（环境工程专业论文）哈龙替代灭火剂环境影响分析及其灭火系统的研究.pdf

中文摘要 二十世纪八十年代初，人们认识到哈龙( h a l o n ) 灭火剂对大气臭氧层有强 烈破坏作用，已威胁到人类生存环境，各国相继采取措施，逐步淘汰啥龙灭火剂。 从1 9 8 7 年蒙特利尔公约签署以来，关于哈龙替代物灭火剂( 洁净气体灭火剂) 和相应的灭火系统的研究已经历了1 0 余年的时问。在众多的哈龙替代品中除了 二氧化碳以外，我国允许使用的洁净灭火剂主要有三氟甲烷、七氟丙烷、六氟丙 烷、i g 5 4 1 等被国际标准化组织认可、推荐的灭火剂。 我国对于哈龙替代物灭火剂的研究还处于起步阶段，目前只对七氟丙烷气体 灭火系统进行了一些试验研究，研究内容不是很全面，哈龙替代物灭火系统阻力 损失、灭火浓度、管网流动状态、工程应用评价技术等方面的研究还有待提高， 我国在哈龙替代物灭火系统的工程应用上还面临很多需要解决的问题。 本文在获得大量的国内外资料的基础上，对哈龙灭火剂进行环境影响分析， 并对哈龙替代物灭火剂的理化性能与系统组件进行分析与研究，总结出各种灭火 剂的灭火机理、优缺点以及适用场所；从哈龙替代物灭火系统对大气，人、保护 设备的影响及在储存稳定性、空同占用率方面问题进行系统环境影响分析；通过 具体试验验证灭火时问、喷射时问、灭火浓度等设计参数，获得了标准喷头的流 量系数和压力与喷射率曲线，为系统设计确定喷头型号提供可靠依据；分析了哈 龙替代物灭火剂在管网中的流动状态，确定七氟丙烷为液态单相流，三氟甲烷与 二氧化碳为气液两相流，i g 5 4 1 为气态单相流，建立相应的阻力损失计算公式； 结合具体设计实例，分析哈龙替代物灭火系统在工程应用中出现相关问题的主要 原因，提出了进行工程应用评价研究的必要性和主要：【作内容，阐明了工程评价 研究工作的开展对相关产品制造标准的完善和补充及国家工程建设修订工作的 重要意义。 在整个研究过程中，本文从哈龙灭火剂的环境影响、哈龙替代系统的种类、 工作原理、系统组件、设计参数、系统设计等方面进行了全面的阐述，使得设计 人员对整个哈龙替代物灭火系统有一个更清楚的了解，在工程应用能够起到指导 原则与优化设计的作用。 关键词：哈龙替代，七氟丙烷，三氟甲烷，气体灭火系统，系统环境影响分 析，阻力损失，工程应用评价 a b s t r a c t a tt h eb e g i n n i n go ft h e1 9 8 0 s ，h a l o na g e n tw a sc o n s i d e r e dt oh a v ed e s t r u c t i v e e f f e c to nt h eo z o n el a y e r , a n di th a st h r e a t e n e dt h ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e , m e a s u r e s w e r et a k e nt op h a s eo u tt h eh a l o nf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n ti nm a n yc o u n t r i e s s i n c e t h es u b s c r i p t i o no fm o n t r e a lp r o t o c o li n1 9 8 7 t h es t u d yo nt h eh a l o na l t e r n a t i v e s ( c l e a ng a sf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n oa n dt h ec o r r e s p o n d i n gf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m s h a sb e e nl a s t e df o rm o r et h a n1 0y e a r s ，a m o n gt h eh a l o na l t e r n a t i v e s ，t h ec l e a na g e n t s p e r m i t t e dt ob eu s e di nc h i n am a i n l yi n c l u d et r i f l n o r om e t h a n e ，h e p t a f l u o r op r o p a n e ， h e x a f l u o r i d ep r o p a n e ，i g 5 4 1e r e b e s i d e sc a r b o nd i o x i d e t h e s e sa g e n t sh a v eb e e n r e c o g n i z e da n dr e c o m m e n d e db yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n t h es t u d yo nh a l o na l t e r n a t i v e si nc h i n ai si ni t si n i t i a ls t a g e t h es t u d yo n l yh a s d o n es o m ee x p e r i m e n t so nh e p t a f l u o r op r o p a n e ，a n dt h ee x p e r i m e n t ss t i l lh a v es o m e l i m i t a t i o n s f o re x a m p l e ，t h er e s i s t a n c el o s s , f i r ee x t i n g u i s h i n gc o n c e n t r a t e ，t h ef l o w s t a t u so ft h ep i p en e t w o r ka sw e l la st h e e n g l n e e r i n ge v a l u a t i o ne t c n e e dt ob e i m p r o v e d t h ea p p l i c a t i o no ft h eh a l o na l t e r n a t i v ef i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ss t i l l f a c e sw i t hm a n yp r o b l e m s b a s e do nt h ee x t e n s i v er e s e a r c ho nt h er e l a t e dm a t e r i a l sa th o m ea n da b r o a d ，t h e t h e s i sa n a l y z e si m p a c tt oe n v i r m e u to fh a l o na g e n t ，a n da n a l y z e sa n ds t u d i e st h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e sa n ds y s t e mc o m p o n e n t so fh a l o na l t e r n a t i v e s n l ef i r e s u p p r e s s i o nm e c h a n i s m a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa sw e l l a st h e a p p l i c a b l ep l a c e so fd i f f e r e n tf i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n t sh a v eb o e ng i v e n s y s t e m a t i c e n v i r o n m e n te v a l u a t i o nh a sb e e nd o n ef r o mt h ea s p e c t so ft h e e f f e c to fh a l o n a l t e r n a t i v e so nt h ea i r , h u m a nb e i n ga n de q u i p m e n t , s t o r a g es t a b i l i t ya sw e l la ss p a c e o c c u p a n c yr a t e ；e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et ov e r i f yt h ep a r a m e t e r ss u c ha st h ef i r e e x t i n g u i s h i n gt i m e , d i s c h a r g et i m e ，f i r ee x t i n g u i s h i n gc o n c e n t r a t i o nt oo b t a i nt h ef l o w c o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ea sw e l la st h ed i s c h a r g e 矗n ee b i v e t h e yp r o v i d e dr e l i a b l e d a t af o rt h en o z z l es i z ed e t e r m i n a t i o no ft h es y s t e md e s i g n t h ef l o ws t a t u so ft h e h a l o na l t e r n a t i v e si nt h e p i p e n e t w o r kh a sb e e na n a l y z e d i t ，a sf o u n dt h a t h e p t a f l u o r op r o p a n ei ss i n g l ep h a s e ( 1 i q u i d ) ，l r i f l u o r om e t h a n ea n dc a r b o nd i o x i d ei s t w op h a s e s ( g a sa n dl i q u i d ) ，i g 5 4 1i ss i n g l ep h a s e ( g a s ) t h ec o r r e s p o n d i n gr e s i s t a n c e l o s se q u a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do np r a c t i c e ，t h em a i nr e a s o n st ot h e p r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o no ft h eh a l o na l t e m a t i v es y s t e m sh a v eb e e na n a l y z e d t h e n e c e s s i t ya n dt h em a i nc o n t e n t so fs t u d y i n gt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ne v a l u a t i o n w e r ee m p h a s i z e d t h es t u d yw i l lc e r t a i n l yi m p r o v et h er e l a t e dp r o d u c ts t a n d a r d sa n d t h er e v i s i o no f n a t i o n a le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ns t a n d a r d s t h ep a p e rg i v e sa l lo v e r a l ld e s c r i p t i o nt oi m p a c tt oe n v i r m e n to f h a l o na g e n t ， a n dt ot h ek i n d s , w o r k i n gp r i n c i p l e , s y s t e mc o m p o n e n t s ，d e s i g np a r a m e t e r sa n d s y s t e md e s i g no ft h eh a l u na l t e r n a t i v es y s t e ms oa st og i v et h ed e s i g n e r sac l e a r u n d e r s t a n d i n go ft h ew h o l es y s t e m i tw i l lp l a ya l li m p o r t a n tp a r ti nt h ei n s t r u c t i o n a n do p t i m i z a t i o no f t h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：h a o n a t c r n a t i v e ，h e p t e f l a n r op r o p a n e ，t r i f l u o r om e t h a n e ，g a sf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，母毽t e i 枷ce n v i r o n m e n te v a l u a t i o n , r e s i s t a n c el o s s , e n g i n e e r i n g e v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基壹筮茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：美满有签字日期：2 。口年f 月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定 特授权鑫叠盘篁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 昊法省 签字日期：2 耐占年f 月多日 铭 j 月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 哈龙替代物灭火剂发展 气体灭火系统在某些领域里较水系统更具优越性，它们很清洁、不导电，挥 发快、无残留物，能够保护重要场所，如计算机房、变电站、磁带或胶片库房、 控制室、书籍和文物馆以及其它水和干粉能造成特殊损坏的地方其中哈龙灭火 剂是迄今灭火效果最好的灭火剂，它是卤化的碳氢化合物，哈龙国际通称h a i o n ， 代表物质是h a l o n l 2 1 1 、h a l o n l 3 0 1 哈龙在火焰的高热中分解产生活性游离基， 参与物质在燃烧过程中的化学反应，使链反应中断，从而起到灭火的作用，但也 以同样的方式破坏臭氧1 1 l 田由于它们具有这些独特的性能，所以在许多火灾保 护场所，人们都选择它们作为灭火药剂。例如：计算机、通讯设备、电子设施、 博物馆，轮船和飞机的发动机舱、飞机的地面保护、综合办公楼的火灾保护、工 业和民用建筑等。 2 0 世纪7 0 年代初，研究大气的研究人员发现臭氧层有不断耗减趋势，由此 引起各国有关科学家和政府首脑的极大关注在探究其发生原因时，氟氯碳( 国 际通称c f c ，国内称为氟利昂) 以及哈龙等被世界上越来越多科学家认定是破 坏臭氧层的祸首之一，并称之为“消耗臭氧层物质”( 国际简称o d s ) ，在国际 社会的共同努力下，1 9 8 5 年3 月。联合国环境规划署在奥地利召开的“保护臭 氧层外交大会”上通过了关于保护臭氧层的维也纳公约 ，标志着保护臭氧层 国际统一行动的开始。1 9 8 7 年9 月联合国环境规划署在加拿大蒙特利尔召开了 。保护臭氧层公约关于含氯氟烃议定书全权代表大会”经过讨论、修改，最后 签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书。1 9 9 4 年已有1 3 4 个国家成为 签约国。1 9 8 9 年我国正式加入维也纳公约) ，1 9 9 1 年我国正式加入关于消耗 臭氧层物质的蒙特利尔议定书 的伦敦修正案制定了中国削减臭氧耗损物质 国家方案。 根据1 9 9 7 年1 1 月多边基金第2 3 次执委会批准的中国消防行业哈龙整体 淘汰计划 ，中国啥龙行业将通过关闭哈龙生产企业的方式进行哈龙生产的淘 汰；通过哈龙灭火设备生产企业转产其他替代灭火设备或关厂的方式进行哈龙消 费的淘汰，最终在2 0 0 5 年底淘汰哈龙1 2 1 1 ，2 0 1 0 年初淘汰哈龙1 3 0 1 1 3 j 第一章绪论 为限制哈龙的消费，我国已经制定了如下法规： 1 9 9 4 年1 1 月公安部和国家环保局联合下发关于在非必要场所停止再配置 哈龙灭火器大通知 1 9 9 5 年，公安部泊防局下发关于落实。关于在非必要场所停止再配置哈 龙灭火器的通知”的通知 1 9 9 6 年7 月，公安部消防局下发：t 哈龙替代品推广应用的规定。对于应 设置气体灭火系统的场所推荐使用二氧化碳和惰性气体灭火系统，也可以使用含 氢氟烃( 肿c ) 的灭火系统。 1 9 8 7 年完成了建筑设计防火规范、高层民用建筑设计规范 、人民防 空工程防火设计规范、建筑灭火器配置设计规范 等四个规范中有关哈龙灭火 器配置和哈龙固定灭火系统设置条款的修订工作，限制了哈龙的使用范围。 根据公安部公消 2 0 0 1 2 1 7 号关于进一步加强哈龙替代品及其替代技术管 理的通知，在我国允许使用的清洁灭火剂主要有三氟甲烷、七氟丙烷、六氟丙 烷、i g 0 1 、i g l o o 、i g 5 5 、1 g 5 4 1 被国际标准化组织认可、推荐的灭火剂。但 技术上比较成熟，各种性能指标比较合理，且具有实际推广应用价值的，在我国 应用较为广泛的是i g 5 4 1 、七氟丙烷和三氟甲烷三种灭火剂 哈龙替代物分为两类，一类是卤代烃，例如七氟丙烷、三氟甲烷、六氟丙烷； 另一类是非卤代烃，例如二氧化碳、i g 5 4 1 、惰性气体等。 1 2 哈龙灭火剂环境影响分析 1 2 1 哈龙灭火剂灭火机理 哈龙灭火剂的灭火机理是一个化学抑制过程。其作用是通过夺去燃烧链式反 应中的活泼自由基来完成哈龙的气化虽然也可以吸热，其蒸气对燃烧区的氧含 量也有一定的稀释作用 卤代烷灭火剂受热或与火焰接触时会发生分解，以卤代烷1 3 0 1 为例： o f , e c e + 毋；c e 与，+ ( 其它氟碳化合物) 假定燃料是甲烷，它在燃烧过程中多半发生如下反应： 2 第一章绪论 2 c h + 0 2 4 + + o h + + c d + ( 其它碳氢化合物) 由前面反应产生的b r 与f 可与未分解的燃料反应： b r + c h , 尼酚+ ( 其它碳氢化合物) ； f + c h , z 矿+ ( 其它碳氢化合物) 甲烷燃烧过程中产生的h 也会与b 反应 b r + h o 时月研 上述反应产生的h b r 与h i ：与火焰中的羟自由基发生如下反应： h b r + o h _ h p + b r ；h f + o h _ h p + f 这个反应使b r 和f 得到再生，又重复上述的反应过程这些反应可以归纳 为下面的三个历程：卤素扑获活泼氢原子( h ) ，可使h 与燃料的进一步的降解 反应分割开来；由燃料氧化反应产生的羟自由基( o h ) 与卤化氢反应生成惰性 的水：通过上述反应活性卤原子得到再生，扑获和除去自由基的过程反复进行。 1 2 2 臭氧层破坏机理 经过世界各国环境科学家多年的研究和观测，臭氧层耗减主要因为人类大量 生产和使用的c f c s ( 氟利昂) ，因其化学性质稳定，在对流层不易被分解而进入 平流层，到达平流层的c f c s 受到阳光中紫外线的照射，分解为a 自由基，参 与对臭氧的消耗。 臭氧的消耗反应还可以通过溴原予进行，这些溴原予是从卤代烷灭火剂即哈 龙中释放出来的，虽然哈龙对臭氧的破坏能力比c f c s 要高，但由于大气中哈龙 的浓度要远低于c f c s ，因此就整体而言哈龙对臭氧的破坏要比c f c s 小。就我 国使用哈龙1 2 1 1 和哈龙1 3 0 1 的数量来看，其对臭氧层的整体破坏能力是c f c s 的1 3 ，破坏作用不可忽视。 1 2 3 臭氧层的作用与现状 臭氧是一种较为简单的分子，由三个氧原子结合而成。臭氧因其所处位置不 同，对地球的影响也极不相同。在接近地球表面的地方，臭氧和生物直接接触， 它主要起破坏作用。因为它会和其它的分子激烈反应，所以近地面臭氧的大量集 第一章绪论 中对生物起毒素作用。但在离地面1 0 - - 5 0 k i n 的大气平流层中，集中了大气中9 0 的臭氧，其中离地面2 2 2 5 k m 处臭氧浓度值达到最高，称其为臭氧层。臭氧 能强烈地吸收紫外线，它是地球上所有生命的保护伞 2 0 世纪7 0 年代以来，从世界各地地面观察站对大气臭氧总量的观测记录发 现，全球臭氧总量有逐渐减少的趋势，且臭氧的减少主要在臭氧层环境科学家 认为，某些活动所散发的物质进入臭氧层后，参与了消耗臭氧的化学反应，破坏 了臭氧层的自然动态平衡，因此出现了臭氧层耗减的迹象。1 9 8 7 年l o 月，南极 上空的臭氧浓度降到了1 9 5 7 1 9 7 8 年间的一半，臭氧空洞面积则扩大到足以覆 盖整个欧洲大陆。1 9 9 4 年l o 月观测到的臭氧空洞曾一度蔓延到南美洲最南端的 上空。从全球范围看，北半球上空的臭氧从冬季到春季有大量减少的趋势，在赤 道附近未出现明显减少趋势。在南半球中纬度则全年都有明显减少的趋势。2 0 世纪9 0 年代后，臭氧空洞的深度和面积等仍在继续扩展，1 9 9 5 年观测到的臭氧 空洞发生期间是7 7 天，到1 9 9 6 年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧空洞 发生期间增加到加天，1 9 9 7 年至今，观测到的臭氧空洞发生的时间也在提前， 1 9 9 8 年臭氧空洞的持续时问超过了1 0 0 天，迹象表明，南极臭氧空洞的耗减状 况仍在恶化之中。 1 2 4 臭氧层破坏产生的危害 1 对人类健康的影响 长期反复照射过量紫外线将因起细胞内d n a 改变，细胞的自身修复能力减 弱，免疫机能减退，皮肤发生弹性组织变性、角质化以致皮肤癌变，诱发眼球晶 体发生白内障等。 2 对陆生楂物的影响 紫外线辐射增加会引起某些植物物种和化学组成发生变化，影响农作物在光 合作用中捕获光能的能力，造成植物获取的营养成分减少，生长速度减慢。还会 改变细胞内的遗传基因和再生能力。 3 ，对永生生物的影响 海洋浮游植物对c 伤的吸收是大气中c o z 的一个重要的消除途径，它们对 未来大气中c 0 2 浓度的变化趋势起着决定性作用海洋对c 0 2 气体的吸收能力 降低，将导致温室加剧。浮游植物的生长局限在光照区，即水体表层有足够光照 4 第一章绪论 的区域。紫外线会影响浮游植物的定向分布和移动，因而降低了这些生物的存活 率。阳光紫外线对鱼、虾、蟹、两栖动物及其它动物的早期发育阶段都有危害作 用 4 对建筑材料的破坏 臭氧层耗损会导致阳光中紫外线辐射的增加会加速建筑、喷涂、包装及电线 电缆等所用材料，尤其是聚合物材料的降解和老化变质特别是在高温和阳光充 足的热带地区，这种破坏作用更为严重。 1 3 课题的提出及研究意义 二十世纪九十年代，我国在已有二氧化碳气体灭火系统的基础上进行哈龙 替代物的研究嘲，相继涌现出七氟丙烷气体灭火系统、1 g 5 4 i 气体灭火系统、三 氟甲烷气体灭火系统等哈龙替代灭火系统1 6 h 1 2 1 并对各替代技术的性能特点、 实际设计进行阐述1 1 3 - 1 1 8 1 ，在此基础上对实际应用场所进行应用1 1 9 h 3 0 。但实际 上，国内对于哈龙替代物灭火裁的研究还是比较浅显，到目前为止只有地方级标 准供设计指导。我国现在只对某些气体进行了试验研究，研究内容不是很全面， 如七氟丙烷灭火浓度的测定，七氟丙烷、三氟甲烷气体灭火系统阻力损失研究等 n 哪”，而在对系统工程应用中哈龙替代物灭火系统的灭火剂、管网流动状态、 喷头出口压力、系统工程应用评价等方面的研究还不是很深入，我国在哈龙替代 物灭火系统的工程应用上还有很多需要解决的问题1 3 2 。 本文在获得大量的国内外资料的基础上，对哈龙替代物灭火剂的理化性能与 系统组件进行分析与研究，对哈龙替代物灭火系统进行环境影响分析；通过具体 试验验证设计参数；获得了标准喷头参数，为系统设计确定喷头型号提供可靠依 据；分析哈龙替代物灭火剂在管网中的流动状态，建立相应的阻力损失计算公式； 结合具体设计实例，分析哈龙替代物灭火系统在设计优化过程设计要素，提出了 进行工程应用评价研究的必要性和主要工作内容等本文根据啥龙替代物的性质 及其灭火系统的特点，从哈龙替代物灭火剂物化性能、环境影响分析、系统设计、 阻力损失，设计浓度、喷头选型、工程经济投资等方面进行分析与研究。 1 4 哈龙替代物国内外研究概况 九十年代初，国外各大公司纷纷投入巨资开展哈龙灭火剂替代物的研制工 作美国大湖化学公司( g r e a t l a k e s c h e m i c a l ，l i d ) 于1 9 9 3 年推出了商品名为 f m 2 0 0 替代哈龙的气体灭火剂。它的结构式为c f 3 c h f c f 3 ，化学名称为七氟丙 第一章绪论 烷；国际标准1 s 0 1 4 5 2 0 中七氟丙烷的名称为h f c - 2 2 7 e a ，这一名称是美国供热、 制冷及空调工程师协会( a s h i u e ) 命名的国外许多大公司和科研机构竞相对 其灭火性能进行测试、研究如：美国海军研究试验室( n r l ) ，3 m 公司，芬 华尔公司( f e n w a l ) ，安素公司( a n s u l ) ，新墨西哥工程研究所o , a 诬e a ) 等均有 文献报导它们的测试报告和研究成果。并相继开发了七氟丙烷、三氟甲烷等气体 灭火系统i j 美国安素( n s u l ) 公司在1 9 9 4 年研制开发了1 6 5 4 1 灭火系统，其英文注册商 标名称为i n e r g e n ( 中文译名为烟烙尽) ，是由惰性气体( i n e r t ) 和氮气( n i t r o g e n ) 两个英文单词缩写而成，从名称上也可以看出其实际上就是惰性气体灭火系统， 但其性能又大大超越了传统意义上的惰性气体灭火系统。它不但符合美国全国消 防协会颁布的n f p a 2 0 0 1 标淮( 洁净药剂灭火系统标淮) ，还得到了美国环保署和 世界环境保护组织的认可。1 9 9 5 年4 月通过国家固定灭火系统和耐火构件质量 监督检验测试中心的检测认证，获淮在中国境内使用。 目前，国际上生产量和使用量最大的合成类哈龙替代物是七氟丙烷，美国的 生产量和使用量居世界首位，美国大潮公司七氟丙烷的年产量为二万五千吨，此 外每年尚需进i h _ - - 千余吨左右我国七氟丙烷的生产1 9 9 6 年实现国产化，目前 国内形成批量千吨级生产能力的有五个厂家。2 0 0 0 年我国向美国和世界其他地 区共出口七氟丙烷一千多吨。国内七氟丙烷的年销售量也呈递增趋势，1 9 9 9 年 约为二百余吨，2 0 0 0 年四百吨，2 0 0 4 年接近四千吨与之配套使用的绝大多数 是我国国内各厂家生产的七氟丙烷灭火系统，使用对象大都集中在电信、移动枢 纽的程控机房，地下铁路控制设施及档案馆、文化馆等重要场所公安部天津消 防研究所分别于1 9 9 6 年和1 9 9 8 年研制成功了我国第一套七氟丙烷灭火系统和 i g 5 4 1 高压惰性混合气体灭火系统( 简称。i g 5 4 1 气体灭火系统”) 近几年国内 又相继推出三氟甲烷、高压细水雾，气溶胶、氮气等灭火系统截至2 0 0 4 年， 生产七氟丙烷系统的厂家已经发展到1 2 0 多家，三氟甲烷生产厂家有2 0 多家， i g 5 4 1 生产厂家有4 0 多家。我国至今除二氧化碳设计规范外，还没有相应的国 家规范对其它哈龙替代物灭火系统进行设计指导 七氟丙烷、三氟甲烷气体灭火系统的灭火效果、系统的综合使用特性和使用 方式接近哈龙，其规模生产和使用成本也接近哈龙，但其本身在灭火过程中会产 生热分解产物，主要是h f 惰性气体( 如i g 5 4 1 ) 类的产品本身不会产生热分 解物质，但由于其灭火效率低，特别是有效降低火场温度的能力、抑制火灾本身 燃烧产物的能力及抗复燃能力又远低于哈龙1 3 0 1 、1 2 1 l 产品另外，贮存压力 6 第一章绪论 和使用压力偏高所带来的安全因素，设备安装和维护难度大，也限制了其使用范 围。 1 5 主要研究内容 l 、根据市场应用馈况，选择哈龙替代物七氟丙烷、三氟甲烷、l g 5 4 l 、二氧 化碳系统作为本课题研究对象，对其理化性能进行分析，比较各种哈龙替代物的 优缺点，确定哈龙替代物灭火系统应用场所； 2 、通过哈龙灭火剂及其替代物在大气、生命安全、保护设备、贮存稳定性、 空间占用率、安全性等方面阐述哈龙灭火剂及其替代物灭火剂的环境影响分析； 3 对哈龙替代物灭火剂毒性提出评价准则； 4 、通过七氟丙烷气体灭火试验，验证七氟丙烷气体灭火参数，研究各参数 之间的联系； 6 、分析哈龙替代物灭火系统设计各要素，研究哈龙替代物灭火系统工程应 用评价技术； 7 、通过具体计算，比较哈龙替代物灭火系统设备投资及发展趋势； 1 6 课题研究的技术路线 本课题通过大量的资料检索，确定七氟丙烷、三氟甲烷、i g 5 4 1 气体、二氧 化碳气体灭火系统为研究对象，通过灭火剂理化性能、毒性、灭火试验、具体工 程设计研究，对哈龙替代物灭火系统设计参数进行分析，给出系统工程应用评价 技术的研究，在充分市场调研的基础上，对四种哈龙替代物灭火系统的工程设备 投资进行探讨，确定哈龙替代物灭火系统的发展前景同时也给出本课题研究的 不足与改进。 课题研究程序 1 准各阶段，明确研究对象、研究内容，收集国内外相关研究、标准、系 统工程、设计技术资料。 2 哈龙替代物灭火系统的系统组件及其分析，根据研究对象，对应用工程 的灭火系统进行主要要素进行分析，从环境保护、毒性危害、系统设计进行合理 的定性、定量评价。 7 第一章绪论 3 试验研究阶段，对七氟丙烷气体灭火系统进行灭火试验，验证设计参数， 确定压力喷射率曲线。 4 在以上研究基础上，对哈龙替代物灭火系统的设计过程中运用的参数、 公式进行研究探讨，结合具体工程实际给出最佳设计方案，给出工程应用评价的 流程图。 图i - i 课题研究技术路线 0 第二章哈龙替代物灭火系统组件 第二章哈龙替代物灭火系统组件 国内相当数量的生产厂商为满足市场需求，在没有开展全面、系统的基础研 究及应用性研究的情况下，仅凭借企业自身标准通过哈龙替代物灭火系统的型式 检验结论上市销售。由于这些生产者对产品在应用过程中所应具备的基本性能都 不甚了解，从而更谈不上针对系统的适用性和安全性要求去规范产品的研制及生 产过程使用这种盲i l l 和随意状态下生产的产品，在很大程度上非但不能解决安 全防护问题，反而会带来一系列新的隐患。本章主要从哈龙替代物灭火系统的系 统进行分析，给出各系统的适用性与安全性要求 2 1 灭火剂 2 1 1 概况 自2 0 世纪8 0 年代以来，气体灭火剂在我国的灭火器和固定灭火系统上得到 了广泛应用。但自科学家发现哈龙1 2 1 l 和) 3 0 1 灭火剂中含有的溴，氯元素会破 坏大气中臭氧层以后，立即引起了国际社会的关注，并采取了相应的行动停止生 产和逐步淘汰，同时研究新的替代技术西方经济发达国家在1 9 9 4 年1 月就已 停止生产哈龙灭火剂，丹麦则在1 9 9 3 年1 月就停止生产销售和使用哈龙灭火剂 1 2 1 1 我国将于2 0 1 0 年完全停止生产哈龙灭火剂。近十凡年来，各国在寻找新 的替代哈龙的气体灭火；f l j 方面进行了卓有成效的努力1 1 1 l 习。现有哈龙替代技术 多种多样，有的已经很成熟，有的还需要进一步研究。 2 1 2 三氟甲烷灭火剂 三氟甲烷( h f c 2 3 ) 是无色、几乎无味、不导电的气体，其密度大约是空气 密度的2 a 倍。三氟甲烷灭火剂是液态贮存，气态释放，三氟甲烷蒸气压力高， 不需要氮气加压可自行喷放，该气体密度小，可适用于楼层很高和管网很大的工 程，此外，三氯甲烷灭火系统使用温度范围广，环境温度为一2 0 5 0 ，在我 国北方广大寒冷地区使用，更能发挥其优越性 三氟甲烷灭火剂是一种化学灭火剂，它能在火焰的高温中分解产生活性游离 基，这些游离基参与物质燃烧过程中的化学反应，清除维持燃烧所必须的活性游 离基o h 、旷等，并生成稳定的分子，从而对燃烧反应起抑制作用，并使燃烧过 程中的反应链中断而灭火。也就是说，这类灭火剂对物质燃烧的化学反应过程实 第二章哈龙替代物灭火系绕组件 际上起着负催化剂的作用灭火作用主要是化学作用过程。 三氟甲烷气体灭火系统可以用来扑灭固体表面火灾、可燃液体火灾、可燃气 体火灾和电气火灾三氟甲烷不导电，绝缘性好，特别是用来扑灭通讯机房、电 气设备、磁带和资料等保护区的火灾更为有利。 瑚屯2 3 技术指标见表2 一l ，h f c 2 3 的物理性能见表2 - 2 ，h f c 2 3 的毒性指标 见表2 - 3 。 表2 1h f c 2 3 技术性能 性能 技术指标 纯度 9 9 5 ( m o l m 0 1 ) 酸度3 1 0 4 质量比 水含量 2 1o 吆质量比( l o p p m ) 不挥发残余物o 1 0 质量比 悬浮物或沉淀物 不可见 表2 - 2h f c 2 3 物理性能 物理性能单位数值 分子量 7 0 1 0 1 3 b a x 绝对大气压下沸点 ，8 2 o 凝固点 1 s 5 2 临界温度 2 5 9 临界压力 b a t a b s 4 8 3 6 临界体积c c m o l e 1 3 3 临界密度 k g m 3 5 2 5 2 0 时蒸汽压b a r a b s4 1 8 0 2 0 时液体密度 j 【g n 1 3 s 0 6 6 2 0 c 时饱和蒸汽密度k g m 3 2 6 3 0 2 0 时1 0 1 3 b a r 时过压蒸汽的比容 m 3 k g 0 3 4 0 9 化学分子式c h f 3 化学名称三氟甲烷 第二章哈龙替代物灭火系统组件 表2 - 3h f c 2 3 毒性指标 性能指标 a l c 6 5 未观察到有害作用浓度0 n o a e l ) 5 0 可观察有害作用最低浓度( l o a e l ) 5 0 注：a 1 c 是鼠群在暴露4 小时过程中致命的大约浓度。 2 1 3 七氟丙烷灭火捐 七氟丙烷灭火剂具有无色、无味、热稳定性和化学稳定性良好等性质，在火 灾后无固、液相残留物，灭火效能高、设计灭火浓度低，喷射到防护区内能立即 闪蒸成气态，并在封闭空间内各向分布迅速均匀，可作全淹没灭火剂，届可液化 储存气体，不导电、不击穿电子电器设备。七氟丙烷的0 b p ( 臭氧层的破坏潜能) 值为零。同二氧化碳相比较，用于灭火系统中的七氟丙烷所产生的温室效应作用 可以忽略不计h t 0 c ( 哈龙灭火剂技术选择委员会) 认为这种灭火剂的捧放不大可 能导致有明显的环境影响。 玎c 2 2 7 乩技术指标见表2 _ 4 ，h f c 2 2 7 e a 物理性能见 表2 - 5 ，瑚2 2 t e a 毒性指标见表2 _ 6 表2 - 4l f c 2 2 7 e a 技术性能 性能技术指标 纯度 9 9 6 质量比 酸度3 1 矿质量比 水含量 l l o 3 质量比( 1 0 p p m ) 不挥发残余物0 0 1 质量比 悬浮物或沉淀物不可见 第二章哈龙替代物灭火系统组件 表2 5h f c 2 2 7 e a 物理性能 物理性能单位数值 分子量 1 7 0 1 0 1 3 b a r 绝对大气压下沸点 1 6 4 凝固点 1 3 1 1 临界温度 1 0 1 7 临界压力 b a r a b s 2 9 1 2 临界体积 m o l e2 7 4 临界密度k g m 3 6 2 l 2 0 时蒸汽压 b a r a l a s3 9 l 2 0 时液体密度 k g m 3 1 4 0 7 2 0 时饱和蒸汽密度 k g m 3 3 1 1 7 6 2 0 时1 0 1 3 b a r 时过压蒸汽的比容 m 3 k g o 1 3 7 3 化学分子式 c f 3 c h f c f 3 化学名称七氟丙烷 表2 _ 6h f c 2 2 7 毒性指标 性能指标 a l c 2 w d ) 2 时 8 0 未观察到有害作用浓度( n o a e l ) 9 0 可观察有害作用最低浓度c l o a e l ) 1 0 5 注：a i c 是鼠群在暴露4 小时过程中致命的大约浓度 2 1 4i g 5 4 1 洁净气体灭火剂 1 g 5 4 1 灭火剂是一种无色、无味、不导电的混合气体，其密度大约和空气密 1 2 第二章哈龙替代物灭火系统组件 度相等，由5 2 氮、4 0 氩、8 - - 氧化碳组成，属于惰性气体灭火剂。i g 5 4 1 的释放只是将天然气体放回大气，0 d p ( 臭氧层的耗损潜能值) 等于零、g w p ( 温 室效应潜能值) 等于零，在大气层中存留时问很短，是一种绿色环保型灭火剂。 在灭火时不会发生任何化学反应，不污染环境，无毒、无腐蚀性，无任何残留物， 具有良好的电绝缘性能，不会对保护设备构成危害i g 5 4 1 技术指标见表2 7 ， i g 5 4 1 物理性能见表2 8 ，i g 5 4 1 毒性指标见表2 - 9 表2 - 7i g - 5 4 1 技术性能 指标氩气氮气氩气 纯度 湿度 氧 9 9 9 7 0 , 4 体积比 4 1 旷质量比 3 1 0 - ) o , 4 质量比 9 9 9 9 体积比 5 1 0 4 质量比 3 1 0 4 质量比 9 9 5 体积比 1x1 0 - 3 质量比 l l o - 3 质量比 注：只列出了主要杂质，其它测量应包括碳氢化合物、c o 、n o 、n o z 、c 0 2 、 0 2 等，2 0 l 矿 表2 - 8i g 一5 4 1 物理性能 物理性能单位数值 分子量 3 4 0 1 0 1 3 b a r 绝对大气压下沸点1 9 6 凝固点 7 8 5 临界温度 临界压力 b a r a b s 临界体积c m 3 t o o l e 临界密度 k g m ? 2 0 时蒸汽压b a r a l a s1 5 2 2 0 时液体密度 k g m 3 2 0 时饱和蒸汽密度 k g m 3 2 0 时1 0 1 3 b a r 时过压蒸汽的比容 m 3 k g o 6 9 7 化学分子式 n 25 2 体积 a r4 0 体积 c 0 28 体积 化学名称氮气，氩气，二氧化碳 第二章哈龙替代物灭火系统组件 表2 - 9i g - 5 4 1 毒性指标 性能指标 不可见有害作用等级o q o a e l ) 最低可见有害作用等级( l o a e l ) 4 3 5 2 注：以上数值是以人体缺氧的生理影响为基础的数值表示为n o a e l 和 a e l ，对应无影响时最低1 2 的氧浓度和低影响时的1 0 的氧浓度。 2 1 5 二氧化碳气体灭火剂 在常温常压条件下，二氧化碳的物态为气相。它的临界温度是3 1 ，临界 压力为7 4 m p a 固、液、气三相共存点温度为一5 6 6 ，该点压力o 5 2 m p a 。在 此压力下，液相不复存在，在此温度以上，固相不复存在故在三相点与l i 盎界点 之间存在于密闭容器中的二氧化碳是以气液两相共存，其压力随着温度的升高而 增加。二氧化碳灭火系统设计依此情况选定两个储存温度作为设计系统的两个额 定状态，而分别称其为高压储存系统与低压储存系统其储压的设计值分别取 5 2 与2 i m p a 但实际高压储存系统的使用温度范围较宽，为o 4 9 。在灭火 中，二氧化碳从储存系统喷放出来，压力会骤然下降，使得二氧化碳迅速由液态 转变成气态；又因焓降的关系，温度急剧下降，当其达到一5 6 以下，气相的二 氧化碳有一部分交成微细的干冰( 固相) 。干冰比气体更容易穿透火焰达到燃烧 表面，并且干冰升华时吸热又更多地冷却燃烧表面但二氧化碳的灭火作用主要 在于窒息，冷却起次要作用。冷却效果只相当于水的十分之一二氧化碳对易燃 液体、易燃气体火灾和电器火灾有较好的灭火效能；对固体物质中的有机物，特 别是那些能产生炽热无燃烧的，其灭火效能就低一些，必须保持一定的抑制时间 才能将火彻底扑灭 2 1 6 哈龙替代物灭火剂的选择 综上所述，哈龙替代物灭火剂