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南京工业大学
外文资料翻译
压缩空气泡沫灭火系统扑灭油罐火灾的可行性研究
摘 要
由于油液的复杂特性，使油罐火灾更加复杂，在扑救过程中需要考虑灭火剂的性能和环境因素，因此油罐火灾的扑救难度较大。本文分析油罐火灾的燃烧特性及泡沫损失机理。本文在前人研究的基础上，探讨了采用不同灭火剂的压缩空气泡沫灭火系统（CAFS）抑制油罐火灾的可行性和适用性，并对不同灭火剂的灭火效果进行了分析，为油罐火灾的预防提供了指导。
1.介绍
随着工业的发展，工厂对石油的需求量越来越大。由于油品易燃易爆的不稳定性和防火问题，油罐火灾频繁、反复发生。油罐火灾具有连锁反应、规模大等特点，扑灭油罐火灾的时间长，存在诸多问题。因此，如何抑制火灾和使用何种灭火剂是关键。根据以往的实验研究经验和灭火经验，泡沫系统由于具有良好的隔热性、流动性和渗透性，通常是首选。传统的泡沫系统是在发泡机出口形成负压，吸入空气，使空气与泡沫溶液混合而成。CAFS作为一种新型的泡沫技术，在泡沫体系的基础上进行了改进，产品偏好性能更好的泡沫。具体讨论如下。
2油罐火灾分析
2.1. 油燃烧理论
根据Zhi Xin W等人的研究，油罐的燃烧区域通常可分为三层，即火灾层、空气与可燃蒸汽的混合层和油液层[1]。在燃油燃烧过程中，由于氧气的消耗，在某一区域会产生负压，将周围的冷空气吸入该区域，与可燃蒸汽混合形成混合层。混合层的存在使火焰波及其燃烧速率逐渐趋于一个常数。混合层受表面蒸汽扩散速度的影响，即表面蒸汽扩散速度决定燃烧过程。
在燃烧过程中，一部分热量通过热辐射和热对流扩散到外部，另一部分热量通过罐壁的导热、热烟的热对流和火焰的热辐射反馈到油的表面。它使可燃蒸汽稳定地从表面产生并促进燃烧。蒸汽燃烧、热反馈和蒸发是三个相互联系的循环环节，只有干预这一环节，减缓其过程，才能停止燃烧。
2.2. 油罐火灾扑救难点分析
（1） 油罐火灾时会产生强烈的气流。火焰的特性与储罐的直径、液体的性质和液位密切相关。当液位较高时，火焰呈火炬状，冷空气从侧面进入燃烧区（如图1所示）。随着燃烧，当液面下降到80%时，冷空气会上升，并通过液面中心与蒸汽混合（如图1所示）。这时，上升的气流吹起部分轻质泡沫，使泡沫难以粘附在表面。
图1 理论上的火炬状火焰（a）和球状火焰（b）
除气流外，恶劣的大风天气还会对喷射泡沫形成阻力，将附着在表面的泡沫吹散，造成有效泡沫的损失。为了解决上述问题，需要采用重质、高压泡沫。同时，在一定的条件下，生产出更多的泡沫也能起到一定的作用。
（2）油罐火灾温度高，灭火时间长。油罐连续火灾火焰温度在1000℃以上[2]。当泡沫没有完全覆盖油面时，泡沫内的气体会因热膨胀而使泡沫破裂。高温会降低泡沫膜间液体的粘度，提高出液率。当泡沫没有完全覆盖油面时，油箱仍处于高温状态，会促进蒸发。当蒸汽通过泡沫层上升时，就会形成一个通道。它会破坏泡沫层的气密性，导致油重燃。这些问题都会削弱泡沫的性能。基于以上分析，采用阻燃性好、排水时间长的泡沫可以提高灭火效率。另外，如果表面覆盖的泡沫很厚，这个问题也可以得到缓解。
3.压缩空气泡沫（CAF）的性能
针对上述难点，传统的泡沫体系难以达到理想状态，需要一种更先进的泡沫体系。泡沫膨胀率和25%的排液时间是评价泡沫体系的两个重要指标。它们都影响泡沫稳定性的两个重要指标，即回燃时间和灭火时间。Lattimer B Y等人的研究表明，保持泡沫的稳定性是泡沫具有良好的遮盖和阻火效果的重要因素。在选择合适的泡沫体系时，应考虑这些参数。结合CAF的特点和实际问题进行了详细的分析。
（1）对于强气流问题，一种有效的解决方法是使用中等质量的泡沫灭火。泡沫的质量取决于泡沫的膨胀。根据Magribe S A等人的研究，减小泡沫膨胀可以减小泡沫的表面积，增加液体含量，从而使泡沫膜变厚，产生重质泡沫。但在泡沫体积相同的情况下，厚液膜会增强气泡间的平坦效应，加速气泡间液体的运动速度，缩短排液时间（如图2所示）。因此，我们需要在不同的条件下采取适度的泡沫膨胀。与传统的泡沫膨胀率固定的泡沫相比，CAFS在正压下使用，可以大范围改变泡沫的膨胀率，并能有效应对各种情况。
图2 平坦效应：液体在某一点总是趋向于移动到P点。
（2）针对高温、燃烧时间长的问题，提高排放时间和回燃时间是一种有效的解决方法。根据Zhi-Ming Bao等人的研究，无论泡沫膨胀大小，25%的排水时间对灭火时间影响不大[3]。但它能反映泡沫的稳定性，从而影响材料的耐燃性，因而影响材料的燃回时间。根据Cheristopher F研究的泡沫温度曲线，也证实了这一结论。因此，对于这个问题，主要考虑的是延长排水时间。
从宏观上看，气泡的破裂导致了排水。杨彦的研究表明，泡沫破裂的原因有两种，一种是泡沫中的气体通过膜向外界扩散，另一种是膜的排水。重力和平坦效应的作用导致了排水。为了抑制裂缝，内部压力不能太大，即泡沫的尺寸必须均匀。与传统泡沫体系生产的泡沫相比，CAF在输送过程中发泡充分，可以进一步混合。因此，CAFS可以得到尺寸均匀的泡沫（如图3和图4所示）。
图3 使用立体显微镜观察传统泡沫系统（a）和CAFS（b）产生的泡沫的不同图像
图4传统泡沫体系（a）和CAFS（b）泡沫的粒径分布。
从热力学的角度看，泡沫的产生是一个热力学不稳定系统，因为它是通过负压或正压吸收能量而产生的。根据热力学基本原理，自由能G呈下降趋势，导致泡沫破裂。根据公式：
G=gamma;A (1)
其中，gamma;是泡沫的表面张力，A是增加的表面积，为正值。两者都受到泡沫膨胀的影响。由于CAFS的泡沫膨胀是可调的，因此可以在一定程度上控制G，从而增加排水时间。下面展示了泡沫膨胀与排水时间的关系。
图5 排水时间与泡沫膨胀的关系
由此可见，CAFS能较好地解决油罐火灾问题。考虑到不同泡沫灭火剂的灭火性能不同，为了选择最有效的灭火剂，需要对不同灭火剂的灭火性能进行比较。
4.泡沫灭火剂的评价
泡沫灭火剂是灭火的重要组成部分。市场上使用的主要灭火剂有蛋白质泡沫灭火剂（P）、水性成膜泡沫灭火剂（AFFF）、抗醇泡沫灭火剂（AR）和A类泡沫灭火剂，并通过CAFS测试[4]。Tao Chen等对蛋白泡沫灭火剂在CAFS中的灭火性能进行了测试，结果表明，两者的灭火时间相近，但在回燃时间方面，CAFS优于传统泡沫体系[5]。对于A级消泡剂，Zhi-Ming Bao等用不同厂家生产的三种A级消泡剂进行了试验，结果表明：A类泡沫剂对灭火时间影响不大，但对回燃时间影响较大。这种灭火剂可以很好地用于石油火灾，但不同厂家生产的灭火剂灭火效果不同（如图6所示）[6]。此外，Qing-Lin Zhang等人还提出了采用七氟丙烷作为注气。它的密度是空气的六倍，在管道中是液体，所以它能与泡沫液体很好地混合。这种泡沫不仅具有物理遮盖作用，而且具有化学灭火作用。但这项技术还不够成熟，有待进一步研究。
图6 不同厂家生产的三种药剂的排水率性能差异
研究表明，同时使用两种或两种以上的药剂是低效的，因为这会引发相互作用的化学反应。因此，最好的方法是为某一火灾选择一种灭火剂。
灭火理论复杂，既有物理反应又有化学反应，既有冷却作用又有隔氧作用[7]。这些使得液体燃烧过程和泡沫灭火理论更加复杂。我们需要用一个简化的公式来计算相关参数，因为单一的公式不能描述这个过程。
根据俞敏洪建立的模型：
（2）
Q0为灭火前总放热率，单位为kW。t0为灭火开始时刻，t为时间，k为与燃料有关的常数，单位为s-1。建立了热释放速率随时间的变化关系。k表示如下：
（3）
其中a和b是与燃料和消光剂类型有关的常数，应通过实验确定mw为泡沫灭火剂直接作用于燃料表面的有效通量，即灭火有效强度，单位为kg/（m2∙s）。根据这些公式，灭火时间可定义为：
（4）
根据实验得到的数据，我们可以得到常数a和b，进而得到k的值，k是一个可以用来确定灭火难度和泡沫灭火剂灭火效果的值。k值越大，灭火难度越小，泡沫灭火剂的灭火效果越好。
Lin Su等考虑到该模型的适用性和准确性，采用不同的药剂和燃料进行了试验[9]，结果表明，k与单位面积有效通量有关。这些常数应通过试验确定，并与燃料类型和泡沫消光剂有关。试验证明，该模型可用于复杂燃料和灭火剂的计算，也可用于泡沫灭火剂性能的研究。因此，该模型可以结合灭火剂的试验，找出最理想的泡沫灭火剂。
5.结论
通过以上分析，得出以下结论。根据油罐火灾的燃烧特性，进行了相关的实验研究，结果表明，CAFS具有比传统泡沫灭火系统更好的灭火性能，更适用于油罐火灾的扑救。不同泡沫灭火剂的灭火效果不同。我们需要结合H.Z.Yu模型，通过实验来选择在一定条件下最适合的灭火剂。
参考文献
[1] Xue-Cheng Fu,Zhi-Ming Bao, Tao Chen, 2012. Application of Compressed Air Foam System in Extinguishing Oil Tank Fire and Middle Layer Effect,Procedia Engineering, p. 669.
[2] Xue-Cheng Fu, Zhi-Ming Bao, Tao Chen, Rong-Ji Wang, Xi Lu, Ying-Nian Hu, the Research of Heat Insulation Performance of Compressed Air Foam,Fire Science and Technology, p. 204..
[3] Zhi-Ming Bao, Tao Chen, Xue-Cheng Fu, Xian-Zhong Zhang, Rong-Ji Wang, 2011. The Research of the Protecting Effect of Class A Foam for Hazardous Liquid Fire and Stability Mechanism of Foam, Proceedings of the National Seminars of Hazardous Substance and Safety Emergency Technology, p. 1065.
[4] Yu-Chong Han, Jun Qin,2013. The Development and Application of Foam Extinction Agents, Fire Safety Science, p. 235.
[5] Zhi-Ming Bao, Tao Chen, Xue-Cheng Fu, Xian-Zhong Zhang, Rong-Ji Wang, 2012.theResearch of Using Compressed Protein Foam Restrains Liquid Fire, Fire Safety Science, p. 203.
[6] Zhi-Ming Bao, Tao Chen, Xue-Cheng Fu, Xian-Zhong Zhang, Ying-Nian Hu, Rong-Ji Wang, 2013.theResearch of Using Compressed Class A Foam Extinguishes Class B fire, Fire Science and Technology, p. 66.
[7] Lin Lin, Yong-Feng Zhang, Yu Zhang, Tao Weng, Yu-Dong Fang, Guang-Xuan Liao, 2008.The Research of Extinguishing Efficiency of Pool Fire with Compressed Air Foam, Combus
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