1、第四章 火灾烟气l4.1 烟气的产生l4.2 烟气特征与危害l4.3 烟气的毒性评价4.1 烟气的产生l烟气：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。l烟气组成：（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。l烟气危害：（1）火灾烟气中含有众多的有毒、有害成份、腐蚀性成份以及颗粒物等；（2）火灾环境高温缺氧；（3）火场能见度较低。有机物烟气形成过程有机物二次分解生成物燃烧生成物热分解燃烧热分解生成物热分解生成物热分解二次分解生成物燃烧生成物燃烧烟气危害量级实例l以我国新建高层宾馆为例，一个客
2、房放置两张床、写字台、沙发、软椅茶几、木门壁橱等，还有床垫及床上用品、地毯、窗帘等。上述可燃物。约相当于3040kg/m2的标准木材，即平均火灾负荷密度为3040kg/m2。而一般木材在300时，其发烟量约为34m3/g，即30004000m3/kg。而较典型的客房面积为18m2。即一个客房内可燃物按木材的发烟量为（35kg/m218m23500m3/kg）2205000m3。如果发烟量不损失，可充满像北京长富宫饭店主楼（高90m，标准层面积960m2）那样的高层建筑24座。火灾负荷定义：把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物的数量定义为火灾负荷，单位为kg/m2。火灾负荷密度定义：把房间内所有
3、可燃物完全燃烧时所产生的总热量与房间特征参考面积之比定义为火灾负荷密度。房间的特征参考面积可采用地板面积或室内总面积。采用地板面积表示的火灾负荷密度表达式为： （MJ/ m2）4.2 烟气的特征及危害l烟气的特征：烟尘颗粒的大小及粒径分布、烟气的浓度、烟气光密度和火场的能见度。l烟气的危害：烟气的毒害性、高温烟气对人的伤害、烟气的减光性。烟尘颗粒的大小及粒径分布烟气中颗粒的大小可用颗粒平均直径表示，通常采用几何平均直径表示颗粒的平均直径，其定义为：烟尘颗粒的大小及粒径分布同时，采用标准差来表示颗粒尺寸分布范围内的宽度，即：烟尘颗粒的大小及粒径分布如果所有颗粒直径都相同，则如果颗粒直径分布为对数
4、正态分布，则占总颗粒数68.8%的颗粒，其直径处于之间的范围内。 越大则表示颗粒直径的分布范围越大。一些木材和塑料在不同燃烧状态下烟气中的颗粒直径和标准差可燃物 燃烧状态杉木 0.50.92.0热解杉木 0.43 2.4明火燃烧 聚氯乙烯（PVC） 0.91.4 1.8热解聚氯乙烯（PVC） 0.4 2.2明火燃烧软质聚氨酯塑料（PU） 0.81.8 1.8热解硬质聚氨酯塑料（PU） 0.31.2 2.3热解硬质聚氨酯塑料（PU） 0.5 1.9明火燃烧绝热纤维 23 2.4阴燃烟气的浓度和烟气光密度 当一束光通过烟气时，由于烟气对光的吸收和散射作用，使得只有一部分光能够通过烟气，从而降低了火
5、区的能见度，不利于火灾的扑救和火区人员疏散。烟气浓度越大，该作用越强烈。 根据Lambert-Beer定律，当一束波长为的光通过烟气时，有：烟气的浓度和烟气光密度 下面引入比消光系数：Km为比消光系数；即单位质量浓度的消光系数Ms烟气质量浓度，即单位体积内烟的质量烟气的浓度和烟气光密度烟气浓度通常用光密度（或光学密度）D来衡量。其定义为：烟气的浓度和烟气光密度表明烟气的光密度与烟气质量浓度、平均光线行程长度和比消光系数成正比。烟气的浓度和烟气光密度为了比较烟气浓度，通常将单位平均光路长度上的光密度DL作为描述烟气浓度的基本参数。烟气的浓度和烟气光密度在应用烟箱法研究和测试固体材料的发烟特性时，
6、采用比光密度Ds。所谓比光密度Ds是从单位面积的试样表面所产生的烟气扩散在单位体积的烟箱内，单位光路长度的光密度。比光密度Ds可用下式表示：烟气的浓度和烟气光密度如果同时测量了发烟试件在发烟过程中的质量损失，则可用烟气的质量光学密度来表征烟气密度： 发烟材料的质量损失火场能见度要看清某以物体，则要求物体与背景之间有一定的对比度。对于很大的、均匀的背景下的孤立物体，其对比度定义为： ， 分别为物体和背景的亮度或光线强度。日光下黑色物体相对于白色背景的对比度为-0.02，该值定义为能够从背景中清楚地辨别物体的临界对比度。物体能见度定义为距对比度减少到-0.02这点的距离。 实际火灾环境中，能见度的
7、测量常以物体不可辩清的最小距离为标准。并不用光度计去实际测量对比度。火场能见度的影响因素烟气的散射和吸收系数；火场的亮度；所辨认物体是发光还是反光；逃生者的视力及其眼睛对光强的适应状态。火场能见度与消光系数的关系通过大量的实验和研究，建立火场能见度与消光系数之间的经验关系为： 对于发光物体： 对于反光物体：在相同情况下发光物体的能见度是反光物体能见度的24倍。以上公式是通过防护玻璃观察到的，没有考虑烟气对人眼刺激的影响。计算实例在6m见方、2.5m高的房间内，明火燃烧200g聚氨酯软泡沫坐垫，试估算此时火场中反光疏散通道标志的能见度。已知聚氨酯软泡沫坐垫明火时的质量光学密度 m2/g。解 假设
8、燃烧产生的烟气在整个房间内是均匀分布的，则m-1m-1，m烟气的毒害性（1）由于燃烧消耗了大量的氧气，使得烟气中的含氧量往往低于生理上所需的正常数值。当空气中的含氧量低于15%时，人的肌肉活动能力将明显下降；降低到1014%时，人的判断能力将迅速降低，出现智力混乱现象；降低到1014%时，短时间内就会晕倒，甚至死亡。在起火的房间内氧的最低浓度可达3%左右，若人员不及时撤离火场是非常危险的。烟气的毒害性（2）烟气中含有各种有毒气体，而且这些气体的含量有的已大大超过了人们正常生理所允许的最低浓度，从而造成人员中毒死亡。（3）火灾烟气具有较高的温度。人对高温烟气的忍耐程度是有限的，在65时，人可短时
9、忍受；在120时，15min内就将产生不可恢复的损伤；烟气温度进一步提高，损伤时间则更短；140时约为5min，170时约为1min；而在几百度的高温烟气中人是一分钟也无法忍受的。烟气的减光性烟气的减光性：由于烟气中含有固体和液体颗粒，对光有散射和吸收作用，从而使得火场能见度大大下降。此外，烟气中含有对人体有刺激性作用的气体如SO2、H2S、HCl、Cl2、NO2、NH3等，使人眼流泪，不易睁开，从而进一步影响人的视觉，影响撤离火场的速度。烟气的减光性为了保证安全疏散，火场能见度（对反光物体而言）必需达到530m，因此消光系数应为0.10.6m-1。而火灾发生时烟气的消光系数多为2530m-1
10、，因此为了确保安全疏散，应将烟气稀释50300倍。性能化设计采用生命安全判据4.3 烟气毒性评价可燃物燃烧时产生的烟气中含有毒性气体，如CO、CO2、HCN、NOx、SO2、H2S等，高分子材料燃烧时还会产生HCl、HF、丙烯醛、异氰酸酯等有害物质。不同的材料燃烧时产生的有害气体成份和浓度是不相同的，因而其烟气的毒性也不相同。评价材料烟气毒性大小的方法有：（1）化学分析法（2）动物试验法（3）生理研究法化学分析法（1）气相色谱法（2）红外光谱法（3）傅立叶红外气体分析仪（4）比色法（5）离子选择电极法（6）电化学法化学分析法虽然可分析气态燃烧产物的种类和含量，但不能解释毒性的生理作用，因此还需
11、进行动物试验和生理研究。动物试验法动物试验法就是通过观察生物对燃烧产物的综合反应来评价烟气的毒性。动物试验法可分为简单观察法和机械轮法等。动物试验法前联邦德国提出的试验方法（DIN53436）就是常用的燃烧产物毒性试验方法。其试验装置为一管状炉。燃烧试样装入一个长1000mm、外径40mm、壁厚2mm的石英管中。暴露室为0.05m3，其中放入20只雄性大鼠。暴露室与石英管燃烧室通过一根玻璃管相连。暴露时间30min。观察动物中毒情况，并取样分析燃烧产物的成份。动物试验法美国联邦航空局（FAA）的民航研究所（CAMI）提出了另一种动物试验法，将试验小白鼠放入网状轮中，以恒速旋转，小白鼠则逆着轮子
12、的旋转方向向前跑动。当小白鼠暴露在烟气中一段时间后，因中毒而失去自控能力，开始随轮滑动或旋转，此时记录其停止活动时间（ti）。然后停止轮的旋转，并检查小白鼠的呼吸情况。当其停止呼吸时，记录死亡时间（td）。动物试验法美国国家航空航天局（NASA）研制的水平管式加热炉试验法，其试验装置如图4-2所示。加热炉加热速度为40K/min，最高温度7801100K。在暴露室中放试验小鼠，暴露30分钟，测定小鼠停止活动时间和小鼠死亡时间。从这些试验数据可判断不同材料燃烧烟气的相对毒性，如表4-5所示。动物试验法生理研究法生理研究法就是对在火灾中中毒死亡者进行尸体解剖，了解死亡的直接原因，如血液中毒性气体的
13、浓度，气管中的烟尘，以及烧伤情况等。研究表明，在死者血液中，CO和HCN是主要的毒性气体。在气管和肺组织中也检出了重金属成份，如铅、锑等，以及吸入肺部的刺激物，如醛、HCl等。毒性评价指标（1）终点判据。如在一定的暴露时间内，试验动物的死亡率、瘫痪（停止活动）率、发病率等；（2）毒性指数LC50、EC50（或IC50）。其中LC50是指使50%动物丧失生命的烟气浓度，又称半数致死浓度；EC50（或IC50）是指使50%动物丧失活动能力和停止活动的烟气浓度，又称半瘫痪浓度。（3）毒性指数LD50。LD50是指使50%试验动物致死的剂量。（4）毒性指数LT50和IT50。LT50和IT50分别指烟气使50%的试验动物死亡和停止活动的时间。
