液氮泡沫滅火系統研發*

牟小冬，郎需慶，尚祖政，談龍妹，周日峰，吳京峰

(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 266000)

0 前言

目前我國儲罐正逐漸向大型化、集群化方向發展[1]。近些年油罐火災多發，撲救難度大，且易復燃，普通的泡沫滅火系統難以覆蓋油面，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]。國內近幾年儲罐火災事故處置反映出我國石化企業配備的消防設備并不具有撲救大型火災的能力。比如，大連“7·16”火災撲救共出動13個消防支隊、14個企業專職隊，動用了220輛消防車，消耗泡沫液超過1 000 t，供水量超過120 000 t；福建漳州古雷重大火災事故共調動269臺消防車和1 169名消防官兵，調運1 467 t泡沫液、3套遠程供水系統、5萬條沙袋，著火罐復燃3次，滅火耗時56 h，用水量超過140 000 t。在撲救大型儲罐火災時，國外大多采用大流量遠射程泡沫炮，其最大流量超過40 000 L/min(2 400 m3/h)，而當前國內新建大型原油庫的消防泵總供給能力最大為1 000～1 200 m3/h，而且多數油庫缺少遠程供水設備。供水量不足及泡沫性能偏低，嚴重制約了國內石化罐區火災撲救能力。

為解決國內供水量不足的問題，需要一種更高效的滅火系統。壓縮空氣泡沫系統是一種更加高效的滅火系統，其利用泡沫發生器將泡沫液和壓縮氣體充分混合，產生均勻細膩、穩定性好的泡沫，具有滅火時間短、抗復燃能力強等特點[3-5]。根據NFPA11的推薦值，固定頂儲罐應對全面積火災的吸氣式泡沫系統泡沫混合液最低供給強度為4.1 L/(min·m2)，而CAFS(壓縮氣體泡沫系統)泡沫混合液最低供給強度為1.63 L/(min·m2)[6]。同樣的火災，壓縮空氣泡沫系統的用水量遠低于吸氣式泡沫。然而傳統的壓縮氣體泡沫滅火通常采用氣體壓縮機、高壓氣體管網或壓縮氣體鋼瓶等方式進行供氣，而氣體壓縮機及壓縮氣體鋼瓶供氣量有限，無法滿足大流量、高壓力、長時間供氣的要求，且絕大多數場所沒有高壓氣體管網，空壓機的產氣能力限制了壓縮空氣泡沫系統在大型火災撲救中的應用，如何提供大流量的壓縮氣體是將壓縮氣體泡沫滅火技術應用于石化領域重大火災撲救的關鍵。

針對壓縮空氣泡沫滅火系統無法實現大流量供氣的問題，開發了液氮泡沫系統(LNFS)，解決了大流量供氣的問題，提升了泡沫滅火系統的滅火效能，可以有效解決我國石化大型火災滅火所面臨的問題。

1 液氮泡沫滅火系統原理

液氮泡沫滅火系統的工作原理是利用液氮代替空壓機、氣瓶供氣，液氮與泡沫混合液在專用氣液混合器中，經過充分換熱、氣化及擾流混合，通過改變兩相流體流場，形成致密穩定的泡沫。液氮與泡沫混合液經過專用的混合器接觸后能夠迅速氣化，該混合器可有效避免液氮導致的泡沫混合液結冰問題，同時，產生的氣體能夠快速與泡沫混合液混合，瞬間形成巨大的微氣泡團。由于液氮在常壓下的膨脹比通常為700左右，即1體積的液氮通常可以提供約700體積的常壓氮氣，由液氮產生的氣體的體積與液氮本身體積相比大大增加，而常規壓縮空氣的壓縮比不超過20，由此，在獲得相同量氣體的情況下，液氮供氣的方式可大大減少氣體源的體積，為實現大流量供氣提供了技術條件。

泡沫混合液是常溫流體，其與液氮經專用混合裝置混合后，泡沫混合液可充分與液氮換熱，液氮在泡沫混合液流體內完成可控有序的快速氣化，并立即參與發泡。在該混合裝置內經過流場改變后，不會發生冰凍現象，液體溫度降低幅度也很少，完全不影響泡沫質量。

2 小流量液氮泡沫滅火測試

基于液氮發泡原理，開展了小流量液氮泡沫滅火測試。該實驗裝置由1臺模擬儲罐(直徑3.6 m、高1.5 m)、1個泡沫混合液箱(預混水成膜3%型泡沫滅火劑)、1臺離心泵、1臺液氮泡沫專用混合裝置、1臺液氮杜瓦瓶，1把泡沫直管槍，一把吸氣式泡沫槍。液氮泡沫利用液氮與泡沫混合液在專用混合器中進行比例摻混發泡后通過直管槍進行噴射，吸氣式泡沫直接將泡沫混合液通過離心泵輸送至吸氣式泡沫槍進行噴射。

在油罐內燃燒120#溶劑油，分別利用吸氣泡沫及液氮泡沫進行滅火測試，預燃時間為1 min。吸氣泡沫按照GB50151-2010《泡沫滅火系統設計規范》的供給強度參數為5.0 L/(min·m2)，液氮泡沫的供給強度為2.0 L/(min·m2)。

泡沫滅火試驗結果見表1，實驗數據顯示液氮泡沫的滅火性能遠高于吸氣式泡沫，吸氣式泡沫在GB50151-2010規定的供給參數5.0 L/(min·m2)要求下，控火時間達到95 s，滅火時間長達182 s。而液氮泡沫在供給強度僅為2.0 L/(min·m2)的情況下，在60 s內完成滅火，進一步驗證了壓縮氣體泡沫系統相較于吸氣式泡沫系統的滅火優越性，同時證明了液氮泡沫滅火的可行性。

表1 小型液氮泡沫滅火試驗結果

3 大流量液氮泡沫滅火測試

基于對液氮發泡的原理研究及小流量滅火測試結果，作者團隊研發了一套大流量液氮泡沫滅火裝置，該裝置內置5 m3液氮罐、專用液氮泡沫混合器及液氮流量與泡沫混合液流量調配系統，最大泡沫混合液流量可達150 L/s，發泡倍數可調，可以產生干濕兩種狀態的泡沫，濕泡沫流量最大可達到63 000 L/min，干泡沫流量最大可達到108 000 L/min。

該裝置與舉高噴射車聯合噴射，在直徑26 m油盤(相當于10 000 m3儲罐)上開展了全面積火災液氮泡沫和吸氣式泡沫的對比滅火測試，見圖1。燃燒介質為柴油，當液面形成全面積燃燒后預燃120 s。

圖1 26 m直徑油盤全面積火災滅火測試

第一組實驗大流量液氮泡沫滅火裝置與舉高噴射車聯用，高噴車外接水源，通過高噴車進行泡沫比例混合，將泡沫混合液注入液氮泡沫滅火裝置進行液氮混合發泡，混合好的泡沫返回高噴車臂架進行舉高固定角度俯沖式噴射，噴射時泡沫混合液流量為76 L/s，滅火時間為61 s，泡沫混合液消耗量4636 L。第二組實驗利用常規泡沫消防車進行滅火測試，固定炮頭遲遲無法將火勢撲滅，最終通過調整炮頭，對準火點搖擺式噴射，泡沫混合液流量為50 L/s，滅火時間為215 s，泡沫混合液消耗量10 750 L。此次實驗液氮泡沫系統的泡沫混合液消耗量僅為吸氣式泡沫的46%。

通過大尺度油盤滅火性能對比，發現利用大流量液氮泡沫滅火系統具有如下優勢。

a)液氮泡沫抗復燃能力強，泡沫層穩定性高。在大尺度油盤滅火實驗中發現，吸氣式泡沫覆蓋的區域會發生局部油面復燃現象，但液氮泡沫覆蓋的區域未發生泡沫復燃。這說明液氮泡沫抗復燃能力強，而高的泡沫抗燒能力可歸因于液氮泡沫氣泡小且均勻，耐熱膨脹能力高，不容易被高溫破壞。而且大流量液氮泡沫滅火系統噴出的泡沫層穩定時間高達240 min以上。

b)氮氣窒息與泡沫協同滅火。液氮泡沫噴入著火油面后，泡沫落入的區域燃燒抑制明顯，火勢明顯變小，主要原因是液氮泡沫破裂后會釋放出氮氣，隨著氮氣的不斷釋放，能夠在一定程度上阻止空氣進入燃燒區，并且能稀釋著火油面周圍的空氣含量，最終使得燃燒區域因缺少空氣而降低燃燒強度，從而使火窒息。氮氣窒息與泡沫覆蓋窒息，兩者雙重協同滅火作用，顯著提高了滅火效率。

c)液氮泡沫冷卻作用明顯。液氮在泡沫混合液內氣化產生泡沫時會吸收大量的熱量，使得泡沫混合液溫度降低(大約降低1～2 ℃)。當低溫的泡沫噴灑到著火油面時，會從燃燒物表面攝取大量的熱，使得著火油面溫度冷卻的程度更加明顯，最終迫使燃燒物的溫度大大降低而熄滅火焰。然而吸氣泡沫是從火場周圍吸入高溫空氣后產生的泡沫，泡沫溫度非常高，穩定性差，且對油面的冷卻作用較差。

d)液氮泡沫噴射流量大，滅火效能高。因為液氮氣化比高達1∶700，因此極少的液氮氣化后就會產生大量的氮氣，這就能使得液氮泡沫滅火技術實現大流量高壓噴射，解決了壓縮空氣泡沫無法大流量供氣的問題。而且在大尺度油盤滅火實驗中發現，在撲滅相同面積的油盤火時液氮泡沫最低供給強度數值僅是吸氣式滅火系統的30%。

e)液氮供氣設備成本低。市面上常用的壓縮氣體泡沫滅火系統是通過空壓機供給氣體，而液氮泡沫系統是采用液氮氣化的供給方式。這種供給方式，全程只需要使用液氮罐實現液氮的儲存與輸出，無任何動設備，系統運行的可靠性高，而且供氣設備成本低。

4 大型儲罐全面積火災配置分析

大流量液氮泡沫系統可以解決我國石化企業大型火災所遇到的問題，用水量少，且滅火效能高，通過持續的泡沫液供給和各類移動式噴射裝置相結合，形成一個滅火單元，實現大型火災的撲救。

以撲救10×104m3儲罐全面積火災為例，對比分析吸氣泡沫、液氮泡沫的所需配置情況。對于吸氣式泡沫滅火系統，基于國外的滅火案例以及日本《石油聯合企業等防災體制檢討會研討結果報告》、API、LASTFIRE等國際權威標準規范與儲罐火災研究組織的推薦值，對于10×104m3儲罐全面積火災的撲救，其泡沫混合液的供給強度至少需9 L/(min·m2)，泡沫混合液流量至少需要45 216 L/min，滅火時間至少需60 min，泡沫混合液的消耗量是2 712 m3。

對于壓液氮泡沫滅火系統，一般認為壓縮氣體泡沫滅火系統所需泡沫供給強度為吸氣式泡沫滅火系統的1/4，但由于10×104m3儲罐全面積火災的滅火面積較大，根據大尺度油盤滅火實驗數據，其泡沫供給強度宜取5.4 L/(min·m2)，則泡沫混合液流量是27 130 L/min。以發泡倍數7為目標，其供氣量應至少是190 m3/min，加上損失量，供氣量將不低于200 m3/min。按照60 min的滅火時間，泡沫混合液的消耗量是1 627 m3，相較于吸氣式泡沫系統減少了將近1 000 m3的用水量。所需供氣量為12 000 m3，對應所需液氮量是17 m3。此時只需派遣一輛液氮槽車進行配合滅火即可，一臺液氮罐槽車的容積一般是25 m3，該液氮槽車滿載液氮后，持續供給時間可達80 min。

5 結語

在面臨石化企業的大型儲罐全面積火災等大型火災事故時，液氮泡沫滅火系統可以替代吸氣式泡沫滅火系統，利用正壓發泡的優點，提高泡沫的滅火效率，大大減少用水量。同時液氮泡沫系統可以解決利用空壓機、氣瓶供氣的傳統壓縮空氣泡沫系統因供氣量不足而無法滿足大流量噴射的問題。該大流量液氮泡沫系統可自帶液氮罐，滿足一定時間的持續噴射要求；在面臨長時間作戰及群組作戰時，全國各級地市均有液氮銷售廠家，通過現場調派液氮槽車，可利用液氮槽車直接提供液氮進行長時間噴射滅火作業，該滅火系統具備工程應用條件。