沸溢式和喷溅式燃烧原则

可燃性液体的蒸气与空气在液面上边混合边燃烧，燃烧放出的热量向液体内部传播。由于液体特性不同，热量在液体中的传播具有不同特点，在一定条件下，热量在原油或重质油品中的传播会形成热波，并引起原油或重质油品的沸溢和喷溅，使火灾变得更加猛烈。现以原油为例进行讨论。

（一）基本概念

（1）初沸点。原油中密度最小的烃类沸腾时的温度，也是原油中最低的沸点。

（2）终沸点。原油中密度最大的烃类沸腾时的温度，也是原油中最高的沸点。

（3）沸程。不同密度不同沸点的所有馏分转变为蒸气的最低和最高沸点的温度范围。单组分液体只有沸点而无沸程。

（4）轻组分。原油中密度小、沸点低的很少一部分烃类组分。

（5）重组分。原油中密度大、沸点高的很少一部分烃类组分。

（二）单组分液体燃烧时热量在液层的传播特点

单组分液体（如甲醇、丙酮、苯等）和沸程较窄的混合液体（如煤油、汽油等），在自由表面燃烧时，很短时间内就形成稳定燃烧，且燃烧速度基本不变。燃烧时火焰的热量通过辐射传入液体表面，然后通过导热向液面以下传递，由于受热液体密度减小而向上运动，所以热量只能传入很浅的液层内。图7-2所示为几种液体燃烧时液层中的温度分布情况。

图7-2 单组分液体中的温度分布

从图7-2中可以看出各种不同液体其温度分布的厚度是不相同的，即热量由液面向液体内部渗入的深度是不相同的。煤油温度分布厚约50mm；汽油较薄，约30mm；石油醚更薄，约25mm。

单组分液体物质燃烧具有以下几种特点：

（1）液面温度接近但稍低于液体的沸点。液体燃烧时，火焰传给液面的热量使液面温度升高。达到沸点时，液面的温度则不再升高。液体在敞开空间燃烧时，蒸发在非平衡状态下进行，且液面要不断向液体内部传热，所以液面温度不可能达到沸点，而是稍低于沸点。

（2）液面加热层很薄。单组分油品和沸程很窄的混合油品，在池状稳定燃烧时，热量只传播到较浅的油层中，即液面加热层很薄。这与通常人们认为的“液面加热层随时间不断加厚”是不符合的。

液体稳定燃烧时，液体蒸发速度是一定的，火焰的形状和热释放速率是一定的，因此，火焰传递给液面的热量也是一定的。这部分热量一方面用于蒸发液体；另一方面向下加热液体层。如果加热厚度越来越少，而用于蒸发液体的热量越来越多，从而火焰燃烧加剧。显然，这与液体稳定燃烧的是不符合的。因此，液体在稳定燃烧时，液面下的温度分布是一定的。

（三）原油燃烧时热在液层的传播特点

沸程较宽的混合液体主要是一些重质油品，如原油、渣油、蜡油、沥青、润滑油等，由于没有固定的沸点，在燃烧过程中，火焰向液面传递的热量首先使低沸点组分蒸发并进入燃烧区燃烧，而沸点较高的重质部分则携带在表面接受的热量向液体深层沉降，形成一个热的峰面向液体深层传播，逐渐深入并加热冷的液层，最后形成一个温度较高的界面，此界面称为热波。液体能形成热波的特性叫热波特性。

热波的初始温度等于液面的温度，等于该时刻原油中最轻组分的沸点。随着原油的连续燃烧，液面蒸发组分的沸点越来越高，热波的温度会由150℃逐渐上升到315℃，比水的沸点高得多。热波在液层中向下移动的速度称为热波传播速度，它比液体的直线燃烧速度（即液面下降速度）快，它们的比较见表7-2。在已知某种油品的热波传播速度后，就可以根据燃烧时间估算液体内部高温层的厚度，进而判断含水的重质油品发生沸溢和喷溅。因此，热波传播速度是扑救重质油品火灾时要用到的重要参数。

表7-2 热波传播速度与直线燃烧速度的比较 （单位：mm/min）

（四）沸溢和喷溅

含有水分、黏度较大的重质石油产品，如原油、重油、沥青油等，发生燃烧时，有可能产生沸溢和喷溅现象。

1.沸溢式燃烧

原油黏度比较大，且都含有一定的水分，例如，大庆原油含水量6.6%，脱水后还含有0.5%的水分，恩氏黏度（50℃时）为3.41°E。在原油中的水一般以乳化水和水垫两种形式存在。所谓乳化水是原油在开采运输过程中，原油中的水由于强力搅拌成细小的水珠悬浮于油中而形成的。放置久后，油水分离，水因密度大而沉降在底部形成水垫。

在热波向液体深层运动中，由于热波温度远高于水的沸点，因而热波会使油品中的乳化水汽化，大量的蒸气就要穿过油层向液面逸出，在向上移动过程中形成油包气的气泡，即油的一部分形成了含有大量蒸气气泡的泡沫。这样，必然使液体体积膨胀，向外溢出，同时部分未形成泡沫的油品也会被下面的蒸气膨胀力抛出罐外，使液面猛烈沸腾起来，就像“跑锅”一样。这种现象叫沸溢。

从沸溢形成的过程说明，沸溢式燃烧必须具备3个条件：

（1）原油具有热波的特性。(www.xing528.com)

（2）原油中必须含有乳化水。

（3）原油黏度较大。如果原油黏度较低，水蒸气很容易通过油层，就不容易形成沸溢。

2.喷溅式燃烧

喷溅式燃烧，是指储罐中含水垫层的原油、重油、沥青等石油产品随着燃烧的进行，热波的温度逐渐升高，热波向下传递的距离也越远，当到达水垫时，水垫的水大量蒸发，蒸气体积迅速膨胀，以至把水垫上面的液体层抛向空中燃烧，这种现象叫喷溅式燃烧。

从喷溅形成的过程来看，喷溅式燃烧必须具备3个条件：

（1）原油具有形成热波的特性。

（2）油罐底部有水垫层。

（3）热波头温度高于水的沸点，并与水垫层接触。

一般情况下，发生沸溢要比喷溅的时间早得多。发生沸溢的时间与原油种类，水分含量有关。根据实验，含有1%水分的石油，经45～60min燃烧就会发生沸溢。喷溅发生时间与油层厚度，热波移动速度及油的燃烧线速度有关，可近似用下式计算

式中 t——预计发生喷溅的时间（h）；

H——储罐中油面高度（m）；

h——储罐中水垫层的高度（m）；

v₀——原油燃烧线速度（m/h）；

v_t——原油的热波传播速度（m/h）；

K——提前系数（m/h），储油温度低于燃点取0，温度高于燃点取0.1。

3.沸溢和喷溅燃烧的征兆

原油、重油储罐发生火灾以后，如液面高度小于1.5m大约1h左右，即可发生沸溢和喷溅。油罐火灾在出现沸溢、喷溅前具有如下现象：通常会出现油面蠕动、涌涨现象；火焰增大，发亮、变白；出现油沫2～4次；烟色由浓变淡；发生剧烈的“嘶！嘶！”声；金属油罐会发生罐壁颤抖，伴有强烈的噪声（液面剧烈沸腾和金属罐壁变形所引起的），烟雾减少，火焰更加发亮，火舌尺寸更大，火舌形似火箭。

当油罐火灾发生喷溅时，能把燃油抛出70～120m，不仅使火灾猛烈发展，而且严重危及扑救人员的生命安全，应及时组织撤退，以减少人员伤亡。

【思考与练习题】

1.液体的燃烧形式有哪些？

2.单组分液体物质燃烧时热量传播的特点有哪些？

3.什么叫做热波？

4.分别说明沸溢和喷溅的形成过程，并说明它们有什么相同点和不同之处。

5.沸溢和喷溅的形成条件有哪些？分析说明能形成热波的重质油品在火灾燃烧时是否一定能形成沸溢或喷溅。

6.沸溢和喷溅发生前的征兆有哪些？如何预防沸溢和喷溅？