3.1.3　實驗過程及結果分析

由于油庫發生火災爆炸時，大量油料燃燒并向外界釋放大量的熱，這些熱量主要以熱輻射、熱對流的形式不斷向外擴展。當火災爆炸附近有可燃的樹木、雜草等可燃物時，僅靠熱輻射和熱對流所傳遞的熱量就可能引燃這些可燃物，從而引起火災爆炸態勢和擴大災害損失。因此，在對油庫火災爆炸污染和災害危險性進行評估的時候，不僅需要對燃燒污染物的有害氣體及粉塵進行研究，還需要對燃燒過程中產生的熱污染以及災害擴散能力進行評估分析。本研究過程中，在火場周圍布置了10個溫度測點以及1個熱輻射測點，對油料燃燒過程中的環境溫度、熱輻射值進行實時采集；在火盆燃燒的下風向布置了氣態污染物的地面現場監測設備（包括地面和50m云梯放置的監測設備）；同時采用了四旋翼無人機從空中對火場周圍的溫度場進行紅外拍攝，以獲取火場周圍熱輻射、熱對流的熱傳遞數據。實驗時環境溫度11℃，氣壓為98.6kPa。

本研究主要進行了四次模擬油庫火災外場實驗，其目的是探索開敞空間油料燃燒污染發展態勢與特點，以及分析比較不同工況條件對污染的影響。四次實驗的工況數據見表3.4。

四次實驗的工況數據說明：第一次實驗中4個火盆加注的柴油量比較少，燃燒時間短；第二次實驗中4個火盆加注的柴油量增大，燃燒強度增大，兩次檢測的傳感器的布點位置不變；第三次實驗中4個火盆加注相同量的柴油，改變了溫度傳感器的測點位置，但熱輻射傳感器位置不變；第四次實驗與第三次實驗的工況條件一致，是一次重復實驗，旨在分析和比較兩次相同實驗中燃燒過程、燃燒產物以及污染有何變化，分析污染的變化規律。

3.1.3.1　第一次實驗

（1）熱輻射及溫度數據分析

本次實驗中，主要是對模擬油庫火災現場水平方向上的溫度場、定點熱輻射量進行了測量，溫度測點、輻射測點以及與火場的相對位置如圖3.20所示。

本次實驗在2個直徑2.5m的大火盆各加注25L 0^?柴油、2個2m直徑的小火盆加注16L 0^?柴油，最后再在4個火盆中合計加入1L汽油用以輔助點火。點火時間為11：17，風速約0.8m/s，東北風向偏東約30°，實驗過程中風速、風向發生了較小變化，但總體上風速、風向穩定。

實驗中，風速較小，火場火焰近似呈錐狀，如圖3.21所示，在水平各方向上的熱傳遞情況較為接近。實驗過程中，火焰在風的作用下發生了略微偏轉，從而使1組（1～5溫度測點）1測點處比2組（6～10溫度測點）6測點距離火焰近了約0.5m。

實驗中，各溫度測點的檢測數據如圖3.22所示。

從圖3.22中兩組溫度測點的數據可以看出，最接近火焰的1測點和6測點處，數據相差達到了近150℃，而其他測點溫度則相差較小（2測點與7測點溫度差約為10℃）。由此可見，距離火場越近，火焰周圍的溫度場梯度越大，距離越遠，溫度梯度越小，航拍的紅外成像圖也印證了這一點，如圖3.23所示。

從圖3.23可以看出，火場周圍的溫度場應是以火焰為中心向周圍輻射，風向對火場周圍近距離范圍內的溫度場有著非常顯著的影響。隨著時間推進，風向發生了變化，但是燃燒過程中風向對熱輻射量的變化影響較小，如圖3.24所示。

熱量的傳遞主要有熱傳導、熱對流、熱輻射3種。本次實驗中熱傳遞方式則主要為熱對流和熱輻射。熱輻射是指空間中的物體不斷向外界發射出輻射，其傳遞無需任何介質，主要影響因素是熱源的溫度、黑度、表面積，其帶來的溫度場應該是均勻的、以熱源為中心的輻射場。而對流傳熱是熱能在液體或氣體中從一處傳遞到另一處的過程，主要是由于質點位置的移動，使溫度趨于均勻，其主要影響因素則是空氣流場變化。

因此可以初步判定，熱輻射是以火焰為中心向周圍輻射擴散，決定了溫度場的整體溫度分布；而對流則決定了火焰中心位置，并使近場溫度梯度升高，加強了火焰近場的溫度。隨著油料燃燒的不斷進行，周圍溫度場溫度的不斷升高，當溫度達到外界可燃物的著火點時，就會引起火災的蔓延。

（2）模擬實驗場的航空遙感監測

①可見光航空遙感影像

由圖3.25中可見光航空遙感影像可知，本次油品燃燒時間持續了約4min，火勢在第30s左右達到極大值，伴隨著大火還有濃煙產生，燃燒過程的監測清晰、準確。因此，無人機的可見光航空遙感影像可以作為監測油庫火災發展態勢的一種有效手段。

②熱紅外航空遙感影像

對熱紅外遙感影像（如圖3.26所示）進行密度分割，就可得到溫度場產品（如圖3.27所示）。本次油品燃燒時間持續了約4min，溫度場隨火勢變大而向周圍擴散，火苗中心溫度迅速上升。同樣，可以從圖像中看出火焰釋放的煙塵也具有較高的溫度。利用熱紅外無人機影像可以有效監測油庫火災發生時周圍環境的溫度場變化情況。

3.1.3.2　第二次實驗

第二次實驗向2個直徑2.5m的大火盆各加注50L 0^?柴油、2個2m直徑的小火盆加注16L 0^?柴油，最后再在4個火盆中合計加入1L汽油以作點火之用。在13：18點火，當時風速約1m/s，風向北偏東約45°，如圖3.28所示。

（1）熱輻射及溫度數據分析

溫度傳感器及熱輻射傳感器布置與第一次實驗相同，檢測實驗數據如圖3.29、圖3.30所示。

對比前兩次實驗所得溫度和輻射結果可以看出，風向對近場的溫度影響非常大，最接近火焰的溫度測點處溫度、溫度上升速率均得到大幅增加。但是風速、風向的變化對實驗火焰2m外則影響很小，溫度場表現出較好的各向同性；相同測點的熱輻射在兩次實驗中沒有發生明顯的變化。由于這兩次實驗中，風速都較小，因此風向引起的對流主要影響范圍約為火場外2m。當風速增大時，這個有效影響范圍可能會進一步增大。

（2）氣體污染成分監測結果及分析

第二次實驗于13：18點火，監測數據來自地面近火源處采樣，大約監測2分多鐘后，氣體污染物采樣系統因導氣管融化堵塞，其后未能再取得煙氣數據。其數據結果見表3.5。

由上述監測結果可知，實驗過程中產生的主要污染物包括CO、NO、NO_x、HC、SO₂，在油庫火災不同階段，主要產物的濃度均不相同（由于氣體經采樣器采樣后、通過約30m導氣管輸送至檢測儀器，因此檢測時間數據滯后約28s）。在火災初期，火場整個空間溫度較低，一方面油料蒸氣蒸發較快、燃燒速度相對較慢、火場周圍仍能檢測到油氣殘余；另一方面，火災初期的燃燒不完全，產生了較高的CO。隨著燃燒實驗的進行，燃燒越來越充分，殘余油氣及生成CO都逐漸降低，整個過程中SO₂的生成較為穩定。

整個燃燒過程中，CO最高濃度達到了901μL/L，NO最高濃度為3μL/L，HC最高濃度為223μL/L，SO₂最高濃度為58μL/L，其中NO濃度與NO_x濃度一致。在后續的污染物監測中，主要監測NO濃度，H₂S因未檢出或濃度極低，可以判定在油庫火災過程中不會產生此類污染。

3.1.3.3　第三次實驗

本次實驗向4火盆中各加注25L 0^?柴油，然后在4個火盆中合計加入1L汽油以作點火之用。于14：59點火，當時風速1.4～2m/s，風向北偏東約22.5°～45°。本次實驗中，對溫度的測點布置進行了修改，熱輻射傳感器測點位置不變，現場實驗布置如圖3.31所示。

（1）熱輻射及溫度數據分析

第三次實驗得到各溫度測點及熱輻射測點實驗數據如圖3.32、圖3.33所示。

從圖3.32（a）可以看出，在水平方向上的溫度分布與前兩次實驗相近，隨著距離的增加，溫度梯度逐漸降低，最接近火場的測點溫度遠高于其他測點，而在垂直方向上，則不是順次遞減。結合圖3.31傳感器布設位置，可見溫度呈現出上下高、中間低的分布規律。這主要是由火焰、煙的形狀決定的，如圖3.33所示。

從圖中可以看出，著火點處下部為燃燒明火，上部為濃煙。在測量垂直方向溫度分布時，下方火焰可以無阻礙地向外輻射，相距最近的6測點所獲熱量較多、溫度較高，而其他測點輻射所得熱量較少；在中間結合部，由于存在較大煙氣，火焰輻射熱被濃煙吸收，使其溫度升高，但煙氣溫度遠低于火焰溫度、輻射也較小，因此中間測點所得熱量較小；而上方由于風向的作用，濃煙包圍了10測點，此時煙氣與測點之間的對流換熱急劇增加，因此上方測點溫度同樣較高。由此，在垂直方向上，溫度分布表現出上下高、中間低的分布。

在輻射方面，由于本次添加汽油量較多，油料起燃迅速，因此輻射100s左右就達到了輻射峰值，即燃燒最旺盛時間段，但整體熱輻射水平與前幾次實驗相當，輻射對周圍溫度場的影響也相當，輻射數值如圖3.34所示。

（2）氣體污染成分檢測結果及分析

第三次燃燒開始于14：59，當時環境情況為：東北風，風速<2m/s；燃燒大約持續5min，取樣3min，每5s一次測樣。地面近火源處氣體污染成分監測結果見表3.6。

①CO濃度監測結果

由監測結果可知，CO瞬時最高濃度1290μL/L，3min取樣過程中平均濃度154μL/L，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）CO一小時平均濃度限值二級標準相比較，其瞬時最高濃度超過標準值161倍，平均值超過標準值24倍（表3.7）。

②NO濃度監測結果

由監測結果（表3.8）可知，NO瞬時最高濃度5μL/L，3min取樣過程中平均濃度2μL/L，因為NO在空氣中會迅速轉變為NO₂，可以將NO濃度視為油燃燒過程中所產生的NO₂濃度，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）NO₂一小時平均濃度限值二級標準相比較，NO₂瞬時最高濃度超過標準值51倍，平均值超過標準值20倍（表3.9）。

③SO₂濃度監測結果

由監測結果（表3.10）可知，SO₂瞬時最高濃度127μL/L，3min取樣過程中平均濃度19μL/L，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）SO₂一小時平均濃度限值二級標準相比較，其瞬時最高濃度超過標準值725倍，平均值超過標準值108倍（表3.11）。

④HC濃度監測結果

由監測結果（表3.12）可知，HC在油盆點燃后1min20s達到瞬時最高濃度2298μL/L，3min取樣過程中平均濃度145μL/L，油燃燒過程中其產生的揮發性有機化合物對周邊大氣環境具有一定程度的污染。

3.1.3.4　第四次實驗

本次實驗往4火盆各加注25L 0^?柴油，最后再在4個火盆中合計加入1L汽油以作點火之用。于15：52點火，當時風速為1.4～1.6m/s，風向北偏東0～30°。溫度傳感器及熱輻射傳感器布置同第三次實驗。

（1）熱輻射及溫度數據分析

本次實驗得到10個傳感器溫度數據如圖3.35所示。

從圖中可以看出，水平方向與垂直方向溫度的分布與前次實驗相近，在垂直方面均表現出上下高、中間低的分布，在水平方向上溫度梯度呈現逐漸降低的分布。熱輻射量的變化也較為接近，但峰值略低，如圖3.36所示。

（2）氣體污染成分檢測結果及分析

第四次燃燒開始于15：52，當時環境情況為：東北風，風速<1.6m/s；燃燒持續約5min，取樣3min，每5s一次測樣。

①CO濃度監測結果

由監測結果（表3.13）可知，CO瞬時最高濃度744μL/L，3min取樣過程中平均濃度154μL/L，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）CO一小時平均濃度限值二級標準相比，其瞬時最高濃度超過標準值93倍，平均值超過標準值19倍（表3.14）。

第二次實驗因為氣體采樣意外中斷，數據無法取用，所以將第三次與第四次實驗的CO濃度監測結果相比較（見圖3.37）。在火盆點火后CO濃度逐漸上升，其中第三次實驗中CO在燃燒開始后1min30s左右達到排放峰值，第四次實驗中CO在燃燒開始后2min左右達到排放峰值，隨后開始隨火勢減弱而下降，兩次實驗油量燃燒的油量一樣，CO產生規律基本一致；或因風向變化導致氣體采樣的不同，在第四實驗中CO的峰值只有第三次實驗時的1/2。

②NO濃度監測結果

由監測結果（表3.15）可知，NO瞬時最高濃度7μL/L，3min取樣過程中平均濃度2μL/L，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）NO₂一小時平均濃度限值二級標準相比較，NO₂瞬時最高濃度超過標準值72倍，平均值超過標準值20倍（表3.16）。

將第三次與第四次實驗結果相比較（圖3.38），兩次實驗均在火盆點火30s后開始有NO檢出，并在燃燒開始大約1min30s后達到排放峰值，隨后隨著火勢減弱開始下降，說明在燃燒過程中NO具有其規律性。

③SO₂濃度監測結果

由監測結果（表3.17）可知，SO₂瞬時最高濃度8μL/L，3min取樣過程中平均濃度3μL/L，通過與《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）SO₂一小時平均濃度限值二級標準相比較，其瞬時最高濃度超過標準值46倍，平均值超過標準值17倍（表3.18）。

將第三次與第四次實驗結果相比較（圖3.39），第三次實驗中，SO₂在火盆點火后不久開始檢出，并在大約1min20s后達到排放峰值，超過120μL/L，隨后迅速下降；而在第四次實驗中，SO₂的濃度雖有起伏，但基本穩定在8μL/L以下。

④HC濃度監測結果

由監測結果（表3.19）可知，HC在火盆點燃后1min45s達到瞬時最高濃度440μL/L，3min取樣過程中平均濃度66μL/L，油燃燒過程中其產生的揮發性有機化合物對周邊大氣環境具有一定程度的污染。

將第三次與第四次實驗結果相比（圖3.40），第三次實驗中，HC在火盆點火后不久開始檢出，并在大約1min20s達到排放峰值，超過2200μL/L，隨后迅速下降；而在第四次實驗中，HC的濃度的上升較曲線較為平緩，在燃燒1min45s達到排放峰值440μL/L。

⑤高空監測結果

在第二次和第三次實驗中，因為消防車處于上風向，儀器采樣頭未進入煙氣區，沒有得到監測結果。在第四次實驗中，將消防車調整到下風向位置，距離火盆上方約30m處，儀器采樣頭進入煙氣區，順利采集到樣品。其中CO最大值為5.5μL/L，NO_x和SO₂基本上未檢出。在空中通過消防云梯采樣得到的煙氣樣品中，SO₂濃度和CO瞬時最大濃度均符合《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）一小時平均濃度限值二級標準，在火焰上方污染物影響不明顯，見表3.20。

因監測高度較高，在開放條件下污染物的擴散與稀釋非常迅速，同時本實驗燃燒的油品為成品油，其中所含雜質較少，因此距火源較遠處污染物的濃度較低。但在油庫中，除了成品油之外還有大量附油，附油大都以重油為主，雜質較多，其在火災過程中所產生污染物種類、數量及其污染效應留待下一步實驗研究分析。