陳濤 胡成 包志明 傅學(xué)成 夏建軍 王榮基

(應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐是石化行業(yè)應(yīng)用較多的一種儲(chǔ)罐，由于其儲(chǔ)存的低沸點(diǎn)易燃液體飽和蒸汽壓大、易揮發(fā)、爆炸極限寬，因此導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)高、撲救難度大、易發(fā)生復(fù)燃，現(xiàn)有低中高倍泡沫滅火技術(shù)無法滿足其火災(zāi)防控需求[1]。新修訂的《泡沫滅火系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(報(bào)批稿)已明確指出沸點(diǎn)低于45 ℃、碳5及以下組分物質(zhì)的量百分?jǐn)?shù)占比不低于30%的低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐不宜選用現(xiàn)有泡沫滅火系統(tǒng)。

隨著我國石化工程朝著大型化、系統(tǒng)化、精細(xì)化的迅猛發(fā)展，低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐的數(shù)量越來越多，單罐容量也越來越大，并且該類儲(chǔ)罐通常還和其他石化儲(chǔ)罐設(shè)置在一起，極大增加了罐區(qū)的火災(zāi)危險(xiǎn)性和撲救處置難度。由于目前尚無有效、可靠的滅火手段，一旦低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)，極易造成重大損失，因此當(dāng)前迫切需要研發(fā)新型有效滅火技術(shù)，為低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐提供可靠的滅火手段。

壓縮氣體泡沫滅火系統(tǒng)[2-3]是近些年逐步發(fā)展起來的一種新型正壓式泡沫滅火系統(tǒng)，具有泡沫均勻穩(wěn)定、滅火效能高、抗復(fù)燃能力強(qiáng)、隔熱保護(hù)能力優(yōu)異的特點(diǎn)，具備解決低沸點(diǎn)易燃液體儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救技術(shù)難題的潛力。國內(nèi)外曾針對(duì)壓縮空氣泡沫析液穩(wěn)定性、隔熱保護(hù)性能、滅A類火性能以及滅B類火性能等開展了大量研究[4-5]，但針對(duì)采用其他氣源的壓縮氣體泡沫的滅火性能研究較少，至今未見壓縮氮?dú)馀菽蛪嚎s空氣泡沫對(duì)于低沸點(diǎn)易燃液體火災(zāi)滅火性能的直接比較研究。鑒于此，筆者采用自行研制的實(shí)驗(yàn)室壓縮氣體泡沫系統(tǒng)，通過縮尺油盤火試驗(yàn)，考察不同氣源壓縮氣體泡沫對(duì)于典型低沸點(diǎn)易燃液體火災(zāi)的滅火性能，分析探討適宜的供氣方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

采用直徑500 mm、高200 mm的鋼制油盤，盤壁厚3 mm，面積約0.2 m2。如圖1所示，在油盤內(nèi)部靠近盤壁距底部45 mm、90 mm處各布置1只熱電偶(測(cè)點(diǎn)T1，T2)，用于測(cè)試燃料內(nèi)部及表面的溫度。在油盤中心位置距底部90，200，340，540，740 mm處各布置1只熱電偶(測(cè)點(diǎn)T3，T4，T5，T6，T7)，用于測(cè)試泡沫層內(nèi)部溫度與火焰溫度。熱電偶采用直徑3 mm的K型鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶，測(cè)溫為0～1 200 ℃，數(shù)據(jù)采集器采用美國NI公司生產(chǎn)的cDAQ-9174。金屬抗燒罐內(nèi)徑120 mm，高100 mm，壁厚2 mm。采用自行研制的實(shí)驗(yàn)室壓縮氣體泡沫系統(tǒng)產(chǎn)生不同氣源的壓縮氣體泡沫，如圖2所示，該系統(tǒng)采用泡沫液預(yù)混方式，泡沫溶液流量范圍為0.26～2.6 L/min，氣液比為0～50/1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。供氣設(shè)備有兩種可供選擇，其中一種為空壓機(jī)提供的壓縮空氣，另一種為高壓氮?dú)馄刻峁┑膲嚎s氮?dú)?。?shí)驗(yàn)室壓縮氣體泡沫系統(tǒng)產(chǎn)生的壓縮氣體泡沫通過泡沫輸送管輸送至內(nèi)徑10 mm、長1.2 m的泡沫噴射管，泡沫噴射管采用支架固定在油盤上方距油盤上沿95 mm位置處，向油盤內(nèi)部供泡。采用攝像機(jī)和照相機(jī)拍攝滅火試驗(yàn)過程。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)材料、方法與步驟

采用符合《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)規(guī)定要求的3%型水膜泡沫滅火劑作為試驗(yàn)樣本，混合比為3%。試驗(yàn)燃料采用沸程為30～60 ℃的石油醚。

試驗(yàn)步驟如下：①開啟攝像機(jī)、溫度數(shù)據(jù)采集器；②首先向油盤中加入4.5 L水，然后再加入5 L試驗(yàn)燃料，并點(diǎn)火，開始計(jì)時(shí)；③燃料預(yù)燃60 s后，開始向油盤噴射壓縮氣體泡沫，持續(xù)供泡3 min，觀察記錄90%控火時(shí)間、滅火時(shí)間等；④供泡結(jié)束1 min后，將盛有1 L燃料的抗燒罐放入油盤中心位置并點(diǎn)燃抗燒罐，開始抗燒試驗(yàn)，記錄25%抗燒時(shí)間；⑤抗燒試驗(yàn)結(jié)束后，撲滅殘火，停止溫度數(shù)據(jù)測(cè)量，保存數(shù)據(jù)；⑥啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室壓縮氣體泡沫系統(tǒng)，調(diào)整裝置參數(shù)到與滅火試驗(yàn)一致，并按照《泡沫滅火劑》(GB 15308—2006)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法測(cè)試泡沫發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時(shí)間。

圖2 實(shí)驗(yàn)室壓縮氣體泡沫系統(tǒng)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 滅火性能對(duì)比

在泡沫溶液流量為0.5 L/min、泡沫溶液供給強(qiáng)度為2.5 L/(min·m2)的條件下，分別以壓縮空氣和壓縮氮?dú)庾鳛闅庠?，考察了壓縮空氣泡沫和壓縮氮?dú)馀菽瓕?duì)沸程為30～60 ℃的石油醚火災(zāi)的滅火性能，試驗(yàn)結(jié)果詳見表1和圖3。

由表1和圖3可知，在泡沫溶液流量和氣液比相同的情況下，壓縮空氣泡沫和壓縮氮?dú)馀菽l(fā)泡倍數(shù)基本相近，25%析液時(shí)間分別為5.07 min和5.05 min，這說明空氣和氮?dú)鈨煞N氣源發(fā)泡性能基本相同。壓縮空氣泡沫90%控火時(shí)間為172 s，滅火時(shí)間為188 s，25%抗燒時(shí)間為3.83 min；壓縮氮?dú)馀菽?0%控火時(shí)間為161 s，滅火時(shí)間為172 s，25%抗燒時(shí)間為4.05 min。與壓縮空氣泡沫相比，壓縮氮?dú)馀菽?0%控火時(shí)間和滅火時(shí)間分別縮短了11 s和16 s，25%抗燒時(shí)間延長了約13 s。

表1 不同氣源壓縮氣體泡沫滅石油醚火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果

(a)點(diǎn)火 (b)穩(wěn)定燃燒 (c)施加泡沫 (d)滅火 (e)抗燒

圖3 石油醚滅火試驗(yàn)過程實(shí)況

2.2 滅火過程中溫度變化對(duì)比

圖4～圖7給出了壓縮空氣泡沫和壓縮氮?dú)馀菽瓬缁鸺翱篃^程中溫度變化曲線。從中可以看出，點(diǎn)燃燃料后，各點(diǎn)的溫度迅速上升，預(yù)燃30 s后，各點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定。預(yù)燃60 s后，油盤上方的最高溫度約為750 ℃。當(dāng)施加泡沫后，隨著泡沫層厚度不斷增大，被泡沫層覆蓋著的測(cè)點(diǎn)(T2，T3)溫度開始下降，而油盤上方溫度先繼續(xù)升高，最高達(dá)到約800 ℃，直至泡沫基本控火后才逐漸開始下降。壓縮氮?dú)馀菽c壓縮空氣泡沫的滅火降溫趨勢(shì)基本一致。在抗燒階段，壓縮氮?dú)馀菽臏厣€要滯后于壓縮空氣泡沫，這說明壓縮氮?dú)馀菽篃阅芤獌?yōu)于壓縮空氣泡沫。

圖4 壓縮空氣泡沫滅石油醚火過程中溫度變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，石油醚由于沸點(diǎn)低，飽和蒸汽壓大，更容易揮發(fā)，在泡沫滅火試驗(yàn)過程中由于石油醚的不斷揮發(fā)、鼓泡、破壞泡沫層，從而使其較難覆蓋，尤其是在貼近盤壁附近容易形成較難撲滅的邊緣火，如圖8所示。當(dāng)采用壓縮空氣泡沫時(shí)，即使在油盤內(nèi)充滿很厚的泡沫，也需要很長時(shí)間才能被撲滅這種邊緣火，但是采用氮?dú)庾鳛闅庠吹膲嚎s氮?dú)馀菽梢栽谝欢ㄏ薅葍?nèi)提升滅火速度，改善抗燒性能。

圖5 壓縮空氣泡沫抗燒過程中溫度變化

圖6 壓縮氮?dú)馀菽瓬缡兔鸦疬^程中溫度變化

圖7 壓縮氮?dú)馀菽篃^程中溫度變化

圖 8 石油醚燃料形成的油盤邊緣火

由此可見，對(duì)于低沸點(diǎn)易揮發(fā)石油醚火災(zāi)，在相同條件下，壓縮氮?dú)馀菽目販缁鹦阅芎涂篃阅芫鶅?yōu)于壓縮空氣泡沫。

2.3 供氣方案分析

低沸點(diǎn)易揮發(fā)性燃料火災(zāi)撲救較困難，且易發(fā)生復(fù)燃，對(duì)于泡沫滅火和抗復(fù)燃性能要求較高，普通空氣泡沫很難滿足需求。通過試驗(yàn)研究表明，壓縮氮?dú)馀菽軌蚋焖儆行錅绲头悬c(diǎn)易揮發(fā)性燃料火災(zāi)，比壓縮空氣泡沫的控滅火性能和抗燒性能有明顯提高，因此建議采用壓縮氮?dú)庾鳛闅庠?，有氮?dú)庠吹膱?chǎng)所可直接采用已有供氮?dú)庠O(shè)備，無氮?dú)庠吹膱?chǎng)所建議采用高壓氮?dú)馄炕蛑频獧C(jī)作為供氣設(shè)備。

高壓氮?dú)馄亢椭频獧C(jī)兩種供氮?dú)夥桨父饔刑攸c(diǎn)。其中，高壓氮?dú)馄可婕案邏汗?，并且?chǔ)存氣量是一定的，用完需要更換瓶組，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)供氣。制氮機(jī)是指以空氣為原料，利用物理方法將其中的氧和氮分離而獲得氮?dú)獾脑O(shè)備。根據(jù)分類方法的不同，即深冷空分法、分子篩空分法(PSA)和膜空分法。工業(yè)上一般采用分子篩空分法(PSA)。相較于空氣壓縮機(jī)，制氮機(jī)的組成較為復(fù)雜，它必須以空氣壓縮機(jī)為氣源，通過過濾干燥除油等處理、進(jìn)去分子篩進(jìn)行氮?dú)夥蛛x得到純凈氮?dú)狻２⑶?，制氮機(jī)配套設(shè)備較多、成本較高，操作使用也相對(duì)復(fù)雜。

綜合所述，對(duì)于石油醚類的低沸點(diǎn)易揮發(fā)性燃料火災(zāi)，建議采用壓縮氮?dú)馀菽到y(tǒng)，供氣設(shè)備可根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

(1)以氮?dú)夂涂諝庾鳛闅庠吹膲嚎s氣體泡沫析液時(shí)間長、穩(wěn)定性高，均能夠有效撲滅低沸點(diǎn)易揮發(fā)的石油醚火災(zāi)，并且具有良好的泡沫覆蓋和抗復(fù)燃性能。

(2)與壓縮空氣泡沫相比，壓縮氮?dú)馀菽瓕?duì)于石油醚火災(zāi)的控滅火性能和抗燒性能均有一定提升。

(3)對(duì)于石油醚類的低沸點(diǎn)易揮發(fā)性燃料火災(zāi)，建議實(shí)際工程中采用壓縮氮?dú)馀菽到y(tǒng)，氮?dú)夤庠O(shè)備根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

(4)建議進(jìn)一步開展全尺寸實(shí)體火試驗(yàn)驗(yàn)證和全淹沒條件下不同氣源壓縮氣體泡沫滅火性能對(duì)比研究。