改变垫水层沸点的薄层扬沸实验研究

马平川，丁 超，林 潇，汪 箭

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

储油罐发生火灾，会造成严重的经济损失并对现场工作人员和扑救人员的生命造成极大危害，当燃油中含有一定比率的水分时，可能会导致一类特殊的燃烧现象-扬沸(boilover)。扬沸一般定义为，水分沉淀到燃料下方形成垫水层，上层燃油稳定燃烧一定时间后，油水交界面被加热到过热状态，并产生气泡聚集。气泡积累到一定量时，突破油层的封堵，卷起大量燃烧的热油喷溅而出，其为油池火灾中最为危险的情景之一。如1989年青岛黄岛油库5号油罐发生火灾，引燃周围四个油罐，燃烧过程中发生三次扬沸，火灾共造成19人死亡。

现代社会中除储油罐外，多种场景亦可发生扬沸。海上石油平台或者运输原油的轮船发生原油泄漏时，广泛采用的消除原油污染的手段之一是直接在海面上点燃原油。这类事故覆盖面积大，燃烧时间长，若海水被原油燃烧产生的热反馈加热后发生沸腾，在原油堆积的中心处由于周围油品的封堵，气泡不能快速扩散，在油层下形成聚集，可能发生扬沸。油类火灾错误用水灭火时，油类泄漏形成的薄油层漂浮于水层上燃烧，可能形成扬沸。食堂内大量油水的使用也有扬沸发生的隐患。

Hall[1]在1925年，Burgoyne和Katan[2]在1947年以及Blinov和Khudyakov[3]在1961年分别对扬沸做了早期的研究。早期的扬沸研究主要针对的是热区扬沸，Hall第一个对热区进行描述，并说明燃油具有一定的粘度是扬沸发生的前提条件。Blinov针对其实验现象与Hall的不同，对热区形成提出了另一个本质不同的机理来解释。Hesgawa[4]对Hall和Burgoyne以及Blinov等人提出的热区形成的机理进行了再研究，发现油盆尺寸小于800 mm时，主控传热方式的不同导致热区形成依赖于燃料种类和油盆尺寸。实验中发现热区较稳定地漂浮在冷油层上方，而将热区油层取样冷却后发现其密度大于冷油层，说明形成热区过程是轻质油的蒸发，重质油保留下来。当油盆尺寸大于900 mm时，热区形成速率只与燃料沸程有关。

本文实验的油层厚度为1.5 cm，处于薄层扬沸的范畴。Ferrero等[5-7]研究了薄层扬沸，发现在薄层扬沸中燃料燃烧的速度超过热油层沉降的速度，从而不会形成热区。并提出了薄层扬沸的一个传热模型。

Koseki等[8]的研究证实薄层扬沸相对于热区扬沸，油层较薄，从点燃到发生扬沸的时间更短，薄层扬沸强度低于热区扬沸。

近年来，Laboureur等[9]使用8 cm～30 cm的油盆进行了薄层扬沸实验，主要提出了扬沸前油品燃烧比例与扬沸强度的新关系式。

Ping等[10,11]在薄层扬沸研究中加入了侧向风，发现当侧向风速较小时，扬沸发生时的火焰高度将比没有侧向风时要小，但侧向风风速大于1 m/s小于1.5 m/s时，扬沸时的火焰高度将大于无风情况。

对于扬沸如何防治的研究较少。花锦松等[12-14]开发了识别扬沸前兆的特征声波的算法，认为识别出前兆阶段对火灾进行干预可防止扬沸发生。Broeckmann和Schecker[15]在1995年的研究提出布置储油罐时，油罐间安全间隔应该扩大到原先研究中安全距离的六倍，才可以有效防止扬沸火灾在周围储油罐蔓延，并提出在灭火设备中添加陶瓷颗粒可以有效抑制扬沸。Tsai等[16]使用两种油盆尺寸：10 cm，30 cm，进行了薄层扬沸实验，在燃料层表面添加一种商用的蒸发抑制剂，实验证实添加蒸发抑制颗粒后，提升了燃料的闪燃点，并且对扬沸发生有延迟作用，降低了扬沸的规模。

1 实验目的与实验设计

首先将垫水层溶解少许氯化钠模拟海水，进行了预实验。预实验工况中，氯化钠溶解液的配比为海水浓度，即千分之三比例的淡盐水，实验结果表明，该试验工况下的燃烧特性及扬沸行为同纯水工况组相比，差别不明显。由于湍流等因素的影响，相同工况下，扬沸火灾的特征参数呈现一定规律，但重复实验测得的数据会有区别，海水工况和纯水工况的实验条件区别相对较小，不能认为测得的特征参数区别是工况改变造成的。

大量研究表明扬沸临界过热温度由沸点决定，一般为超过沸点20 ℃左右，若能改变垫水层的沸点，可以提升交界面的临界过热温度。在交界面达到其临界过热温度前，让垫水层吸收更多的热量，使得油火燃烧产生的热量难以将交界面加热到临界过热温度，从而抑制扬沸的发生。氯化钠溶解液的沸点随着溶解物浓度的提高而上升，按上述分析会对扬沸火灾燃烧行为产生影响。添加氯化钠至溶液饱和显著改变了水层沸点，但加盐同时也改变了垫水层的其他热物性，比如降低水的比热容，让盐水吸热更快，这种竞争机制意味着其对扬沸的影响并不明确，探究垫水层为盐水条件下的扬沸变化规律是有必要的。

本研究的主要内容是，在室温常压下，开展燃料在饱和浓盐水垫水层燃烧的扬沸行为研究。进行燃料在氯化钠溶解液垫水层上燃烧特性的研究目的，一是验证前人对扬沸临界条件是油水交界面达到临界过热温度的理论，二是研究改变垫水层沸点是否可以抑制扬沸，为扬沸防治提供思路，比如在燃料罐装之前，于油罐底部添加无机盐改变沉淀水层的沸点等。前人防治扬沸，多采用在油品表面提前布置吸热剂，沸腾抑制剂等方法，影响油品正常使用。本文思路可解决此缺点。

本文实验在自主搭建的实验平台中进行，实验记录了质量损失速率，热辐射，温度场等多组数据，仪器布置详细情况如图1。实验平台放置在一个能控制风速的集烟罩下方，实验前调整集烟罩风速为零，保证实验时火焰不受空气流动影响保持竖直。

图1 实验平台示意图Fig. 1 Layout of experimental platform

实验支架固定在厚度为4 cm的钢板上，实验前将油盆在钢支架上固定，支架上布置不同大小的钢圈，可以固定不同大小的油盆。

将天平放置在钢支架之下，采用的天平精度为0.1 g，采集数据时间间隔为1 s，注意在油盆中垫水层添加完毕后，将天平调零以控制重复组添加的燃料质量相等。

本文采用的热电偶均为铠装型热电偶，通过连接NI模块采集温度数据输入到计算机端进行保存。热电偶树如图2所示，-2～7序号为热电偶编号，标志了热电偶位置，即-1，-2：垫水层内部；0：油水交界面 0；1，2：燃料层；3，4，5，6，7：火焰。液体中布置热电偶间距为0.5 cm。2，3，4之间间隔为4 cm。4，5，6，7之间间隔为8 cm。在距铁架油盆中心1 m处放置辐射热流计用于记录实验中的热辐射数据。在同一钢支架上(距离油盆1 m处)布置噪声仪记录声波波动。实验开始前，将环境温度与湿度分别记录在表格中。本文在常压下使用5.5 cm，10 cm，18 cm，30 cm四种不同尺寸的油盆作为燃烧器进行实验，油层厚度与垫水层厚度均为1.5 cm。并分别对每个工况进行了重复实验。

图2 热电偶树示意图Fig. 2 Thermocouple tree layout

2 柴油实验结果与分析讨论

本文所有垫水层加盐的柴油实验组燃烧全程没有发生扬沸，证明在垫水层中加盐不仅可以抑制燃料燃烧速率也可以抑制扬沸的发生。

下述内容为以柴油为燃料，垫水层为饱和氯化钠溶液的实验组，与垫水层为纯水组(以下简称加盐与纯水实验组)的实验结果对比分析。

图3为三种尺寸油盆的两种不同垫水层油池火质量损失对比，可以看出饱和氯化钠溶解液垫水层工况与纯水工况中质量损失速率差别明显。以饱和氯化钠溶液作为垫水层工况的燃烧速率要远低于纯水工况，并且整体燃烧持续时间更长。

图3 饱和氯化钠组和纯水组燃烧过程质量变化曲线对比Fig. 3 Comparison of quality changes between saturated sodium chloride solution groups and pure water groups

对比图4中柴油燃料10 cm油盆工况的左右两图数据，可以看出除了距油面最近的3号热电偶，对于火焰中同一位置的热电偶所测得的温度，饱和浓盐水实验组均明显低于纯水组，在之前做的预实验中，盐水浓度较低的工况中，并没有出现明显的差异，证明垫水层溶解物浓度的提升，会对火焰温度造成影响，即改变垫水层沸点，对柴油扬沸火灾有抑制作用。这是由于添加氯化钠改变了盐水沸点和交界面过热温度，燃烧过程中垫水层温度持续上升，吸收了更多的热量，从而燃料表面获得的热量减少，导致燃料的蒸发速率降低。火焰强度降低，火焰温度场下降。

纯水实验组饱和氯化钠溶液实验组柴油燃料10 cm油盆柴油燃料18 cm油盆柴油燃料30 cm油盆

图4 饱和氯化钠组和纯水组燃烧过程温度变化曲线对比
Fig. 4 Comparison of temperature curves between saturated sodium chloride solution groups and pure water groups

对于纯水工况，现场观察得到的扬沸发生时间与质量、热辐射数据体现的扬沸发生时间相同。10 cm油盆实验发生了两次扬沸，发生时间为380 s，430 s，18 cm油盘在380 s发生一次扬沸，30 cm油盘在270 s发生一次扬沸。本研究直径5.5 cm的油盆实验表明，无论是加盐还是不加盐，都没有发生扬沸，这是由于当油盆直径较小时，靠近壁面处的湍流效应增强，气泡容易突破油层来到表面，无法大量聚集在交界面。

观察到饱和浓盐水组，18 cm油盆的温度数据在400 s后开始缓慢下降，与纯水组趋势明显不同，30 cm数据也在200 s时就开始下降。多组实验均证明当垫水层为饱和氯化钠溶液时，温度场远在衰减期前经过某个临界点就开始逐渐下降，下文热辐射数据也体现出相同规律，即垫水层加盐后，在整个燃烧过程中火焰热辐射强度会减小。下文将讨论其形成机理。而纯水组并没有这个趋势，直到衰减期，火焰温度场才会出现明显的下降趋势。

图5为10 cm油盆-2～2号热电偶测得的温度数据，对比T(0)曲线，即两组工况的交界面温度，纯水组在120左右，符合Ferrero等人对薄层扬沸交界面过热现象的实验研究，垫水层添加氯化钠之后，交界面过热温度显著增加，观察到交界面温度维持在150 ℃左右，证实添加氯化钠改变沸点后，提升了交界面的过热温度，导致垫水层吸收了更多的热量。

图5 柴油燃料10 cm油盆-2至2号热电偶数据Fig. 5 Data of thermocouples No.-2 to No.2 in 10 cm oil basin of diesel fuel

图6为18 cm、30 cm油盆四组工况的热辐射强度数据，可以看出18 cm油盆纯水实验组在280 s左右发生了剧烈的扬沸，在280 s和380 s之间多次发生扬沸。热辐射数据中的标志是捕捉到一些热辐射强度较大的散点，这是因为扬沸发生时，快速上升的气体裹挟燃烧的热油喷出水面，形成火焰形态的突然扩大。而30 cm油盆纯水组发生了持续性扬沸(林潇[18])，普通的薄层扬沸，每次扬沸之间有较长的间隔时间，单次扬沸程度通常较强，具体表现为噪声强度和火焰高度、热辐射大小发生突变，主要发生在小尺寸油盆即燃烧过程处于对流控制时；当油盆尺寸增大，从对流控制进入过渡区或热辐射控制的过程中，扬沸燃烧行为逐渐转变为持续型。持续型表现为扬沸过程连续不断，扬沸程度，包括热辐射、火焰高度、噪声等参数的数值都较低。油盆尺寸为30 cm时为热辐射控制，纯水垫水层工况表现为持续型，整个扬沸行为表现为一个过程行为，并不是间隔的单次喷发行为，整个扬沸过程类似水沸腾持续产生气泡一样，扬沸行为表现为持续产生火焰形态增大，次数较多但强度较小，并发出噼啪声。

图6 柴油燃料18 cm，30 cm油盆热辐射变化

通过实验观察，18 cm和30 cm饱和氯化钠溶液组全程未发生扬沸，但30 cm组在600 s之后也发生了热辐射强度的改变，这是由于在衰减阶段，实验组发出爆鸣声并有轻微的喷溅现象，但并未形成扬沸。热辐射强度体现在600 W/m2上下波动，远低于左图扬沸峰值和稳定燃烧阶段热辐射数值。

饱和氯化钠溶液组远未到衰减阶段时，热辐射数据都发生了明显下降(18 cm为300 s左右，30 cm为180 s左右)，上小节温升数据也显示出同样规律。在油火实验中本文首次发现此现象，即饱和氯化钠溶液组的温度在上升到峰值以后缓慢下降，而垫水层为纯水组直到燃料不足进入衰减阶段才陡然下降。这是由于垫水层溶解了氯化钠导致沸点上升，从而交界面的过热温度随之上升。垫水层吸收的热量随之增加，燃料表面获得的热量减少导致油温下降，油温下降反过来又导致柴油中较重的馏分停止蒸发，燃料蒸汽减少，燃烧速率较低，导致火焰热反馈下降，油温继续下降。这种传热机制的变化发生在整个燃烧过程中，体现在测得的数据曲线中就是火焰温度和热辐射强度未到衰减阶段就开始下降。最终在交界面处达到扬沸发生的临界条件之前，油品剩余厚度已经不能支持扬沸的发生。

3 航空煤油实验对比分析

为了验证垫水层加盐对扬沸火灾的抑制作用，本文采用18 cm油盆，换航空煤油作为燃料，进行实验。如图7所示，实验结果表明，添加氯化钠实验组的4号～7号热电偶的温度曲线表明航空煤油实验加盐组的平均火场温度要低于不加盐组，证明在垫水层中加盐对柴油以外的燃料燃烧也有抑制作用。但不同的是，现场加盐实验组也发生了扬沸，出现了火焰高度突增，声音强度升高，热辐射强度上升的典型扬沸现象。从燃烧速率曲线可以看出，在垫水层添加氯化钠推迟了航空煤油扬沸的发生时间，次数和强度上也有不同(如图7中虚线框中所示)，但不能完全抑制航空煤油组扬沸的发生，与柴油组形成差别。

图7 航空煤油18 cm实验组数据

分析燃料不同造成实验现象差异的原因，柴油实验中，经过某时间点之后柴油的燃烧速率、火焰温度会出现长时间的缓慢下降。盐对航空煤油的扬沸也有抑制作用，但效果不如柴油实验组，温度、热辐射也没有出现缓慢下降。对柴油这种沸程宽(180 ℃～370 ℃)的燃料，水油交界面的热流率增大导致油温下降，沸点高的油品蒸发速率下降，总体蒸发速率显著减小，燃料蒸汽不足以维持原先火焰强度，最终导致燃烧速率和火焰温度场的下降。而航空煤油沸程相对较窄，组分的平均沸点较低(163 ℃～212 ℃)，油品蒸发受油温下降影响较小，航空煤油油品整体蒸发速率改变不大，火焰对油面的热反馈不会发生显著下降，垫水层对扬沸行为的改变较小。此现象的成因可能包括化学反应的差异，需要进一步探究。

4 结论与展望

本实验结果对抑制油品扬沸火灾的形成有着重大意义。本文就不同尺寸油盆以及不同油品进行加盐是否对扬沸产生影响这一问题展开研究，得到的结论有：

(1)在垫水层中加盐可以有效抑制柴油火扬沸现象的发生。由于盐水的沸点比水的沸点高，所以导致柴油燃烧时，油水交界面的过热温度要高于纯水组，维持此温度，需要更多热量通过油层传递到盐水中，燃料表层获得的热量降低，导致燃料的蒸发速率降低，燃料供给不足，燃烧速率降低。火焰热反馈随之降低，交界面难以被加热到临界过热温度，最终抑制扬沸发生。

(2)在垫水层加氯化钠对航空煤油的扬沸也有抑制作用，但效果不如柴油实验组，这是因为对柴油这种沸程宽(180 ℃～370 ℃)的燃料，更多热量被传递到盐水当中导致油温下降，沸点高的馏分蒸发速率迅速下降，总体蒸发速率显著减小，燃料蒸汽不足以维持原先火焰强度，最终导致燃烧速率和火焰温度场的下降，而航空煤油沸程相对较窄，组分的平均沸点较低(163 ℃～212 ℃)，油品蒸发受油温下降影响较小，航空煤油油品整体蒸发速率改变不大，火焰对油面的热反馈不会发生显著下降，垫水层沸点对扬沸行为的改变较小。此现象的成因可能包括化学反应参与，需要进一步探究。

今后可继续对这一方面进行深入研究，包括如下：(1)本文仅探究加盐对两种油品扬沸的影响，今后可选取多种油品进行探究，如煤油等。(2)本实验从温度、热辐射以及质量损失速率三个方面来研究扬沸发生，今后可选取多角度探究在加盐发生扬沸时，如闪点等参数的变化特性。(3)本实验在常压下进行，可选取不同海拔高度进行不同压力下加盐对扬沸的影响探究。如此，可更为精确地获得加盐对扬沸产生的影响，从而更为精准地进行扬沸火灾的防治。