關(guān)于液氮滅火的普及前景分析

楊涵博

（鶴壁市消防救援支隊(duì)，河南 鶴壁 458000）

1 背景

2021 年8 月27 日下午四點(diǎn)，大連市金浦新區(qū)凱旋國(guó)際大廈發(fā)生火災(zāi)。接警后，消防人員迅速出動(dòng)，展開(kāi)滅火救援工作。截至當(dāng)日晚上十一點(diǎn)，大樓內(nèi)火勢(shì)已被撲滅，無(wú)人員傷亡?；鹋c水無(wú)情，雖沒(méi)有造成人員傷亡，但火災(zāi)造成的損失是巨大的。水作為最常用、最便宜的滅火劑，滅火歷史悠久，在火場(chǎng)中主要依靠其冷卻和窒息作用來(lái)滅火。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部研究報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，滅火過(guò)程中的水利用率很低，實(shí)際水量小于10%[1]，且用水來(lái)滅火會(huì)使貴重物品或是電器受到損壞，所以有些部位不能用水去滅火，滅火過(guò)程也會(huì)造成水漬損失。滅火過(guò)程中在保證人員安全的情況下，要極大地確保財(cái)產(chǎn)損失最小化。為了更好地減少人員傷亡、降低財(cái)產(chǎn)損失，在現(xiàn)如今新時(shí)代的條件下，新型滅火劑的推出和使用就顯得極為重要，并且滅火工作也更應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，對(duì)于火災(zāi)問(wèn)題的改善可以不再局限于傳統(tǒng)滅火手段而是基于新型滅火劑來(lái)實(shí)行滅火。作為一種新型滅火劑，研究和利用液氮滅火，研制配套的實(shí)戰(zhàn)裝備具有重要意義。

2 液氮的性質(zhì)

液氮是指液態(tài)的氮?dú)猓且环N惰性、無(wú)色、無(wú)腐蝕性、不易燃、溫度極低的液體。氮?dú)庹即髿獾拇蟛糠郑?8.03%（體積），75.5%（重量））。氮是不活潑的，不支持燃燒；當(dāng)?shù)獨(dú)庾兂梢簯B(tài)時(shí)，它就變成了低溫液體。低溫液體是一種沸點(diǎn)通常低于-238°F（-150℃）的液化氣體。液氮的沸點(diǎn)是-320.5°F（-195.8℃），液氮的其他基本性質(zhì)見(jiàn)表1 所示。

表1 液氮的基本性質(zhì)

由于液氮沸點(diǎn)很低，極易汽化。在標(biāo)準(zhǔn)壓力下汽化至273K（0℃）時(shí)其體積將膨脹643 倍[2]，若按汽化至+25℃時(shí)粗略計(jì)算，則體積將膨脹約700 倍，即每立方米液氮可形成700 立方米氣態(tài)氮，按重量計(jì)則是每公斤液氮可汽化成0.87 立方米氣氮。液氮汽化時(shí)要吸收大量熱量，每公斤液氮汽化至+5℃氣態(tài)氮時(shí)，可吸收96 大卡熱量，相當(dāng)于每公斤冰由-20℃熔化為+5℃的水所吸收的熱量，故它是一種優(yōu)良的制冷劑。

3 液氮滅火原理

可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)和點(diǎn)火源這三個(gè)要素是物質(zhì)燃燒需要同時(shí)具備的。液氮可以將可燃物的溫度降低到燃點(diǎn)以下，是一種極低溫的液體，其汽化會(huì)吸收空氣中的熱量。液氮可以有效滅火還有一個(gè)原因就是其有排氧性，可以有助隔絕氧氣或者空氣，減少燃燒物和氧氣的接觸，液氮的汽化過(guò)程從-195.8℃開(kāi)始。燃燒材料的溫度會(huì)因?yàn)榇罅康臒崮軅鬟f給液氮完成汽化過(guò)程迅速降低。火場(chǎng)中，輸入一定比例適當(dāng)?shù)囊旱蓪⒒饒?chǎng)內(nèi)的氧氣濃度降低到可燃物不能燃燒的條件以下，燃燒會(huì)因?yàn)橐旱奈斩鴾囟冉档?，進(jìn)而達(dá)到滅火的目的，一些研究已將液氮列入滅火行列。滅火時(shí)，通常采用窒息法、隔離法、冷卻法和化學(xué)抑制法，在一場(chǎng)特定的火災(zāi)撲救中，往往同時(shí)并用兩種或兩種以上的方法。[3]使用液氮滅火可以抑制火區(qū)可燃?xì)怏w的爆炸，提高滅火過(guò)程的安全性；不僅滅火速度快，而且恢復(fù)火區(qū)工作量小，設(shè)備無(wú)腐蝕性，不損壞生產(chǎn)設(shè)備。

4 液氮滅火器

目前市場(chǎng)上存在的較為成熟的液氮滅火裝置設(shè)施包括移動(dòng)式液氮滅火裝置和固定式液氮滅火設(shè)施，攜帶式液氮滅火設(shè)施卻很少，具體分析如下：（1）移動(dòng)式液氮滅火裝置目前使用不銹鋼和白鋼管兩種類型的軟管輸送液氮。部分軟管存放在兩側(cè)的卷軸中，一端接儲(chǔ)罐，另一端接帶開(kāi)關(guān)的槍頭。增壓部分由低溫液體泵和裝有儲(chǔ)罐的蒸發(fā)器完成。泵出口射程可達(dá)16m～18m，壓力為0.65Mpa左右，射程可達(dá)16m～18m。（2）對(duì)于固定式液氮滅火設(shè)施，國(guó)外一些廠家也在努力開(kāi)發(fā)這個(gè)項(xiàng)目。2000 年5 月日本川州防災(zāi)工業(yè)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)出最大容量（83L）、最高壓力（30MPa）的超高壓KHN-III 型氮?dú)鉁缁鹪O(shè)備。其缺點(diǎn)是儲(chǔ)存氣態(tài)需要較大的安裝空間，氮?dú)庖夯?，可以減少儲(chǔ)存空間，但其儲(chǔ)存必須使用專用的低溫儲(chǔ)罐，與管網(wǎng)連接后，可形成固定式全浸沒(méi)式氣體滅火系統(tǒng)（YDG 系統(tǒng)），鹵化1301 和1211 固定式滅火系統(tǒng)可以被有效替換。[4]（3）攜帶式液氮滅火設(shè)施。液氮滅火器是由普通滅火器和液氮保護(hù)措施構(gòu)成。液氮可從噴淋管注入儲(chǔ)液罐。使用手段與常規(guī)滅火器也類似，其噴管的噴頭對(duì)準(zhǔn)火焰根部噴出的氮?dú)庠诳諝庵衅痆5]。汽化使燃燒物體周圍的溫度極具降低，使空氣中的水分子冷凝成水滴、水珠，但成本太高，不利于普及。消防員的個(gè)人防護(hù)非常重要，因?yàn)橐旱诔合麓嬖谟?195.8℃，雖然這在設(shè)備的制造過(guò)程中已有所考慮，但是安全防范使用要重視到位。由于利用液氮滅火會(huì)降低空氣中的氧氣，考慮安全因素，液氮滅火器噴嘴口要設(shè)置高壓，同時(shí)，壓力升高、溫度升高，會(huì)使滅火劑泄漏，增加了氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)的成本，影響了氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)的應(yīng)用。雖然攜帶式液氮滅火設(shè)施還不是很成熟，但加以改進(jìn)，其未來(lái)前景令人期待。

5 液氮滅火的實(shí)用意義

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的新型材料產(chǎn)出，給予了液氮成為未來(lái)滅火器第一選擇的極大機(jī)會(huì)，也使得液氮滅火越來(lái)越普及化。利用氮?dú)鉁缁穑梢栽跍缁鸬耐瑫r(shí)救人。首先，液氮滅火的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于水。其次，若進(jìn)行火場(chǎng)內(nèi)救援工作，也能極好地保護(hù)自身安全，從而更有效地將火場(chǎng)被困人員救出。依靠水來(lái)滅火是達(dá)不到這一點(diǎn)的，設(shè)備、貴重物品、衣物等也會(huì)因?yàn)橛盟畞?lái)滅火造成損壞，影響生態(tài)環(huán)境[6]。在室內(nèi)使用液氮滅火時(shí)無(wú)需切斷電源，不會(huì)有砂漿、污水等“副產(chǎn)品”流入著火房屋附近的房屋。也是因?yàn)橐陨显?，液氮滅火前景可觀。對(duì)于撲滅A、B、C、D 類火災(zāi)，利用液氮滅火也有很好的效果。液氮價(jià)格便宜，來(lái)源也十分廣泛，因此對(duì)其加以改進(jìn)，可以有效撲滅火災(zāi)。

6 液氮滅火裝置的滅火性能試驗(yàn)

結(jié)合液氮滅火器的基本情況，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液氮滅火器性能的分析，需要對(duì)液氮滅火器的滅火性能進(jìn)行研究，確保實(shí)際工作中能夠做好滅火的合理控制，使得液氮滅火器能夠合理地應(yīng)對(duì)火災(zāi)，提高環(huán)境的安全系數(shù)。針對(duì)液氮滅火器，需要選擇適宜的實(shí)驗(yàn)方式，這樣才能滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取效果，滿足實(shí)際工作的需求，更好地保證液氮滅火的效果。具體試驗(yàn)中結(jié)合A 類火災(zāi)、B 類火災(zāi)、深位火災(zāi)的基本情況，對(duì)液氮滅火器的滅火性能進(jìn)行分析。詳細(xì)的內(nèi)容分析如下。

6.1 A 類火災(zāi)

所要建立的模型為木條應(yīng)經(jīng)過(guò)的干燥處理，并對(duì)其進(jìn)行烘干處理，另外，木垛邊緣的木條需要經(jīng)過(guò)合理的固定，并選擇鋼釘進(jìn)行固定，促使其可以滿足實(shí)際工作的需求，更好地推動(dòng)液氮滅火器的服務(wù)能力。至于木條的尺寸可以選擇100mm×150mm×2400mm，并選擇4 根，還有100mm×100mm×1200mm 的26 根，且配置50mm×100mm×1200mm，共計(jì)配置56 根，外形尺寸A 按照GB135-85 第5.22.1.5 條的2 倍，從而滿足實(shí)驗(yàn)的基本需求。另外，金屬支架為50mm×50mm 且尺寸為5000mm×1500mm×300mm，使用300mm×200mm兩根工字鋼搭設(shè)而成。引燃油盤選擇0.75 鐵板，并且控制為4800mm×1200mm×200mm，實(shí)際使用0.75 鐵板，將尺寸控制為1200mm×1200mm×150mm，從而滿足實(shí)際工作的需求，促使實(shí)際的工作中能夠使得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓δ芎妥饔玫靡园l(fā)揮，滿足液氮滅火器的工作需求。工作期間，實(shí)驗(yàn)可以在室內(nèi)或室外開(kāi)展，同時(shí)，需要注意對(duì)通風(fēng)條件進(jìn)行控制，因?yàn)橥L(fēng)條件并不會(huì)給木垛的自由燃燒效果帶來(lái)影響，從而保證實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。通風(fēng)口設(shè)置4 個(gè)，且都能滿足通風(fēng)的基本條件。另外，試驗(yàn)進(jìn)行中，先引燃油盤，倒入300mm 厚度的清水，并且注意對(duì)5mm 厚度汽油的使用。然后，對(duì)清水厚度100mm 的汽油厚度進(jìn)行合理的測(cè)試，再對(duì)油盤進(jìn)行點(diǎn)燃，再將油抽出，之后對(duì)油盤后末抽出的油盤進(jìn)行分析，再將木垛預(yù)燃，時(shí)間為6min，并利用秒表，進(jìn)行6min 后的滅火記錄。然后，再開(kāi)展滅火工作，滅火期間，記錄滅火的時(shí)間為90s，在火焰熄滅后，觀察是否出現(xiàn)復(fù)燃情況，且在3min 內(nèi)沒(méi)有復(fù)燃的情況，滅火用藥的計(jì)量為壓力在0.8MPa，出液口的流量是4L/s，且每升重為0.8kg。所以根據(jù)試驗(yàn)情況發(fā)現(xiàn)，Q=qv，且t=3×90=270L，并且M=Q，ρ=270×0.8=216kg。

6.2 B 類火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)

結(jié)合實(shí)際情況對(duì)B 類火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，確保實(shí)際工作中能夠?qū)崿F(xiàn)液氮滅火器B 類火災(zāi)的應(yīng)對(duì)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的合理控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，選擇圓形鐵板制造而成，油盤則是由土圍成的圓形，進(jìn)而滿足試驗(yàn)的順利進(jìn)行。另外，盤深需要控制在350mm，直徑控制為8m，面積則為50m2，池深為350mm，直徑為8m，面積為50m2。另外，燃油使用70#油氣或其他可燃油，水的厚度在65mm～100mm，油厚為35mm，并使用0#柴油、90#汽油，實(shí)現(xiàn)混合，并將油的厚度控制為35mm，水的厚度控制為80mm，從而滿足試驗(yàn)的進(jìn)行條件，實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇風(fēng)速＜3m/s 的場(chǎng)地、然后點(diǎn)燃汽油，預(yù)燃60s，點(diǎn)燃后計(jì)時(shí)60s，預(yù)燃結(jié)束后，立即滅火，且在60s 后，實(shí)現(xiàn)烈火，滅火時(shí)間t=18s，火焰熄滅或1min 內(nèi)不復(fù)燃。出液的壓力控制為0.8MPa，流量4L/s，另外，計(jì)算工作中，Q=qv，其中t=4×18=72L，而M=Q，ρ=72×0.8=57kg。

按照上述實(shí)驗(yàn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)B 類火災(zāi)的液氮滅火效果研究，經(jīng)過(guò)分析后，確保液氮能夠在B 類火災(zāi)中發(fā)揮相應(yīng)的功能和作用。

6.3 深位火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)

結(jié)合火災(zāi)的基本情況，對(duì)深位火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，實(shí)際工作中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)室外均可，且通風(fēng)條件需要不影響棉花包的自由燃燒。另外，出液時(shí)，需要注意對(duì)壓力進(jìn)行控制，壓力控制在0.6MPa，且流量控制為3L/s。

按照上述實(shí)驗(yàn)分別能實(shí)現(xiàn)對(duì)A 類火災(zāi)、B 類火災(zāi)和深位火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析后可以發(fā)現(xiàn)，液氮對(duì)A 類火災(zāi)的滅火是成功。液氮對(duì)B 類火災(zāi)的滅火的優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，滅火效率相對(duì)較高。而在深位火災(zāi)中，液氮對(duì)其進(jìn)行撲救依然可行。

7 液氮滅火技術(shù)在消防中的應(yīng)用前景

本文從以下四個(gè)方面來(lái)分析液氮滅火技術(shù)在消防中的應(yīng)用前景：（1）可發(fā)展性。液氮滅火技術(shù)在消防滅火應(yīng)用上有望成為新的主流形式。但階段技術(shù)目前處于起步階段、上升的階段。液氮滅火技術(shù)普遍實(shí)施仍然處于初始階段，是一種行業(yè)的探索性實(shí)驗(yàn)。如果該技術(shù)取得突破性進(jìn)展，人力資源、器械之類的消耗將會(huì)大幅度減少。（2）無(wú)污染性。利用液氮滅火后無(wú)污染，無(wú)水損；對(duì)臭氧的耗損潛能值(ODP)為零；在保證高效滅火的前提下做到了無(wú)污染。（3）高效性。液氮冷卻具有冷卻速度快、效果顯著、安全可靠、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其具有防火降溫的效果，可以有更多時(shí)間救出被困人員。（4）保留率高。氮?dú)獠粫?huì)在滅火過(guò)程中分解，不會(huì)產(chǎn)生分解產(chǎn)物，滅火后不會(huì)留下痕跡，不會(huì)造成物體損壞，使用過(guò)程中也不會(huì)損壞設(shè)備。[7]

8 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)代賦予消防工作以新的使命。消防隊(duì)伍的滅火手段應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，消防領(lǐng)域要充分運(yùn)用新時(shí)代的先進(jìn)手段，不斷完善，擴(kuò)大利用液氮滅火領(lǐng)域，使液氮滅火進(jìn)一步被普及。通過(guò)用液氮在不同環(huán)境，不同建筑設(shè)施的滅火試驗(yàn)，為我們?cè)谝旱獪缁饝?yīng)用技術(shù)上取得重要技術(shù)參數(shù)，進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)。使用液氮滅火，方法簡(jiǎn)單，安全可靠，滅火速度快，是一項(xiàng)先進(jìn)的滅火技術(shù)。然而，火災(zāi)狀況往往是極復(fù)雜的，因此我們還必須再通過(guò)多次滅火的實(shí)踐，進(jìn)一步取得各項(xiàng)參數(shù)和使用經(jīng)驗(yàn)，才能使液氮滅火技術(shù)成為我國(guó)防滅火的主要手段之一。氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)是自國(guó)外采礦業(yè)使用繼而在其他領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)運(yùn)用到各個(gè)場(chǎng)地，才能充分發(fā)揮液氮滅火的作用，由于其高效、安全、可靠、低成本，使其發(fā)展十分迅速，未來(lái)也有望成為一種普遍的滅火手段。需要指出的是，任何新技術(shù)都不是萬(wàn)能的，新技術(shù)僅僅是給人們提供了一種手段，具體措施還要靠人去落實(shí)、實(shí)施。相信這一新技術(shù)在國(guó)內(nèi)也將得到廣泛使用。[8]