乙二醇流淌火燃烧特性及围堵性能研究*

2020-01-13慕洋洋任常兴

中国安全生产科学技术 2019年12期

慕洋洋，任常兴，张琰，王玥

(1.国家消防工程技术研究中心,天津 300381； 2.应急管理部天津消防研究所,天津 300381)

0 引言

近年来，由于液体危化品泄漏导致的流淌火事故时有发生，该类火灾在燃烧蔓延过程中伴随着复杂的传热、传质问题，危险性较大、扑救困难，给消防部队应急救援带来极大挑战。国内外科研人员针对流淌火的泄漏、蔓延和燃烧等动力学特性展开大量研究，以揭示其燃烧机理。闫利勇等[1-4]研究了泄漏液体在不同表面上的流淌动力学，着重分析黏性、表面张力等特性参数对液体流淌蔓延规律的影响，并总结出“重力-惯性”“重力-黏性”和“表面张力-黏性”3种蔓延模型；吕鹏等[5-8]为综合考虑燃烧对液体流淌的影响，以汽油、正庚烷、乙醇等为研究对象，开展了一系列缩尺寸流淌火燃烧试验考察流淌速度、燃烧速率、辐射热等参数的动态变化规律，并结合数学模拟提出燃烧蔓延模型。

基于火灾燃烧特性，研究针对性灭火、控火技术对事故扑救具有重要的现实意义。通常，易燃液体泄漏应急处置主要遵循“切断来源、堵截分割、逐个击破”的原则。传统的应急封堵技术在管道、阀门、法兰等装置类的泄漏处置中展现出良好的实用性，但不适用规模较大的泄漏[9-11]。美国、英国等研究机构提出采用聚氨酯类材料将泄漏物质围堵在限定区域内，以应对大规模液体泄漏，并开发出相应处置装备[12-13]。

为此，本文设计并搭建流淌火试验平台，开展典型液体危化品流淌火燃烧特性研究，同时将开发的发泡材料[14]用于流淌火围堵处置，并评价其围堵性能，以期为液体危化品的泄漏围堵提供技术指导。

1 试验

1.1 试验平台

为开展流淌火实体试验，本文搭建流淌火蔓延试验平台，平台包括燃料供给系统、流淌蔓延系统和测量系统3部分，可实现燃料持续供给、流淌坡度可调、燃烧参数实时监测等功能，如图1所示。其中，流淌蔓延系统包括流淌槽、活动流淌槽2部分。流淌槽采用厚度3 mm钢板焊制，长宽深尺寸为3 m×1 m×0.2 m，沿长边外壁画刻度，模拟油品在实际路面流淌情况，流淌槽倾角θ满足物理方式0°～5°间可调，以便于油品流淌；活动槽搭接在流淌槽上，为梯形钢制槽，短边长1.1 m，长边长2 m，高1 m，深0.2 m，钢板厚度3 mm，可延长流淌长度，同时可收集未燃烧的燃料。测量系统利用传感器和视频监测对火焰高度、前锋位置和试验温度进行数据采集。试验过程中的火焰温度选用K型铠装热电偶(WRNK-191型，φ1.5 mm×1 000 mm，量程0～1 100 ℃)进行采集，分别在沿流淌方向和竖直方向各布置4支热电偶。水平方向沿试验槽中心对称布置，间隔0.5 m，热电偶高度距流淌槽表面0.6 m；竖直方向布置在试验槽中间正上方，最低点距水平面0.5 m，如图2所示。

图1 流淌火试验平台示意Fig.1 Schematic diagram for experimental platform of spilling fire

图2 试验平台热电偶布置示意Fig.2 Arrangement of thermocouples on experimental platform

试验期间，液体燃料从油桶流出，通过连接在油箱底部的管路再经矩形喷嘴流到流淌槽表面。

1.2 流淌火试验方案

本流淌火试验选用工业乙二醇作为燃料，其闪点为111.1 ℃，燃点为418 ℃，燃烧热为1 180.26 kJ/mol。调节流淌槽倾角2°，采用瞬时点火的方式，即打开油箱控制阀，燃料泄漏在试验槽表面时，在泄漏口位置点火。

试验中，乙二醇泄漏量为25 L，为便于引燃乙二醇，开始阶段向燃料中加入少量汽油作为助燃剂。实时记录燃料流淌过程中火焰传播、温度及火焰高度等变化情况。

1.3 围堵试验方案

试验模拟围堵乙二醇流淌火工况。搭建1个矩形围护结构，如图3所示。其中顶面和1个侧面为开口设计，选用本课题组开发的酚醛发泡材料对侧面开口进行封堵形成泡沫墙，该材料由酚醛树脂通过发泡而得；材料完全固化后，在形成的围护结构中加入50 L乙二醇，待乙二醇完全铺满，静置30 min，观察乙二醇是否会发生渗漏；最后，点燃乙二醇，观察燃烧过程中泡沫墙对火焰的阻隔情况，评价材料围堵效能。

图3 围堵试验示意Fig.3 Schematic diagram of containment experiment

2 结果与讨论

2.1 乙二醇流淌火燃烧特性

2.1.1 试验过程分析

乙二醇流淌火水平方向及竖直方向不同热电偶温度变化如图4～6所示。

图4 不同热电偶流淌方向温度分布Fig.4 The temperature distribution of different thermocouples in the spilling direction

图5 不同热电偶竖直方向温度分布Fig.5 The temperature distribution of different thermocouples in the vertical direction

点燃后，火焰沿流淌方向迅速向下传播，由图4可知，流淌燃料的燃烧猛烈，火焰高、燃烧面积大，并伴随浓烟产生，火焰辐射热较大，此时泄漏口区域温度明显高于其他位置，最高温度达220 ℃，这是由于初始阶段引燃乙二醇用的汽油在起主导作用，汽油热值高，因而燃烧温度较高。乙二醇被引燃后，随着燃烧进行，卷入燃烧的乙二醇浓度逐渐增加，温度呈波动上升趋势，流淌槽中部温度最高达110 ℃。图4显示，燃烧前30 s，4#热电偶温度大于3#热电偶，燃烧30 s后，8#热电偶温度大于2#热电偶，这可能是由于流淌过程中乙二醇在流淌槽表面分布不均匀所致。由图5可知，竖直方向温度变化与流淌方向类似，总体呈现先增长后降低趋势，并且随着高度的增加，竖直方向探测到的温度越低，这是由于乙二醇热值低、火焰高度低所致。由图6可知，燃烧30 s时，火焰逐渐蔓延至流淌槽底部，温度开始下降；50 s后火势明显减小，乙二醇蔓延到流淌槽底部；试验进行80 s时，燃料供给结束，乙二醇平均泄漏速率18.75 L/min，此时未燃的乙二醇在流淌槽底部积聚形成液池；100 s后，流淌的乙二醇火焰完全熄灭，在槽底部转变为稳定燃烧的池火，此时火焰温度最高温度达187 ℃。由此可见，乙二醇流淌火火焰温度低于池火火焰温度,结果与文献[15]类似。

2.1.2 火焰前锋

乙二醇在重力驱动下不断被注入流淌槽，乙二醇火焰前锋持续向前移动，直至流淌槽底部，如图7所示，整个火焰前锋变化大致可分为快速增长阶段、稳定阶段和缓慢增长阶段。点燃初期，受燃料中汽油的影响，火焰燃烧迅猛、快速蔓延，火焰前锋产生明显跃升，最远达2 m；随后火焰前锋产生快速收缩，这是由于前锋位置燃料燃烧速率大于燃料供给速率，现有燃料已消耗完，新的燃料补给不足，导致燃烧面积减小，火焰发生倒退。之后一段时间，火焰前锋位置保持在1.5 m左右，此时燃烧进入稳定状态，新卷入的燃料与燃烧消耗的燃料速率基本持平，表现为燃烧面积不再扩大，火焰前锋位置稳定。20 s后，随着燃料不断涌入，未燃烧的乙二醇不断积累，燃烧速率逐渐低于流淌蔓延速率，液体向流淌槽底部蔓延，火焰前锋也逐渐向前移动。

图6 乙二醇流淌火燃烧过程试验现象Fig.6 Experimental phenomena in combustion process of ethylene glycol spilling fire

图7 乙二醇流淌火火焰前锋变化Fig.7 Change curve of flame front for ethylene glycol spilling fire

2.1.3 火焰高度

乙二醇流淌过程中火焰高度变化情况如图8所示。火焰高度是以点火瞬间为0点开始计起。整个过程呈先快速上升，然后波动下降，最后稳定波动，燃烧初期火焰高度最高达1 480 mm，这主要是由于燃料中汽油火焰所致，火焰高度波动点与热电偶测温的时间结点吻合。汽油的加入对二乙醇火焰高度的变化影响明显，当汽油的消耗殆尽，火焰高度开始下降，最终乙二醇火焰高度约50～70 mm。图8仅展示了从点燃到70 s时的火焰高度变化，之后乙二醇流淌燃烧过程中火焰高度始终在100 mm以下，且变化不明显，故未完全展示。

图8 乙二醇流淌火火焰高度变化Fig.8 Change curve of flame height for ethylene glycol spilling fire

2.2 围堵效能评价

将酚醛与混酸按照体积比1∶1在矩形试验池进行预先发泡，发泡倍数约25倍。利用预制好的模具形成长宽高为2.4 m×0.7 m×0.6 m的泡沫墙。

在形成的试验池中，加入50 L乙二醇后，燃料厚度约20 mm，静置30 min过程中，乙二醇未发生渗漏，发泡酚醛材料与地面具有较好的结合性。

发泡材料围堵效能评价试验持续燃烧时间为10 min，之后采取人工干预进行灭火处理。试验中，泡沫材料受火面一侧始终处于火焰中，在火焰作用下材料表面发生燃烧，当火焰离开，材料表面火焰即熄灭，燃烧停止。对比试验前后的材料变化如图9所示，材料表面部分出现炭化，局部出现燃烧损失，但在10 min的持续燃烧中，泡沫墙整体结构良好，整个试验过程中乙二醇火焰未穿过、烧穿泡沫材料，泡沫材料展现了较好的围堵效果。