氮气泡沫灭火技术发展现状

周日峰，杨 转，郎需庆，牟小冬，吴京峰，牟善军，王 鑫

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2660712.中国石油大学(华东)，山东青岛 266580)

目前，我国石油储罐正逐渐向大型化、集群化方向发展[1]。油罐火灾危害严重，火灾一旦发生，火势迅猛，蔓延迅速，并在热辐射或火焰冲击的作用下，扩散到相邻储罐，这将对油田企业的财产安全和员工生命安全造成巨大的影响。普通的泡沫灭火系统、冷却系统难以覆盖油面，甚至随着爆燃和大火的加剧，油罐上的灭火装置也随之遭到破坏[2]。

近年来，氮气泡沫被广泛应用于钻井驱油气，提高采收率[3,4]；泡沫压裂酸化[5]、封堵[6]以及矿井采空区防灭火[7]等领域。在美国、俄罗斯等石油工业发达国家氮气泡沫灭火技术得到广泛应用，并取得了显著效果。我国主要将氮气泡沫用于油藏驱油、煤矿井下灭火，并且积累了一定经验，对其作用机理、流动规律以及稳定性能有较成熟的研究。

本文对氮气泡沫灭火原理及稳定性研究进行综述，通过对比氮气泡沫与其他气体泡沫的性能及灭火效果来阐明氮气泡沫灭火技术的优越性。

1 氮气泡沫灭火原理

氮气泡沫的灭火原理[8,9]主要有：①冷却降温作用。泡沫与水接触后，发生对流传热，同时吸收大量的辐射热，泡沫所含水分迅速蒸发，使火源温度降低。②窒息作用。喷射的氮气泡沫覆盖到火源上面，迅速堆积，隔绝空气，降低氧气浓度。③抑爆作用。注入泡沫初始阶段，其稳定性较好(少量氮气被释放出来)，大量的氮气仍能有效的富集在泡沫中；当泡沫在外在因素(高温、碰撞)和内在因素(自身稳定性)的共同作用下破裂，释放出氮气，冲淡氧气及可燃气体浓度，使其有效地保持对火区的持久惰化，从而抑制混合气体爆炸，达到灭火的目的[10,11]。

2 氮气泡沫稳定性

2.1 氮气泡沫物性

泡沫中气体性质、表面张力、泡沫衰变机理(液膜排液和气体扩散)、泡沫尺寸以及液膜厚度等是影响泡沫稳定性的重要因素。

2.1.1气体性质

目前，用于泡沫灭火的气体多为空气、二氧化碳、氮气[12]。

氮气分子量是28，密度比空气、氧气和二氧化碳小；惰性气体，不支持燃，不容易与其他化学元素化合。此外，导热系数大小依次是氧气、空气、氮气、水蒸气、二氧化碳，可见氮气吸热能力较强。

Weaire D等人[13]和Christopher Hill等人[14]认为不溶于水的气体(如氮气)与泡沫液掺混后生成的泡沫稳定性要优于易溶于水的气体(如二氧化碳)。林红[15]通过实验研究，认为氮气(特别是液氮)能够隔绝空气降氧、吸热降低温度、覆盖火源，是生成泡沫的最佳气相。

2.1.2表面张力

在消防常用泡沫中，减小泡沫膜表面张力，有利于气泡破碎，形成泡沫，但不能保证泡沫的稳定性能。周国华等人[16]在室温25℃、泡沫剂溶液0.5%的条件下进行了接触角实验，研究发现，二氧化碳气泡容易从注射针头逃逸，只有表面膜有一定的强度，低表面张力才有利于泡沫的稳定，这证明了二氧化碳-液膜没有空气-液膜稳定性好。与王力[17]测得的氮气泡沫表面张力比较可知，氮气-液膜稳定性仅次于空气-液膜，如图1所示。

图1 三种气体泡沫表面张力

2.1.3衰变机理

Deshpande N S等人[18]提出泡沫的衰减过程一般分为泡沫析液区(在重力和毛细管力作用下排液，泡沫未破灭，体积变化较小)、泡沫破灭区(泡沫破灭占主导，体积迅速减小)以及泡沫亚稳定区(泡沫基本停止析液，泡膜形成牛顿黑膜NBF，无外力干扰的情况下保持稳定)，这与吕明明等人[19]实验研究结果吻合。泡沫衰变机理主要有液膜排液和气体扩散，而液膜粘度、表面张力以及液膜渗透率对其有重要影响。本文将从液膜排液和气体扩散两个方面阐述泡沫衰变机理。

a)液膜排液。气泡之间互相挤压和重力作用是造成液膜排液的重要因素。相邻气泡间的液膜称为泡膜，多个气泡(通常三个气泡)边界区称为P区(Plateau边界区)[15,20]，Laplace方程如下：

(1)

式中：PA——泡膜内液体压力，Pa；

PB——P区内液体压力，Pa；

σ——表面张力，N/m；

R——P区表面曲率半径，m。

该式表明，P区内压力小于泡膜内压力，泡沫中的液体在该压差作用下逐渐流向P区，液膜变薄，最终泡沫破灭[21]。从曲面压力来看，当液膜间夹角为120°时，膜内压力与P区压力差最小，泡沫最稳定，故泡沫多呈六边形[22]。

b)气体扩散。无论是哪种气体泡沫，用何种方式产生，其结构、尺寸大小都是不均一的。由Laplace方程可知，小气泡内的气体压力高于大气泡，故小气泡中的气体会透过液膜扩散到大气泡中，因此，小气泡变小，大气泡变大，最终趋于破灭[15]。

Marius Nüllig等人[23]将气泡注入盛满水的旋转腔中，揭示不同气泡传质扩散现象。图2表示水饱和度0.6时气泡直径从1.5 mm减小到0.5 mm的时间长度。从图中可以看出，氮气泡收缩速度显著低于氩气、甲烷、氧气。这说明在氮气泡沫中，泡沫膜包裹的氮气不容易透过泡沫扩散，泡沫稳定性较好；在喷射泡沫初期，大量的氮气仍能有效的富集在泡沫中，这与Zhou F B等人[10]提出的泡沫灭火机理相吻合。

Kovscek A R[24]和Farajzadeh R等人[25]认为在相同条件下，二氧化碳在水中的溶解度比氮气大50多倍，但两者扩散系数差别较小，故二氧化碳泡沫液膜渗透率远大于氮气泡沫，这是二氧化碳泡沫稳定性比氮气泡沫差的主要原因。

图2 气泡在水饱和度0.6时收缩速率

Lü M等人[26]利用气流法进行二氧化碳泡沫和氮气泡沫的稳定性研究，实验结果表明，气体扩散是二氧化碳泡沫衰减的主要机理，其衰减曲线近似一条直线；而氮气泡沫气体透过液膜向外扩散速度较小，其符合一般泡沫衰减规律。

2.2 氮气泡沫性能

常用消防泡沫的尺寸大小、多少以及泡沫的稳定性等性能都直接影响其灭火效果。泡沫性能通常是指溶液的起泡能力和泡沫的稳定性，检测泡沫性能的方法有很多种，如体积法(Ross-Miles法、Waring-Blender法、振荡法、气流法)、电导率法(单点电导率、多点电导率)、压力法等[27]。目前，很多学者利用各种各样的方法对泡沫性能进行了准确详尽的评价。为能更好地表征泡沫性能，通常以发泡倍数(泡沫体积与产生泡沫的液体体积之比)来表征溶液的起泡能力；以泡沫的半衰期(泡沫体积减小到原来一半所需的时间)来表征泡沫的稳定性[28,29]。

2.2.1发泡倍数

吴灿[30]在测试温度为90 ℃，压力为15 MPa，起泡剂浓度为0.5%的试验条件下对比分析了不同气体对泡沫性能的影响，测得的发泡倍数如图3所示。从起泡能力来看，氮气发泡效果最佳，二氧化碳最差。

2.2.2半衰期

Lü M等人[26]通过实验验证得出，在同等条件下，氮气泡沫半衰期远高于二氧化碳泡沫，这说明氮气泡沫的稳定性较好。吴灿[30]对比分析了三种气体泡沫的稳定性，用泡沫半衰期和泡沫综合指数(发泡倍数×半衰期)来表征，如图4所示。从泡沫稳定性来看，空气泡沫的半衰期最长，且综合指数最大，氮气泡沫次之，而二氧化碳泡沫质量最差(红色表示泡沫半衰期，蓝色表示综合指数)。

图3 三种气体泡沫发泡倍数

图4 不同发泡气体对泡沫性能的影响

3 氮气泡沫灭火效果

目前，液氮防灭火技术主要有两种形式：直接向火区注入液氮和液氮汽化为氮气注入。在神华宁夏煤业羊场湾煤矿[31]，将地面上液氮汽化后由管路输送氮气至采空区，8 t液氮汽化后，采空区氧气浓度降低至7%，一氧化碳浓度降低至0.000 7%。2014年，Ma L等人[32]设计搭建了液氮降温灭火一体化试验系统，同样在羊场湾煤矿进行了工业性实验，结果表明，持续注入液氮后，采空区温度降低约6 ℃，CO浓度始终低于0.000 2%；液氮经过空冷器蒸发汽化后，氮气温度低于8 ℃，其浓度可达99.99%。与一般机械制氮[31]相比，液氮降温灭火一体化系统具有温度低、浓度高的特点，其降温效果及防灭火效果显著，但成本较高。

对于油罐及其他非封闭空间，传统的氮气灭火技术主要存在两个不足[2,33]：①氮气导入效果及降温效果差；②氮气密度比空气小，易逃逸流失，停止注氮后易复燃，达不到灭火目的。为此，沙赫焦尔斯克无烟煤生产联合公司的康达尔那亚矿井灭火实践中初次在难以到达的地区使用了全苏矿业科研所研制的液氮惰性动力泡沫[34]。消耗了45 t液氮、20 t起泡剂以及150 m3的水，以25 m/min～30 m/min的速度向火区输送约40 000 m3的氮气泡沫。在矿井封闭的范围内迅速扑灭了火源，氧气浓度降到1%，二氧化碳浓度从6.5%降至2%，一氧化碳浓度由1.2%降至0.3%。王书庆等人[35]利用氮气泡沫进行防灭火实验，并提出为使泡沫液充分发泡，氮气流量应较小，从而形成低倍数泡沫，其灭火时间低于120 s，抗烧时间高于12 min。此外，还进行了煤矿高冒区降温灭火，氮气与泡沫液经混合器混合后产生大量泡沫，通过Φ20钢管向高冒区喷射泡沫。氧气含量迅速降低到了12%以下，高冒区甲烷含量降到了5%，这与单纯注入氮气或空气泡沫相比，灭火效果显著。李红亮等人[36]提出了一种氮气泡沫煤矿瓦斯火灭火系统，利用氮气机组制备氮气，与泡沫液混合后产生氮气泡沫，其认为氮气流量应较小，采用发泡倍数为30倍的中低倍数泡沫灭火剂才能使其充分发泡。实验中注入氮气泡沫10 min后，泡沫堆积高度达到1 m，其覆盖性强，避免了火势向上蔓延，且火源处氧气含量降低至低于12%。Fubao Zhou等人[10]利用泥浆、氮气和水制备三相泡沫进行煤矿灭火实验，其发泡倍数约为30倍。研究发现，三相泡沫具有较好的固氮作用，随着泡沫稳定性的降低，释放出氮气，使氧气浓度低于5%，且一氧化碳浓度显著降低。Smith A C等人[37]进行了氮气泡沫井下灭火实验，煤堆自燃后温度高达850 ℃，注入泡沫后，温度显著降低，燃料盘的泡沫温度高于泡沫的周围温度，这说明泡沫从火区吸取热量，冷却采空区，避免火势蔓延。此外，泡沫破裂后释放的氮气能够降低氧气浓度，减少甲烷自燃的机会。Lu, X.X等人[38,39]设计了一种螺旋网泡沫发生器，采用氮气，使其产生大量惰性泡沫，其发泡倍数约为85-90倍。日本研究学者驹井武等人[40]分别测试了氮气泡沫和氮气单独扑灭巷道坑木(松木)火灾的灭火效果。点燃坑木堆6 min后气流温度高达800 ℃，向火区喷射氮气泡沫，温度急剧下降，持续喷射20 min后，氧气浓度降低至1%～2%，二氧化碳、一氧化碳等气体浓度也显著降低，此时火区处于完全惰化状态。停止喷射氮气泡沫后未发现温度上升和复燃现象。然而，相同条件下仅向火区喷射氮气，6 min后温度降到200 ℃以下，氧气浓度减少缓慢，仅在10%左右；停止喷射氮气后温度再次回升，通风后短时间内复燃，灭火效果较差。

通过以上综述可知，氮气可被固封在泡沫中，防止其扩散，从而使火区持久惰化，其能快速高效的扑灭火灾，具有独特的灭火性能、灭火效果[41，42]。在石化罐区领域，固定式和移动式氮气泡沫灭火系统都将有良好的应用前景。

4 结语

目前，氮气泡沫防灭火技术多用于煤矿火灾，且多为封闭区域灭火。与其他气体泡沫灭火技术相比，氮气泡沫稳定性高，不易破裂，具有固氮、冷却降温、抑爆、持久惰化等多种作用。从不同灭火实例中可以看出，氮气泡沫灭火效果显著。对于油罐等敞口火灾，氮气泡沫是一种新型高效的防灭火技术，能够减小氮气流失，迅速扑灭火灾。这对保障我国油库安全生产有着重要意义，在消防行业应用前景广阔。