第三节　惰性气体灭火剂

按照国家标准《惰性气体灭火剂》(GB 20128—2006)，惰性气体灭火剂是由氮气、氩气以及二氧化碳按一定质量比混合而成的灭火剂。惰性气体灭火剂IG-01是由氩气单独组成的气体灭火剂。IG-100是由氮气单独组成的气体灭火剂。惰性气体灭火剂IG-55是由氩气和氮气按一定比例混合而成的气体灭火剂。惰性气体灭火剂IG-541是由氩气、氮气和二氧化碳按一定比例混合而成的气体灭火剂。

一、惰性气体灭火剂的特点

惰性气体灭火剂的主要成分如氩气、氮气和二氧化碳等气体都是属于大气中已经存在的纯自然气体，且它们的物理、化学性质都很稳定，即使在高温条件下也不会分解产生对环境造成污染的物质。因此，惰性气体是一种有益于环境保护的洁净灭火剂。此外，惰性气体灭火系统可用于有人活动的场合，对人身安全不会产生危险。

二、惰性气体熄灭燃烧的机理

1.稀释作用

作为惰性稀释剂常使用氮气、二氧化碳、水蒸气，较少使用氦、氩以及一些其他气体。这些气体一进入反应区，便降低单位体积中可燃物和氧化剂分子的浓度，同时也就减少了分子间的有效撞碰数。这将降低反应速率、产热速率、温度，使反应区的温度降至T熄。当氧气浓度接近14%时，扩散燃烧将停止。

2.降温作用

除了上述用简单稀释方法熄灭燃烧的机理外，惰性气体根据其物理性质以各种方式对燃烧反应区进行作用。具有周围环境温度20～30℃的惰性气体进入反应区时很快受热，使温度上升近1000℃，同时散掉一些热量，散热量可用下式求定：

Q惰性=V惰性ρ惰性Cp惰性Δt中性

(2-1)

式中　V惰性——供入燃烧区的中性气体体积；

ρ惰性——惰性气体密度；

Cp惰性——惰性气体的比热容；

Δt中性——中性气体与燃烧区的温度差。

可见，投入反应区的惰性气体的比热容越大，其灭火效果就越好。某些惰性气体除了能减低产热速率和由燃烧区增大散热速率外，还能靠急剧增大气体混合物的热导系数来增大散热速率。如氦气就是以这种熄灭燃烧的机理发挥作用的(氦气的热导系数是氮气的6倍)。此时由于在动力燃烧状况下，向新可燃混合物的散热加强了，因此，导入惰性气体，火焰的传播速率应该是升高的，用惰性气体熄灭燃烧作为稀释因素，它与空气消耗系数α不相关，与惰性气体的热导率无关，但与惰性气体的稀释度相关，与复合参数Cp/K相关(见图2-1)。

在投入稀释剂之后，气体混合物热传导性升高并没有提高惰性气体的灭火有效性，而是降低其灭火有效性，这是因为投入惰性气体时，增强了向新鲜可燃物的散热强度，即T混≪T反应区(向燃烧产物的散热增加不大，因为T反应区≈T产物，因而影响不大)。

由反应区移走的热量q与热导率K和温度梯度dT/dx成正比；；向可燃混合物方向的温度梯度比向燃烧产物方向的温度梯度高数十倍甚至上百倍。

对进入燃烧区的新鲜混合物的热传播得到强化，因而加速燃烧过程。所以，热导率K置于分母，它能决定惰性气体的灭火效果。

3. 惰性气体的灭火有效性的定量分析

对惰性气体的灭火有效性的定量分析，是从空气中约占80%的最简单气体——氮气开始的。其灭火浓度等于35%～40%，此时氧浓度下降至14%～15%，在这个浓度下，扩散燃烧将终止(由于混合物中氧浓度低)，氦的灭火效果也大致如此(稍低些)。但氦的热传导性比氮高6倍，而且氦的比热容比氮高5倍，KHe≈6KN2，CpHe≈5CpN2。所以，

(2-2)

相应地，αHe=αN2。

分析氩和二氧化碳的一些参数表明，这些稀释剂的热传导性大致相等：

KCO2=13.6W/(m·K)，而KAr=16.6W/(m·K)

它们之间的比热容几乎相差2倍：

CpCO2=0.91kJ/(kg·K)，CpAr=0.53kJ/(kg·K)

而它们的复合参数Cp/K分别等于：

二氧化碳

(2-3)

氩

(2-4)

它们的比值等于：

(2-5)

即CO2的灭火效果比氩的灭火效果高约2倍。

对甲烷与空气混合物(甲烷在空气中占5%～15%)燃烧时，确定灭火浓度的实验表明，为完全终止燃烧反应，需将氩约加到总体积的53%，而二氧化碳要加到总体积的27%，即αAr≈αCO2，准确地是53/27≈1.97。氩的灭火浓度几乎比CO2高约2倍，即与复合参数比值Cp/K呈反比。由此可得出，灭火剂的作用机理或是稀释和减低产热速率的方法终止燃烧的机理，或是用加热导入的惰性气体以增大散热的方法终止燃烧的机理，或是增大反应区向外散热的机理等。

对不同的可燃物料来说，同类惰性气体的灭火浓度(能完全终止燃烧过程)是不相同的，如为扑灭汽油火焰，二氧化碳的浓度需要19%～20%，而要扑灭木材火焰，则需要25%。

水蒸气终止燃烧的机理如同上述的情况一样，而其灭火浓度接近氮气的浓度，等于体积的30%～35%。

三、二氧化碳灭火剂

二氧化碳是目前广泛使用的灭火剂之一，适用于扑救气体火灾，甲、乙、丙类液体火灾，电气设备、精密仪器、贵重设备火灾，图书档案火灾和一般固体物质火灾。二氧化碳灭火剂的缺点是灭火浓度大,高压储存的压力太高,低压储存时需要制冷设备,膨胀时能够产生静电放电。

1.灭火原理

二氧化碳灭火剂的主要作用是稀释空气中的氧浓度，使其达到燃烧的最低需氧量以下，火即自动熄灭。二氧化碳灭火剂是将二氧化碳以液态的形式加压充装于灭火机中，因液态二氧化碳易挥发成气体，挥发后体积将扩大760倍，当它从灭火机里喷出时，由于汽化吸收热量的关系，立即变成干冰。此种霜状干冰喷向着火处，立即汽化，而把燃烧处包围起来，起了隔绝和稀释氧的作用。当二氧化碳占空气的浓度为30%～35%时，燃烧就会停止，其灭火效率很高。此外，二氧化碳灭火时具有一定的化学抑制作用。

2.性能特点

二氧化碳气体属惰性气体，在常温常压下，纯净的二氧化碳是一种无色无味的气体。表2-11为二氧化碳的物理性能指标。

作为灭火剂,二氧化碳应满足表2-12的性能指标要求。在全淹没灭火系统中，二氧化碳扑救可燃液体和可燃气体火灾时的灭火浓度和设计浓度见表2-13。

(1)二氧化碳灭火剂的优点

二氧化碳容易被液化，所以容易罐装、储存，在制造技术上的难度较小，同时其价格较为便宜，灭火时，不污染火场环境，对保护区内的被保护物不产生腐蚀和破坏作用，不仅可以扑救A、B、C类火灾，在高浓度下还能扑救固态深位火灾，所以在扑救水和泡沫灭火剂无法保护的场所，显示了较好的功能。

(2)二氧化碳灭火剂的缺点

二氧化碳灭火剂扑救火灾时需要34%～75%的灭火浓度，所以，二氧化碳灭火系统必须要使之液化才便于储存、运输。通常采用高压液化储存的高压系统和低温储存的低压系统。高压储存，在实际应用中，需要的瓶组数多，储瓶间占地面积大，同时压力过高，对储存环境的温度要求比较严格，在夏季，尤其需要注意因储存环境温度升高而导致的钢瓶爆炸的危险，所以，在设计时，一般要求储瓶间不可被阳光直接照射。应用低压系统则需要将温度降低到-18～-20℃才能实现液化，所以需要外设制冷设备，造价相对高压钢瓶来说增加，同时，由于低压系统的本身,CO2从液态汽化的过程中容易形成干冰，而干冰又能直接升华成气体，在升华的过程中，气体体积成千上万倍的剧烈膨胀，对输送管道带来严重的破坏，使管道发生冷脆而断裂，对人员和保护区形成伤害和破坏。加之气体在膨胀过程中还能产生静电，有可能引起着火；另外，使用CO2的设计浓度太高，还有可能使未能从防护区安全撤离的人员发生窒息死亡(窒息死亡浓度为20%)。所以，二氧化碳灭火系统对经常有人停留或工作的场所，不可设计、使用。

近年来，科学家研究发现，国际、国内发生的许多自然灾害，如：沙尘暴、洪涝灾害、干旱、雪灾、海啸等均为大气温室效应所致，而二氧化碳的大量应用，无疑是罪魁祸首。可见，广泛使用二氧化碳灭火系统对保护生态环境极为不利，尽管二氧化碳在消防行业用作灭火剂已有几十年了，在注重环境保护的今天，广泛推广也应受到限制，在应用选择上要予以慎重、全面地考虑。

3.适用范围

① 液体火灾或石蜡、沥青等可熔化的固体火灾；

② 气体火灾；

③ 固体表面火灾及棉布、织物、纸张等部分固体深位火灾；

④ 电气火灾(600V以下的各种电气设备火灾)。

不适用于扑救下列火灾：

① 灭火浓度要求高(扑救火灾时需要34%～75%的灭火浓度)；

② 不能用于硝化纤维、火药等含氧化剂的化学制品火灾；

③ 不能用于钾、钠、镁、钛等活泼金属火灾,因为二氧化碳可以和这些活泼金属发生反应；

④ 不能用于氢化钾、氢化钠等金属火灾。

四、氮气灭火剂

随着哈龙替代气体研究的不断深入，氮气作为惰性气体灭火剂的一种，引起了人们的广泛关注。到目前为止，国外已出现商业化的氮气灭火系统IG-100，并且获得美国环保署的认可。然而，氮气灭火系统在我国地面建筑的应用还不多，主要是应用于变压器的火灾扑救，称为“排油搅拌防火系统”，以及作为其他气体灭火系统的加压气体。

1. 氮气的物理性质

氮气的分子式为N2，分子量为28，沸点为-195.8℃，气体密度(20℃)为1251kg/m3。

2.氮气的灭火机理

对于大多数可燃物而言，只要空气中氧的体积浓度降到12%～14%以下时，燃烧就会终止。通过将氮气注入着火区域，使火区中的氮气体积浓度达到35%～50%时，将火区中的氧含量体积浓度降低至14%～10%，实现火区空气的惰化，从而达到灭火的目的。

3.氮气灭火的特点

① 氮气是无色、无味、不导电的气体，其密度近似地等于空气的密度；

② 氮气无毒、无腐蚀，它不参与燃烧反应，也不与其他物质反应；

③ 对臭氧的耗损潜能值为0(ODP=0)；

④ 因为是天然气体，对全球温室效应的影响值为0(GWP=0)；

⑤ 氮气在灭火过程中不会分解，没有分解产物，因此,灭火过程洁净，灭火后不留痕迹，使用中对仪器设备无损害；

⑥ 氮气以高压的形式存储在气体钢瓶里；

⑦ 氮气需要足够坚固的容纳系统，以承受气体压力，硬件需求类似于CO2系统；

⑧ 氮气具有与空气近似的密度，发生火灾时，在保护空间里能够比哈龙更好地维持其浓度；

⑨ 排放时间一般都在1～2min，这可能限制其在一些火灾发展迅速场所的应用；

⑩ 氮气具有窒息性，必须考虑人的健康和安全问题。

4.氮气的适用范围

由于氮气不导电、无污染等特性，使其成为清洁的灭火气体，它对于扑救A、B、C和D类火灾都有较好的效果，适宜扑救地下仓库、地铁、铁路隧道、控制室、计算机房、图书馆、通讯设备、变电站、重点文物保护区等场所的火灾。氮气来源广泛、价格低廉，但由于使用氮气灭火时，需要降低火区氧含量来达到灭火的目的。因此，它主要适用于无人或人员较少且能快速撤出的场所。

从20世纪60年代起，一些国家就开始利用氮气扑救煤矿井下火灾，我国从20世纪70年代开始对液氮在煤矿井下灭火进行了研究和实验。20世纪80年代中期开始使用，并取得了很好的效果。我国煤矿应用氮气灭火系统已积累了丰富的经验，对氮气在密闭空间的作用机理、流动规律、灭火工艺及火区的密闭和启封等都有较成熟的研究，氮气的制取技术已经达到了国际领先的水平。由于地下建筑火灾与煤矿井下火灾有许多相同之处，这些经验和技术也可用于地下建筑火灾的扑救。因此，有必要对氮气灭火系统进行研究，一方面，建立适合我国实际的固定式氮气灭火系统；另一方面，在充分吸收矿井氮气灭火系统应用技术和经验的基础上，建立大型地下建筑火灾的灭火技术。

5.影响氮气灭火应用的因素

① 系统储瓶压力大，随着温度的升高，泄漏量增大。

② 由于储瓶及系统运行时管道的压力高，对储瓶及管道要求高，导致系统成本升高。

③ 由于缺少应用实例及相关的实验，导致缺乏氮气灭火系统相关的技术和经验。

五、烟络尽灭火剂

1. 烟络尽灭火剂的组成及特点

烟络尽灭火剂(IG-541)又称惰性气体灭火剂，是国际上20世纪90年代发展起来的一种新型灭火剂，也是NF-PA2001标准(美国消防协会标准)推荐使用的新型灭火剂之一，具有清洁、无毒副作用、对人体无伤害、保护环境、灭火性能较好等特点。根据联合国蒙特利尔的规定，卤代烷灭火剂被淘汰，烟络尽可以在一定程度上替代卤代烷灭火剂。以烟络尽为灭火剂的自动灭火系统在欧洲大陆较为流行。

烟络尽灭火剂由氮气(50%)、氩气(42%)和二氧化碳(8%)混合而成，其ODP值(耗氧潜能值)为0，GWP值(温室效应值)为0，所以它是一种绿色灭火剂。组成烟络尽灭火剂的三种气体也可以单独作为灭火剂使用，目前欧洲已经出现了氮气灭火系统和氩气灭火系统。表2-14为IG-541灭火剂的成分及质量要求，表2-15为IG-541灭火剂的物理性质。

2.烟络尽灭火剂的灭火机理

烟络尽是一种以窒息为灭火机理的灭火剂，它通过减少火灾区域空气中氧的含量，从而达到灭火的目的。实验证明，当空气中的氧气降至15%～12.5%范围内，大多数可燃固体、液体和气体都会自行熄灭。由于IG-541灭火剂只略重于空气，所以灭火剂的损失率低，保持灭火功效时间长，保证了良好的灭火效果。图2-2为美国UL实验室对IG-541灭火剂燃烧测试的曲线。同时，烟络尽与大部分物质不发生化学反应；对人体亦无害，当烟络尽气体喷放时，由于其低浓度的二氧化碳的刺激，使人的呼吸速率加快，人体吸收氧气的能力提高，用人体更深更快的呼吸来补偿环境氛围中较低的氧气浓度。因此，对人来说，烟络尽灭火剂比二氧化碳灭火剂要安全得多。烟络尽灭火剂可以扑灭A类火、B类火和C类火，但是，对D类火和含有氧化剂的化合物以及金属氧化物引起的火灾无效。

3.烟络尽(Inergen)灭火剂的性能特点

(1)环保性

该灭火系统所用的灭火剂完全由自然存在于大气中的惰性气体组成，不仅可以采用物理分离的方法从大气中分离出来，而且可以将三种组分按规定的比例混合成烟络尽气体。当完成灭火使命后，这三种惰性气体又回到大气中，不会与大气中的其他物质发生反应，生成新的危害环境的有害物质，其臭氧耗损潜能值ODP为零，地球变暖潜能值GWP也为零。

(2)安全性

组成烟络尽气体的三种惰性气体对人体无毒害作用，其在灭火过程中经高温不会产生有害分解物。此外，根据长期的医学实验证明，人体在12.5%的氧气浓度和2%～5%二氧化碳浓度的环境下呼吸，人脑所获得的氧量与在正常大气环境的氧浓度21%和0.03%的二氧化碳浓度所获得的氧量是一致的。因为在缺氧环境中二氧化碳的浓度增加2%～5%就能使人加快、加深呼吸，在单位时间内，使人脑细胞获得足够的氧。因此，烟络尽气体中的二氧化碳气体的作用就是人为地使着火区域中二氧化碳的浓度上升至缺氧环境下人体呼吸所需的浓度。正是这一点，决定了烟络尽灭火系统不同于其他的惰性气体灭火系统，不会对人体造成伤害。图2-3为人脑的氧化作用与人脑的新陈代谢作用的关系。

图2-3中的曲线表示，无二氧化碳、有二氧化碳的两种大气环境对大脑产生供氧的影响。含有12%氧气和4%二氧化碳的气体与含有21%氧浓度的气体通常可以产生同一水平的人体氧吸收率。由此可知,IG-541灭火剂喷放后，不会对人产生窒息作用。

根据NFPA 2001—2004《清洗剂灭火系统》关于IG-541气体灭火剂对人的生理影响的说明：当IG-541气体浓度达到43%时，对人体无明显影响；当IG-541气体灭火剂浓度达到52%时，对人体有轻微影响。因而，在经常有人的场所，系统设计浓度不大于43%是安全可行的。另外，IG-541气体灭火剂性质稳定，在高温下亦不会分解，且不存在腐蚀，喷放时环境温度变化较小，保证人体不会受到意外伤害。由于烟络尽灭火系统是以气态方式储存的，当其喷放时几乎不会使着火区域的温度下降。因此，即使保护区域的湿度很大，也不会因此结露而形成浓厚的白雾遮挡视线，阻碍人员的安全疏散。表2-16为IG-541的含毒信息。

(3)能保护精密设备和珍贵财物

大多数气体灭火系统都是以液态方式储存灭火介质的，当喷放时，会使保护区域内的温度急剧下降，使精密设备和珍贵财物因冷激冷脆作用或结露而损坏或降低使用寿命。有的灭火剂在高温下还会产生酸性分解物，这将进一步加剧因结露对精密设备和珍贵财物的破坏，而烟络尽灭火系统是以气态的方式储存的，在高温下也无任何分解物。所以，大型计算机系统数据磁盘储存中心、数据传输、电缆夹层、邮电通信机房、电视转播机房、公共交通调度控制中心、银行金库金融机构、票据库、图书馆、档案馆、自动化生产线、洁净车间等场所都适用该系统。对正庚烷和A类易燃物表面需要的灭火浓度和设计浓度见表2-17，对其他易燃物所需的浓度见表2-18，惰性浓度见表2-19。

(4)经济性

该灭火系统灭火时所需的体积浓度较大，但由于此气体的价格较其他卤代烷替代药剂低廉，所以在采用单元独立系统时，与其他卤代烷灭火系统的替代品投资额相当。而该系统较其他气体灭火系统而言，可以输送更长的距离，在系统采用组合分配方式的情况下，可以连接更多的保护区域,从而节约系统投资。

4.烟络尽灭火剂的适用范围

烟络尽灭火剂适用于电子计算机房、通讯设备、控制室、磁带库、绝对清洁室、图书馆、档案馆、珍品库、配电房等重点单位和场所的消防保护。烟络尽由于是由大气中纯天然气体成分组成的，是几种灭火剂中对人体伤害最小的一种气体灭火剂，在有人工作的区域，也应尽量选择烟络尽系统来灭火。

六、水蒸气

水蒸气的灭火作用主要是稀释燃烧区内可燃蒸气浓度和降低燃烧区的含氧量。对于汽油、煤油、柴油和原油等可燃液体，当燃烧区的水蒸气浓度达到35%以上时，燃烧就会停止。利用水蒸气扑救高温设备火灾时，不会引起高温设备的热胀冷缩的应力和变形，因而不会造成高温设备的破坏。

在常年有蒸气源供气的场所或工矿企业，可以利用水蒸气灭火。水蒸气主要适用于容积在500m3以下的密闭厂房，以及空气不流通的地方或燃烧面积不大的火灾，特别适用于扑救高温设备和煤气管道火灾。