賴振中 李帷軒 徐志勝 肖俏偉 李銀波 陳彥

摘要：氮氣滅火系統(tǒng)因其環(huán)保節(jié)能、穩(wěn)定性高等特點，在建筑消防領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間。為進(jìn)一步拓寬氮氣滅火系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，通過縮尺寸模型實驗分析了氮氣滅火系統(tǒng)對受限空間木垛火的滅火時間、氧氣濃度、火焰溫度等窒息特性參數(shù)的影響。結(jié)果表明，氮氣滅火系統(tǒng)對受限空間中木垛火展現(xiàn)了良好的窒息滅火效果，其中不同火源功率的木垛火在受限空間中的滅火時間接近。

關(guān)鍵詞：氮氣滅火系統(tǒng)；受限空間；木垛火；滅火效能；氧氣濃度

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）12-0005-03

氣體滅火系統(tǒng)以其節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定性高和對設(shè)備損壞小等優(yōu)點，在精密設(shè)備和重要資料保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。楊柳松[1]研究了氮氣滅火系統(tǒng)在通氮口位置不同、數(shù)量分布不同以及通氮口流率多種工況下對儲油罐火災(zāi)的滅火效能，研究發(fā)現(xiàn)氮氣能有效撲滅儲油罐火災(zāi)。徐承林等[2]研究發(fā)現(xiàn)氮氣滅火系統(tǒng)能有效撲滅煤礦采空區(qū)火災(zāi)并有效防止火源復(fù)燃，保障綜采工作面的安全回采。鄧立剛等[3]人提出了制氮、儲氮、供氮、輸?shù)?、保氮、?lián)氮等功能于一體的移動式氮氣滅火裝置，并應(yīng)用于大跨度舉高噴射消防車領(lǐng)域。

在各類火災(zāi)事故中，A類固體火災(zāi)的危害是不可忽視的，木垛火是最常見的A類火災(zāi)之一。國內(nèi)外關(guān)于如何撲滅木材及其制品的火災(zāi)進(jìn)行了大量的研究。顏龍等[4]論證了氣力輸送水泥粉體撲滅木垛火的可行性，研究發(fā)現(xiàn)采用一定的噴射角度和噴射距離可以顯著提高水泥粉體對木垛火的滅火效能。黃鑫等[5]開展了雙流體細(xì)水霧對木垛火滅火特性研究，研究表明雙流體細(xì)水霧在水流率足夠的條件下可以快速撲滅木垛火災(zāi)。氮氣雖被廣泛應(yīng)用于電氣機房、圖書館和博物館等領(lǐng)域，但是對于其在受限空間內(nèi)對不同火源功率木垛火的滅火效能研究還較少。為此，本研究系統(tǒng)研究氮氣滅火系統(tǒng)撲滅木垛火的滅火時間、氧氣濃度、溫度等窒息特性參數(shù)，進(jìn)而為氮氣滅火系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1? 氮氣滅火實驗裝置

本實驗采用裝置主體框架燃燒室總凈高175cm，體積為2.50m3。氮氣滅火系統(tǒng)輸送管路采用DN10管道，氮氣充入通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)管道充入壓力，同時通過壓力表調(diào)節(jié)管道沖出壓力，以壓力表讀數(shù)確定噴入壓力大小。燃燒室內(nèi)置升降臺，保持可燃物表面到噴頭距離1m不變。同時在燃燒室內(nèi)置熱電偶樹，自上至下安裝7根鎧裝熱電偶，熱電偶間距10cm，0cm處熱電偶最低與可燃物表面平齊。在燃燒室內(nèi)設(shè)置氧氣濃度測量點位，布置氣體收集探頭連接氣體分析儀監(jiān)控氧氣濃度變化。氮氣滅火裝置示意圖見圖1。

1.2? 木垛火燃燒實驗工況

實驗選用木垛的材質(zhì)為杉木，以1cm×1cm×20cm木條搭建的木垛為研究對象，設(shè)計間距2cm的6層×6條、8層×6條和10層×6條三種工況進(jìn)行實驗。木垛尺寸搭建依據(jù)《SFPE消防工程手冊》提供的一種木垛中心點火的計算模型進(jìn)行。木垛形式及主要參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1? 受限空間木垛燃燒行為分析

實驗基于表1工況設(shè)計開展實驗，在實驗開始前要用20mL95%乙醇對木垛進(jìn)行浸潤，并開展空燃實驗確定預(yù)燃時間。采用0.10MPa噴射壓力，從滅火時間、溫度變化和氧氣濃度變化的角度，分析氮氣滅火系統(tǒng)對木垛的滅火效能。以0cm處熱電偶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，三種尺寸木垛空燃實驗溫度變化見圖2。由圖2可以看出，三種不同尺寸木垛著火后50s的火焰溫度均能穩(wěn)定在600℃以上，并在250s之后溫度逐漸下降并熄滅。為了有效驗證氮氣的滅火效能，選擇木垛火穩(wěn)定燃燒的時間點100s施加氮氣進(jìn)行滅火實驗。

2.2? 氮氣滅火過程中溫度變化分析

選取0.10MPa的系統(tǒng)噴射壓力開展氮氣滅火實驗，系統(tǒng)分析氮氣對木垛火的燃燒過程、火焰溫度和氣體濃度的影響和規(guī)律。氮氣撲滅不同火源功率木垛火的滅火過程見圖3。由圖3可以看出，施加氮氣滅火劑能有效降低木垛火燃燒高度并抑制火焰燃燒過程，當(dāng)噴射時間40s時木垛火完全熄滅且無復(fù)燃現(xiàn)象。

選取0cm處的熱電偶溫度分析氮氣滅火劑對木垛火燃燒溫度的影響，具體見圖4。由圖4可以看出，施加氮氣能迅速將木垛火的燃燒溫度降低至300℃以下使火焰熄滅，其中不同火源功率木垛火的降溫速率較為接近，這表明氮氣主要通過降低受限空間氧氣濃度而使火焰熄滅、燃燒區(qū)域溫度降低。

2.3? 氮氣滅火過程中氧氣濃度變化分析

氮氣滅火機理為窒息作用，氧氣濃度的下降程度可有效表征氮氣滅火效能，其中氮氣撲滅木垛火的氧氣濃度變化曲線見圖5。由圖5可以看出，木垛著火后受限空間的氧氣濃度逐漸下降至14.5%左右并維持穩(wěn)定，在100s施加氮氣后由于管道內(nèi)殘存的空氣被優(yōu)先排出導(dǎo)致受限空間中氧氣濃度略有升高，之后在140s時氧氣濃度逐漸下降并在140s左右火焰熄滅。為了防止復(fù)燃，在火焰熄滅后噴射20s氮氣，此時受限空間的氧氣濃度降低至13.0%左右，之后隨著停止噴射氮氣，受限空間的氧氣濃度逐漸升高至環(huán)境氧氣濃度。綜上可以看出，受限空間中木垛火的滅火時間與氧氣濃度下降速率有關(guān)，而與木垛火的火源功率關(guān)系不大，木垛火明火熄滅后仍需繼續(xù)施加氮氣以防止復(fù)燃。

3 結(jié)論

氮氣滅火劑能有效撲滅受限空間的木垛火，并顯著降低木垛火的燃燒溫度和燃燒區(qū)域氧氣濃度，滅火機理為窒息滅火機理。氮氣滅火劑撲滅受限空間中不同火源功率木垛火的滅火時間和氧氣濃度較為接近，這表明氮氣對木垛火的窒息滅火作用主要與受限空間中氧氣濃度的下降速率有關(guān)，而與木垛火的火源功率關(guān)系不大。氮氣滅火系統(tǒng)可用于撲滅受限空間A類固體火災(zāi)，在木料倉庫、博物館、木結(jié)構(gòu)文物建筑等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊松柳.儲油罐火災(zāi)氮氣滅火技術(shù)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[2]徐承林，李發(fā)瑞.用氮氣撲滅放頂煤工作面采空區(qū)火災(zāi)[J].煤炭工程師，1993（1）：1-6.

[3]鄧立剛，郝偉，林佳.移動制氮滅火裝備在滅火救援實戰(zhàn)中的設(shè)計應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2023，42（2）：241-244.

[4]顏龍，王寧，徐志勝.氣力輸送水泥粉體裝置滅木垛火試驗研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（3）：385-388.

[5]黃鑫，王喜世，廖光煊，等.雙流體細(xì)水霧對木垛火的滅火特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2010，10（5）：131-135.

Asphyxiation characteristics of nitrogen fire-extinguishing system in wood stack fires of confined space

Lai Zhenzhong1， Li Weixuan1， Xu Zhisheng1， Xiao Qiaowei2， Li Yinbo2， Chen Yan2

（1. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology of Central South University， Hunan Changsha 410075; 2. Sany Automobile Manufacturing Co.， Ltd.， Hunan Changsha 410100）

AbstraCt： Nitrogen fire-extinguishing system has great development space in building fire protection field due to its environmental protection， energy saving， high stability. In order to broaden the application field of nitrogen fire extinguishing system， the effects of nitrogen extinguishing system on fire extinguishing parameters including extinguishing time， oxygen concentration and flame temperature of wood stack fires in confined space are analyzed through a small-scale experimental model. The results show that nitrogen fire-extinguishing system has a good asphyxiation and fire extinguishing effect on the wood stack fires in confined space， and the fire extinguishing time of the wood stack fires with different fire loads is closed in the confined space..

Keywords： Nitrogen fire-extinguishing system; Confined space;Wood stack fire; Fire-extinguishing efficiency;Oxygen concentration