變化有影響（不在京都議定書規定的所控制排放的物質之列），對人體安全，胡已經被美國環境保護部門批準，允許在有人存在的場合使用。

Novec1230對大氣的友好性列于表4中。可見該滅火劑不會破壞臭氧層，不對地球氣候變化有影響，符合NFPA2001標準對清潔滅火劑的有關要求。表5中列出了各滅火劑的使用濃度和對人體有害的濃度對比，可見Novec1230在使用時對人體是安全的，而且安全余量較高。

表4 Novec1230與其他滅火劑的環保性對比

表5 各類滅火劑安全余量對比

美國泰科 （TYCO）消防公司已經開發出以Novec1230 作為滅火劑“藍寶石”（SAPPHIRE）滅火系統，通過了美國UL實驗室的認證，并得到了美國海軍和海岸警衛隊的認可，已在其艦艇上得到應用，以替代原來的哈龍1301滅火系統。

3.5 細水霧滅火劑

細水霧是利用高壓或氣流將通過噴嘴內流道的水形成極細的水滴，以冷卻、窒息和阻隔熱輻射等原理達到滅火效果，對環境無污染，可以降低火災中的煙氣含量及毒性。在國內細水霧滅火技術是近10年來發展較快的新型滅火技術，是極具發展前景的哈龍替代技術之一。

與傳統的水噴淋相比，細水霧的霧滴顆粒很細小，具有良好的電絕緣性，因此適用于A（表面火）、B、C類及電氣火災。細水霧滅火系統既能以局部應用形式使用，也能以全淹沒形式應用。由于細水霧系統一般采用淡水或海水作為滅火介質，無毒無害，可用于保護經常有人場所，這是區別于其他一般氣體滅火劑的獨特之處。但由于細水霧的濕潤能力不如水噴淋、繞射能力不如氣體滅火劑，因此對A類物質的深位火災和有嚴重遮擋的火災僅能起到控火作用。

西方發達國家對細水霧滅火技術研究進展較快，已經可以作為全淹沒式滅火系統替代艦船機艙哈龍1301系統，并得到實船應用，如丹麥YORK公司開發的低壓細水霧滅火系統和美國海軍“圣·安東尼奧”級船塢運輸艦（LPD17）機艙所采用的高壓細水霧滅火系統。

3.6 氣溶膠滅火劑

氣溶膠滅火劑是通過固體氧化劑與還原劑發生化學反應而產生的固體與氣體混合物。其中固體顆粒主要是金屬氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽、炭粒以及少量金屬碳化物，氣體產物主要是N2、CO2和少量CO［5］。從某種角度上可以說是一種介于氣體滅火劑和干粉滅火劑之間的滅火劑。氣溶膠滅火劑的臭氧耗減潛能值（ODP值）為0，全球變暖潛能值（GWP值）為0，因此具有良好的環境效應。

根據產生氣溶膠溫度的不同，可以把氣溶膠滅火劑分為熱氣溶膠滅火劑和冷氣溶膠滅火劑。熱氣溶膠滅火劑由一種由氧化劑、還原劑及其它部分添加劑組成，能通過激發而在自身內部發生氧化還原燃燒反應，產生具有滅火作用的凝聚型氣溶膠的一種混合制劑。冷氣溶膠是將滅火劑的主要組分制成超細顆粒，用壓縮氣體如氮氣作為動力源及氣體源，氣溶膠滅火劑釋放之前，氣體分散介質和被分散介質是穩定存在的，釋放過程中氣體分散液體或固體滅火劑形成冷氣溶膠。

熱氣溶膠滅火劑又分為兩類：水基氣溶膠滅火劑和固基氣溶膠滅火劑 （或固體微粒氣溶膠滅火劑）。水基氣溶膠能在常溫常壓下保存，但要求密封，相應的滅火裝置技術要求高、結構復雜，國內研究較少；固基氣溶膠具有高效、滅火成本低、滅火后無復燃現象等優點，其滅火效能不遜于其他環保型滅火劑，這也是國內市場上采用最多的氣溶膠滅火劑，并已經開發出適用于船舶消防的氣溶膠滅火裝置。但氣溶膠滅火劑不適合遠距離的管網輸送，因此在艦船上大規模使用受到一定限制。

4 結 語

通過對上述目前市場上現有的幾種典型滅火劑的性能特點進行分析，結合哈龍替代品的一般評價標準和適用于艦船的評價標準，對可能適用于艦船機艙固定式全淹沒滅火系統的環保滅火劑進行了初步選型分析，基本結論如下：

（1）七氟丙烷（FM-200）滅火劑目前在民船機艙內已有一定使用，所占空間體積和重量比CO2系統有明顯優勢，但滅火后的衍生物HF氣體對保護區域內的設備有一定腐蝕性，且溫室效應明顯，只能是一種過渡性的哈龍替代品，不宜長期使用。

（2）從環保性角度來看，惰性氣體IG-541滅火劑是一種理想的哈龍替代品，但由于其滅火機理與CO2滅火劑類似，滅火時藥劑用量較大，需要占用較多的總體空間資源和重量，因此，對于空間和重量都有控制嚴格的軍用艦船來說，也不十分理想。

（3）CO2滅火劑價廉，在民船機艙有大量使用，但系統所占空間很大，對人體也不安全，而且“冷淬”現象明顯，因此并不適用于艦船機艙。

（4）Novec1230滅火劑是近幾年國際上推廣使用的新一代哈龍替代品，具有環保、安全、滅火效率高等突出優點，滅火劑儲存、運輸和充裝方便，部隊日常使用維護簡單，艦上適裝性也較好，具有廣闊的應用前景，值得進一步開展其在艦船機艙應用的可行性研究。但目前Novec1230滅火劑還沒有實現國產化，這是其不足之處，國內應該加強對Novec1230滅火劑的深入研究。

（5）細水霧是一種極具發展前景的新型環保滅火技術，也是哈龍替代滅火技術的重要研究方向之一。但鑒于目前國內細水霧滅火技術的發展，只能作為固定式滅火系統的一種輔助滅火手段，短期內還不能完全替代哈龍1301系統應用到所有場所。

（6）氣溶膠滅火劑具有良好的滅火效能和環保性，對人體和設備也較為安全，可以在艦船上使用。由于氣溶膠滅火劑不適合于遠距離管網輸送，不適合在艦船機艙這種大空間內應用，但可以作為配電間、報房等空間較小艙室的備選滅火手段。

綜上所述，筆者建議進一步開展Novec1230滅火劑在艦船機艙的應用研究，特別是開展全尺度模擬艦船機艙的滅火效能驗證工作，并綜合考慮滅火效能、適裝性和經濟性等方面，深入研究替代現役艦船鹵代烷1301系統的可行性。同時，應加大全淹沒細水霧滅火系統關鍵技術的攻關力度，進一步開展試驗研究工作，拓展其在艦船上的工程應用范圍，實現艦船機艙火災具備多種滅火手段的能力，從而為解決海軍艦船哈龍滅火劑替代問題奠定堅實的基礎。

［1］張之立．關于哈龍及哈龍替代品滅火系統有關問題的介紹與分析［J］．消防技術與產品信息．2003（4）：30-35．

［2］蘇明濤，范恩強．哈龍替代氣體滅火劑的綜合性能分析及應用［J］．安防科技．2008（3）：58-61．

［3］彭玉輝，曾勇，鄭興海．艦船哈龍滅火劑的替代產品和氣體滅火劑選型分析［J］．中國艦船研究．2007（5）：72-75．

［4］張國壁．新一代哈龍替代滅火劑［J］．消防科學與技術．2004（4）：369-372．

［5］劉玉海，張文超，潘仁明等．氣溶膠滅火技術的研究現狀和發展趨勢［J］．消防技術與產品信息．2003（5）：69-71．