液氮泡沫灭火系统研发*

牟小冬，郎需庆，尚祖政，谈龙妹，周日峰，吴京峰

(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 266000)

0 前言

目前我国储罐正逐渐向大型化、集群化方向发展[1]。近些年油罐火灾多发，扑救难度大，且易复燃，普通的泡沫灭火系统难以覆盖油面，甚至随着燃烧加剧，油罐上的灭火装置也可能随之遭到破坏[2]。国内近几年储罐火灾事故处置反映出我国石化企业配备的消防设备并不具有扑救大型火灾的能力。比如，大连“7·16”火灾扑救共出动13个消防支队、14个企业专职队，动用了220辆消防车，消耗泡沫液超过1 000 t，供水量超过120 000 t；福建漳州古雷重大火灾事故共调动269台消防车和1 169名消防官兵，调运1 467 t泡沫液、3套远程供水系统、5万条沙袋，着火罐复燃3次，灭火耗时56 h，用水量超过140 000 t。在扑救大型储罐火灾时，国外大多采用大流量远射程泡沫炮，其最大流量超过40 000 L/min(2 400 m3/h)，而当前国内新建大型原油库的消防泵总供给能力最大为1 000～1 200 m3/h，而且多数油库缺少远程供水设备。供水量不足及泡沫性能偏低，严重制约了国内石化罐区火灾扑救能力。

为解决国内供水量不足的问题，需要一种更高效的灭火系统。压缩空气泡沫系统是一种更加高效的灭火系统，其利用泡沫发生器将泡沫液和压缩气体充分混合，产生均匀细腻、稳定性好的泡沫，具有灭火时间短、抗复燃能力强等特点[3-5]。根据NFPA11的推荐值，固定顶储罐应对全面积火灾的吸气式泡沫系统泡沫混合液最低供给强度为4.1 L/(min·m2)，而CAFS(压缩气体泡沫系统)泡沫混合液最低供给强度为1.63 L/(min·m2)[6]。同样的火灾，压缩空气泡沫系统的用水量远低于吸气式泡沫。然而传统的压缩气体泡沫灭火通常采用气体压缩机、高压气体管网或压缩气体钢瓶等方式进行供气，而气体压缩机及压缩气体钢瓶供气量有限，无法满足大流量、高压力、长时间供气的要求，且绝大多数场所没有高压气体管网，空压机的产气能力限制了压缩空气泡沫系统在大型火灾扑救中的应用，如何提供大流量的压缩气体是将压缩气体泡沫灭火技术应用于石化领域重大火灾扑救的关键。

针对压缩空气泡沫灭火系统无法实现大流量供气的问题，开发了液氮泡沫系统(LNFS)，解决了大流量供气的问题，提升了泡沫灭火系统的灭火效能，可以有效解决我国石化大型火灾灭火所面临的问题。

1 液氮泡沫灭火系统原理

液氮泡沫灭火系统的工作原理是利用液氮代替空压机、气瓶供气，液氮与泡沫混合液在专用气液混合器中，经过充分换热、气化及扰流混合，通过改变两相流体流场，形成致密稳定的泡沫。液氮与泡沫混合液经过专用的混合器接触后能够迅速气化，该混合器可有效避免液氮导致的泡沫混合液结冰问题，同时，产生的气体能够快速与泡沫混合液混合，瞬间形成巨大的微气泡团。由于液氮在常压下的膨胀比通常为700左右，即1体积的液氮通常可以提供约700体积的常压氮气，由液氮产生的气体的体积与液氮本身体积相比大大增加，而常规压缩空气的压缩比不超过20，由此，在获得相同量气体的情况下，液氮供气的方式可大大减少气体源的体积，为实现大流量供气提供了技术条件。

泡沫混合液是常温流体，其与液氮经专用混合装置混合后，泡沫混合液可充分与液氮换热，液氮在泡沫混合液流体内完成可控有序的快速气化，并立即参与发泡。在该混合装置内经过流场改变后，不会发生冰冻现象，液体温度降低幅度也很少，完全不影响泡沫质量。

2 小流量液氮泡沫灭火测试

基于液氮发泡原理，开展了小流量液氮泡沫灭火测试。该实验装置由1台模拟储罐(直径3.6 m、高1.5 m)、1个泡沫混合液箱(预混水成膜3%型泡沫灭火剂)、1台离心泵、1台液氮泡沫专用混合装置、1台液氮杜瓦瓶，1把泡沫直管枪，一把吸气式泡沫枪。液氮泡沫利用液氮与泡沫混合液在专用混合器中进行比例掺混发泡后通过直管枪进行喷射，吸气式泡沫直接将泡沫混合液通过离心泵输送至吸气式泡沫枪进行喷射。

在油罐内燃烧120#溶剂油，分别利用吸气泡沫及液氮泡沫进行灭火测试，预燃时间为1 min。吸气泡沫按照GB50151-2010《泡沫灭火系统设计规范》的供给强度参数为5.0 L/(min·m2)，液氮泡沫的供给强度为2.0 L/(min·m2)。

泡沫灭火试验结果见表1，实验数据显示液氮泡沫的灭火性能远高于吸气式泡沫，吸气式泡沫在GB50151-2010规定的供给参数5.0 L/(min·m2)要求下，控火时间达到95 s，灭火时间长达182 s。而液氮泡沫在供给强度仅为2.0 L/(min·m2)的情况下，在60 s内完成灭火，进一步验证了压缩气体泡沫系统相较于吸气式泡沫系统的灭火优越性，同时证明了液氮泡沫灭火的可行性。

表1 小型液氮泡沫灭火试验结果

3 大流量液氮泡沫灭火测试

基于对液氮发泡的原理研究及小流量灭火测试结果，作者团队研发了一套大流量液氮泡沫灭火装置，该装置内置5 m3液氮罐、专用液氮泡沫混合器及液氮流量与泡沫混合液流量调配系统，最大泡沫混合液流量可达150 L/s，发泡倍数可调，可以产生干湿两种状态的泡沫，湿泡沫流量最大可达到63 000 L/min，干泡沫流量最大可达到108 000 L/min。

该装置与举高喷射车联合喷射，在直径26 m油盘(相当于10 000 m3储罐)上开展了全面积火灾液氮泡沫和吸气式泡沫的对比灭火测试，见图1。燃烧介质为柴油，当液面形成全面积燃烧后预燃120 s。

图1 26 m直径油盘全面积火灾灭火测试

第一组实验大流量液氮泡沫灭火装置与举高喷射车联用，高喷车外接水源，通过高喷车进行泡沫比例混合，将泡沫混合液注入液氮泡沫灭火装置进行液氮混合发泡，混合好的泡沫返回高喷车臂架进行举高固定角度俯冲式喷射，喷射时泡沫混合液流量为76 L/s，灭火时间为61 s，泡沫混合液消耗量4636 L。第二组实验利用常规泡沫消防车进行灭火测试，固定炮头迟迟无法将火势扑灭，最终通过调整炮头，对准火点摇摆式喷射，泡沫混合液流量为50 L/s，灭火时间为215 s，泡沫混合液消耗量10 750 L。此次实验液氮泡沫系统的泡沫混合液消耗量仅为吸气式泡沫的46%。

通过大尺度油盘灭火性能对比，发现利用大流量液氮泡沫灭火系统具有如下优势。

a)液氮泡沫抗复燃能力强，泡沫层稳定性高。在大尺度油盘灭火实验中发现，吸气式泡沫覆盖的区域会发生局部油面复燃现象，但液氮泡沫覆盖的区域未发生泡沫复燃。这说明液氮泡沫抗复燃能力强，而高的泡沫抗烧能力可归因于液氮泡沫气泡小且均匀，耐热膨胀能力高，不容易被高温破坏。而且大流量液氮泡沫灭火系统喷出的泡沫层稳定时间高达240 min以上。

b)氮气窒息与泡沫协同灭火。液氮泡沫喷入着火油面后，泡沫落入的区域燃烧抑制明显，火势明显变小，主要原因是液氮泡沫破裂后会释放出氮气，随着氮气的不断释放，能够在一定程度上阻止空气进入燃烧区，并且能稀释着火油面周围的空气含量，最终使得燃烧区域因缺少空气而降低燃烧强度，从而使火窒息。氮气窒息与泡沫覆盖窒息，两者双重协同灭火作用，显著提高了灭火效率。

c)液氮泡沫冷却作用明显。液氮在泡沫混合液内气化产生泡沫时会吸收大量的热量，使得泡沫混合液温度降低(大约降低1～2 ℃)。当低温的泡沫喷洒到着火油面时，会从燃烧物表面摄取大量的热，使得着火油面温度冷却的程度更加明显，最终迫使燃烧物的温度大大降低而熄灭火焰。然而吸气泡沫是从火场周围吸入高温空气后产生的泡沫，泡沫温度非常高，稳定性差，且对油面的冷却作用较差。

d)液氮泡沫喷射流量大，灭火效能高。因为液氮气化比高达1∶700，因此极少的液氮气化后就会产生大量的氮气，这就能使得液氮泡沫灭火技术实现大流量高压喷射，解决了压缩空气泡沫无法大流量供气的问题。而且在大尺度油盘灭火实验中发现，在扑灭相同面积的油盘火时液氮泡沫最低供给强度数值仅是吸气式灭火系统的30%。

e)液氮供气设备成本低。市面上常用的压缩气体泡沫灭火系统是通过空压机供给气体，而液氮泡沫系统是采用液氮气化的供给方式。这种供给方式，全程只需要使用液氮罐实现液氮的储存与输出，无任何动设备，系统运行的可靠性高，而且供气设备成本低。

4 大型储罐全面积火灾配置分析

大流量液氮泡沫系统可以解决我国石化企业大型火灾所遇到的问题，用水量少，且灭火效能高，通过持续的泡沫液供给和各类移动式喷射装置相结合，形成一个灭火单元，实现大型火灾的扑救。

以扑救10×104m3储罐全面积火灾为例，对比分析吸气泡沫、液氮泡沫的所需配置情况。对于吸气式泡沫灭火系统，基于国外的灭火案例以及日本《石油联合企业等防灾体制检讨会研讨结果报告》、API、LASTFIRE等国际权威标准规范与储罐火灾研究组织的推荐值，对于10×104m3储罐全面积火灾的扑救，其泡沫混合液的供给强度至少需9 L/(min·m2)，泡沫混合液流量至少需要45 216 L/min，灭火时间至少需60 min，泡沫混合液的消耗量是2 712 m3。

对于压液氮泡沫灭火系统，一般认为压缩气体泡沫灭火系统所需泡沫供给强度为吸气式泡沫灭火系统的1/4，但由于10×104m3储罐全面积火灾的灭火面积较大，根据大尺度油盘灭火实验数据，其泡沫供给强度宜取5.4 L/(min·m2)，则泡沫混合液流量是27 130 L/min。以发泡倍数7为目标，其供气量应至少是190 m3/min，加上损失量，供气量将不低于200 m3/min。按照60 min的灭火时间，泡沫混合液的消耗量是1 627 m3，相较于吸气式泡沫系统减少了将近1 000 m3的用水量。所需供气量为12 000 m3，对应所需液氮量是17 m3。此时只需派遣一辆液氮槽车进行配合灭火即可，一台液氮罐槽车的容积一般是25 m3，该液氮槽车满载液氮后，持续供给时间可达80 min。

5 结语

在面临石化企业的大型储罐全面积火灾等大型火灾事故时，液氮泡沫灭火系统可以替代吸气式泡沫灭火系统，利用正压发泡的优点，提高泡沫的灭火效率，大大减少用水量。同时液氮泡沫系统可以解决利用空压机、气瓶供气的传统压缩空气泡沫系统因供气量不足而无法满足大流量喷射的问题。该大流量液氮泡沫系统可自带液氮罐，满足一定时间的持续喷射要求；在面临长时间作战及群组作战时，全国各级地市均有液氮销售厂家，通过现场调派液氮槽车，可利用液氮槽车直接提供液氮进行长时间喷射灭火作业，该灭火系统具备工程应用条件。