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刚刚,我们对火灾烟气做了两个方面的总结

http://www.fire.hc360.com2018年05月09日11:05 来源:橙色救援作者:武警学院 李思成T|T

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    编辑丨木月校对|橙Sir

    火给人类带来了文明、光明和温暖,但火灾也给人类的生命财产带来了巨大的危害。

    “国际消防技术委员会”对全球火灾调查统计表明,每年发生600~700万起火灾,大约有65000~75000人在火灾中丧命。

    国内外大量火灾案例统计表明,因火灾而伤亡者中,大多数为烟气危害致死。由此可见,火灾烟气的危害性极其严重,必须对其加以控制。

    了解火灾烟气的组成与危害是防排烟设计的重要基础,本文主要介绍火灾烟气的组成与危害。

    第一节火灾烟气的组成

    一、火灾烟气的生成

    可燃物质热解或燃烧时会产生火灾烟气。

    火灾烟气是混合物,主要由两部分组成:占绝大部分的是混合了燃烧产物并被火焰加热了的空气,这部分空气相对来讲,不受火灾时发生的化学反应的影响;

    第二部分是火灾热解和化学反应产物,主要包括一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和甲烷等气体,以及固体(烟灰)和液体(如碳氢化合物)微粒,这部分成分的质量和体积都很小。

    因此,火灾烟气的物理性质与热空气基本一致,在对建筑进行火灾危险性评估时,火灾烟气的流动可等同于热空气的流动。

    然而,火灾烟气的化学性质与空气显然不同,比如其反应性、燃烧性和毒害性等,火灾烟气中的微粒对眼睛和呼吸道均有很强的刺激性。

    火灾烟气的组成与火灾时空气的供应量有关,可燃物和空气的比例不同,生成的燃烧产物也不同。

    对于正常的燃烧工况,空气供应量得到良好的保证,燃烧进行得比较完全,所生成的产物都不能再燃烧,这种燃烧称为完全燃烧,其燃烧产物称为完全燃烧产物。

    在完全燃烧的状态下,燃烧产物主要以气态形式存在,其成分主要取决于可燃物的组成。

    对于非正常的燃烧工况,没有良好的燃烧条件,燃烧进行的不完全,称为不完全燃烧,相应的燃烧产物称为不完全燃烧产物。

    不完全燃烧的状态下,燃烧产物含有醇、醚等有机化合物。这些燃烧产物多为有毒气体,对人体的呼吸系统、循环系统、神经系统会造成不同程度的伤害,影响人的正常呼吸和行动能力。

    建筑物发生火灾时,由于空间受限,如果有喷淋系统或者其他外在介质参与灭火,其燃烧大多属于不完全燃烧。

    在火灾扑救过程中,由于采取不同的措施和灭火剂,也会相应产生不同的气体。

    一般情况下采用水扑救时,只产生大量的水蒸汽,但如果某些燃烧物质本身与灭火剂能起化学反应时,会产生一些其它有害物质,如硫化氢、二氧化硫等,严重时会造成扑救人员中毒伤亡事故,这在历史上是有沉重教训的。

    二、火灾烟气的成分

    火灾烟气的成分和性质首先取决于发生热解和燃烧的物质本身的化学组成,其次还与燃烧条件有关。

    所谓燃烧条件是指环境的供热条件、环境的空间时间条件和供氧条件。

    由于火灾时参与燃烧的物质比较复杂,尤其是发生火灾的环境条件千差万别,所以火灾烟气的组成也相当复杂。

    就总体而言,火灾烟气是由热解和燃烧所生成的气(汽)体、悬浮微粒及剩余空气三部分组成。

    (一)热解和燃烧所生成的气(汽)体

    大部分可燃物质都属于有机化合物,其主要成分是碳、氢、氧、硫、磷、氮等元素。

    在一般温度条件下,氮在燃烧过程中不参与化学反应而呈游离状态析出,而氧作为氧化剂在燃烧过程中消耗掉了。

    碳、氢、硫、磷等元素则与氧化合生成相应的氧化物,即二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽、二氧化硫和五氧化二磷等。此外,还有少量氢气和碳氢化合物产生。

    现代建筑通常装修复杂,各种室内用品及家具越来越多。

    除了一些室内家具和门窗采用木质材料外,其余大量的装饰装修和家具多采用高分子合成材料,如建筑塑料、高分子涂料、聚苯乙烯泡沫塑料保温材料、复合地板、环氧树脂绝缘层、化纤制、沙发和床上用品等等。这些高分子合成材料的燃烧和热解产物比单一的木质材料要复杂得多。

    (二)热解和燃烧所生成的悬浮微粒

    火灾烟气中热解和燃烧所生成的悬浮微粒,称为烟粒子。

    这些微粒通常包括游离碳(炭黑粒子)、焦油类粒子和高沸点物质的凝缩液滴等。这些固态或液态的微粒,悬浮在气相中,随其飘流。

    由于烟粒子的性质不同,在火灾发展的不同阶段,烟气的颜色亦不同。

    在起火之前的阴燃阶段,由于干馏热分解,主要产生的是一些高沸点物质的凝缩液滴粒子,烟气颜色常呈白色或青白色;而在起火阶段,主要产生的是炭黑粒子,烟气颜色呈黑色,形成滚滚黑烟。

    (三)热空气

    室内火灾中,在火灾烟气以浮力羽流形式垂直上升的过程中,不断卷吸周围空气形成体积逐渐庞大的烟羽流。

    火灾烟气的生成量主要是由烟气羽流所卷吸的空气量所决定的,也就是说,火灾烟气中主要是被加热的空气。

    目前最常用的火灾烟气生成量计算模型都是基于空气卷吸量,没有考虑可燃物的消耗。

    第二节火灾烟气的危害性

    在建筑火灾中,火灾烟气随着热气流上升,当遇到天花板或其他阻碍物时开始下降并逐渐充满整个房间,中性面下降的过程,往往发生的非常迅速。

    火灾烟气在建筑中所产生的危害较多,概括起来主要有缺氧、中毒、减光、尘害和高温几个方面。

    在火灾过程中产生的火灾烟气会阻碍人员安全疏散、妨碍消防员进入火场进行搜救和灭火,并且会减小被困者生还的可能性。

    一、缺氧

    氧是人体进行新陈代谢的关键物质,是人体生命活动的第一需要。

    当空气中含氧量降低到15%时,人的肌肉活动能力下降;降到10~14%时,人就四肢无力,智力混乱,辨不清方向;降到6~10%时,人就会昏厥。对于处在着火房间内的人们来说,氧气的短时致死浓度为6%。

    燃烧消耗了大量的氧气,使得火灾烟气中的含氧量往往低于生理上所需的正常数值,研究表明,在火灾猛烈发展阶段,O2的浓度往往只有3%左右。

    所以,在发生火灾时,建筑内人员如不及时逃离火场是十分危险的。

    二、中毒

    建筑火灾中可燃物的种类繁多,既包括各种木质材料、纸张、羊毛、丝绸等天然材料,又包括各种塑料、橡胶等高分子合成材料,加上燃烧状况千变万化,因而可以生成多种有毒有害气体。

    这些气体的含量如超过人们正常生理所允许的最低浓度,就会造成人们中毒甚至死亡。

    目前,已知的火灾中有毒气体的种类或有毒气体的成分有数十种,包括无机类有毒有害气体(CO、CO2、NOx、HCl、HBr、H2S、NH3、HCN、P2O5、HF、SO2等)和有机类有毒有害气体(光气、醛类气体、氰化氢等)。

    (一)一氧化碳(CO)对人的影响

    CO是火灾中较为常见的不完全燃烧产物,是一种有毒气体,在火场当中通常占有很大的比例并且不容易被排除。

    火灾事故中,死于CO毒性作用的人数占死亡总人数的40%以上,是火灾中造成人员死亡的主要因素之一。

    CO的主要毒害作用在于其与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白,极大地削弱了血红蛋白与氧气的结合能力,使血液中的氧含量降低,致使供氧不足,阻碍血液把氧送到人体各部分。

    (二)氢化氰(HCN)对人体的影响

    HCN为无色、略带杏仁气味的剧毒性气体,其毒性约为CO的20倍。

    可燃物中的含氮燃料燃烧常会生成HCN,这类材料包括天然材料和合成材料,如羊毛、丝绸、尼龙、聚氨酯二聚物及尿素树脂等,尤其是棉花,其阴燃即会生成HCN。

    HCN是一种毒性作用极快的物质,它虽然基本上不与血红蛋白结合,但却可以抑制人体中酶的生成,阻止正常的细胞代谢。HCN浓度与中毒症状见表1.3。

    现代建筑的室内装饰装修,大量使用到各种塑料,而这些材料在火灾中会反应生成大量HCN,这种气体对人体的毒害作用越来越引起人们的重视。

    通过检验火灾中死难者的血液成分,人们发现,有30%以上的人员死亡是HCN中毒所致。

    (三)其他毒害性气体对人的影响

    火灾烟气中其他毒害性气体还包括二氧化碳(CO2)、丙烯醛(C3H4O)和氯化氢(HCL)等。

    二氧化碳是在火灾当中生成量最大的气体,其含量增加直接导致氧气含量的降低,从而使人的呼吸频率上升,进而增加其他有毒有害气体的吸入量。

    丙烯醛是纤维物质阴燃过程中产生的一种有毒物质,它对人的感官和肺部具有强烈的刺激作用,长时间暴露其中将会引起严重的肺功能紊乱。

    例如,烟气中含有5.5ppm的丙烯醛时,会对上呼吸道产生刺激症状;如浓度在10ppm以上时,就能引起肺部的变化,数分钟内即可死亡。

    而木材燃烧的烟气中丙烯醛含量高达50ppm左右,加之烟气中还有甲醛、乙醛、氢氧化物、氢化氰等毒气,对人体都是极为有害的。在PVC等物质的火灾当中,氯化氢等气体相当常见,这种物质会影响人的感觉和肺部。

    随着高分子合成材料在建筑、装修以及家具制造中的广泛应用,火灾中所产生的有毒有害烟气的成分更加复杂,毒害性更加严重,需引起人们的重视。

    三、减光

    可见光的波长为0.4~0.7μm,一般火灾烟气中烟粒子粒径为几个μm到几十个μm,即烟粒子的粒径大于可见光的波长,这些烟粒子对可见光是不透明的,对可见光有完全的遮蔽作用。

    当烟气弥漫时,可见光因受到烟粒子的遮蔽,能见度大大降低。

    同时,加上烟气中有些气体对肉眼有极大的刺激性,如HCl、NH3、HF、SO2、Cl2等,从而使人们在疏散过程中的行进速度大大降低,这就是烟气的减光性。

    它不仅妨碍安全而迅速的疏散活动,而且也妨碍消防员正常的火灾扑救活动。

    四、尘害

    火灾烟气中悬浮微粒是有害的,危害最大的是颗粒直径小于10μm的飘尘,它们肉眼看不见,能长期漂浮在大气中,少则数小时,长则数年。

    尤其是微粒小于5μm的飘尘,由于气体的扩散作用,能进入人体肺部,粘附并聚集在肺泡壁上,引起呼吸道疾病,增大心脏病死亡率,对人体造成直接危害。

    消防员灭火的时候,个人防护一定要佩戴齐全。

    五、高温

    在着火房间内,火灾烟气具有较高的温度,有时可高达数百度,在地下建筑中,火灾烟气温度甚至可高达1000℃以上,这样的高温无论是对人、对物、还是对环境,都会产生严重的不良影响。

    高温烟气对人的影响可分为直接接触影响和热辐射影响。

    人体对高温烟气的忍耐性是有限的,在65℃时,可短时忍受;在120℃时,15min内就将产生不可恢复的损伤;140℃时,对人体产生损伤的时间约为5min;170℃时,只能忍受大约1min;而在几百度的高温烟气中人体是一分钟也无法忍受的。

    虽然衣服的透气性和绝热性可限制温度影响,不过多数人无法在温度高于65℃的空气中呼吸。

    当人体吸入高温的有毒烟气,会严重灼伤呼吸道,“重创”呼吸系统,轻者刺激呼吸道粘膜,导致慢性支气管炎,重者即便被救出了火场,也难以脱离生命危险。

    若烟气层在人的头部高度之上,人员主要受到的则是高温烟气的热辐射影响。这时高温烟气所造成的危害比人体直接接触高温烟气的危害要低些。

    热辐射强度影响是随着距离的增加而衰减的,一般认为,在层高不超过5m的普通建筑中,烟气层的温度达到180℃以上时才会对人构成威胁。

    除对人体产生威胁外,烟气温度过高还会严重影响材料的性质,例如,钢筋混凝土材料的机械性能会随着温度升高严重降低,对于采用钢筋混凝土材料的建筑,更需要注意高温烟气的影响,并采取适当的防护措施。

    在大空间建筑中经常采用大跨度的钢架屋顶,而钢材的力学性能也会随着温度升高而显著下降,超过一定限度还会发生坍塌,在建筑火灾中已多次发生过这种情况。

    因此,尽可能减少火灾中高温烟气的影响是减少火灾损失的重要方面。

    除此之外,发生火灾时,特别是发生轰燃时,火焰和烟气冲出门窗孔洞,浓烟滚滚,还会使人们产生严重的恐怖感,常常给疏散过程造成混乱局面,有些人员甚至失去理智、惊慌失措。

    所以,火灾烟气产生的危害是非常大的。

    

责任编辑:李辰宇

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