關于液氮滅火的普及前景分析

楊涵博

（鶴壁市消防救援支隊，河南 鶴壁 458000）

1 背景

2021 年8 月27 日下午四點，大連市金浦新區凱旋國際大廈發生火災。接警后，消防人員迅速出動，展開滅火救援工作。截至當日晚上十一點，大樓內火勢已被撲滅，無人員傷亡。火與水無情，雖沒有造成人員傷亡，但火災造成的損失是巨大的。水作為最常用、最便宜的滅火劑，滅火歷史悠久，在火場中主要依靠其冷卻和窒息作用來滅火。根據美國農業部研究報告提供的數據，滅火過程中的水利用率很低，實際水量小于10%[1]，且用水來滅火會使貴重物品或是電器受到損壞，所以有些部位不能用水去滅火，滅火過程也會造成水漬損失。滅火過程中在保證人員安全的情況下，要極大地確保財產損失最小化。為了更好地減少人員傷亡、降低財產損失，在現如今新時代的條件下，新型滅火劑的推出和使用就顯得極為重要，并且滅火工作也更應順應時代發展，對于火災問題的改善可以不再局限于傳統滅火手段而是基于新型滅火劑來實行滅火。作為一種新型滅火劑，研究和利用液氮滅火，研制配套的實戰裝備具有重要意義。

2 液氮的性質

液氮是指液態的氮氣，是一種惰性、無色、無腐蝕性、不易燃、溫度極低的液體。氮氣占大氣的大部分（78.03%（體積），75.5%（重量））。氮是不活潑的，不支持燃燒；當氮氣變成液態時，它就變成了低溫液體。低溫液體是一種沸點通常低于-238°F（-150℃）的液化氣體。液氮的沸點是-320.5°F（-195.8℃），液氮的其他基本性質見表1 所示。

表1 液氮的基本性質

由于液氮沸點很低，極易汽化。在標準壓力下汽化至273K（0℃）時其體積將膨脹643 倍[2]，若按汽化至+25℃時粗略計算，則體積將膨脹約700 倍，即每立方米液氮可形成700 立方米氣態氮，按重量計則是每公斤液氮可汽化成0.87 立方米氣氮。液氮汽化時要吸收大量熱量，每公斤液氮汽化至+5℃氣態氮時，可吸收96 大卡熱量，相當于每公斤冰由-20℃熔化為+5℃的水所吸收的熱量，故它是一種優良的制冷劑。

3 液氮滅火原理

可燃物質、助燃物質和點火源這三個要素是物質燃燒需要同時具備的。液氮可以將可燃物的溫度降低到燃點以下，是一種極低溫的液體，其汽化會吸收空氣中的熱量。液氮可以有效滅火還有一個原因就是其有排氧性，可以有助隔絕氧氣或者空氣，減少燃燒物和氧氣的接觸，液氮的汽化過程從-195.8℃開始。燃燒材料的溫度會因為大量的熱能傳遞給液氮完成汽化過程迅速降低。火場中，輸入一定比例適當的液氮，可將火場內的氧氣濃度降低到可燃物不能燃燒的條件以下，燃燒會因為液氮的吸收而溫度降低，進而達到滅火的目的，一些研究已將液氮列入滅火行列。滅火時，通常采用窒息法、隔離法、冷卻法和化學抑制法，在一場特定的火災撲救中，往往同時并用兩種或兩種以上的方法。[3]使用液氮滅火可以抑制火區可燃氣體的爆炸，提高滅火過程的安全性；不僅滅火速度快，而且恢復火區工作量小，設備無腐蝕性，不損壞生產設備。

4 液氮滅火器

目前市場上存在的較為成熟的液氮滅火裝置設施包括移動式液氮滅火裝置和固定式液氮滅火設施，攜帶式液氮滅火設施卻很少，具體分析如下：（1）移動式液氮滅火裝置目前使用不銹鋼和白鋼管兩種類型的軟管輸送液氮。部分軟管存放在兩側的卷軸中，一端接儲罐，另一端接帶開關的槍頭。增壓部分由低溫液體泵和裝有儲罐的蒸發器完成。泵出口射程可達16m～18m，壓力為0.65Mpa左右，射程可達16m～18m。（2）對于固定式液氮滅火設施，國外一些廠家也在努力開發這個項目。2000 年5 月日本川州防災工業株式會社開發出最大容量（83L）、最高壓力（30MPa）的超高壓KHN-III 型氮氣滅火設備。其缺點是儲存氣態需要較大的安裝空間，氮氣液化后，可以減少儲存空間，但其儲存必須使用專用的低溫儲罐，與管網連接后，可形成固定式全浸沒式氣體滅火系統（YDG 系統），鹵化1301 和1211 固定式滅火系統可以被有效替換。[4]（3）攜帶式液氮滅火設施。液氮滅火器是由普通滅火器和液氮保護措施構成。液氮可從噴淋管注入儲液罐。使用手段與常規滅火器也類似，其噴管的噴頭對準火焰根部噴出的氮氣在空氣中汽化[5]。汽化使燃燒物體周圍的溫度極具降低，使空氣中的水分子冷凝成水滴、水珠，但成本太高，不利于普及。消防員的個人防護非常重要，因為液氮在常壓下存在于-195.8℃，雖然這在設備的制造過程中已有所考慮，但是安全防范使用要重視到位。由于利用液氮滅火會降低空氣中的氧氣，考慮安全因素，液氮滅火器噴嘴口要設置高壓，同時，壓力升高、溫度升高，會使滅火劑泄漏，增加了氮氣滅火系統的成本，影響了氮氣滅火系統的應用。雖然攜帶式液氮滅火設施還不是很成熟，但加以改進，其未來前景令人期待。

5 液氮滅火的實用意義

隨著科學技術的發展，更多的新型材料產出，給予了液氮成為未來滅火器第一選擇的極大機會，也使得液氮滅火越來越普及化。利用氮氣滅火，可以在滅火的同時救人。首先，液氮滅火的效果要遠遠好于水。其次，若進行火場內救援工作，也能極好地保護自身安全，從而更有效地將火場被困人員救出。依靠水來滅火是達不到這一點的，設備、貴重物品、衣物等也會因為用水來滅火造成損壞，影響生態環境[6]。在室內使用液氮滅火時無需切斷電源，不會有砂漿、污水等“副產品”流入著火房屋附近的房屋。也是因為以上原因，液氮滅火前景可觀。對于撲滅A、B、C、D 類火災，利用液氮滅火也有很好的效果。液氮價格便宜，來源也十分廣泛，因此對其加以改進，可以有效撲滅火災。

6 液氮滅火裝置的滅火性能試驗

結合液氮滅火器的基本情況，為了實現對液氮滅火器性能的分析，需要對液氮滅火器的滅火性能進行研究，確保實際工作中能夠做好滅火的合理控制，使得液氮滅火器能夠合理地應對火災，提高環境的安全系數。針對液氮滅火器，需要選擇適宜的實驗方式，這樣才能滿足相關實驗結果的獲取效果，滿足實際工作的需求，更好地保證液氮滅火的效果。具體試驗中結合A 類火災、B 類火災、深位火災的基本情況，對液氮滅火器的滅火性能進行分析。詳細的內容分析如下。

6.1 A 類火災

所要建立的模型為木條應經過的干燥處理，并對其進行烘干處理，另外，木垛邊緣的木條需要經過合理的固定，并選擇鋼釘進行固定，促使其可以滿足實際工作的需求，更好地推動液氮滅火器的服務能力。至于木條的尺寸可以選擇100mm×150mm×2400mm，并選擇4 根，還有100mm×100mm×1200mm 的26 根，且配置50mm×100mm×1200mm，共計配置56 根，外形尺寸A 按照GB135-85 第5.22.1.5 條的2 倍，從而滿足實驗的基本需求。另外，金屬支架為50mm×50mm 且尺寸為5000mm×1500mm×300mm，使用300mm×200mm兩根工字鋼搭設而成。引燃油盤選擇0.75 鐵板，并且控制為4800mm×1200mm×200mm，實際使用0.75 鐵板，將尺寸控制為1200mm×1200mm×150mm，從而滿足實際工作的需求，促使實際的工作中能夠使得實驗模型的功能和作用得以發揮，滿足液氮滅火器的工作需求。工作期間，實驗可以在室內或室外開展，同時，需要注意對通風條件進行控制，因為通風條件并不會給木垛的自由燃燒效果帶來影響，從而保證實驗的順利開展。通風口設置4 個，且都能滿足通風的基本條件。另外，試驗進行中，先引燃油盤，倒入300mm 厚度的清水，并且注意對5mm 厚度汽油的使用。然后，對清水厚度100mm 的汽油厚度進行合理的測試，再對油盤進行點燃，再將油抽出，之后對油盤后末抽出的油盤進行分析，再將木垛預燃，時間為6min，并利用秒表，進行6min 后的滅火記錄。然后，再開展滅火工作，滅火期間，記錄滅火的時間為90s，在火焰熄滅后，觀察是否出現復燃情況，且在3min 內沒有復燃的情況，滅火用藥的計量為壓力在0.8MPa，出液口的流量是4L/s，且每升重為0.8kg。所以根據試驗情況發現，Q=qv，且t=3×90=270L，并且M=Q，ρ=270×0.8=216kg。

6.2 B 類火災的滅火實驗

結合實際情況對B 類火災的滅火實驗進行研究，確保實際工作中能夠實現液氮滅火器B 類火災的應對方式，實現對火災的合理控制。實驗模型中，選擇圓形鐵板制造而成，油盤則是由土圍成的圓形，進而滿足試驗的順利進行。另外，盤深需要控制在350mm，直徑控制為8m，面積則為50m2，池深為350mm，直徑為8m，面積為50m2。另外，燃油使用70#油氣或其他可燃油，水的厚度在65mm～100mm，油厚為35mm，并使用0#柴油、90#汽油，實現混合，并將油的厚度控制為35mm，水的厚度控制為80mm，從而滿足試驗的進行條件，實驗環境選擇風速＜3m/s 的場地、然后點燃汽油，預燃60s，點燃后計時60s，預燃結束后，立即滅火，且在60s 后，實現烈火，滅火時間t=18s，火焰熄滅或1min 內不復燃。出液的壓力控制為0.8MPa，流量4L/s，另外，計算工作中，Q=qv，其中t=4×18=72L，而M=Q，ρ=72×0.8=57kg。

按照上述實驗，就能實現對B 類火災的液氮滅火效果研究，經過分析后，確保液氮能夠在B 類火災中發揮相應的功能和作用。

6.3 深位火災的滅火實驗

結合火災的基本情況，對深位火災的滅火實驗進行研究，實際工作中，實驗環境為室內室外均可，且通風條件需要不影響棉花包的自由燃燒。另外，出液時，需要注意對壓力進行控制，壓力控制在0.6MPa，且流量控制為3L/s。

按照上述實驗分別能實現對A 類火災、B 類火災和深位火災的滅火實驗。經過實驗分析后可以發現，液氮對A 類火災的滅火是成功。液氮對B 類火災的滅火的優勢相對明顯，滅火效率相對較高。而在深位火災中，液氮對其進行撲救依然可行。

7 液氮滅火技術在消防中的應用前景

本文從以下四個方面來分析液氮滅火技術在消防中的應用前景：（1）可發展性。液氮滅火技術在消防滅火應用上有望成為新的主流形式。但階段技術目前處于起步階段、上升的階段。液氮滅火技術普遍實施仍然處于初始階段，是一種行業的探索性實驗。如果該技術取得突破性進展，人力資源、器械之類的消耗將會大幅度減少。（2）無污染性。利用液氮滅火后無污染，無水損；對臭氧的耗損潛能值(ODP)為零；在保證高效滅火的前提下做到了無污染。（3）高效性。液氮冷卻具有冷卻速度快、效果顯著、安全可靠、操作簡單等優點。其具有防火降溫的效果，可以有更多時間救出被困人員。（4）保留率高。氮氣不會在滅火過程中分解，不會產生分解產物，滅火后不會留下痕跡，不會造成物體損壞，使用過程中也不會損壞設備。[7]

8 結語

新時代賦予消防工作以新的使命。消防隊伍的滅火手段應當與時俱進，消防領域要充分運用新時代的先進手段，不斷完善，擴大利用液氮滅火領域，使液氮滅火進一步被普及。通過用液氮在不同環境，不同建筑設施的滅火試驗，為我們在液氮滅火應用技術上取得重要技術參數，進一步提高認識。使用液氮滅火，方法簡單，安全可靠，滅火速度快，是一項先進的滅火技術。然而，火災狀況往往是極復雜的，因此我們還必須再通過多次滅火的實踐，進一步取得各項參數和使用經驗，才能使液氮滅火技術成為我國防滅火的主要手段之一。氮氣防滅火技術是自國外采礦業使用繼而在其他領域逐漸推廣應用的一項新技術，通過現代技術運用到各個場地，才能充分發揮液氮滅火的作用，由于其高效、安全、可靠、低成本，使其發展十分迅速，未來也有望成為一種普遍的滅火手段。需要指出的是，任何新技術都不是萬能的，新技術僅僅是給人們提供了一種手段，具體措施還要靠人去落實、實施。相信這一新技術在國內也將得到廣泛使用。[8]