細(xì)水霧滅火技術(shù)的新發(fā)展

細(xì)水霧滅火技術(shù)的新發(fā)展

1細(xì)水霧在圖222煙霧較薄具有優(yōu)異的滅火性能。1kg瓶裝水的表面積約為0.06m2,1kg粒徑為0.1mm的霧狀水滴的表面積之和為60m2,細(xì)水霧中水滴的表面積之和比直流水增大了上百倍,這使它的滅火能力大幅度提高:射入火焰中的直流水90%以上流失掉了而射入火焰中的霧狀水滴以上氣化了1kg水在火焰中氣化時(shí)吸收2253kJ的蒸發(fā)潛熱,可使火焰的溫度迅速下降;1L水在常壓下氣化時(shí)生成1630L的水蒸氣,稀釋了火焰周圍空氣中的氧含量,窒息了燃燒反應(yīng)。同時(shí),細(xì)水霧射流有極好的阻擋熱幅射和吸收有毒煙霧的保護(hù)作用。因此,細(xì)水霧大幅度提高了水的滅火效率,是清潔、廉價(jià)、高效而又對(duì)人友好的滅火劑。但是,細(xì)水霧噴射不遠(yuǎn)成為在消防中制約細(xì)水霧使用的瓶頸。自1841年世界上誕生第一臺(tái)以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的射水消防車以來(lái)的150多年間,單純噴射細(xì)水霧射流的消防車一直沒(méi)有出現(xiàn),原因就在于細(xì)水霧噴射距離太近,穿透能力太弱,無(wú)法用于撲滅大火。直到氣體-水霧兩相射流技術(shù)在消防領(lǐng)域內(nèi)的成熟應(yīng)用,才產(chǎn)生了功率巨大的噴射霧狀水射流的渦噴消防車。2肩背式脈沖式滅火水具有不可壓縮的特性。高壓水噴射時(shí),在水槍出口處水的體積并不產(chǎn)生膨脹,因而水射流在水槍出口處也不產(chǎn)生因體積膨脹而增速。為了提高細(xì)水霧的噴射速度和降低水滴粒徑,有些噴淋設(shè)備將水的壓力提高到30MPa,但其產(chǎn)生的效果仍然有限。相反,氣體具有優(yōu)良的可壓縮特性,在氣體射流噴槍中,壓縮氣體因釋壓膨脹而迅速加速,生成噴射速度相當(dāng)高的氣體射流,直至產(chǎn)生超音速射流。人們利用高壓氣體釋壓時(shí)爆發(fā)力強(qiáng)的特性,發(fā)明了高速射出彈丸的槍械和火炮,也誕生了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在消防領(lǐng)域里,一旦將氣體射流與水射流二者混合起來(lái)(稱之為“兩相射流”),就賦予了氣體-水霧混合射流許多新的特性:利用壓縮氣體釋壓時(shí)迅速膨脹增速的性能,使水滴被氣體介質(zhì)射流進(jìn)一步切割、粉碎,成為細(xì)水霧和超細(xì)水霧射流;細(xì)水霧射流在氣體介質(zhì)射流加速中進(jìn)一步獲取動(dòng)能,使其噴射距離大幅度增加;氣體-水霧混合射流的高速噴射性能,克服了細(xì)小水滴射入不到火焰中心的固有弱點(diǎn),可將大流量的細(xì)水霧沿水平方向快速射入火焰之中,也使混合射流對(duì)火焰的沖擊能量增大,破壞火焰穩(wěn)定燃燒的作用增強(qiáng),大幅度增強(qiáng)了霧狀水的滅火優(yōu)勢(shì)。另一方面,從泡沫噴槍中噴射出的壓縮氣體和泡沫液混和后的兩相射流,可獲得不含液體水的“干泡沫”,由此制成的消防車,與普通泡沫消防車噴射出的含有大量未發(fā)泡的泡沫液的“濕泡沫”相比,使滅火用水的利用率和泡沫液的滅火效能提高了許多倍。以德國(guó)IFEX公司研制的IFEX3000型肩背式脈沖式滅火裝置為例,該裝置利用2.5MPa壓縮空氣釋壓時(shí)產(chǎn)生的爆發(fā)力,驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)水室中的水(約1L)高速噴出,形成氣體-水霧兩相射流,在高速氣體射流沖擊下,水滴微粒被撞擊成粒徑為20～200μm的細(xì)水霧,其出口流速達(dá)120m/s,具有極大動(dòng)能。高流速的水滴射入火焰中,對(duì)火焰產(chǎn)生強(qiáng)烈切割破壞作用,細(xì)水霧在火焰中迅速吸熱汽化,有極好的滅火能力。該裝置受到國(guó)際消防技術(shù)委員會(huì)的重視,于1997年10月和1999年8月分別在挪威和瑞典的海岸公路隧道內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了滅火試驗(yàn)。結(jié)果表明,IFEX3000型脈沖式滅火技術(shù)能夠迅速撲滅火災(zāi),用水量與常規(guī)水噴淋相比,可省水95%,并能迅速凈化空氣和保護(hù)環(huán)境。1991年,在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后為撲滅科威特727口油井大火,來(lái)自10個(gè)國(guó)家的27支滅火隊(duì)在遍地沖天大火和遮天蔽日的煙幕中使同各種先進(jìn)的滅火裝備與火魔展開(kāi)了搏斗。其中匈牙利人使用了將2臺(tái)航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)并列安裝在坦克上的滅火裝置(其噴射功率大于2×10000kW),渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣體射流將注入的海水切割成霧狀水,氣-水兩相射流射向油井大火,撲滅每口油井大火從12s～2min不等,比其他國(guó)家滅火隊(duì)運(yùn)用的其他所有方法快得多,受到各國(guó)滅火隊(duì)的交口稱贊(見(jiàn)圖1)。自此開(kāi)始,以渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力噴射氣-水兩相射流的滅火裝置名聞天下。由美國(guó)大力、德國(guó)施密茨、奧地利盧森寶亞等公司生產(chǎn)的“壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)”消防車,也是利用了氣-水混合射流。它是將7～9個(gè)大氣壓的壓縮空氣和同樣壓力的水、泡沫液注入混和器中,使1000體積的水、3體積的泡沫液和7000體積的空氣混和,產(chǎn)生出8000體積的泡沫,由噴槍射出,形成兩相射流。由于壓縮空氣在噴槍出口處膨脹增速,使泡沫液的噴射距離增大,加之噴射出的泡沫屬于無(wú)液態(tài)水的“干泡沫”,使滅火用水利用率提高了8倍,被稱為是目前世界上最先進(jìn)的泡沫滅火技術(shù)。在撲滅可能有人存在的坍塌的建筑物廢墟火災(zāi)時(shí),不必?fù)?dān)心大量水滲入廢墟內(nèi)而使人窒息。在美國(guó)遭受“9·11”恐怖襲擊而坍塌的“雙塔樓”的救援工作中,大量使用“壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)”消防車,在撲滅火災(zāi)、消除煙霧、保護(hù)廢墟下的生命、搶救珍貴檔案資料和計(jì)算機(jī)存貯器等方面都發(fā)揮了很好的作用。3渦流噴射式消防獲得國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)、發(fā)明專利金獎(jiǎng)的渦噴消防車,于1986年開(kāi)始研制,1992年通過(guò)技術(shù)鑒定;1996年渦噴消防車由國(guó)家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心完成定型檢驗(yàn),1998年公布“目錄”文件編號(hào),將渦噴消防車正式列入國(guó)家消防裝備序列。至今已在油、氣大火消防中發(fā)揮出巨大威力,是世界上具有常規(guī)消防車高速行駛能力的噴射功率最大的霧狀水消防車。渦噴消防車是將航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為滅火劑的噴射動(dòng)力,安裝在消防汽車上,配置常規(guī)消防車的水箱、水泵。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高速尾氣射流與注入的直流水發(fā)生撞擊、切割,產(chǎn)生大流量的霧狀水,高速尾氣攜帶大流量的霧狀水形成“尾氣-水霧”射流,實(shí)現(xiàn)了霧狀水的遠(yuǎn)距離、高強(qiáng)度的噴射(見(jiàn)圖2)。渦噴消防車具有如下滅火優(yōu)勢(shì):噴射功率大,水的滅火效率大幅度提高,創(chuàng)造了噴射泡沫滅火劑的新方法。3.1機(jī)場(chǎng)開(kāi)、發(fā)揮兩組作用,通常認(rèn)為,常規(guī)消防車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和整車的質(zhì)量比達(dá)到30kW/t后就無(wú)法再增大了,否則其扭矩的增大使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的加強(qiáng)和底盤重量的增加,會(huì)抵消功率增大帶來(lái)的好處。美國(guó)的T-6消防車滿載質(zhì)量為19.2t,發(fā)動(dòng)機(jī)功率367kW,功率質(zhì)量比為19.1kW/t。機(jī)場(chǎng)快速反應(yīng)消防車所載滅火劑較少,其功率質(zhì)量比可達(dá)26kW/t左右。例如,法國(guó)的SD2000快速反應(yīng)機(jī)場(chǎng)消防車最大功率138kW,僅載有1200L水和100kg干粉,滿載重量為5.3t,功率質(zhì)量比達(dá)26kW/t;為增大儲(chǔ)備功率,有些型號(hào)的機(jī)場(chǎng)消防車使用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),分別用于驅(qū)動(dòng)和噴射,但其總的功率質(zhì)量比仍未突破30kW/t。因此,全世界至今沒(méi)有1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率超過(guò)1000kW的常規(guī)消防車出現(xiàn)。渦噴消防車的噴射功率達(dá)4000kW,滿載時(shí)的質(zhì)量為24.6t,其功率質(zhì)量比為160kW/t,突破了30kW/t的限制,因而也突破了現(xiàn)有消防車的動(dòng)力無(wú)法實(shí)現(xiàn)霧狀水的遠(yuǎn)距離噴射的問(wèn)題,成為噴射功率巨大的霧狀水消防車,也是當(dāng)前世界上安裝在汽車底盤上的噴射功率最大的消防車。3.2生成霧射流和完善的油池規(guī)劃設(shè)備將流量為60kg/s的直流水注入渦噴消防車的霧化裝置中,噴射出的高速霧狀水射流瞬時(shí)覆蓋面積大于200m2。最遠(yuǎn)噴射距離可達(dá)100m,在30～60m距離間形成最佳水霧噴射強(qiáng)度。渦噴消防車實(shí)現(xiàn)了大流量霧狀水的遠(yuǎn)距離、高強(qiáng)度、大覆蓋面積的噴射。高速尾氣-水霧射流對(duì)火焰穩(wěn)定燃燒有強(qiáng)勁的切割破壞作用;大流量霧狀水在高速尾氣的攜帶下切入火焰,有迅速窒息燃燒的作用。60kg/s流量的霧狀水全部氣化時(shí)每秒可吸收5的熱量生成3體積的水蒸氣,其對(duì)火焰的冷卻降溫和稀釋氧氣、窒息燃燒的作用相當(dāng)顯著(見(jiàn)圖3～圖5)。渦噴消防車撲滅如圖3所示的80m2油池大火僅需9s。渦噴消防車控制火勢(shì)的能力和滅火效率比常規(guī)消防車提高了十多倍。同時(shí),尾氣-水霧射流還有很強(qiáng)的驅(qū)散有毒有害氣體、阻隔大火輻射熱的作用,可在水霧射流掩護(hù)下救助被火災(zāi)圍困的人員,避免或減少被火災(zāi)圍困的人員的傷亡。3.3渦流泡沫噴射法渦噴消防車生成泡沫的機(jī)理和常規(guī)消防車的泡沫炮生成泡沫的機(jī)理有所不同:常規(guī)消防車的泡沫炮是靠水射流的引射作用將空氣吸入炮管,空氣與混和液攪拌混合產(chǎn)生泡沫。但此時(shí)空氣的體積流量和液體的體積流量相差無(wú)幾,空氣處于負(fù)壓狀態(tài),未能使所有液體都形成泡沫,噴射出的泡沫和未生成泡沫的液體混和在一起,使泡沫富于流動(dòng)性,需經(jīng)流淌才能形成相對(duì)穩(wěn)定的泡沫層。噴射在油罐油面上的泡沫液,其中的液體沉入油面之下,只有泡沫覆蓋在油面之上。渦噴消防車是由高速氣體射流沖擊、剪切泡沫混和液,形成粒徑為2～3mm的大流量泡沫珠,此時(shí)空氣的體積流量是液體體積流量的幾十倍,在強(qiáng)氣流作用下所有的混和液均生成了泡沫珠,沒(méi)有液態(tài)水的存在。泡沫珠射流瞬時(shí)覆蓋的面積達(dá)200m2,噴射1min時(shí),在200m2面積上形成的泡沫層平均厚度為5cm。泡沫珠墜地后沒(méi)有流動(dòng)性,但卻有很好的附著力,直接形成均勻厚度泡沫覆蓋層,良好的附著力使其在形狀復(fù)雜的物體表面上形成穩(wěn)定的泡沫覆蓋層,免除了泡沫射流需經(jīng)流淌才能形成均勻覆蓋層所需的時(shí)間;泡沫覆蓋于油面之上,沒(méi)有液體沉入油面之下。因此,噴射同樣質(zhì)量的泡沫,渦噴消防車比常規(guī)消防車獲得更大的泡沫覆蓋面積,更好地發(fā)揮了泡沫滅火劑的性能,創(chuàng)造了噴射泡沫滅火劑的一種新方式(見(jiàn)圖4～圖6)。1993年,渦噴消防車參加了上海金山化工總廠的大型滅火演習(xí),單臺(tái)渦噴消防車撲滅520m2油池大火僅用77s,耗水2.8t,平均撲滅每平方米油池火消耗的水和輕水泡沫混和液為5.7kg。滅火效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)多臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)的常規(guī)消防車,創(chuàng)造了金山化工總廠歷次舉辦的滅火演習(xí)的多項(xiàng)新紀(jì)錄。渦噴消防車己多次撲滅燃油大火引發(fā)的火災(zāi)。渦噴消防車在撲滅油、氣大火時(shí)特別省水,成為在缺水的沙漠油田中撲滅油、氣大火的最適用的大功率消防裝備。渦噴消防車在撲滅油、氣大火時(shí)不會(huì)造成水漬損失,也基本上不造成化學(xué)污染。圖3～圖6顯示了渦噴消防車撲滅80m2油池大火的滅火過(guò)程和速度。渦噴消防車是當(dāng)前對(duì)付油、氣大火的最強(qiáng)有力的消防裝備,是消防車家族中的新成員,正在進(jìn)入相關(guān)的消防領(lǐng)域。4兩相輻射流促進(jìn)了精細(xì)水霧滅火技術(shù)的發(fā)展4.1隧道火災(zāi)翱翔于天空的飛機(jī),其飛行中的動(dòng)力和阻力均可視做是來(lái)源于氣體射流,其研究促進(jìn)了航空科學(xué)的發(fā)展,有十分豐富的研究成果。舉例來(lái)說(shuō),制造一臺(tái)300kW的可移動(dòng)的水射流裝置,在工程技術(shù)和使用場(chǎng)所方面有不小的難度。但是,制造一臺(tái)3000kW的可車載的噴射高速氣體射流的發(fā)動(dòng)機(jī),在工程技術(shù)上早已不成問(wèn)題將氣體射流技術(shù)與水射流技術(shù)結(jié)合起來(lái)開(kāi)發(fā)兩相射流消防裝備,可以解決消防工程面臨的許多難題。我國(guó)已建成7400余座鐵路隧道、1970余座公路隧道,隧道總長(zhǎng)度達(dá)5200km;北京、上海、廣州、南京、武漢等城市已建成和正在興建多條地鐵、過(guò)江隧道。我國(guó)首條海底隧道已在廈門開(kāi)建。至今,我國(guó)已成為世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國(guó)家。與此同時(shí),令世人關(guān)注的隧道火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加。隧道火災(zāi)呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：1)大火產(chǎn)生的有毒煙霧擴(kuò)散困難,使現(xiàn)場(chǎng)未逃離的人員窒息而死,也多次使順風(fēng)撤離的人員難逃被煙霧窒息的厄運(yùn)。2)煙霧導(dǎo)致能見(jiàn)度極差,加之燃燒產(chǎn)生的高溫,使救援人員難以進(jìn)入隧道和展開(kāi)滅火作業(yè)。3)火災(zāi)產(chǎn)生的大部分熱能被用于加熱隧道內(nèi)的空氣,形成了“燒磚窯效應(yīng)”。4)集聚的高溫?zé)釟饬魇瓜掠蔚囊兹嘉锓纸夂蜌饣?著火點(diǎn)能從一個(gè)燃燒源跳躍到下一個(gè)燃燒源,會(huì)接連發(fā)生爆轟和爆炸。5)爆轟產(chǎn)生的高溫高壓氣體沿著隧道急劇膨脹而形成“槍管效應(yīng)”,對(duì)處于隧道內(nèi)的人員的生命構(gòu)成重大威脅。6)高溫會(huì)使隧道頂部的混凝土喪失強(qiáng)度而塌陷,地面的瀝青熔融粘化,為消防、救援工作造成很大困難。1971年3月法國(guó)克洛次隧道內(nèi)油罐列車爆炸起火,1996年11月英法兩國(guó)之間的海底隧道大火、1999年3月法意兩國(guó)之間的勃郎峰隧道大火,1999年5月奧地利阿爾卑斯山的陶恩大隧道大火,2000年11月奧地利基茨施坦霍恩山隧道大火,2001年10月瑞士圣哥達(dá)隧道大火,均造成了人員傷亡和隧道損壞的重大損失,修復(fù)工作持續(xù)了數(shù)十天至數(shù)個(gè)月。我國(guó)隧道的消防,如能使用由航空渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(功率10000kW以上)改裝成的氣-水兩相射流消防裝置,通過(guò)噴射和引射,可使大流量細(xì)水霧射流貫穿隧道,形成“人工風(fēng)暴”,成為隧道火災(zāi)的“殺手锏”,使排煙、降溫、滅火、救人工作得以順利進(jìn)行,大幅度減少隧道火災(zāi)造成的損失。1970—1984年,美國(guó)發(fā)生天然氣管線失效事故5872起,平均每年發(fā)生404起;1985—1992年,平均每年發(fā)生238起。我國(guó)四川輸氣管網(wǎng)13條管線,1970—1994年發(fā)生事故造成停輸61次,年平均事故率為2.608次/103km。我國(guó)已有“西氣東輸”等數(shù)萬(wàn)千米的天然氣管道。地面沉降、地震、泥石流災(zāi)害、不當(dāng)施工、管道腐蝕和材質(zhì)缺陷等都會(huì)引起管道破裂。天然氣泄漏時(shí),使用大功率氣-水兩相射流消防裝置可在泄漏的可燃性氣體未點(diǎn)燃時(shí)予以吹散、釋稀,掩護(hù)救援人員對(duì)泄漏的管道進(jìn)行搶修作業(yè)。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能很快將大火撲滅。4.2氣體射流射流效果好當(dāng)氣體的壓力是2倍外界大氣壓力時(shí),通過(guò)適當(dāng)?shù)膰娚溲b置即可產(chǎn)生出超音速的氣體射流,比同等壓力下水的射流的流速高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)由此也使得兩相射流有良好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。舉例來(lái)說(shuō),新研制的便攜式氣-水兩相射流裝置,使用氣瓶中的壓縮氣體產(chǎn)生出超音速的氣體射流,和水射流撞擊后,經(jīng)噴嘴噴射出50～200μm粒徑的超細(xì)水霧兩相射流,出口流速超過(guò)100m/s,噴射距離可達(dá)8～12m,是單純的細(xì)水霧噴射裝置無(wú)法達(dá)到的,噴槍的重量也只有2kg。這些裝置在撲滅機(jī)場(chǎng)、船舶、客輪、火車等有人場(chǎng)所的火災(zāi)時(shí)能發(fā)揮很好的作用。筆者已研制出工程樣機(jī),并申報(bào)發(fā)明專利。5兩相射流超細(xì)水霧滅火的應(yīng)用前景綜上所述,通過(guò)氣-水兩相射流滅火研究試驗(yàn)和實(shí)踐,可以得出如下結(jié)論:1)超聲波水霧發(fā)生器可產(chǎn)生粒徑為10～15μm的超細(xì)水霧,但水滴的動(dòng)能小、穿透能力弱,難以制成適用型滅火器;用提高水壓力的噴射方法可獲得100～400μm的細(xì)水霧,水霧有一定的穿入火焰的能力,但其噴射距離近,主要適用于噴淋方式滅火;當(dāng)壓縮氣體的壓力大于0.6MPa時(shí),利用適當(dāng)?shù)难b置產(chǎn)生的氣-水兩相射流可獲得50～200μm粒徑的超細(xì)水霧射流,在裝置出口處射流的流速大于100