液体可燃物中的火灾蔓延

第二节液体可燃物中的火灾蔓延根据液体可燃物所处的状态，其火灾蔓延可能有以下几种情况：油池（油罐）火灾、油面火灾、含油的固面火灾及液雾火灾等。下面对它们分别进行介绍。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延描述油池（油罐）火灾最重要的特征参数是液面下降速度，即单位时间里油品燃料的消耗量。大量的实验结果表明：液面下降速度与容器直径有关，如图4-5所示。图4-5油池火中液面下降速度与容器直径的关系油池火中液面的下降速度应当等于火焰向液体传入热量引起液体蒸发而导致液面下降的速度。液面上方液体蒸气的扩散速度决定了燃烧速度，而这种燃烧的形式显然应为扩散火焰。这样就明确了整个过程中，传热、传质、流动与化学反应的关系，为进一步分析问题打下了基础。一、油池（油罐）火灾蔓延*二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延从火焰传入液体的热量主要包括：①从容器器壁向液体的传热；②液面上方高温气体向液体的对流传热；③火焰及高温气体向液体的辐射传热等。油池器壁与火焰根部距离很近，故器壁温度可取为液体温度（Tl）。器壁附近气体的温差为TF-Tl，这里TF为火焰温度。从器壁向液体的传热量为：(4-12)式中，d为油池直径；λ为气体导热系数。油池上方高温气体向液体的对流传热量为：(4-13)式中，h为对流传热系数。假设高温气体的温度等于火焰的温度，火焰及高温气体向液体的辐射传热量为：(4-14)一、油池（油罐）火灾蔓延*二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延lFcdTTdqlFcvTThdq424424lFFFraTTdq式中，ΦF为火焰及高温气体对液面形态系数；εF为火焰及高温气体辐射率；ελ为液体辐射率。传入液体的热量起到两中作用，一是使液体的温度升高；二是使液体蒸发。使液体升温的热流量为：(4-15)这里，Cpl、ρl和To分别为液体热容、密度和初温。使液体蒸发的热流量为：(4-16)式中，Vl为液面下降速度；Lv为室温条件下液体蒸发潜热。将式（4-12）~（4-15）代入（4-16）中，可得：(4-17)一、油池（油罐）火灾蔓延*二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延ollpllTTCdq42vlllracvcdLVdqqqq42ollpllFFFlFlFvllTTCTTTThTTdLV4441当油池直径d很小时，式（4-17）中右端第1项相对较大，忽略其他各项后得到：Vl与d近似成反比关系；当d很大时，式（4-17）中右端第1项相对较小，可以忽略不计，所以有Vl与d无关的结论。这些进一步证明了图4-5中实验结果的正确，这也说明在油池火灾中，蒸发过程是火灾蔓延的控制过程。要控制蒸发过程，必须控制液体与外界环境的换热过程。因此，采用泡沫灭火剂在液面上生成一层泡沫层，既能减少向液体的传热量，又能阻止液体的燕发，是一种防治油池火灾的好方法。如果在油池中有积水，水一般沉在油池的底部，但水的沸点（100oC）远低于油的沸点。根据上述讨论，火焰向液体油传热的同时，油必然也向水传热，所以沉积在油池底部的水会不断生高。当水温上升到水的沸点时，水就会沸腾。而水面以上有一层油，这层油的最上层又处于蒸发、燃烧状态。一、油池（油罐）火灾蔓延*二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延因此，沸腾的水蒸汽将带着蒸发、燃烧的油一起沸腾。这样就可能发生极其危险的扬沸现象，即沸腾的水蒸汽带着燃烧着的油向空中飞溅。一般飞溅的油滴在飞溅过程中和散落后将继续燃烧，造成火灾的迅速扩大。研究结果表明，飞溅高度和散落面积与油层厚度、油池直径等有关，一般散落面积的直径（D）与油池直径（d）之比均在10以上，即D/d10。由于扬沸带出的燃油原来呈池火燃烧状态，喷出之后呈液滴燃烧状态，改善了燃烧条件，燃烧强度大大提高，危险性随着增加。如果油池周围还有其他可燃物，这些可燃物将被点燃；如果油池周围还有从事灭火工作的人员和设备，必然造成很大的伤亡和损失。因此，对油池火灾而言，一定要避免扬沸现象的发生，针对这一要求，目前正对扬沸现象及其产生条件、沸前现象等进行研究，为防火对策提供依据。一、油池（油罐）火灾蔓延*二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延油面火指的是在大面积的水面上，有一层较薄的浮油，这种浮油燃烧时引起的火灾称为油面火。油面火与油池火的区别在于：油面火有一个不断的扩大过程。一旦着火，很快就在整个油面上形成火焰。由于燃烧情况不同，蔓延规律也不同，描述该过程的参数也不相同。在静止环境中，油的初温对火焰蔓延速度有显著影响。开始时油面火蔓延速度随着初温的升高而变大；当初温达到某个值之后，油面火蔓延速度趋于某个常数。对于甲醇液面火来讲，因甲醇的闪点为11oC，当温度达到20oC之后，在甲醇液面上方便形成了一定浓度的甲醇蒸气，该蒸气与空气混合后形成具有一定混合比的预混可燃气。这个预混可燃气的火焰传播速度是一定的，所以甲醇液面火的蔓延速度就趋于某个常数。这个常数就是最大甲醇浓度与空气混合后的预混可燃气的层流火焰传播速度。不同的燃料火焰传播速度具有不同的值。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延*三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延实验结果表明，当油的初温低于闪点温度时，液面上形成的是扩散火焰为主的燃烧形式。要维持燃烧，就要保证液体具有一定的蒸发速度，也就是说火焰必须向火焰面前方的液体传送足够的热量，使该部分的液体升温。这样，在火焰面前方的液体与火焰面正下方的液体之间就产生了温度差，由温度差而引起了表面张力差，在表面张力差的作用下，便产生了表面流，使得温度较高的液体不断流向火焰面的前方以保证液体的蒸发速度与火焰蔓延速度的平衡。图4-6所示为油面火中，初温高于或低于闪点温度时，对传热过程的影响。上述分析说明了从火焰现象入手，分析油面火蔓延机理的方法，为制订灭火对策打下了基础。图4-6油面火中初温对传热过程的影响一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延*三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延相对风速对油面火蔓延影响的实验结果表明：在逆风条件下，液体的初温对火蔓延速度有显著影响；顺风条件下，液体的初温几乎对火蔓延速度没有影响，火蔓延速度主要受风速的影响。这主要是因为火焰在风的作用下，倾斜角增大，强化了火焰对液面的辐射传热和对流传热。顺风时，火焰向未燃烧的油面方向倾斜，所以作用显著；甚至具有主导作用；逆风时，火焰向已燃烧的区域倾斜，起不到强化作用，效果当然不明显。这个结果提示我们：在灭油面火时，最好采用逆向灭火方式。在有相对风速环境中，液面一般也有波动，所以应当进一步研究液面波动对火蔓延速度的影响，以便更真实地描述液面火的蔓延规律。液面火常用来清除泄漏在海面上的石油，这当然与防止火灾蔓延的目的不一样，但蔓延规律是相同的。不过这时由于长时间燃烧，油层下面的水温升高到沸点之后，水的沸腾导致石油飞溅，促进了从油层向水层的传热，这反而使得油面火容易熄灭，这点与油池火完全不同。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延*三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延一旦油面火熄灭对清除漏油又十分不利；另外因这时的油层薄、面积大，一般不会产生油池火中的扬沸现象。在液面火中由于油与水的互相掺混，再加上液面的波动，可能产生油的乳化现象。乳化的程度不同，对火蔓延速度的影响也不同。另外还应注意，液面火中的乳化作用（微爆燃烧）与在燃烧器中燃烧的作用不同，没有促进燃烧的作用。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延*三、液雾中火灾蔓延小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延当燃油容器或输油管道破裂时，燃油就从容器内或管道内喷出而形成油雾。此时一旦着火燃烧，就会形成油雾中的火灾蔓延。油雾的燃烧在动力装置（例如喷气发动机燃烧室、内燃机气缸、油炉等）中的应用很广泛，所以研究得比较多。这里结合火灾中油雾中燃烧的特点，应用已有的研究成果，简单介绍一下油雾中火的蔓延问题。燃油容器破裂或输油管道破裂所形成的喷雾条件一般很差，所以雾化质量不高。这样的液摘尺寸较大，而且大滴的比重也较高；环境温度多为室温，相对来讲较低，对蒸发也很不利，且着火然烧后多形成滴群扩散火焰。油雾火焰一般分为4种：①预蒸发型的气相燃烧火焰，例如：当雾化质量好，距离喷咀较远，环境温度又比较高时，多形成这种火焰，所以这种火焰具有预混气体燃烧的特点；②滴群扩散燃烧火焰，例如：当雾化质量不好，距离喷咀较近，环境温度比较低时，多形成这种火焰，所以这种火焰具有扩散火焰燃烧的特点；③预蒸发与滴群扩散燃烧的复合型火焰，例如：当小滴进入燃烧区之前已蒸发完，形成具有一定浓度的预混可燃气，而大滴还没有蒸发完便进入了燃烧区，这样就形成了预蒸发与滴群扩散燃烧的复合型火焰；一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延*小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延④预蒸发燃烧与滴群扩散蒸发的复合型火焰，例如：当小滴进入燃烧区时，已蒸发大部分，但并没有蒸发完，也就是说此时液滴半径很小，液滴温度必定也很低，这样其周围环境温度要很高才能着火，稍低则不能着火。大滴进入燃烧区时没有蒸发完，一般多继续蒸发，很少也可着火燃烧形成液滴扩散燃烧。但总体来看，这种情况以预蒸发燃烧与滴群扩散蒸发为主。结合火灾中液雾火焰的具体条件，显然滴群扩散燃烧是主要的燃烧形式，但也或多或少地有其他燃烧形式。大液滴在燃烧过程中，不断下降，如果没有燃烧完就落到了地面上，则使地面成为含油可燃性固面；如果没有燃烧完的液滴落在水面上，则使水面上成为含油的液面；如果没有燃烧完的液滴落下后在某处集合，又可能出现一个临时性的油池。所以对于油雾火灾，不但要注意其本身蔓延的特点，还必须注意它可能导致其他类型的火灾发生。为了说明滴群扩散燃烧的基本特点，可将滴群扩散燃烧简化成图4-7所示的模型，即一个初始滴径均匀，液滴与气流之间没有相对运动的一维液雾火焰。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延*小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延尽管初始的气流温度不高，但只要比液滴温度高．就要考虑对液雾的预热作用。来自高温燃气一侧对液雾也有预热作用，这样就形成了滴群的预蒸发区。显然液体本身的蒸发特性、环境温度等因素对预蒸发区有很大影响。如果温度高于某个值以上，可能出现已蒸发的蒸汽与空气混合气的着火，形成预混火焰；然后液滴又着火，形成扩散火焰。条件不同，燃烧形式不同，燃烧机理也就不同。图4-7滴群扩散燃烧的简化模型如果不能形成预混火焰，只有滴群扩散燃烧的情况。此时，虽然没有预混燃烧，但蒸发对气相流动是有影响的。一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延*小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延为了简化问题，先不考虑液滴与气流间的相对运动，并假设滴径均匀，则一维两相燃烧的总体连续方程为：(4-18)式中，ρl和ρg分别为液相和气相的总密度。气相连续方程为：(4-19)式中，为液滴的平均密度；kf为液滴的蒸发常数；N为液滴的总数。沿x方向上液滴的蒸发量变化，实际上就是气相的质量变化。令z=ρl/ρg，代入式（4-19）可得：(4-20)两相流动的能量方程为：(4-21)一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延*小节名第二节液体可燃物中的火灾蔓延ttanconsmuglttanconsmuglNkddxudflg4mNdkdxdzfl4iigillggVYhdxdTdxduhuhdxd式中，hg和hλ分别为气相和液相的焓值；hi为某种组分的焓值；Yi为某种组分的质量百分数；Vi为某种组分的速度。将式（4-21）两端除以，并积分得：(4-22)其中，式（4-22）又可写成为：(4-23)一、油池（油罐）火灾蔓延二、液面火灾蔓延三、液雾中火灾蔓延*小节名第