火灾烟气及其理化特性

一、火灾烟气的产生由燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的固体和液体微粒称为烟或烟粒子，含有烟粒子的气体称为烟气。火灾过程中会产生大量的烟气，其成分非常复杂，主要由三种类型的物质组成：(1)气相燃烧产物；(2)未燃烧的气态可燃物；(3)未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微小颗粒。火灾烟气中含有众多的有毒、有害成分、腐蚀性成分以及颗粒物等，加之火灾环境高温缺氧，必然对生命财产和生态环境都造成很大的危害。在发生完全燃烧的情况下，可燃物将转化为稳定的气相产物。但在火灾的扩散火焰中是很难实现完全燃烧的。因为燃烧反应物的混合基本上由浮力诱导产生的湍流流动控制，其中存在着较大的组分浓度梯度。在氧浓度较低的区域，部分可燃挥发分将经历一系列的热解反应，从而导致多种组分的分子生成。例如，多环芳香烃碳氢化合物和聚乙烯可认为是火焰中碳烟颗粒的前身，它们在燃烧过程中，会因受热裂解产生一系列中间产物，中间产物还会进一步裂解成更小的“碎片”，这些小“碎片”会发生脱氢、聚合、环化，最后形成碳粒子，图1-11是聚氯乙烯形成碳烟粒子的过程。正是碳烟颗粒的存在才使扩散火焰发出黄光。这些小颗粒的直径约为10～l00nm，它们可以在火焰中进一步氧化。但是如果温度和氧浓度都不够高，则它们便以碳烟(Soot)的形式离开火焰区。第五节火灾烟气及其理化特性一、火灾烟气的产生*二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害图1-11聚氯乙烯的发烟过程母体可燃物的化学性质对烟气的产生具有重要的影响。少数可燃物质(例如一氧化碳、甲醛、乙醚、甲酸、甲醇等)的燃烧产物在光谱的“热辐射”范围内（0.4～100μm）内是完全透明的，或以某些不连续波带吸收（或辐射）的，不能呈现连续吸收的黑体或灰体辐射特征。因而，燃烧的火焰不发光，且基本上不产生烟。但在相同的条件下，大部分可燃液体和固体的燃烧时就会明显发烟。第五节火灾烟气及其理化特性一、火灾烟气的产生*二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害材料的化学组成是决定烟气产生量的主要因素，可燃物分子中碳氢比值不同，生成碳烟的能力不一样，碳氢比值越大，产生碳烟的能力越大，如乙炔中碳氢比为1:1，乙烯碳氢比为1:2，乙烷碳氢比为1:3，所以在扩散燃烧中乙炔生碳能力最大，乙烷最小，乙烯介于中间；可燃物分子结构对碳烟的生成也有较大影响，环状结构的芳香族化合物(如苯、萘)的生碳能力比直链的脂肪族化合物(烷烃)高。此外，氧供给充分，碳原子与氧生成CO或CO2，碳粒子生成少，或者不生成碳粒子；氧供给不充分，碳粒子生成多，烟雾很大。第五节火灾烟气及其理化特性一、火灾烟气的产生*二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性二、火灾烟气物理特性及危害(一)遮光性1、表示方法对烟气的遮光性衡量主要有光学密度、减光系数、百分遮光度和能见度，分别表示为：（1-70）（1-71）（1-72）（1-73）式中，L为光束经过的测量空间段的长度，m；I为该光束离开测量空间段时射出的强度；I/I0为该空间的投射率,%；D0为单位长度的光学密度,1/m；Kc为烟气的减光系数,1/m；B为烟气的百分遮光度,%；VC为能见度,m；R为比例系数。)IIlog(D00CCK/RV一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性2、烟气的遮光性与能见度可见光波长λ为0.4～0.7μm。—般火灾烟气中的烟粒子粒径d为几μm到几十μm，由于d2λ，烟粒子对可见光是不透明的。烟气在火场上弥漫，会严重影响人们的视线，使人们难以寻找起火地点、辩别火势发展方向和寻找安全疏散路线。火场能见度与许多因素有关，包括烟气的散射、室内的亮度，所辨认的物体是发光还是反光以及光线的波长等。并且还依赖于逃生者的视力及光强的适应状态。尽管如此，通过大量的测试和研究，建立了火场能见度与烟气消光系数之间的经验关系：KcVc＝8（对于发光物体）KcVc＝3（对于反光物体）这表明能见度与烟气的消光系数大致成反比，且相同情况下发光物体的能见度是反光物体的2～4倍。在消防上，按消光系数的大小对发烟程度进行分级，0Kc0.1时，发烟程度为极少；0.1Kc0.5时，发烟程度为少；0.5Kc1.0时，发烟程度较多；Kc1.0时，为发烟程度多。在火灾情况下，对建筑物内部通道熟悉的人，消光系数的允许临界值为1.0，对内部不熟悉者，应在0.2以下。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性(二)刺激性和腐蚀性烟气中有些气体对人的肉眼有极大的刺激性，使人睁不开眼而降低能见度，因而在火灾中会延长人员的疏散时间，使他们不得不在高温并含有多种有毒物质的燃烧产物影响下停留较长时间。试验证明，室内火灾在着火后大约15min左右，烟气的浓度最大，此时人们的能见距离一般只有数10cm。图1-12给出了暴露在刺激性和非刺激性烟气的情况下，人沿走廊的行走速度与烟气遮光性的关系。烟气对眼睛的刺激和烟气密度都对人的行走速度有影响。图1-12在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性随着减光系数增大，人的行走速度减慢，在刺激性烟气的环境下，行走速度减慢得更厉害。当减光系数为0.4(l／m)时，通过刺激性烟气的表观速度仅是通过非刺激性烟气时的70%。当减光系数大于0.5(1／m)时，通过刺激性烟气的表观速度降至约0.3m／s，相当于蒙上眼睛时的行走速度。行走速度下降是由于是受试验者无法睁开眼睛，只能走“之”字形或沿着墙壁一步一步地挪动。表1-14列出了各种燃烧产物的刺激性和腐蚀性及许可浓度。(三)恐怖性由于火灾的突发性，对处在环境不熟悉中的人员，一看到浓烟滚滚、烈火熊熊，难免产生紧张、害怕、甚至惊恐万状、手足无措，若再有人员拥挤疏散通道，或是楼梯被烟火封锁，势必造成混乱，有人甚至会失去理智，辨别方向的能力进一步减弱。人们应注意利用烟气的某些性质，提高灭火效率，做好安全疏散。表1-15列出了—些常见可燃物燃烧时烟的特征。在火场上，根据烟的特征可以判别燃烧的物质；根据烟的浓度、温度和流动方向，可以查找火源，并大体上判断物质的燃烧速度和火势的发展方向。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性表1-14各种有毒气体的刺激性、腐蚀性及其许可浓度分类气体名称长期允许浓度火灾疏散条件浓度单纯窒息性毒害性、单纯窒息性毒害性、化学窒息性毒害性、化学窒息性毒害性、化学窒息性刺激性、腐蚀性刺激性毒害性、刺激性刺激性、腐蚀性毒害性、化学窒息性刺激性、腐蚀性刺激性、腐蚀性缺O2CO2COHCNH2SHClNH3Cl2HFCOCl2NO2SO2—5000501010550130.15514%3%200020010003000——10025120500一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性表1-15常见可燃物燃烧时烟的特征物质名称烟的特征颜色嗅味木材石油产品硝基化合物橡胶棉和麻丝聚氯乙烯纤维聚乙烯聚苯乙烯锦纶有机玻璃酚醛塑料（以木粉填）灰黑色黑色棕黄色同上黑褐色─黑色─浓黑色白色─黑色树脂嗅石油嗅刺激嗅硫嗅烧纸嗅烧毛皮嗅盐酸嗅石蜡嗅煤气溴酰胺类嗅芳香木头、甲醛嗅稍有酸味同上酸味同上稍有酸味碱味同上稍有酸味同上─稍有酸味同上一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性(四)高温烟气的忍耐性火灾烟气的高温对人对物都可产生不良影响，但对于人员暴露在高温下忍受时间极限的研究还比较缺乏。工业卫生文献上给出过一定暴露时间下(代表时间是8h)的热胁强(HeatStree)数据，对人对高温的忍耐性未能提出多少建议。曾有试验表明，身着衣服、静止不动的成年男子在温度为100℃的环境下呆30分钟后便觉得无法忍受；而在75℃的环境下可坚持60min。不过这些试验温度数值似乎偏高了。扎波(Zapp)指出，在空气温度高达100℃极特殊的条件下(如静止的空气)，一般人只能忍受几分钟；一些人无法呼吸温度高于65℃的空气。对于健康的着装成年男子，克拉尼(Cranee)推荐了温度与极限忍受时间的关系式为：(1-74)式中，t为极限忍受时间,min；T为空气温度,℃；B1为常数(1.0)；B2为另一常数(0)。这一关系式并未考虑空气湿度的影响。当湿度增大时人的极限忍受时间会降低。因为水蒸汽是燃烧产物之一，火灾烟气的湿度较大是必然的。衣服的透气性和隔热程度对忍受温度升高也有重要影响。目前在火灾危险性评估中推荐数据为：短时间脸部暴露的安全温度极限范围为65℃到100℃。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害*三、火灾烟气的化学特性及危害第五节火灾烟气及其理化特性(五)烟熏损失对于洁净厂房、实验室以及存放精密电子仪器场所，发生火灾时由于烟气无孔不入，其中腐蚀性气体会造成厂房结构强度下降，甚至造成精密仪器设备的报废，造成财产损失。三、火灾烟气的化学特性及危害(一)毒害性大量火灾统计资料表明，火灾中的烟气已成为火灾中的第一凶手。据不完全统计，火灾中因烟气致死的人数约占火灾死亡总数的80%以上，尤其对于人员密集场所，易造成群死群伤的恶性事故。如1993年2月14日唐山林西百货大楼火灾，经法医鉴定，死亡的80人除一人属高空坠落死亡外，其余全部死于有毒烟气；辽宁埠新艺苑歌舞厅“11.27”大火，因易燃的棉丙化纤布燃烧时分解产生大量有毒气体，造成200余人中毒窒息死亡；1994年12月8日新疆克拉玛依友谊馆大火，死亡325人，其中95%以上死于烟气中毒。研究表明，火灾中的死亡人员约有一半是由CO中毒引起的，另外一半则由直接烧伤、爆炸压力以及其它有毒气体引起的。对火灾中的死者进行生理解剖，发现CO和HCN为主要毒气。尽管如此，现有的火灾数据无法提供其它有毒气体对人员死亡的可能影响。根据分析化学可知，火灾燃烧的副产物可能对人存在极大的危害，而这并不一定需要医疗方面的证据加以证实。缺氧是气体毒性的特殊情况。有数据表明，若仅仅考虑缺氧而不考虑其它气体影响时，当含氧量降至10%时就可对人构成危险。然而，在火灾中仅仅由含氧量减小造成危害是不大可能出现的，其危害往往伴随着CO、C02和其它有毒成分的生成。有人曾对这种综合效应进行测试，但提供的实验数据不多。表1-16为氧浓度下降对人体的危害。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害*第五节火灾烟气及其理化特性表1-16氧浓度下降对人体的危害图1-13是日本在1962年和1975年先后两次进行的实际火灾实验所得到的着火房间的气体成分曲线。可见，在轰然发生前，氧气的浓度一直保持在20～21%左右，随着燃烧的持续，氧气的浓度逐渐减少，发生轰然时，氧气的浓度急剧下降，并且在轰然最盛期，氧气的浓度只有3%左右。而对处于着火房间的人们来说，氧气的短时致死浓度为6%，但即使含氧量在6～14%之间，虽然不会短时死亡，但也会因失去活动能力和智力下降而不能逃离火场。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害*第五节火灾烟气及其理化特性氧浓度（%）对人体的危害情况16～1214～910～66呼吸和脉搏加快，引起头疼判断力下降，全身虚脱，发绀意识不清，引起痉挛，6～8min死亡为5min致死浓度图1-13着火房间内气体成分变化曲线火灾烟气的毒性不仅仅来自气体，还可来自悬浮固体颗粒或吸附于烟尘颗粒上的物质，尸检大多数死者，发现在气管和支气管中有大量烟灰沉积物、高浓度的无机金属等。但目前这方面的实验数据非常缺乏。一、火灾烟气的产生二、火灾烟气的物理特性及危害三、火灾烟气的化学特性及危害*第五节火灾烟气及其理化特