压缩空气泡沫参数对高温重质油储罐灭火效率影响的研究*

焦金庆,吴京峰,郎需庆,尚祖政,牟小冬

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

随着国家节能减排、环保要求的不断提升,石化企业炼化装置多以热进、热出料流程为主。为了减少温度变化造成的热量损失,蜡油、渣油等油品通常在介于120～165 ℃高温重油储罐中储存,国内在役高温重油储罐容积多数在5 000～10 000 m3之间,新建的高温重油储罐以10 000～20 000 m3为主[1,2]。重质油储罐火灾处置风险极大,一旦发生油品沸溢、喷溅以及火灾爆炸等,所造成的人员伤亡和财产损失非常严重[3]。

目前,国内储罐灭火系统大多采用吸气式泡沫灭火系统,没有可靠的针对高温重质油储罐火灾消防灭火系统与灭火技术。一旦发生高温重质油储罐火灾,由于储罐中的油品温度非常高,当泡沫喷射至高温重质油上面时,泡沫会快速破裂,析出泡沫液。而析出的泡沫液在高温重质油液面层下落过程中被加热后会迅速气化,形成水蒸气为分散相、油为连续相的泡沫,从而促使高温重质油溢出罐外而发生沸溢性火灾,形成危害极大的流淌火[4,5]。因此,采用可靠的消防灭火系统和灭火技术快速扑灭高温储罐具有重要意义。

压缩空气泡沫系统直接向泡沫溶液主动充入空气,产生的泡沫性能优于传统的吸气式产生的泡沫,具有结构细密、泡沫均匀、稳定性高和发泡倍数可控等优点,近年来被越来越多地应用于森林、市政建筑和石化企业等[6-9]。目前针对高温重质油储罐火灾应用压缩空气泡沫灭火系统的研究较少,缺乏关键灭火应用参数。

因此,在高温重质油储罐上进行压缩空气泡沫灭火实验,考察不同的泡沫发泡倍数、25%析液时间、泡沫供给强度和泡沫加入量对扑灭高温重质油火灾的影响,确定高温重质油储罐的灭火参数,以期为大型高温重质油储罐泡沫系统的设计、油罐沸溢火灾防控和消防救援提供数据支持。

1 实验部分

实验试剂包括:3%型水成膜泡沫灭火剂(AFFF,IA级)、羧甲基纤维素钠、导热油、工业用溶剂油。

实验仪器包括:模拟高温重质油储罐(直径1.19 m、高1.0 m、横截面积1.11 m2)、空气压缩机、泡沫液储罐及其配件、压缩空气泡沫发生器、析液器、泡沫收集器、泡沫喷射管路、气体流量计、塑料桶、电子天平、秒表、手持式电动搅拌器、便携式电子测温仪。

参照GB 15308—2006《泡沫灭火剂》测试泡沫灭火剂的发泡倍数和25%析液时间。高温重质油储罐灭火试验步骤如下:安装调试压缩空气灭火实验装置,清理实验现场5 m范围内的可燃物,将备用灭火器及灭火毯布置在实验储罐的上风向;空压机正常运行;油桶等易燃物品存放区设在距离模拟储罐10 m的外围区域;配制80 L泡沫混合液(灭火剂与水按照3∶97的比例混合),并充装至压力储罐中;打开储罐的气体入口阀门,利用空气压缩机往储罐内充入气体,并调节减压阀储罐压力为设定值;调节气体出口的针阀开度,调试泡沫的发泡倍数和泡沫流量;调节泡沫枪位置,保证喷射出的泡沫能斜切落入储罐前端,并旋转落入储罐油面上;将模拟高温重质油储罐接入电源,并将储罐附近的电线进行隔热防护。模拟储罐中加入600～800 L导热油。电加热至150～180 ℃;在模拟储罐油面上倒入1～2 L汽油,点火,预燃3 min;打开喷射阀门开始喷射,记录泡沫枪从开始喷射泡沫至火焰熄灭的时间,即为灭火时间。

2 结果和讨论

2.1 发泡倍数对高温重质油灭火的影响

通过调节空气泡沫灭火系统的气液比,可以实现泡沫发泡倍数的灵活调控。表1为不同发泡倍数的泡沫对高温重质油灭火性能的影响。从表1看出,当发泡倍数介于5.6～12.8之间时,随着发泡倍数的增加,灭火时间逐渐缩短,灭火时间从25.8 s缩短为23.1 s,但是总灭火时间仅缩短了10%,差异并不明显,这说明泡沫灭火性能受其发泡倍数影响不大。但是灭火过程中,当泡沫发泡倍数较低时,泡沫在高温重质油油面上的破裂速度较快,会发出密集的泡沫破裂声。泡沫破裂后,析出的水分会落入高温重质油内部,然后被气化后又会上升,进而搅动上层的油品及泡沫层,进而使得泡沫呈现乳黄色。发泡倍数越低,泡沫在高温重质油上的析液速度越快,产生的油泡沫越多,甚至会引起油品沸溢,这主要是由于发泡倍数较低的泡沫中含水量较高,遇到高温油面迅速气化,引起较强的油面搅动[10]。因此,在高温重质油储罐火灾的泡沫灭火时,为了有效提高扑灭高温重质油储罐的能力和防止油品沸溢,建议采用发泡倍数大于10的泡沫灭火剂。

表1 泡沫发泡倍数对高温重质油灭火时间的影响 s

2.2 25%析液时间对高温重质油灭火影响

由发泡倍数对高温重质油灭火实验得知,若泡沫析液速度过快,析出的水分会落入高温重质油内部,搅动上层的油品及泡沫层,影响灭火效率。因此,量化考察了泡沫25%析液时间对高温重质油灭火影响。配制泡沫混合液过程中,通过加入不同量的羧甲基纤维素钠灵活调配泡沫混合液的25%析液时间。表2为相同泡沫流量、发泡倍数条件下,不同25%析液时间的泡沫对高温重质油灭火时间的影响。

表2 泡沫25%析液时间对高温重质油灭火时间的影响

从表2可看出,在泡沫流量、发泡倍数相同情况下,泡沫灭火剂随着其25%析液时间的增加,灭火时间逐渐缩短,灭火时间从47.0 s缩短为23.1 s,灭火速率提升超过1倍。当25%析液时间为8.5 min,其灭火时间为37.3 s,相比于25%析液时间为11.4 min的泡沫混合液灭火时间增加了39%。这主要是由于高温重质油储罐火灾的泡沫扑救过程中,泡沫边流淌,边快速析液;下落的液滴在热波辐射热作用下会迅速气化变成水蒸气,水蒸气在上升过程中搅动油层、泡沫层,产生油泡沫。如果析液速度过快,气化的汽泡剧烈搅动油层,大量水蒸气向上逸出,产生大量的油泡沫,甚至会向罐外溢出,发生沸溢和喷溅,使得灭火难度大大增加。而25%析液时间较长的泡沫稳定性高,在高温油面稳定时间长,当泡沫喷在高温易燃液体上后,起到隔热、覆盖油面的作用时间长,进而更有效阻止易燃液体蒸气穿过泡沫体系,实现快速灭火[11,12]。另外,从灭火过程中发现,25%析液时间较短的泡沫灭火时,会发出密集的泡沫破裂声,说明泡沫在急速消泡和析液。因此,在高温重质油储罐火灾的泡沫灭火时,为了有效提高灭火能力,建议采用25%析液时间大于12.0 min的泡沫混合液。

2.3 泡沫供给强度对高温重质油灭火的影响

泡沫供给强度是最为直接影响泡沫灭火性能的影响因素,通过改变泡沫供给强度可以有效改变泡沫灭火剂的灭火效率。表3为泡沫混合液供给强度和灭火时间关系。结果显示,当泡沫供给强度介于1.1～5.0 L/(min·m2)之间时,随着泡沫供给强度的增加,泡沫灭火时间逐渐缩短,灭火效率逐渐提高,这主要是随着泡沫供给强度的增加,单位时间内向高温油面上施加的泡沫体积增多。当泡沫供给强度大于5.0 L/(min·m2)时,灭火时间虽然缩短,但缩短的趋势明显变缓,说明灭火性能提升不再明显。所以,建议最低泡沫供给强度为5.0 L/(min·m2)。

表3 泡沫供给强度对高温重质油灭火时间的影响

2.4 泡沫加入量对高温重质油灭火的影响

高温重质油储罐火灾的泡沫扑救过程中产生的沸溢,与施加泡沫产生的水量、储罐的储油量有关。油品中含水量、油品液位越高,油品沸溢的可能性越大。随着泡沫加入量的增多,储罐沸溢以及变成流淌火的可能性就更大[13]。因此,考察了泡沫加入量对高温灭火的影响(表4),实验现象如图1所示。

图1 不同泡沫加入量在高温重质油灭火中的场景

表4 泡沫加入量对高温重质油灭火时间的影响

从表4和图1可看出,当4组实验以相同的泡沫供给强度施加泡沫时,随着供泡时间的延长,泡沫加入量逐渐增多,高温重质油储罐表现出不同的灭火现象。当泡沫加入量为2.2 L/m2时,灭火后储罐内未出现沸溢现象。当泡沫加入量为8.2 L/m2时,在停止泡沫喷射714 s后,高温重质油液面处开始发生沸溢现象,但沸溢现象不明显,没有泡沫沸溢到储罐外侧。当泡沫加入量为13.8 L/m2时,在停止泡沫喷射306 s后,少量泡沫会沸溢到高温重油储罐外侧,如图1(b)所示。而当泡沫加入量提升到20.7 L/m2时,高温重质油液面发生明显沸溢,泡沫沸溢到储罐外侧时间提前到282 s。从图1可看出,随着泡沫加入量的增加,泡沫液面的颜色越来越黄,即泡沫中的含油量越来越大;同时液面沸溢的程度更严重。这是由于随着储罐中泡沫加入量的增加,泡沫体系中含有的总水量增加,当与高温油面接触时,使得水分不断气化,体积膨胀,进而会增加油面层和泡沫层的湍动,从而引起沸溢的[14,15]。因此建议在扑救高油储罐火灾时,泡沫最大加入量为8.2 L/m2。

3 结论

通过在模拟高温重质油储罐上进行压缩空气泡沫灭火实验,考察了泡沫发泡倍数、25%析液时间、泡沫供给强度、泡沫加入量对扑灭高温重质油火灾的影响,确定了高温重质油储罐的灭火参数。对于高温重质油储罐火灾,应使用发泡倍数大于10,25%析液时间大于12 min的泡沫进行灭火。发泡倍数与25%析液时间越小,泡沫在高温重质油上的析液速度越快,灭火过程中产生的油泡沫越多,油品沸溢发生可能性越大。压缩空气泡沫扑救高温重质油储罐火灾,其临界泡沫供给强度为5.0 L/(min·m2),油罐无沸溢时最大泡沫加入量为8.2 L/m2,因此消防员在实战灭火时,要争取在油品沸溢前尽快将火扑灭,同时严禁短时间内对储罐喷射大量的泡沫混合液。明确压缩空气泡沫参数对高温重质油储罐火灾扑救能力的影响,能为大型高温重质油储罐泡沫系统的设计、油罐沸溢火灾防控和消防救援提供数据支持。