氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫在模擬油品儲罐多工況下滅火能力對比分析

牟小冬

(1.化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

油品儲罐火災多發(fā),且易復燃,撲救難度大,目前常用的滅火手段是使用吸氣式低倍泡沫滅火系統(tǒng)[1]。常規(guī)的吸氣式泡沫系統(tǒng)受限于發(fā)泡方式,產生的泡沫穩(wěn)定性低,泡沫難以覆蓋油面,甚至隨著燃燒加劇,油罐上的滅火裝置也可能隨之遭到破壞[2]。壓縮空氣泡沫系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的新型泡沫產生系統(tǒng),采用正壓式主動注入氣體的混合方式[3],其利用泡沫發(fā)生器將泡沫混合液和壓縮氣體充分混合,產生均勻細膩、穩(wěn)定性好的泡沫,具有滅火時間短、抗復燃能力強等特點[3-6]。根據NFPA11的推薦值,固定頂油品儲罐應對全面積火災的吸氣式泡沫系統(tǒng)泡沫混合液最低供給強度為4.1 L/(min·m2),而壓縮空氣泡沫系統(tǒng)泡沫混合液最低供給強度為1.63 L/(min·m2)[7]。壓縮空氣泡沫滅火技術已經證實了其高效滅火的能力。

近些年,壓縮空氣泡沫滅火技術在石油化工火災的研究和應用也越來越多。如張憲忠,等[8]研究了壓縮空氣泡沫滅火技術對易燃液體介質的滅火能力,驗證了抗溶滅火劑采用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的滅火能力;王勇凱,等[9]、林全生,等[10]研究了壓縮空氣泡沫在管道內的流動狀況,分析了壓縮空氣泡沫在管道內的壓力損失情況;何坤,等[11]開展了壓縮空氣泡沫撲救油類池火研究,驗證了壓縮空氣泡沫對大尺度油類火的滅火能力;郎需慶,等[12]對壓縮空氣泡沫裝置撲救大型儲罐火災開展了試驗和工程應用;牟小冬,等[13]研發(fā)了液氮泡沫滅火系統(tǒng),解決了壓縮空氣泡沫系統(tǒng)供氣能力不足的問題。

目前,針對壓縮空氣泡沫滅火技術在石化行業(yè)應用研究多數為油盤火、池火滅火研究,由于油罐滅火與油盤滅火存在顯著區(qū)別,對于儲罐形態(tài)的滅火研究未見報道,且發(fā)泡氣源多為壓縮空氣,對于氮氣與壓縮空氣為氣源的滅火對比試驗較少。

鑒于此,搭建了試驗裝置,模擬儲罐存儲不同油品,在不同液位下,由于爆炸導致儲罐罐頂不同開口程度下的火災情形,對比驗證氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火性能。

1 試驗設計

1.1 壓縮空氣泡沫與氮氣泡沫產生裝置

壓縮空氣泡沫與氮氣泡沫產生裝置(圖1)由100 L泡沫液儲罐、100 L氣體緩沖罐、氣液混合器、泡沫噴射管路、氣體流量計、液體流量計等組成。該裝置采用空氣發(fā)泡時由空氣壓縮機供氣,采用氮氣發(fā)泡時,由氮氣瓶供氣,產氣源通過氣體緩沖罐平穩(wěn)系統(tǒng)工作壓力。氣液比及噴射流量由針閥進行調節(jié),噴射流量2～5 L/min可調,氣液比1∶4～1∶10可調。

圖1 壓縮空氣泡沫與氮氣泡沫產生裝置流程示意

1.2 試驗油罐

試驗油罐罐壁高度1.0 m,罐體內徑1.2 m,液面全面積1.13 m2。油罐具有罐頂開口調節(jié)功能,可實現100%,50%,25%開口,模擬事故狀況下油罐罐頂不同程度開口的火災情況。通過調整水墊層高度模擬不同液位下的火災情況,燃燒過程中罐壁無冷卻。

1.3 試驗材料

試驗采用IC級3%型水成膜滅火劑預混使用。

試驗燃料選用柴油(閃點50 ℃)、120#溶劑油(閃點-20 ℃)。

1.4 試驗步驟

a) 按3%混合比配制泡沫混合液加入泡沫液儲罐中。關閉儲罐上各個閥門,啟動空壓機或氮氣瓶組,打開緩沖罐和泡沫罐的氣體入口閥門,調節(jié)減壓閥使儲罐壓力穩(wěn)定在設定值0.8 MPa,開啟噴射閥門進行噴射,通過液相管路針閥開度調節(jié)噴射流量,氣相管路針閥開度調節(jié)氣液比,觀察泡沫狀態(tài)、測試發(fā)泡倍數。

b) 每次滅火試驗前,先確定泡沫狀態(tài)正常、測定發(fā)泡倍數后,再將泡沫噴射入油罐開始滅火試驗,通過調整泡沫槍噴射角度,保證泡沫噴射至儲罐內壁,按緩施加方式進行滅火。

c) 通過調節(jié)罐頂開口程度,分別模擬25%,50%,100%開口程度下,且在不同液位下的不同油品的燃燒情況,對比不同供給強度下的氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火性能。油罐做水墊層,高液位750 mm,低液位250 mm,單次燃燒油層20 mm,用油22.6 L,預燃時間2 min。

2 試驗結果

2.1 油罐罐頂100%開口滅火試驗

試驗模擬儲罐因爆炸燃燒,罐頂全部掀開下的火災狀態(tài)。在罐頂100%開口狀態(tài)下,高液位和低液位形況下,對比氮氣泡沫和壓縮空氣泡沫的滅火能力。預燃時間2 min,試驗結果如表1所示。

表1 儲罐罐頂100%開口高、低液位滅火試驗結果

試驗1～5對比了罐頂100%開口高液位情況下,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。當燃料為柴油,在泡沫流量3 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為70 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間90 s減少22.2%。當燃料為120#溶劑油時,壓縮空氣泡沫流量3 L/min無法滅火,將流量提升至4 L/min,氮氣泡沫滅火時間62 s,較壓縮空氣泡沫116 s減少46.6%。

試驗6～13對比了罐頂100%開口低液位情況下,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。當燃料為柴油,在泡沫流量3 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為47 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間99 s減少52.5%;在泡沫流量2 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為83 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間140 s減少40.7%。當燃料為120#溶劑油時,需將壓縮空氣泡沫流量提升至5 L/min方能完成滅火,滅火時間為51 s,低于此流量,罐壁邊緣火無法撲滅;氮氣泡沫流量5 L/min時,38 s即可完成滅火。

罐頂100%開口,氮氣泡沫較壓縮空氣泡沫滅火效率均有提升。輕質油品120#溶劑油較柴油,滅火難度更大。高液位情況下,火焰可以充分卷吸空氣,此時滅火主要體現的是泡沫的高溫穩(wěn)定性與鋪展性,氮氣泡沫較壓縮空氣泡沫熱穩(wěn)定性更高,鋪展速度更快。在低液位燃燒時,由于液位低,受罐壁高度影響,熱量積聚,泡沫揮發(fā)性更強,燃燒更為劇烈,滅火難度提升,當泡沫施加后,因液位低,火焰卷吸空氣的難度提升,此時體現了氮氣泡沫破裂釋放氮氣抑燃作用。

2.2 油罐罐頂50%開口滅火試驗

試驗儲罐罐頂設定為50%開口,模擬罐頂因爆炸大部分掀開下的火災狀態(tài)。對比高液位和低液位時,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。預燃時間2 min,試驗結果見表2。

表2 儲罐罐頂50%開口高、低液位滅火試驗結果

試驗14～17模擬了罐頂50%開口高液位情況下,氮氣與壓縮空氣泡沫滅火能力。當燃料為柴油時,在泡沫流量3 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為73 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間96 s減少23.9%。當燃料為120#溶劑油,泡沫流量4 L/min時,氮氣泡沫滅火時間63 s,較壓縮空氣泡沫113 s減少44.2%。將試驗結果與罐頂100%開口高液位燃燒情況的試驗1～5對比,可發(fā)現,在高液位情況下,罐頂100%開口與罐頂50%開口,氮氣泡沫的滅火時間基本一致,較壓縮空氣泡沫滅火效率提升也基本一致。

試驗18～26對比了罐頂50%開口低液位情況下,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。當燃料為柴油時,在泡沫流量3 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為59 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間72 s減少18.1%。當燃料為120#溶劑油時,泡沫流量3 L/min時,壓縮空氣泡沫無法滅火,氮氣泡沫滅火時間77 s;泡沫流量4 L/min時,氮氣泡沫滅火時間67 s,較壓縮空氣泡沫77 s減少13.0%;泡沫流量5 L/min時,氮氣泡沫滅火時間55 s,較壓縮空氣泡沫65 s減少15.4%。將試驗結果與罐頂100%開口低液位燃燒情況的試驗6～13對比,在罐頂50%開口低液位時,滅火難度有一定提升。

在高液位情況下,儲罐50%開口與100%開口時,罐頂的開口程度對火焰強度影響不大,滅火難度基本一致。在低液位情況下,儲罐50%較100%開口,受罐頂遮蔽影響熱量散發(fā),熱積聚更強,油品揮發(fā)性更強,滅火難度進一步提升,氮氣泡沫的滅火優(yōu)勢較壓縮空氣泡沫進一步體現。

2.3 油罐罐頂25%開口滅火試驗

通過試驗儲罐罐頂25%開口的設置,模擬儲罐罐頂因爆炸小部分掀開情況下氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。預燃時間設定為罐頂50%開口點燃3min后,縮小開口至25%繼續(xù)燃燒1 min。這是因為在儲罐25%開口時,點燃燃料后,由于罐內處于缺氧狀態(tài),隨即就會自熄滅;50%開口預燃時間較短時,再縮小開口至25%,燃燒也會自終止。只有通過大開口充分預燃,火焰強度足夠后,方可實現小開口的穩(wěn)定燃燒。試驗結果見表3。

表3 儲罐罐頂25%開口高、低液位滅火試驗結果

試驗27～31對比了罐頂25%開口高液位情況下,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。當燃料為柴油,泡沫流量3 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為66 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間73 s減少9.6%。當燃料為120#溶劑油,泡沫流量4 L/min時,壓縮空氣泡沫無法滅火,而氮氣泡沫滅火時間為80 s;泡沫流量為5 L/min時,壓縮空氣泡沫滅火時間為158 s。通過與試驗1～5和14～17對比可以看出,在高液位情況下,罐頂25%開口較罐頂50%和100%開口,在燃料為柴油時,滅火難度有所降低;當燃料為溶劑油時,滅火難度有所提升。

試驗32～35對比了罐頂25%開口低液位情況下,氮氣泡沫與壓縮空氣泡沫的滅火能力。當燃料為柴油,泡沫流量3 L/min,氮氣泡沫滅火時間為142 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間163 s減少12.9%。當燃料為120#溶劑油時,泡沫流量5 L/min時,氮氣泡沫滅火時間為250 s,較壓縮空氣泡沫滅火時間295 s減少15.3%。通過與試驗6～13和18～26對比可以看出,在高液位情況下,罐頂25%開口較罐頂50%和100%開口,滅火時間大幅提升,氮氣泡沫較壓縮空氣泡沫的滅火能力提升效果進一步體現。

在罐頂開口25%,高液位情況下,當燃料為柴油這類揮發(fā)性低的油品時,滅火難度較罐頂50%、100%開口滅火難度有所降低,這是因為罐頂開口程度小,燃燒缺氧所致;但當燃料換為120#溶劑油時,此時由于油品揮發(fā)性強,燃燒更為劇烈,火焰卷吸空氣受影響程度小,且罐頂覆蓋導致了熱量的積聚,進一步促進了燃燒,因此滅火難度大幅提升,氮氣泡沫的滅火效率較空氣泡沫提升明顯,充分體現了氮氣泡沫的熱穩(wěn)定性,及氮氣釋放稀釋氧含量的作用。在低液位情況下,罐頂為25%開口,當燃料為柴油時這類揮發(fā)性低的油品時,較罐頂50%、100%開口,可以以更低的供給強度完成滅火,滅火難度進一步降低,此時罐內缺氧程度更重;當燃料為120#溶劑油時,更高的罐壁與罐頂導致罐內熱積聚嚴重,泡沫的熱穩(wěn)定性要求更高,此時滅火難度大幅度提升,氮氣泡沫滅火能力優(yōu)于壓縮空氣泡沫。

2.4 直徑2.4 m油盤滅火試驗

通過直徑2.4 m油盤全面積火(4.52 m2)放大試驗,對比氮氣泡沫和壓縮空氣泡沫的滅火能力。試驗油品為120#溶劑油,試驗結果見表4。

表4 儲罐罐頂25%開口高、低液位滅火試驗結果

試驗38按照GB 15308—2006《泡沫滅火劑》標準測試泡沫滅火劑的滅火性能,采用吸氣式發(fā)泡方式。對于2.4 m油盤火,吸氣式泡沫11.4 L/min流量完成滅火需要150 s,而正壓式發(fā)泡的壓縮空氣泡沫和氮氣泡沫僅需在5 L/min流量下即可完成滅火,且用時接近,驗證了正壓式發(fā)泡的壓縮空氣泡沫和氮氣泡沫的滅火優(yōu)越性。在此等滅火尺度下,氮氣泡沫滅火時間152 s,較壓縮空氣泡沫179 s減少15.1%,進一步驗證了氮氣泡沫較壓縮空氣泡沫的滅火優(yōu)勢。

3 結果分析與討論

a) 從試驗結果看,氣體類型、燃料類型、油罐液位、罐頂開口程度均對滅火難度有影響?？傮w上,輕質油品滅火難度大,低液位滅火難度大,罐頂開口程度對滅火難度的影響取決于油品的揮發(fā)性。

b) 從氣體類型來看,氮氣作為氣源產生的泡沫的熱穩(wěn)定性較壓縮空氣更強,且氮氣泡沫破裂后會釋放氮氣,在火焰界面可以形成局部阻燃區(qū),增強滅火效率。因此各類工況下,氮氣泡沫的滅火效率較壓縮空氣泡沫均有明顯提升。

c) 從燃料類型看,輕質油品120#溶劑油(閃點-20 ℃)較柴油(閃點50 ℃),滅火難度更大,油品閃點越低,其揮發(fā)性就越強,燃燒更為劇烈。試驗出現壓縮空氣泡沫低供給強度未滅火的現象,說明燃料的特性對滅火能力影響明顯,啟示在儲罐滅火時,針對易揮發(fā)的燃料應該采用更大的強度滅火。

d) 從油罐液位高度看,高液位情況下,火焰可以充分卷吸空氣,此時滅火主要體現的是泡沫的高溫穩(wěn)定性與鋪展性,試驗證明氮氣泡沫較壓縮空氣泡沫熱穩(wěn)定性更高,鋪展速度更快。低液位時,由于液位低,受罐壁高度影響,罐壁對液面熱輻射與火焰對液面的熱輻射疊加,罐內熱量積聚,燃料揮發(fā)加劇,對泡沫層的破壞加劇,此時滅火難度大幅度提升,同時因液位低,火焰卷吸空氣的難度提升,體現了氮氣泡沫破裂釋放氮氣抑燃作用。

e) 從罐頂開口程度來看,當燃料為柴油這類揮發(fā)性較低的油品時,開口越小滅火難度越低,而當燃料為120#溶劑油此類揮發(fā)性高的油品時,開口越小滅火難度越大。試驗表明,在罐頂25%開口,燃料為輕質油品,低液位情況下,滅火難度最大,更高的罐壁與大面積的罐頂遮蔽導致罐內熱積聚嚴重,泡沫的熱穩(wěn)定性要求更高,且油品揮發(fā)性更強,泡沫很難在如此苛刻的條件下維持穩(wěn)定覆蓋,滅火強度要求更高,此工況進一步驗證了氮氣泡沫熱穩(wěn)定性更強,且破裂后釋放氮氣的局部窒息作用。

4 結論

a) 從試驗結果看,儲罐罐頂開口程度、存儲介質及液位高度對滅火難度都有影響。同樣的泡沫液,采用正壓式發(fā)泡方式的壓縮空氣泡沫、氮氣泡沫兩種泡沫均勻、細膩,穩(wěn)定,較常規(guī)吸氣泡沫滅火性能均有大幅度提升,且氮氣泡沫的滅火性能更優(yōu)。

b) 建議具備氣源的石化企業(yè)對現有泡沫系統(tǒng)進行技術升級,改造為正壓式發(fā)泡方式的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)或氮氣泡沫系統(tǒng),全面提升泡沫系統(tǒng)的滅火能力。尤其是針對揮發(fā)性強的輕質油品儲罐,應增加泡沫供給強度,優(yōu)選氮氣泡沫系統(tǒng)。