氮气灭火系统对受限空间木垛火的窒息特性研究

赖振中 李帷轩 徐志胜 肖俏伟 李银波 陈彦

摘要：氮气灭火系统因其环保节能、稳定性高等特点，在建筑消防领域展现出巨大的发展空间。为进一步拓宽氮气灭火系统的应用领域，通过缩尺寸模型实验分析了氮气灭火系统对受限空间木垛火的灭火时间、氧气浓度、火焰温度等窒息特性参数的影响。结果表明，氮气灭火系统对受限空间中木垛火展现了良好的窒息灭火效果，其中不同火源功率的木垛火在受限空间中的灭火时间接近。

关键词：氮气灭火系统；受限空间；木垛火；灭火效能；氧气浓度

中图分类号：D631.6      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）12-0005-03

气体灭火系统以其节能环保、稳定性高和对设备损坏小等优点，在精密设备和重要资料保护领域得到了广泛应用。杨柳松[1]研究了氮气灭火系统在通氮口位置不同、数量分布不同以及通氮口流率多种工况下对储油罐火灾的灭火效能，研究发现氮气能有效扑灭储油罐火灾。徐承林等[2]研究发现氮气灭火系统能有效扑灭煤矿采空区火灾并有效防止火源复燃，保障综采工作面的安全回采。邓立刚等[3]人提出了制氮、储氮、供氮、输氮、保氮、联氮等功能于一体的移动式氮气灭火装置，并应用于大跨度举高喷射消防车领域。

在各类火灾事故中，A类固体火灾的危害是不可忽视的，木垛火是最常见的A类火灾之一。国内外关于如何扑灭木材及其制品的火灾进行了大量的研究。颜龙等[4]论证了气力输送水泥粉体扑灭木垛火的可行性，研究发现采用一定的喷射角度和喷射距离可以显著提高水泥粉体对木垛火的灭火效能。黄鑫等[5]开展了双流体细水雾对木垛火灭火特性研究，研究表明雙流体细水雾在水流率足够的条件下可以快速扑灭木垛火灾。氮气虽被广泛应用于电气机房、图书馆和博物馆等领域，但是对于其在受限空间内对不同火源功率木垛火的灭火效能研究还较少。为此，本研究系统研究氮气灭火系统扑灭木垛火的灭火时间、氧气浓度、温度等窒息特性参数，进而为氮气灭火系统应用提供参考。

1 实验部分

1.1  氮气灭火实验装置

本实验采用装置主体框架燃烧室总净高175cm，体积为2.50m3。氮气灭火系统输送管路采用DN10管道，氮气充入通过调压阀调节管道充入压力，同时通过压力表调节管道冲出压力，以压力表读数确定喷入压力大小。燃烧室内置升降台，保持可燃物表面到喷头距离1m不变。同时在燃烧室内置热电偶树，自上至下安装7根铠装热电偶，热电偶间距10cm，0cm处热电偶最低与可燃物表面平齐。在燃烧室内设置氧气浓度测量点位，布置气体收集探头连接气体分析仪监控氧气浓度变化。氮气灭火装置示意图见图1。

1.2  木垛火燃烧实验工况

实验选用木垛的材质为杉木，以1cm×1cm×20cm木条搭建的木垛为研究对象，设计间距2cm的6层×6条、8层×6条和10层×6条三种工况进行实验。木垛尺寸搭建依据《SFPE消防工程手册》提供的一种木垛中心点火的计算模型进行。木垛形式及主要参数见表1。

2 结果与讨论

2.1  受限空间木垛燃烧行为分析

实验基于表1工况设计开展实验，在实验开始前要用20mL95%乙醇对木垛进行浸润，并开展空燃实验确定预燃时间。采用0.10MPa喷射压力，从灭火时间、温度变化和氧气浓度变化的角度，分析氮气灭火系统对木垛的灭火效能。以0cm处热电偶数据为基础，三种尺寸木垛空燃实验温度变化见图2。由图2可以看出，三种不同尺寸木垛着火后50s的火焰温度均能稳定在600℃以上，并在250s之后温度逐渐下降并熄灭。为了有效验证氮气的灭火效能，选择木垛火稳定燃烧的时间点100s施加氮气进行灭火实验。

2.2  氮气灭火过程中温度变化分析

选取0.10MPa的系统喷射压力开展氮气灭火实验，系统分析氮气对木垛火的燃烧过程、火焰温度和气体浓度的影响和规律。氮气扑灭不同火源功率木垛火的灭火过程见图3。由图3可以看出，施加氮气灭火剂能有效降低木垛火燃烧高度并抑制火焰燃烧过程，当喷射时间40s时木垛火完全熄灭且无复燃现象。

选取0cm处的热电偶温度分析氮气灭火剂对木垛火燃烧温度的影响，具体见图4。由图4可以看出，施加氮气能迅速将木垛火的燃烧温度降低至300℃以下使火焰熄灭，其中不同火源功率木垛火的降温速率较为接近，这表明氮气主要通过降低受限空间氧气浓度而使火焰熄灭、燃烧区域温度降低。

2.3  氮气灭火过程中氧气浓度变化分析

氮气灭火机理为窒息作用，氧气浓度的下降程度可有效表征氮气灭火效能，其中氮气扑灭木垛火的氧气浓度变化曲线见图5。由图5可以看出，木垛着火后受限空间的氧气浓度逐渐下降至14.5%左右并维持稳定，在100s施加氮气后由于管道内残存的空气被优先排出导致受限空间中氧气浓度略有升高，之后在140s时氧气浓度逐渐下降并在140s左右火焰熄灭。为了防止复燃，在火焰熄灭后喷射20s氮气，此时受限空间的氧气浓度降低至13.0%左右，之后随着停止喷射氮气，受限空间的氧气浓度逐渐升高至环境氧气浓度。综上可以看出，受限空间中木垛火的灭火时间与氧气浓度下降速率有关，而与木垛火的火源功率关系不大，木垛火明火熄灭后仍需继续施加氮气以防止复燃。

3 结论

氮气灭火剂能有效扑灭受限空间的木垛火，并显著降低木垛火的燃烧温度和燃烧区域氧气浓度，灭火机理为窒息灭火机理。氮气灭火剂扑灭受限空间中不同火源功率木垛火的灭火时间和氧气浓度较为接近，这表明氮气对木垛火的窒息灭火作用主要与受限空间中氧气浓度的下降速率有关，而与木垛火的火源功率关系不大。氮气灭火系统可用于扑灭受限空间A类固体火灾，在木料仓库、博物馆、木结构文物建筑等领域展现出较好的应用前景。

參考文献：

[1]杨松柳.储油罐火灾氮气灭火技术的研究[D].沈阳：东北大学，2011.

[2]徐承林，李发瑞.用氮气扑灭放顶煤工作面采空区火灾[J].煤炭工程师，1993（1）：1-6.

[3]邓立刚，郝伟，林佳.移动制氮灭火装备在灭火救援实战中的设计应用[J].消防科学与技术，2023，42（2）：241-244.

[4]颜龙，王宁，徐志胜.气力输送水泥粉体装置灭木垛火试验研究[J].消防科学与技术，2022，41（3）：385-388.

[5]黄鑫，王喜世，廖光煊，等.双流体细水雾对木垛火的灭火特性研究[J].安全与环境学报，2010，10（5）：131-135.

Asphyxiation characteristics of nitrogen fire-extinguishing system in wood stack fires of confined space

Lai Zhenzhong1， Li Weixuan1， Xu Zhisheng1， Xiao Qiaowei2， Li Yinbo2， Chen Yan2

（1. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology of Central South University， Hunan Changsha 410075; 2. Sany Automobile Manufacturing Co.， Ltd.， Hunan Changsha 410100）

AbstraCt： Nitrogen fire-extinguishing system has great development space in building fire protection field due to its environmental protection， energy saving， high stability. In order to broaden the application field of nitrogen fire extinguishing system， the effects of nitrogen extinguishing system on fire extinguishing parameters including extinguishing time， oxygen concentration and flame temperature of wood stack fires in confined space are analyzed through a small-scale experimental model. The results show that nitrogen fire-extinguishing system has a good asphyxiation and fire extinguishing effect on the wood stack fires in confined space， and the fire extinguishing time of the wood stack fires with different fire loads is closed in the confined space..

Keywords： Nitrogen fire-extinguishing system; Confined space;Wood stack fire; Fire-extinguishing efficiency;Oxygen concentration