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桑吉为何会爆燃?

已有 12048 次阅读 2018-1-15 10:16 |个人分类:消防析灾|系统分类:科普集锦| 桑吉火灾

桑吉为何会爆燃?

举世瞩目的桑吉大火,终于在熊熊燃烧8天之后,在一声爆炸引发的剧烈燃烧中,随着巨轮的下沉而不见了。这是可以预期的结果,在此之前,会有几个扑灭火灾的窗口,然而没有利用好(用来搜救了),爆炸沉没是必然的结果。这里我来说一说桑吉为何会爆燃的火灾动力学原理。

在液体油池火灾中经常会发生一种短时的现象,在点火之后,初始燃烧率逐步增加,直到全部表面都被点燃,燃烧率趋于稳定为止。如果测量液体的表面温度,我们发现表面存在一个沸腾区(boiling zone,该区决定了向下层散热的温度梯度。最初,燃料吸收的热量不仅用于挥发液体,而且部分损失在向深部的散热(预热燃料)过程中。当表面建立了沸腾区之后,沸腾区向下面的传热是恒定的(因为温差恒定),所以热损失项达到稳定,并且几乎不受火焰的影响(沸腾区相当于绝热层)。这时的沸腾区,有时也称作热波(heat wave。这时的燃烧率,称作深池火焰燃烧率(deep-pool burning rate,是热波稳定建立之后的结果。在热波建立的过程中,存在一个较低的燃烧率,两者之差,就是用于建立沸腾区的能量损失。在传热学当中,边界移动的传热问题被称作斯特凡(Stefan)问题

图1. 油池火灾向深处散热的斯特凡问题。

由于不同的边界条件和换热过程,不同的燃料在非控制条件下产生不同的放热曲线。下图所示是三种燃料的放热曲线。PMMA(有机玻璃)是一种可以受热液化的固体,其燃烧过程没有液态的沸腾层(或热波)建立过程,其放热曲线(或质量燃烧曲线)是一个平台,除首尾阶段以外,几乎没有什么变化,所以PMMA的材料通常用于测试锥形量热器的效率,因其质量燃烧率比较恒定,可以用来校订其他参数。对于多孔材料,如木材,其燃烧过程不存在液化问题,所以其放热曲线(质量燃烧率曲线)首先是一个尖峰,然后一直衰减,因为多孔材料燃烧之后形成的残渣仍然停留在表面,充当阻燃材料,隔离了火焰与燃料,所以放热率持续减少。对于液体油池火焰,液体的蒸发率(质量燃烧率)不是一个稳定的平台,而是首先在低水平下维持一段时间,然后上升到一个平台,在燃料接近尾声时,热释率突然增加,带来一个脉冲放热,然后才是迅速烧尽的过程。那么,为什么会发生先减少,后增加的非正常脉动?

图2. 不同燃料在油池(平面)燃烧方式下的通用放热曲线。


当火焰在液面完全建立之初,液体向深度的换热损失是相当大的,这一超常的散热损失是为了建立一个沸腾层,在该层内的液体达到沸点,准备蒸发,而在该层的下方,新鲜的燃料仍然维持原来的状态,因为两者的温度差是恒定的,所以散热损失是常数。该沸腾层有两个速度,下部的速度是V1,代表热波的传递速度,上部的速度是V2,代表液面的消耗速度。当v1 > v2时,这是热波形成的过程,所以对燃烧率而言的散热损失大,燃烧率保持在低位进行。当v1 = v2时,标志着热波稳定状态,这时候产生的燃烧率叫做深池燃烧率(Deep-poolburning rate,不受边界条件的影响(因其主要的边界是沸腾层,这是不变的)。当v1 < v2时,通常预示着热波触底开始发生,这时没有新鲜的液体来吸收热量,而边界导热和辐射会提供更多的热量,所以会产生尖峰式放热,如同生物学上的“回光返照”现象,这是油池火灾行将结束的标志之一。

3. 不同的换热条件导致不同的质量燃烧率。

上述理论是为了解释油池燃烧的扬沸现象。扬沸现象的产生是三种效应同时发生作用的结果。第一,热波效应。沸腾层(热波)到达底部,导致原本预热燃料的那部分热量无法消散,破坏了原来比较稳定的传热过程,相当于发生了传热过程的正向反馈;第二,壁面散热效应。油罐的壁面被长时间加热,使原来的热损失项改变为热增益项,扭转了热损失的传热方向,也相当于发生了传热过程的正向反馈;第三,水汽沸腾效应。罐体底部蓄积的水分(可以是消防水,更常见的是雨水和自然过程析出的乳化水)发生沸腾,产生大量的水蒸气,对燃烧过程产生扰动。世界上最著名的扬沸现象发生在1982年12月19日的委内瑞拉,英国的事故(米尔德福港油罐事故,1983年8月30日)和中国的事故(青岛黄岛油库燃爆事故,1989年8月12日),都是发生在夏天。

然而,和上述的油罐火灾相比,桑吉火灾又有其内在的特殊性,出口狭窄,通风不畅,这是所有海上火灾有利控制的一面;凝析油闪点低,害怕氧气渗透,容易爆炸,这是此次燃料特殊不利控制的一面。任何火灾就像人一样,需要呼吸,一方面排除燃烧产物,另一方面需要新鲜的氧气供应,海上船舶空间的密封性好,所以火灾的呼吸不畅。这个一呼一吸之间,就是控制的窗口。过于莽撞的进攻和过于保守的旁观,都是不可取的态度。那么,桑吉为何会爆燃?因为油面下降太多,以至于空气和燃气的混合物充斥着船上储油区的上部,这时候就是气体爆炸了。陆地油罐区的顶部很容易破坏,不存在较封闭的结构,所以不会发生爆燃(类似的叫做扬沸现象)。所以,空油箱不可怕,满油箱不可怕,就怕油箱半空半满,有氧气渗入最可怕。桑吉燃烧了8天,其燃料仓油面下降,有足够的氧气发生爆炸,于是爆燃发生了。




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