新型洁净高效气体灭火剂CFA的性能研究

邓飞云，杨满江，谢承利

(1.海军驻江南造船(集团)有限责任公司军代表室，上海 201913；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



新型洁净高效气体灭火剂CFA的性能研究

邓飞云1，杨满江2，谢承利2

(1.海军驻江南造船(集团)有限责任公司军代表室，上海 201913；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：BTP与氟化物混合的CSSC-FA(CFA)灭火剂是一种新型洁净气体灭火剂，通过杯式灭火试验、全尺度灭火试验、毒性试验、热解试验、质谱分析及理论计算等多种方法，对CFA的灭火性能、毒性、环境友好性等重要特性进行分析，结果表明，CFA继承了BTP的高效灭火、环境友好等优点，同时毒性相对BTP降低，总体性能优于哈龙1301，具有广泛的应用前景。

关键词：洁净气体灭火剂；BTP；CFA；灭火性能；环境友好性；毒性

1301等“哈龙”系列灭火剂由于对臭氧层的严重破坏作用已经被一系列的国际公约禁止生产和使用，开发清洁高效的哈龙替代灭火剂是目前世界各国面临的迫切任务之一[1-3]。一溴三氟丙烯灭火剂(BTP)是当前一种具有较大应用潜力的哈龙替代产品。BTP分子结构中含有碳=碳双键，在大气环境中容易分解。研究表明，BTP在大气中的存活寿命仅为几天的时间，不会进入臭氧层对其造成破坏，大气温室效应值(GWP)和大气臭氧耗损值(ODP)基本为零[4-5]。同时，BTP分子结构中含有Br元素，在和火焰的作用过程中可以切断燃烧链反应，具有高效的灭火性能。此外，BTP的典型灭火浓度(文中的浓度均指提交浓度)为3.5%，灭火性能显著优于“哈龙”系列灭火剂。但BTP的毒性不太理想，其未观察到损害作用的浓度(NOAEL)为2.6%，最小有害作用的浓度(LOAEL)为4%，最小有害作用浓度与典型灭火浓度相近，限制了BTP的进一步应用[6-7]。针对九江中船消防设备有限公司基于BTP与环境友好的氟化物的优化配比研发的CSSC-FA(CFA)灭火剂，通过杯式灭火试验、全尺度灭火试验、毒性试验、热解试验、光谱分析及理论计算等多种方法，对CFA的灭火性能、毒性、环境友好性等重要特性进行分析，并与哈龙1301进行对比，综合评估CFA的整体性能。

1CFA基本性能

1.1毒性

1.1.1试验设计

依据《新化学品危害评估导则》(HJ/T 154-2004)、《化学品急性吸入毒性试验方法》(GB/T 21605-2008)及《气体灭火剂的毒性试验和评价方法》(GA/T636-2006)设计CFA毒性的白鼠试验。试验中将10只大白鼠(雌雄各半)置于密闭的玻璃箱内，采用静式染毒法，测量CFA的毒性。见图1。

1.1.2结果分析

CFA的毒性分级见表1，CFA与BTP、1301的毒性对比见表2。分析可见：

1)CFA是一种基本无毒的灭火剂。

2)CFA的毒性低于BTP或1301。

3)CFA的典型设计浓度为3.5%，最小有害作用的浓度为6%，从安全余量分析，CFA对人员是安全的。

表1　CFA毒性分级

表2　CFA与BTP、1301的毒性对比　%

注：NOAEL-未观察到损害作用的浓度；LOAEL-最小有害作用的浓度。

1.2环境友好性研究

1.2.1方法设计

灭火剂的环境友好性主要体现在臭氧损耗值(ODP)、温室效应值(GWP)及在大气存活时间(年)。通过热解试验检测CFA的热解产物，主要为CF3CCH和CFBrCH2；通过质谱试验，检测了CFA的光解产物主要为CF3CHBrCHO，CF3C(O)CH2OH和CF3C(O)CH3。在此基础上，应用量子化学从头算和密度泛函理论，从理论上计算CFA的ODP、GWP及大气存活时间。

图2CFA热解反应过程

图3　CFA及各反应产物含量随时间的变化的质谱分析

1.2.2结果分析

1301和CFA环境友好性能对比见表3。分析可见：

1)CFA的热解产物在高温环境下或光解产物在光子作用下，均容易与大气中的OH·发生催化反应而发生裂解，生成性能更稳定且不破坏环境的酮化物，是一种对大气臭氧的危害近乎为零绿色环保产品。

表3　1301和CFA环保性能对比

注：ODP值取CFC-11的相对值；GWP值取CO2的相对值。

2)CFA的环境友好性明显高于1301。

2CFA的灭火性能

2.1杯式灭火试验

2.1.1试验设计

杯式燃烧器被广泛用于测量灭火剂的灭火浓度。依据《气体灭火剂灭火性能测试方法》(GB/T 20702-2006)，设计了CFA灭火浓度测量的杯式试验仪器(见图4)。试验仪器主要包括杯式燃烧器、燃料供给装置、灭火剂供给装置和各部分测量控制装置组成，测量仪器主要包括热电偶和摄像机。通过热电偶的测量和对火焰的直接观察来综合判断灭火浓度。见图4。

图4　杯式试验仪器示意

2.1.2结果分析

CFA对于不同可燃物的灭火浓度见表4，CFA与1301的灭火浓度对比见表5。分析可见：

1)CFA对于各种可燃物均具有较好的灭火性能，对于可燃液体的灭火性能最好，对于可燃固体和可燃气体的灭火性能相对较差。

2)对于可燃液体而言，CFA的灭火性能限制优于1301。

表4　CFA对于不同可燃物的灭火浓度　%

2.2尺度灭火试验

2.2.1试验设计

依据MSC/Circ848《经修正的1974年SOLAS公约所规定适用于机器处所和货油泵舱的固定式气体灭火系统的等效系统认可导则》，设计CFA的全尺度灭火试验[8-9]。

试验室尺寸为12.5 m×8 m×5.7 m，设置总功率为6 MW的4 m2油盘置于遮挡物的下方(见图5)，在试验室顶部设置灭火管系,见图6。

图5　全尺度灭火试验示意

图6　灭火系统布置示意

对CFA按灭火浓度3.5%和1301按灭火浓度4.25%进行对比灭火试验，试验中通过摄像机和和对火焰的直接观察来综合判断灭火时间。

2.2.2结果分析

CFA熄灭4 m2油池火的全尺度灭火试验过程记录见图7，CFA和1301的全尺度灭火性能对比见表6。分析可见：

1)CFA可以有效抑制和扑灭大空间的油池火。

2)在同种试验情况下，CFA的灭火时间与1301基本相当，CFA灭火剂的用量小于1301灭火剂的用量。

图7　CFA全尺度灭火试验过程记录

灭火剂设计灭火浓度/%灭火剂用量/kg灭火时间/s13014.2518010CFA3.516011

3结论

1)CFA灭火剂继承了BTP的优点，对于各种可燃物均具有优良的灭火性能，特别是对于可燃液体的灭火性能尤佳。

2)CFA相对于BTP降低了毒性，其对于人员是安全的。

3)相比于1301，CFA在灭火性能、毒性、环境友好性等多个方面均具有明显优势，具有替代“哈龙”系列灭火剂的广泛应用前景。

参考文献

[1] KENNEDY E.M., LI K. A process for disposal of halon 1301(CBrF3)[J] . Chemical Engineering Communications， 1999,176:195-200.

[2] 彭玉辉,曾勇,郑兴海.舰船哈龙灭火剂替代产品和气体灭火的选型分析[J].中国舰船研究，2007,2(5):72-75.

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[9] LI K, OGHANNA F. Pyrolysis of Halon 1301 over zeolite catalysts[J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2000,35-6:219-226.

Performance Analysis of CFA, a New Kind of Environment Friendly and Efficient Fire-extinguishing Agent

DENG Fei-yun1, YANG Man-jiang2, XIE Cheng-li2

(1 Naval Military Representative Department of Jiangnan Shipyard, Shanghai 201913, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:CSSC-FA(CFA)by BTP mixed with some fluorides is a new kind of environment friendly and efficient gas fire-extinguishing agent. Based on different methods such as cup Buner fire extinguishing experiment, full scale fire extinguishing experiment, toxicity test, pyrolysis experiment, mass spectrometry analysis and theoretical calculation, the fire-extinguish performance, toxicity and environment friendly performance of the CFA are studied. The results indicated that CFA inherits the advantages of efficiency and environment friendly of BTP, with lower toxicity than BTP. The CFA agent can replace Halong fire extinguishing agent.

Key words:gas fire-extinguishing agent; BTP; CFA; fire-extinguishing performance; environment friendly; toxicity

中图分类号：U698.4

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0061-04

第一作者简介：邓飞云(1979-)，男，学士，工程师E-mail:luuyj@hotmail.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.017

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶消防