灭火剂的灭火类型及机理

周 波

中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊 065000

火是人类文明的象征，它在人类发展和社会进步中有着举足轻重的作用。然而，火若失去控制，便会危及生命财产和自然资源，酿成灾害[1]。来自公安部消防局的数据显示，2001～2010十年间全国共发生火灾201.18万起，死伤39881人，直接财产损失达1496921万元。火灾不仅造成人身财产损失，同时对环境也造成巨大的危害[2]，那么如何有效扑灭火灾，减少损失，挽救人民生命和保障国家财产安全则成为广大研究者的任务之一。灭火剂是指能够有效地破坏燃烧条件，终止燃烧的物质。火灾发生时，及时正确地使用灭火剂将大大减少生命和财产的损失。

1 火灾的分类

依据火灾类型不同选择灭火剂能够发挥最大的灭火效能和经济效益。根据GB/T 4968-2008《火灾分类》国家标准，火灾分为六类:

A 类火灾:固体物质火灾。这种物质通常具有有机物性质，一般在燃烧时能产生灼热的余烬。

B 类火灾:液体或可熔化的固体物质火灾。

C 类火灾:气体火灾。

D 类火灾:金属火灾。

E 类火灾:带电火灾。物体带电燃烧的火灾。

F 类火灾:烹饪器具内的烹饪物（如动植物油脂）火灾。

2 灭火剂的分类、特点及灭火机理

2.1 液体灭火剂

2.1.1 水

水适于扑灭A类火灾。其廉价易得，来源广泛，对环境无污染，水成为扑救火灾时最经常使用的灭火剂[3]。但水也存在着明显的不足，水的流动性很强，大部分水常常未发挥作用就已经流失，其利用率很低。为了提高水的灭火性能，减少水的流失，人们进行了大量的研究工作[4]。

水灭火的机理主要依靠冷却和窒息作用。水的汽化热为40.8kJ·mol-1，每千克水吸收2260kJ的热量，水被蒸发后，吸收大量的热，降低燃烧物表面温度使火焰熄灭。此外，水气化后每千克体积将膨胀1700倍左，大量稀释燃烧区内的氧气，使燃烧物质因缺氧而停止燃烧，从而达到窒息灭火的目的。

2.1.2 细水雾灭火剂

细水雾是指在最小设计工作压力下，距喷嘴1m处的平面上，99%的水雾直径小于1000μm。细水雾具有无环境污染、无臭氧损耗、无温室效应、灭火迅速、耗水量低、对失火对象破坏性小，可以扑灭A、B、C和F类火灾，受到国内外广大研究者的广泛关注，细水雾已成为哈龙灭火剂的替代品之一[5]。但细水雾设备复杂，造价高，技术要求严格，所以在应用方面受到了一定的限制。

细水雾的灭火机理与水类似，具有冷却和窒息作用，但普通水经过细化后，其比表面积较一般水滴增大，增大了水和火焰的接触面积，在火场中水能够完全蒸发，吸热效率提高。细水雾通过对燃烧物的润湿和乳化作用阻挡热辐射，降低对可燃物的热反馈，减少固体可燃物的分解和液体可燃物的汽化蒸发，从而降低了燃烧区内可燃气体含量。燃烧物质的化学反应速率和火焰传播速率大大降低。细水雾还可以射入火区深部，灭火效果将大幅度提高[3]。

2.1.3 泡沫灭火剂

泡沫灭火剂是能与水相容，并且可以通过化学反应或机械方法产生灭火泡沫的灭火药剂。种类有:空气泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂、水成膜泡沫灭火剂和抗溶性泡沫灭火剂等[6]。

上述泡沫灭火剂虽然可以扑救A类火灾，但由于具有泡沫冲击量小，难以穿越燃烧区，泡沫不能长期覆盖燃料表面等缺点，所以泡沫灭火剂常用来扑灭B、F类火灾[3]。A类泡沫灭火剂克服了上述泡沫灭火剂的缺点，对A、B、F类火灾都可以高效快速的扑灭，是集强化水、一般泡沫灭火剂的优点于一体的灭火剂。

泡沫灭火剂的灭火机理主要利用水的冷却作用和泡沫隔绝空气的窒息作用来灭火。灭火时泡沫在燃烧物表面形成的泡沫覆盖层可使燃烧物与空气隔离，阻挡火焰对燃烧物的热辐射，降低燃烧物的分解、蒸发，使可燃气体难以进入燃烧区域具有窒息作用。泡沫中析出的水可吸收热量蒸发降低燃烧区域的温度，水蒸气还可稀释燃烧区内氧气具有冷却和窒息作用。

2.2 固体灭火剂

2.2.1 干粉灭火剂

干粉灭火剂分为BC干粉和ABC干粉。BC干粉大都是以NaHCO3为主要原料，可以扑救B、C、E、F类火灾。NaHCO3生产量大，价格低廉，致使不法商家考虑成本时，在很多具有A类物质的场所配备BC干粉灭火器，一旦发生火灾，将无法扑救，酿成灾难。

ABC干粉灭火剂主要成分为磷酸铵盐，可以扑救A、B、C、F类火灾。具有灭火效率高，速度快，使用温度范围广，对环境、人畜无毒害等特点，目前已取代BC干粉灭火剂，成为哈龙替代品之一。但其缺点也很明显，抗复燃性差，灭火后具有残留等问题[7]。

灭火机理:燃烧是一种链式反应过程。可燃物分子在高温下产生维持燃烧链式反应的关键自由基OH·、H·和O·，并依靠这些高活性自由基传播反应，维持燃烧的持续进行。干粉灭火剂能够消耗这些高活性自由基，当粉粒与火焰中产生的自由基接触时，自由基被瞬时吸附在粉粒表面，发生反应:

高活性自由基被消耗，使燃烧的链式反应终止，从而熄灭火焰。除此外，粉粒比表面积大，易吸收热量，具有降温作用；高温下熔化的粉粒形成玻璃状覆盖层，隔绝空气和燃烧物，具有窒息作用。

2.2.2 气溶胶灭火剂

气溶胶灭火剂哈龙替代品之一，是一种可悬浮于空气中的微米级干粉微粒，由氧化剂、还原剂及粘和剂构成，通过燃烧反应产生的灭火介质。具有灭火速度快、效率高、价格便宜、空间淹没性好、臭氧消耗潜在值和温室效应潜能值低、可常压贮存等优点。适用于A、B、C、E类火灾。气溶胶在灭火属于非洁净灭火剂，灭火后有一定残留，而且由于它是通过燃烧方式产生的，故灭火剂本身存在火灾危险性。根据产生气溶胶温度的不同，可以分为热气溶胶灭火剂和冷气溶胶灭火剂[8]。

气溶胶灭火机理主要在于物理降温和化学抑制两个方面的联合作用[7]。首先物理方面，微米级灭火剂比表面积大，极易吸收火焰热量，在吸收热量足够时微粒熔化或气化，这一过程将吸收大量的热，从而降低燃烧物温度。其次在化学抑制方面，气溶胶粒子表面能很高，可以吸附燃烧中的活性基团OH·、H·和O·，使自由基间组合成稳定的分子，使燃烧的链式反应中断，产生瞬时灭火并能有效防止复燃[9]。同时，在高温的作用下，气溶胶粒子分解出的阳离子与H·、OH·发生多次链反应，消耗抑制OH·、H·和O·反应，达到灭火效果。

2.3 气体灭火剂

2.3.1 七氟丙烷灭火剂

七氟丙烷以化学式为CF3CFHCF3，可以扑救A、B、C、E类火灾。具有灭火迅速，用量少，易存储，灭火后无残留，不击穿电子元件，无臭氧损耗等优点，在灭火性能上最接近哈龙灭火系统的替代品，具有广泛应用[10]。但七氟丙烷具有温室效应（GWP为3200），大气存活31～42年。灭火时发生分解释放有毒气体HF。傅学成，陈涛等[11]考察了七氟丙烷与火焰作用对HF产生的影响，认为七氟丙烷体积分数大于1.3%，灭火时间高于10s，HF含量超过4000mg·m-3。

灭火机理通过物理降温与窒息和化学抑制灭火。液态存储的七氟丙烷释放出气化吸收大量的热具有降温作用，同时七氟丙烷密度是空气6倍，可以覆盖在燃烧物表面隔绝空气而使燃烧窒息。但七氟丙烷主要以化学抑制灭火，灭火剂在火焰中热分解产生 ·CF3、·CF2、·CF3CFO、·CFO 等含氟自由基 ,含氟自由基与燃烧中的活性基团OH·、H·和O·作用，使燃烧的链式反应中断[12]。

2.3.2 二氧化碳灭火剂

CO2比空气重，长期存放不变质，灭火后能很快散逸，不留痕迹，对被保护物无毒害，电绝缘性高，来源丰富，价格低，适用于扑救A、B、E、F类火灾。 但使用CO2灭火时，其使用量大，抗复燃性能差，并且CO2浓度达到20%就会导致人体死亡，因此在经常有人工活动场所须慎重使用[13]。

灭火机理是主要通过CO2的窒息和冷却作用灭火。CO2密度大于空气，可以覆盖在燃烧物表面，隔绝空气，当二氧化碳含量达到30%～35%时，火焰即可熄灭。另外，灭火剂CO2以液态形式存储，使用时CO2释放出来，压力会骤然下降，使得CO2迅速由液态转化为气态，温度会急剧下降，当其达到-56℃以下时，气相CO2有一部分会转变成 “干冰”。干冰温度为-78.15℃，喷向着火处时，立即汽化，这些过程将吸收大量的热，从而降低燃烧物的温度使火焰熄灭。

2.3.3 烟烙尽灭火剂

烟烙尽灭火剂哈龙替代品之一，由50%氮气、42%氩气和8%二氧化碳组成，可用于扑灭A、B以及C 类火灾。烟烙尽具有不污染环境，无臭氧损耗、无温室效应，对设备及资料无腐蚀、破坏作用，对人体无害等优点。但由于其灭火浓度高，喷射时间长（约60s），灭火速度较低，故而扑灭B 类火灾的效果不如扑灭A 类火灾的效果好[13]。

烟烙烬主要通过降低防护区内的氧气浓度，达到窒息灭火的效果，通常空气含有21%的氧气和小于1%的二氧化碳，如果氧气含量降低到15%以下，大部分普通可燃物将停止燃烧。将烟烙烬灭火剂释放后，可以在一分钟内将燃烧区域内的氧气浓度迅速降至12.5%，可燃物由于缺氧而停止燃烧，从而达到灭火的目的。

3 展望

随着我国经济高速发展，各类火灾事故不断，科研工作者为了寻求高效、环保的灭火剂做出了巨大的努力，灭火剂研究也取得了巨大的发展。目前灭火剂的品种和数量已经基本满足灭火需求，但现有各类灭火剂性能差异较大，每种灭火剂的优势和不足非常明显，灭火剂适宜的火灾类型不同，不同场所需配备不同灭火剂，特别是我国从1991年加入《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的国际公约，决定2010年将哈龙灭火剂全部淘汰[14]。因此，进一步加强对新型环保、高效、适合各类火灾的“傻瓜式”灭火剂的研发，积极寻找可完全替代哈龙灭火剂新型产品。同时对现有灭火剂进一步筛选，寻找适宜组合类型，将不同类的灭火剂联合使用，发挥各类灭火剂优势，取长补短，减少火灾的威胁将是未来灭火剂研发及选用的基本方向。

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