3.1.3　实验过程及结果分析

由于油库发生火灾爆炸时，大量油料燃烧并向外界释放大量的热，这些热量主要以热辐射、热对流的形式不断向外扩展。当火灾爆炸附近有可燃的树木、杂草等可燃物时，仅靠热辐射和热对流所传递的热量就可能引燃这些可燃物，从而引起火灾爆炸态势和扩大灾害损失。因此，在对油库火灾爆炸污染和灾害危险性进行评估的时候，不仅需要对燃烧污染物的有害气体及粉尘进行研究，还需要对燃烧过程中产生的热污染以及灾害扩散能力进行评估分析。本研究过程中，在火场周围布置了10个温度测点以及1个热辐射测点，对油料燃烧过程中的环境温度、热辐射值进行实时采集；在火盆燃烧的下风向布置了气态污染物的地面现场监测设备（包括地面和50m云梯放置的监测设备）；同时采用了四旋翼无人机从空中对火场周围的温度场进行红外拍摄，以获取火场周围热辐射、热对流的热传递数据。实验时环境温度11℃，气压为98.6kPa。

本研究主要进行了四次模拟油库火灾外场实验，其目的是探索开敞空间油料燃烧污染发展态势与特点，以及分析比较不同工况条件对污染的影响。四次实验的工况数据见表3.4。

四次实验的工况数据说明：第一次实验中4个火盆加注的柴油量比较少，燃烧时间短；第二次实验中4个火盆加注的柴油量增大，燃烧强度增大，两次检测的传感器的布点位置不变；第三次实验中4个火盆加注相同量的柴油，改变了温度传感器的测点位置，但热辐射传感器位置不变；第四次实验与第三次实验的工况条件一致，是一次重复实验，旨在分析和比较两次相同实验中燃烧过程、燃烧产物以及污染有何变化，分析污染的变化规律。

3.1.3.1　第一次实验

（1）热辐射及温度数据分析

本次实验中，主要是对模拟油库火灾现场水平方向上的温度场、定点热辐射量进行了测量，温度测点、辐射测点以及与火场的相对位置如图3.20所示。

本次实验在2个直径2.5m的大火盆各加注25L 0^⋕柴油、2个2m直径的小火盆加注16L 0^⋕柴油，最后再在4个火盆中合计加入1L汽油用以辅助点火。点火时间为11：17，风速约0.8m/s，东北风向偏东约30°，实验过程中风速、风向发生了较小变化，但总体上风速、风向稳定。

实验中，风速较小，火场火焰近似呈锥状，如图3.21所示，在水平各方向上的热传递情况较为接近。实验过程中，火焰在风的作用下发生了略微偏转，从而使1组（1～5温度测点）1测点处比2组（6～10温度测点）6测点距离火焰近了约0.5m。

实验中，各温度测点的检测数据如图3.22所示。

从图3.22中两组温度测点的数据可以看出，最接近火焰的1测点和6测点处，数据相差达到了近150℃，而其他测点温度则相差较小（2测点与7测点温度差约为10℃）。由此可见，距离火场越近，火焰周围的温度场梯度越大，距离越远，温度梯度越小，航拍的红外成像图也印证了这一点，如图3.23所示。

从图3.23可以看出，火场周围的温度场应是以火焰为中心向周围辐射，风向对火场周围近距离范围内的温度场有着非常显著的影响。随着时间推进，风向发生了变化，但是燃烧过程中风向对热辐射量的变化影响较小，如图3.24所示。

热量的传递主要有热传导、热对流、热辐射3种。本次实验中热传递方式则主要为热对流和热辐射。热辐射是指空间中的物体不断向外界发射出辐射，其传递无需任何介质，主要影响因素是热源的温度、黑度、表面积，其带来的温度场应该是均匀的、以热源为中心的辐射场。而对流传热是热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程，主要是由于质点位置的移动，使温度趋于均匀，其主要影响因素则是空气流场变化。

因此可以初步判定，热辐射是以火焰为中心向周围辐射扩散，决定了温度场的整体温度分布；而对流则决定了火焰中心位置，并使近场温度梯度升高，加强了火焰近场的温度。随着油料燃烧的不断进行，周围温度场温度的不断升高，当温度达到外界可燃物的着火点时，就会引起火灾的蔓延。

（2）模拟实验场的航空遥感监测

①可见光航空遥感影像

由图3.25中可见光航空遥感影像可知，本次油品燃烧时间持续了约4min，火势在第30s左右达到极大值，伴随着大火还有浓烟产生，燃烧过程的监测清晰、准确。因此，无人机的可见光航空遥感影像可以作为监测油库火灾发展态势的一种有效手段。

②热红外航空遥感影像

对热红外遥感影像（如图3.26所示）进行密度分割，就可得到温度场产品（如图3.27所示）。本次油品燃烧时间持续了约4min，温度场随火势变大而向周围扩散，火苗中心温度迅速上升。同样，可以从图像中看出火焰释放的烟尘也具有较高的温度。利用热红外无人机影像可以有效监测油库火灾发生时周围环境的温度场变化情况。

3.1.3.2　第二次实验

第二次实验向2个直径2.5m的大火盆各加注50L 0^⋕柴油、2个2m直径的小火盆加注16L 0^⋕柴油，最后再在4个火盆中合计加入1L汽油以作点火之用。在13：18点火，当时风速约1m/s，风向北偏东约45°，如图3.28所示。

（1）热辐射及温度数据分析

温度传感器及热辐射传感器布置与第一次实验相同，检测实验数据如图3.29、图3.30所示。

对比前两次实验所得温度和辐射结果可以看出，风向对近场的温度影响非常大，最接近火焰的温度测点处温度、温度上升速率均得到大幅增加。但是风速、风向的变化对实验火焰2m外则影响很小，温度场表现出较好的各向同性；相同测点的热辐射在两次实验中没有发生明显的变化。由于这两次实验中，风速都较小，因此风向引起的对流主要影响范围约为火场外2m。当风速增大时，这个有效影响范围可能会进一步增大。

（2）气体污染成分监测结果及分析

第二次实验于13：18点火，监测数据来自地面近火源处采样，大约监测2分多钟后，气体污染物采样系统因导气管融化堵塞，其后未能再取得烟气数据。其数据结果见表3.5。

由上述监测结果可知，实验过程中产生的主要污染物包括CO、NO、NO_x、HC、SO₂，在油库火灾不同阶段，主要产物的浓度均不相同（由于气体经采样器采样后、通过约30m导气管输送至检测仪器，因此检测时间数据滞后约28s）。在火灾初期，火场整个空间温度较低，一方面油料蒸气蒸发较快、燃烧速度相对较慢、火场周围仍能检测到油气残余；另一方面，火灾初期的燃烧不完全，产生了较高的CO。随着燃烧实验的进行，燃烧越来越充分，残余油气及生成CO都逐渐降低，整个过程中SO₂的生成较为稳定。

整个燃烧过程中，CO最高浓度达到了901μL/L，NO最高浓度为3μL/L，HC最高浓度为223μL/L，SO₂最高浓度为58μL/L，其中NO浓度与NO_x浓度一致。在后续的污染物监测中，主要监测NO浓度，H₂S因未检出或浓度极低，可以判定在油库火灾过程中不会产生此类污染。

3.1.3.3　第三次实验

本次实验向4火盆中各加注25L 0^⋕柴油，然后在4个火盆中合计加入1L汽油以作点火之用。于14：59点火，当时风速1.4～2m/s，风向北偏东约22.5°～45°。本次实验中，对温度的测点布置进行了修改，热辐射传感器测点位置不变，现场实验布置如图3.31所示。

（1）热辐射及温度数据分析

第三次实验得到各温度测点及热辐射测点实验数据如图3.32、图3.33所示。

从图3.32（a）可以看出，在水平方向上的温度分布与前两次实验相近，随着距离的增加，温度梯度逐渐降低，最接近火场的测点温度远高于其他测点，而在垂直方向上，则不是顺次递减。结合图3.31传感器布设位置，可见温度呈现出上下高、中间低的分布规律。这主要是由火焰、烟的形状决定的，如图3.33所示。

从图中可以看出，着火点处下部为燃烧明火，上部为浓烟。在测量垂直方向温度分布时，下方火焰可以无阻碍地向外辐射，相距最近的6测点所获热量较多、温度较高，而其他测点辐射所得热量较少；在中间结合部，由于存在较大烟气，火焰辐射热被浓烟吸收，使其温度升高，但烟气温度远低于火焰温度、辐射也较小，因此中间测点所得热量较小；而上方由于风向的作用，浓烟包围了10测点，此时烟气与测点之间的对流换热急剧增加，因此上方测点温度同样较高。由此，在垂直方向上，温度分布表现出上下高、中间低的分布。

在辐射方面，由于本次添加汽油量较多，油料起燃迅速，因此辐射100s左右就达到了辐射峰值，即燃烧最旺盛时间段，但整体热辐射水平与前几次实验相当，辐射对周围温度场的影响也相当，辐射数值如图3.34所示。

（2）气体污染成分检测结果及分析

第三次燃烧开始于14：59，当时环境情况为：东北风，风速<2m/s；燃烧大约持续5min，取样3min，每5s一次测样。地面近火源处气体污染成分监测结果见表3.6。

①CO浓度监测结果

由监测结果可知，CO瞬时最高浓度1290μL/L，3min取样过程中平均浓度154μL/L，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）CO一小时平均浓度限值二级标准相比较，其瞬时最高浓度超过标准值161倍，平均值超过标准值24倍（表3.7）。

②NO浓度监测结果

由监测结果（表3.8）可知，NO瞬时最高浓度5μL/L，3min取样过程中平均浓度2μL/L，因为NO在空气中会迅速转变为NO₂，可以将NO浓度视为油燃烧过程中所产生的NO₂浓度，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）NO₂一小时平均浓度限值二级标准相比较，NO₂瞬时最高浓度超过标准值51倍，平均值超过标准值20倍（表3.9）。

③SO₂浓度监测结果

由监测结果（表3.10）可知，SO₂瞬时最高浓度127μL/L，3min取样过程中平均浓度19μL/L，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）SO₂一小时平均浓度限值二级标准相比较，其瞬时最高浓度超过标准值725倍，平均值超过标准值108倍（表3.11）。

④HC浓度监测结果

由监测结果（表3.12）可知，HC在油盆点燃后1min20s达到瞬时最高浓度2298μL/L，3min取样过程中平均浓度145μL/L，油燃烧过程中其产生的挥发性有机化合物对周边大气环境具有一定程度的污染。

3.1.3.4　第四次实验

本次实验往4火盆各加注25L 0^⋕柴油，最后再在4个火盆中合计加入1L汽油以作点火之用。于15：52点火，当时风速为1.4～1.6m/s，风向北偏东0～30°。温度传感器及热辐射传感器布置同第三次实验。

（1）热辐射及温度数据分析

本次实验得到10个传感器温度数据如图3.35所示。

从图中可以看出，水平方向与垂直方向温度的分布与前次实验相近，在垂直方面均表现出上下高、中间低的分布，在水平方向上温度梯度呈现逐渐降低的分布。热辐射量的变化也较为接近，但峰值略低，如图3.36所示。

（2）气体污染成分检测结果及分析

第四次燃烧开始于15：52，当时环境情况为：东北风，风速<1.6m/s；燃烧持续约5min，取样3min，每5s一次测样。

①CO浓度监测结果

由监测结果（表3.13）可知，CO瞬时最高浓度744μL/L，3min取样过程中平均浓度154μL/L，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）CO一小时平均浓度限值二级标准相比，其瞬时最高浓度超过标准值93倍，平均值超过标准值19倍（表3.14）。

第二次实验因为气体采样意外中断，数据无法取用，所以将第三次与第四次实验的CO浓度监测结果相比较（见图3.37）。在火盆点火后CO浓度逐渐上升，其中第三次实验中CO在燃烧开始后1min30s左右达到排放峰值，第四次实验中CO在燃烧开始后2min左右达到排放峰值，随后开始随火势减弱而下降，两次实验油量燃烧的油量一样，CO产生规律基本一致；或因风向变化导致气体采样的不同，在第四实验中CO的峰值只有第三次实验时的1/2。

②NO浓度监测结果

由监测结果（表3.15）可知，NO瞬时最高浓度7μL/L，3min取样过程中平均浓度2μL/L，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）NO₂一小时平均浓度限值二级标准相比较，NO₂瞬时最高浓度超过标准值72倍，平均值超过标准值20倍（表3.16）。

将第三次与第四次实验结果相比较（图3.38），两次实验均在火盆点火30s后开始有NO检出，并在燃烧开始大约1min30s后达到排放峰值，随后随着火势减弱开始下降，说明在燃烧过程中NO具有其规律性。

③SO₂浓度监测结果

由监测结果（表3.17）可知，SO₂瞬时最高浓度8μL/L，3min取样过程中平均浓度3μL/L，通过与《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）SO₂一小时平均浓度限值二级标准相比较，其瞬时最高浓度超过标准值46倍，平均值超过标准值17倍（表3.18）。

将第三次与第四次实验结果相比较（图3.39），第三次实验中，SO₂在火盆点火后不久开始检出，并在大约1min20s后达到排放峰值，超过120μL/L，随后迅速下降；而在第四次实验中，SO₂的浓度虽有起伏，但基本稳定在8μL/L以下。

④HC浓度监测结果

由监测结果（表3.19）可知，HC在火盆点燃后1min45s达到瞬时最高浓度440μL/L，3min取样过程中平均浓度66μL/L，油燃烧过程中其产生的挥发性有机化合物对周边大气环境具有一定程度的污染。

将第三次与第四次实验结果相比（图3.40），第三次实验中，HC在火盆点火后不久开始检出，并在大约1min20s达到排放峰值，超过2200μL/L，随后迅速下降；而在第四次实验中，HC的浓度的上升较曲线较为平缓，在燃烧1min45s达到排放峰值440μL/L。

⑤高空监测结果

在第二次和第三次实验中，因为消防车处于上风向，仪器采样头未进入烟气区，没有得到监测结果。在第四次实验中，将消防车调整到下风向位置，距离火盆上方约30m处，仪器采样头进入烟气区，顺利采集到样品。其中CO最大值为5.5μL/L，NO_x和SO₂基本上未检出。在空中通过消防云梯采样得到的烟气样品中，SO₂浓度和CO瞬时最大浓度均符合《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）一小时平均浓度限值二级标准，在火焰上方污染物影响不明显，见表3.20。

因监测高度较高，在开放条件下污染物的扩散与稀释非常迅速，同时本实验燃烧的油品为成品油，其中所含杂质较少，因此距火源较远处污染物的浓度较低。但在油库中，除了成品油之外还有大量附油，附油大都以重油为主，杂质较多，其在火灾过程中所产生污染物种类、数量及其污染效应留待下一步实验研究分析。