氮氣泡沫滅火技術發展現狀

周日峰，楊 轉，郎需慶，牟小冬，吳京峰，牟善軍，王 鑫

(1.中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 2660712.中國石油大學(華東)，山東青島 266580)

目前，我國石油儲罐正逐漸向大型化、集群化方向發展[1]。油罐火災危害嚴重，火災一旦發生，火勢迅猛，蔓延迅速，并在熱輻射或火焰沖擊的作用下，擴散到相鄰儲罐，這將對油田企業的財產安全和員工生命安全造成巨大的影響。普通的泡沫滅火系統、冷卻系統難以覆蓋油面，甚至隨著爆燃和大火的加劇，油罐上的滅火裝置也隨之遭到破壞[2]。

近年來，氮氣泡沫被廣泛應用于鉆井驅油氣，提高采收率[3,4]；泡沫壓裂酸化[5]、封堵[6]以及礦井采空區防滅火[7]等領域。在美國、俄羅斯等石油工業發達國家氮氣泡沫滅火技術得到廣泛應用，并取得了顯著效果。我國主要將氮氣泡沫用于油藏驅油、煤礦井下滅火，并且積累了一定經驗，對其作用機理、流動規律以及穩定性能有較成熟的研究。

本文對氮氣泡沫滅火原理及穩定性研究進行綜述，通過對比氮氣泡沫與其他氣體泡沫的性能及滅火效果來闡明氮氣泡沫滅火技術的優越性。

1 氮氣泡沫滅火原理

氮氣泡沫的滅火原理[8,9]主要有：①冷卻降溫作用。泡沫與水接觸后，發生對流傳熱，同時吸收大量的輻射熱，泡沫所含水分迅速蒸發，使火源溫度降低。②窒息作用。噴射的氮氣泡沫覆蓋到火源上面，迅速堆積，隔絕空氣，降低氧氣濃度。③抑爆作用。注入泡沫初始階段，其穩定性較好(少量氮氣被釋放出來)，大量的氮氣仍能有效的富集在泡沫中；當泡沫在外在因素(高溫、碰撞)和內在因素(自身穩定性)的共同作用下破裂，釋放出氮氣，沖淡氧氣及可燃氣體濃度，使其有效地保持對火區的持久惰化，從而抑制混合氣體爆炸，達到滅火的目的[10,11]。

2 氮氣泡沫穩定性

2.1 氮氣泡沫物性

泡沫中氣體性質、表面張力、泡沫衰變機理(液膜排液和氣體擴散)、泡沫尺寸以及液膜厚度等是影響泡沫穩定性的重要因素。

2.1.1氣體性質

目前，用于泡沫滅火的氣體多為空氣、二氧化碳、氮氣[12]。

氮氣分子量是28，密度比空氣、氧氣和二氧化碳小；惰性氣體，不支持燃，不容易與其他化學元素化合。此外，導熱系數大小依次是氧氣、空氣、氮氣、水蒸氣、二氧化碳，可見氮氣吸熱能力較強。

Weaire D等人[13]和Christopher Hill等人[14]認為不溶于水的氣體(如氮氣)與泡沫液摻混后生成的泡沫穩定性要優于易溶于水的氣體(如二氧化碳)。林紅[15]通過實驗研究，認為氮氣(特別是液氮)能夠隔絕空氣降氧、吸熱降低溫度、覆蓋火源，是生成泡沫的最佳氣相。

2.1.2表面張力

在消防常用泡沫中，減小泡沫膜表面張力，有利于氣泡破碎，形成泡沫，但不能保證泡沫的穩定性能。周國華等人[16]在室溫25℃、泡沫劑溶液0.5%的條件下進行了接觸角實驗，研究發現，二氧化碳氣泡容易從注射針頭逃逸，只有表面膜有一定的強度，低表面張力才有利于泡沫的穩定，這證明了二氧化碳-液膜沒有空氣-液膜穩定性好。與王力[17]測得的氮氣泡沫表面張力比較可知，氮氣-液膜穩定性僅次于空氣-液膜，如圖1所示。

圖1 三種氣體泡沫表面張力

2.1.3衰變機理

Deshpande N S等人[18]提出泡沫的衰減過程一般分為泡沫析液區(在重力和毛細管力作用下排液，泡沫未破滅，體積變化較小)、泡沫破滅區(泡沫破滅占主導，體積迅速減小)以及泡沫亞穩定區(泡沫基本停止析液，泡膜形成牛頓黑膜NBF，無外力干擾的情況下保持穩定)，這與呂明明等人[19]實驗研究結果吻合。泡沫衰變機理主要有液膜排液和氣體擴散，而液膜粘度、表面張力以及液膜滲透率對其有重要影響。本文將從液膜排液和氣體擴散兩個方面闡述泡沫衰變機理。

a)液膜排液。氣泡之間互相擠壓和重力作用是造成液膜排液的重要因素。相鄰氣泡間的液膜稱為泡膜，多個氣泡(通常三個氣泡)邊界區稱為P區(Plateau邊界區)[15,20]，Laplace方程如下：

(1)

式中：PA——泡膜內液體壓力，Pa；

PB——P區內液體壓力，Pa；

σ——表面張力，N/m；

R——P區表面曲率半徑，m。

該式表明，P區內壓力小于泡膜內壓力，泡沫中的液體在該壓差作用下逐漸流向P區，液膜變薄，最終泡沫破滅[21]。從曲面壓力來看，當液膜間夾角為120°時，膜內壓力與P區壓力差最小，泡沫最穩定，故泡沫多呈六邊形[22]。

b)氣體擴散。無論是哪種氣體泡沫，用何種方式產生，其結構、尺寸大小都是不均一的。由Laplace方程可知，小氣泡內的氣體壓力高于大氣泡，故小氣泡中的氣體會透過液膜擴散到大氣泡中，因此，小氣泡變小，大氣泡變大，最終趨于破滅[15]。

Marius Nüllig等人[23]將氣泡注入盛滿水的旋轉腔中，揭示不同氣泡傳質擴散現象。圖2表示水飽和度0.6時氣泡直徑從1.5 mm減小到0.5 mm的時間長度。從圖中可以看出，氮氣泡收縮速度顯著低于氬氣、甲烷、氧氣。這說明在氮氣泡沫中，泡沫膜包裹的氮氣不容易透過泡沫擴散，泡沫穩定性較好；在噴射泡沫初期，大量的氮氣仍能有效的富集在泡沫中，這與Zhou F B等人[10]提出的泡沫滅火機理相吻合。

Kovscek A R[24]和Farajzadeh R等人[25]認為在相同條件下，二氧化碳在水中的溶解度比氮氣大50多倍，但兩者擴散系數差別較小，故二氧化碳泡沫液膜滲透率遠大于氮氣泡沫，這是二氧化碳泡沫穩定性比氮氣泡沫差的主要原因。

圖2 氣泡在水飽和度0.6時收縮速率

Lü M等人[26]利用氣流法進行二氧化碳泡沫和氮氣泡沫的穩定性研究，實驗結果表明，氣體擴散是二氧化碳泡沫衰減的主要機理，其衰減曲線近似一條直線；而氮氣泡沫氣體透過液膜向外擴散速度較小，其符合一般泡沫衰減規律。

2.2 氮氣泡沫性能

常用消防泡沫的尺寸大小、多少以及泡沫的穩定性等性能都直接影響其滅火效果。泡沫性能通常是指溶液的起泡能力和泡沫的穩定性，檢測泡沫性能的方法有很多種，如體積法(Ross-Miles法、Waring-Blender法、振蕩法、氣流法)、電導率法(單點電導率、多點電導率)、壓力法等[27]。目前，很多學者利用各種各樣的方法對泡沫性能進行了準確詳盡的評價。為能更好地表征泡沫性能，通常以發泡倍數(泡沫體積與產生泡沫的液體體積之比)來表征溶液的起泡能力；以泡沫的半衰期(泡沫體積減小到原來一半所需的時間)來表征泡沫的穩定性[28,29]。

2.2.1發泡倍數

吳燦[30]在測試溫度為90 ℃，壓力為15 MPa，起泡劑濃度為0.5%的試驗條件下對比分析了不同氣體對泡沫性能的影響，測得的發泡倍數如圖3所示。從起泡能力來看，氮氣發泡效果最佳，二氧化碳最差。

2.2.2半衰期

Lü M等人[26]通過實驗驗證得出，在同等條件下，氮氣泡沫半衰期遠高于二氧化碳泡沫，這說明氮氣泡沫的穩定性較好。吳燦[30]對比分析了三種氣體泡沫的穩定性，用泡沫半衰期和泡沫綜合指數(發泡倍數×半衰期)來表征，如圖4所示。從泡沫穩定性來看，空氣泡沫的半衰期最長，且綜合指數最大，氮氣泡沫次之，而二氧化碳泡沫質量最差(紅色表示泡沫半衰期，藍色表示綜合指數)。

圖3 三種氣體泡沫發泡倍數

圖4 不同發泡氣體對泡沫性能的影響

3 氮氣泡沫滅火效果

目前，液氮防滅火技術主要有兩種形式：直接向火區注入液氮和液氮汽化為氮氣注入。在神華寧夏煤業羊場灣煤礦[31]，將地面上液氮汽化后由管路輸送氮氣至采空區，8 t液氮汽化后，采空區氧氣濃度降低至7%，一氧化碳濃度降低至0.000 7%。2014年，Ma L等人[32]設計搭建了液氮降溫滅火一體化試驗系統，同樣在羊場灣煤礦進行了工業性實驗，結果表明，持續注入液氮后，采空區溫度降低約6 ℃，CO濃度始終低于0.000 2%；液氮經過空冷器蒸發汽化后，氮氣溫度低于8 ℃，其濃度可達99.99%。與一般機械制氮[31]相比，液氮降溫滅火一體化系統具有溫度低、濃度高的特點，其降溫效果及防滅火效果顯著，但成本較高。

對于油罐及其他非封閉空間，傳統的氮氣滅火技術主要存在兩個不足[2,33]：①氮氣導入效果及降溫效果差；②氮氣密度比空氣小，易逃逸流失，停止注氮后易復燃，達不到滅火目的。為此，沙赫焦爾斯克無煙煤生產聯合公司的康達爾那亞礦井滅火實踐中初次在難以到達的地區使用了全蘇礦業科研所研制的液氮惰性動力泡沫[34]。消耗了45 t液氮、20 t起泡劑以及150 m3的水，以25 m/min～30 m/min的速度向火區輸送約40 000 m3的氮氣泡沫。在礦井封閉的范圍內迅速撲滅了火源，氧氣濃度降到1%，二氧化碳濃度從6.5%降至2%，一氧化碳濃度由1.2%降至0.3%。王書慶等人[35]利用氮氣泡沫進行防滅火實驗，并提出為使泡沫液充分發泡，氮氣流量應較小，從而形成低倍數泡沫，其滅火時間低于120 s，抗燒時間高于12 min。此外，還進行了煤礦高冒區降溫滅火，氮氣與泡沫液經混合器混合后產生大量泡沫，通過Φ20鋼管向高冒區噴射泡沫。氧氣含量迅速降低到了12%以下，高冒區甲烷含量降到了5%，這與單純注入氮氣或空氣泡沫相比，滅火效果顯著。李紅亮等人[36]提出了一種氮氣泡沫煤礦瓦斯火滅火系統，利用氮氣機組制備氮氣，與泡沫液混合后產生氮氣泡沫，其認為氮氣流量應較小，采用發泡倍數為30倍的中低倍數泡沫滅火劑才能使其充分發泡。實驗中注入氮氣泡沫10 min后，泡沫堆積高度達到1 m，其覆蓋性強，避免了火勢向上蔓延，且火源處氧氣含量降低至低于12%。Fubao Zhou等人[10]利用泥漿、氮氣和水制備三相泡沫進行煤礦滅火實驗，其發泡倍數約為30倍。研究發現，三相泡沫具有較好的固氮作用，隨著泡沫穩定性的降低，釋放出氮氣，使氧氣濃度低于5%，且一氧化碳濃度顯著降低。Smith A C等人[37]進行了氮氣泡沫井下滅火實驗，煤堆自燃后溫度高達850 ℃，注入泡沫后，溫度顯著降低，燃料盤的泡沫溫度高于泡沫的周圍溫度，這說明泡沫從火區吸取熱量，冷卻采空區，避免火勢蔓延。此外，泡沫破裂后釋放的氮氣能夠降低氧氣濃度，減少甲烷自燃的機會。Lu, X.X等人[38,39]設計了一種螺旋網泡沫發生器，采用氮氣，使其產生大量惰性泡沫，其發泡倍數約為85-90倍。日本研究學者駒井武等人[40]分別測試了氮氣泡沫和氮氣單獨撲滅巷道坑木(松木)火災的滅火效果。點燃坑木堆6 min后氣流溫度高達800 ℃，向火區噴射氮氣泡沫，溫度急劇下降，持續噴射20 min后，氧氣濃度降低至1%～2%，二氧化碳、一氧化碳等氣體濃度也顯著降低，此時火區處于完全惰化狀態。停止噴射氮氣泡沫后未發現溫度上升和復燃現象。然而，相同條件下僅向火區噴射氮氣，6 min后溫度降到200 ℃以下，氧氣濃度減少緩慢，僅在10%左右；停止噴射氮氣后溫度再次回升，通風后短時間內復燃，滅火效果較差。

通過以上綜述可知，氮氣可被固封在泡沫中，防止其擴散，從而使火區持久惰化，其能快速高效的撲滅火災，具有獨特的滅火性能、滅火效果[41，42]。在石化罐區領域，固定式和移動式氮氣泡沫滅火系統都將有良好的應用前景。

4 結語

目前，氮氣泡沫防滅火技術多用于煤礦火災，且多為封閉區域滅火。與其他氣體泡沫滅火技術相比，氮氣泡沫穩定性高，不易破裂，具有固氮、冷卻降溫、抑爆、持久惰化等多種作用。從不同滅火實例中可以看出，氮氣泡沫滅火效果顯著。對于油罐等敞口火災，氮氣泡沫是一種新型高效的防滅火技術，能夠減小氮氣流失，迅速撲滅火災。這對保障我國油庫安全生產有著重要意義，在消防行業應用前景廣闊。