《建筑防排烟工程》 课件 1火灾烟气的产生及危害

建筑防排烟工程第一章火灾烟气的产生及危害1.1烟气的生成和组成1.1.1烟气的生成1.1.2烟气的组成1.2烟气的特性1.2.1烟气的状态参数1.2.2烟气的浓度1.2.3烟气的遮光性1.2.4材料发烟特性【主要内容】1.3烟气的危害1.3.1能见度方面危害1.3.2呼吸方面危害1.3.3温度方面危害1.3.4心理方面危害火灾是在时间或空间上失去控制的燃烧。燃烧是可燃物与氧化剂发生的一种剧烈的发光、发热的化学反应，且通常伴随着热分解反应（热解是物质由于温度升高而发生无氧化作用的不可逆化学分解）。在一定的温度下，燃烧反应的速度并不快，但热分解的速度很快，此时的燃烧没有火焰和发光现象，但有发烟现象。火灾烟气是火灾过程中物质因热解和燃烧作用而形成的一种重要产物，其生成与燃烧工况有着密切的关系。1.1烟气的产生和组成事故统计表明：火灾中80%以上死亡是由烟气所导致。除了极少数情况外，几乎所有火灾中都会产生大量烟气。火灾烟气生成与燃烧工况密切相关1.1.1烟气的产生完全燃烧产物中烟气成分主要取决于可燃物的组成和燃烧条件，大多为二氧化碳、水、二氧化氮、五氧化二磷或卤化氢等，有毒有害物质相对较少。不完全燃烧产物主要是一氧化碳、有机磷、醇、醚、多环芳香烃等有机化合物，多为有毒有害物质。除了处于燃料控制下的初期增长阶段以及可燃物几乎消耗殆尽的减弱阶段，建筑火灾的燃烧常常属于不完全燃烧。烟气包含：完全燃烧产物和不完全燃烧产物。1.1.1烟气的产生烟气定义美国消防工程师协会编写的《消防工程师手册》（SFPE）：燃烧产物的烟雾气溶胶或凝结相成分，烟气主要组成包括烟灰、半挥发性有机化合物和固体无机化合物购车的微颗粒成分，以及非常易挥发的有机化合物、挥发性有机化合物、液态和气态无机化合物组成的非颗粒成分。美国试验与材料学会（ASTM）：某种物质在燃烧或分解时散发出的固态或液态悬浮微粒和高温气体。美国消防协会中庭建筑烟气控制设计指南（NFPA92B）：在上述基础上增加“以及混合进去的任何空气”。1.1.2烟气的组成火灾烟气由三类物质组成：①热解和燃烧所生成的气（汽）体；②热解和燃烧所生成悬浮微粒；③由于卷吸而进入的空气。1.1.2烟气的组成1.热解和燃烧所生成的气（汽）体①有机化合物（碳、氢、硫、磷等元素）：二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、水蒸气（H2O）、二氧化硫（SO2）和五氧化二磷（P2O5）等。少量氢气（H2）和碳氢化合物（CxHy）。②高分子合成材料：游离基③发生、发展和熄灭各阶段中烟气组成不同。1.1.2烟气的组成2.热解和燃烧所生成的悬浮微粒①烟颗粒：游离碳（炭黑粒子）、焦油类粒子和高沸点物质的凝缩液滴等。②阴燃：热分解的挥发分产物；白色、青白色③有焰燃烧：碳颗粒（大部分）、灰分；黑色1.1.2烟气的组成3.由于卷吸而进入的空气烟气中只有很小部分来源于燃烧产物，而大部分是这种卷吸作用进入的空气。1.1.2烟气的组成1.2.1烟气的状态参数（压力、温度、密度）

1.压力一般着火房间内烟气的平均相对压力Pys为10～15Pa，在短时可能达到的峰值为35～40Pa。烟气的绝对压力Py为：由于Pys相对P0可忽略不计，故1.2烟气的特性1.2.1烟气的状态参数2.温度着火房间内最高温度也不同，低则达500～600℃，高则达800～1000℃。地下建筑火灾中烟气温度可高达1000℃以上。混合后烟气温度：掺混后烟气温度经验公式：烟气绝对温度：1.2烟气的特性1.2.1烟气的状态参数3.密度利用理想气体方程PM=ρRT推导烟气的比容Vy或密度ρy对于火灾烟气来说，Py≈P0，故烟气密度为：在平原地区，可用标准大气压Pb≈P0。烟气的密度一般比空气稍大，但两者差值最大也不超过3%。1.2烟气的特性1.有毒气体的浓度任何一种有毒气体的分体积Vi占烟气总体积Vy的比例，称为该有毒气体在烟气中的体积分数ri百分浓度%百万分浓度ppm1.2.2烟气的浓度2.烟粒子的浓度质量浓度、颗粒浓度和光学浓度质量浓度颗粒浓度光学浓度1.2.2烟气的浓度设由光源射入测量空间的光束强度为I0，该光束由测量空间L射出后的强度为I，则比值I/I0称为该空间内烟气透射率。透射率倒数的常用对数称为烟气的光学密度。光束经过的距离是影响光学密度的重要因素。单位长度光学密度D0（m-1）1.2.3烟气的遮光性光源光敏元件稳定电源数据采集系统图1-4烟气遮光性测量装置示意图LI0I根据Beer-Lambert定律，有烟情况下的受光器处光强度I可表示为：Kc称为烟气的减光系数。据此，减光系数可表示为：描述烟的遮光性也可用百分遮光度B（%）：1.2.3烟气的遮光性在相同的距离l和一定的光源强度I0下，受光器处的光强I下降，透射率降低，减光系数Kc增大，百分遮光度B增大，单位光学密度D0和光学密度D增大，说明了空间内烟气的遮光性增强，烟粒子浓度增大；反之，受光器处的光强I上升，透射率增大，减光系数Kc减小，百分遮光度B减小，单位光学密度D0和光学密度D减小，说明了空间内烟气的遮光性变弱，烟粒子浓度减小。烟气的遮光性与烟气的光学密度可以相互转换，它们的对应关系见表1-3。1.2.3烟气的遮光性表1-3

烟气遮光性与光学密度的对应关系透射率（I/I0）百分减光度（B/%）长度（L/m）单位光学密度（D0/m-1）减光系数（Kc/m-1）1.000任意000.90101.00.0460.10510.00.00460.01050.60401.00.2220.51110.00.0220.05110.30701.00.5231.2010.00.05230.120.10901.01.002.3010.00.100.230.01991.02.004.6110.00.200.46各种可燃物在不同温度下，其发烟性能也各不相同。少数纯燃料（如一氧化碳、甲醇、甲醛、乙醚等）燃烧的火焰不发光，且基本上不产生固态或液态悬浮微粒。大分子燃料燃烧时的发烟量却比较显著。在自由燃烧情况下，固体可燃物（如木材）和部分经过氧化的燃料（如乙醇、丙酮等）的发烟量比生成这些物质的碳氢化合物（如聚乙烯和聚氯乙烯）的发烟量少得多。发烟量：单位质量可燃材料所产生的烟量。发烟速度：单位质量的可燃物在单位时间内的发烟量。1.2.4材料发烟特性木材类在温度升高时，发烟量有所减少。这主要是由于分解出的碳质微粒在高温下又重新燃烧，且温度升高后减少了碳质微粒的分解所致。高分子有机材料能产生大量的烟气。表1-1各种材料在不同温度下的发烟量（Kc=0.5m-1）材料名称发烟量/（m3/g）300℃400℃500℃松4.01.80.4杉木3.62.10.4普通胶合板4.01.00.4难燃胶合板3.42.00.6硬质纤维板1.42.10.6锯木屑板2.82.00.4玻璃纤维增强塑料6.24.1聚氯乙烯4.010.4聚苯乙烯12.610.0聚氨酯（人造橡胶之一）14.04.0表1-2各种材料在不同温度下的发烟速度[m3/(s·g)]木材类在加热温度超过350℃时，发烟速度一般随温度的升高而降低。高分子有机材料则恰好相反。高分子材料的发烟速度比木材要大得多，因为高分子材料的发烟系数大，且燃烧速度快之故。【KTV火灾】材料名称加热温度（℃）225230235260280290300350400450500550针枞0.720.800.710.380.170.17杉0.170.250.280.610.720.710.530.130.13普通胶合板0.030.190.250.260.931.081.101.070.310.24难燃胶合板0.010.090.110.130.200.560.610.580.590.220.20硬质板0.761.221.190.190.260.27微片板0.630.760.850.190.150.12苯乙烯泡沫板A1.582.685.926.908.96苯乙烯泡沫板B1.242.363.565.344.46聚氨酯5.011.515.016.5玻璃纤维增强塑料0.501.03.00.50聚氯乙烯0.104.57.509.70聚苯乙烯1.04.951.97火灾烟气危害：能见度、呼吸、温度、心理方面危害。前两种危害直接威胁到人的生命安全，是造成火灾时人员伤亡的主要因素。1、能见度方面危害能见度：是指人们在一定环境下刚好能看到某个物体的最远距离。能见度的影响主要有两方面：一、是烟气的减光性使能见度降低，疏散速度下降；二、是烟气有视线遮蔽及刺激效应，会助长惊慌状况，扰乱疏散秩序。主要由烟气的浓度决定，同时还受到烟气的颜色、物体的亮度、背景的亮度以及观察者对光线的敏感程度等因素的影响。1.3烟气的危害式中V——能见度（m）；Kc——减光系数（m-1）；R——比例系数，反映了特定场合下各种因素对能见度的综合影响；D0——单位长度光学密度（m-1）。

大量火灾案例和实验结果表明，即便设置了事故照明和疏散标志，火灾烟气仍可导致人们辨识目标和疏散能力的大大下降。（1-9）能见度与减光系数和单位光学密度有如下关系：图1-2发光标志的能见度与减光系数的关系白色烟气是阴燃产生的，黑色烟气是明火燃烧产生的。通过白色烟气的能见度较低，可能是由于光的散射率较高。他建议对于疏散通道上的反光标志、疏散门以及有反射光存在的场合，R取2~4；对自发光标志、指示灯等，R取5~10。由此可知，安全疏散标志最好采用自发光标志。Jin（金）对自发光标志和反光标志在不同烟气情况下的能见度进行了测试。图1-4在刺激性与非刺激性烟气中人的行走速度烟气对眼睛的刺激作用也会影响能见度。在刺激性的烟气中，人的眼睛睁时间、行走速度将降低，能见度低于非刺激性的烟气。Jin（金）对暴露于刺激性烟气中人的能见度和移动速度与减光系数的关系进行了实验。表1-6给出了人可以耐受的能见度极限值。小空间通常功能分区简单，进入其中的人对内部构造可能熟悉起来比较容易，而且小空间到达安全出口的距离短，能见度的要求就相对低一些；大空间内功能分区复杂，人员流动性大，对疏散设施不容易熟悉，寻找安全出口需要看得更远，因此能见度要求更高。故在疏散安全设计上，通常采用最小能见度为10m。表1-6人员可以耐受的能见度极限值参数小空间大空间光学密度/m-10.20.08能见度/m510为保证安全疏散的极限视距[V]，必然有一个极限的减光系数[Ks]，即如表1-7所示。由表可见，在任何情况下都能保证安全疏散的烟气光学浓度[D0]为0.1m-1左右。表1-7保证安全疏散的极限消光系数[Ks]值m-1

光源标志型式对建筑物熟悉者对建筑物不熟悉者发光型标志灯或窗1～20.17～0.33反射型指示灯或门0.4～0.80.07～0.132、呼吸方面危害大气中环境氧气浓度人体症状21％活动正常17~21％高山症，肌肉功能会减退10~17%尚有意识，但显现错误判断力，神态疲倦本身不易察觉10%导致失能9.6%人们无法进行避难逃生6~8%呼吸停止，在6~8分钟内发生窒息（Asphyxiation）死亡（1）缺氧部分火灾试验显示，在许多情况下任一毒害气体尚未到达致死浓度之前，最低存活氧气浓度或最高呼吸温度已先行到达。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，人就会晕倒。所以，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%。（2）中毒燃烧材料来源气体产生种类所有高分子材料一氧化碳、二氧化碳羊毛、皮革、聚氨酯、尼龙含氮高分子材料氰化氢、一氧化氮、二氧化氮、氨羊毛、硫化橡胶、含硫高分子材料等二氧化硫、二硫化碳、硫化氢聚氯乙烯、含卤素阻燃剂的高分子材料、聚四氟乙烯硫化氢、氟化氢、溴化氢聚烯类及许多其他高分子烷、烯聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯等苯酚醛树脂酚、醛木材、纸张、天然原木纤维丙烯醛聚缩醛甲醛纤维素及纤维产品甲酸、乙酸高分子材料热解及燃烧产生气体的毒害性成分基本上可分为三类：窒息性或昏迷性成分、对感官或呼吸器官有刺激性成分、其它异常毒害性成分。

表1-7有机高分子材料燃烧所产生的有害气体（2）中毒——COCO人吸入后和血液中的血红蛋白结合成为一氧化碳血红蛋白。当CO和血液50％以上的血红蛋白结合时，便能造成脑和中枢神经严重缺氧，继而失去知觉，甚至死亡。即使吸入量在致死量以下，也会因缺氧而头痛无力及呕吐等，导致不能及时逃离火场而死亡。火灾死亡统计资料：大部分罹难者是因吸入一氧化碳等有害气致死。表1-10CO浓度与暴露症状CO暴露浓度（ppm）暴露时间（min）症状50360～480不会出现副作用的临界值200120～180可能出现轻微头疼40050～120头疼、恶习60045头疼、头昏、恶习120瘫痪可能失去知觉100060失去知觉160020头疼、头昏、恶心32005～10头疼、头昏30失去知觉64001～2头疼、头昏10～15失去知觉，有死亡危险128001～3即可出现生理反应，失去知觉，有死亡危险（2）中毒——CO2随着二氧化碳浓度及暴露时间的增加，将对人体造成严重影响。譬如，当CO2

浓度在10％时，人体暴露时间2分钟，将导致意识模糊。CO2浓度(%)对人体的影响0.556h内不会产生任何症状1~2引起不适感3呼吸中枢受到刺激,呼吸频率增大,血压升高4感觉头痛、耳鸣、目眩、心跳加速5感觉喘不过气,30min内引起中毒6呼吸急促,感觉难受7~10数分钟内失去知觉,甚至死亡表1-11列出了除CO、CO2外的火灾烟气中部分有害气体允许浓度。表1-11部分有害气体允许浓度热分解气体的来源主要的生理作用短期（10min）估计致死浓度/ppm木材、纺织品、聚丙烯腈尼龙、聚氨酯以及纸张等物质燃烧时分解出不等量氰化氢，本身可燃，难以准确分析氰化氢（HCN）：一种迅速致死、窒息性的毒物；在涉及装潢和织物的新近火灾中怀疑有此种毒物，但尚无确切的数据。350纺织物燃烧时产生少量的、硝化纤维素和赛璐珞（由硝化纤维素和樟脑制得，现在用量减少）产生大量的氮氧化物二氧化氮（NO2）和其他氮的氧化物：肺的强刺激剂，能引起即刻死亡以及滞后性伤害>200木材、纺织品、尼龙以及三聚氰胺的燃烧产生；在一般的建筑中氨气的浓度通常不高；无机物燃烧产物氨气（NH3）：刺激性、难以忍受的气味，对眼、鼻有强烈的刺激作用>1000工程应用采用一种有效的简化处理方法来度量烟气中燃烧产物对人体的危害浓度，通常以一氧化碳浓度为主要的定量判定指标，即一氧化碳浓度小于0.25%（2500ppm）时，人员可以安全疏散。（3）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，黏附并聚集在肺泡壁上，引起呼吸道疾病和增大心脏病死亡率，对人体造成直接危害。除此之外，由于火灾过程中产生的大量烟气得不到有效并及时的净化，这大量污染气体便会使城市的PM2.5指数迅速升高，对人们的日常生活造成了严重影响，火灾中产生大量的CO2气体，会加剧温室效应。3、温度方面危害（1）高温烟气高温会引致烧伤、热虚脱、脱水及呼吸道闭塞（水肿），对于火场内及邻接区域的人员皆具危险性。当周围气体温度达到60℃时，人体尚能忍受一段时间，不过要视当时人的衣着及个人体质等因素决定承受时间的长短；若周围温度为120℃时，人体只能承受十几分钟；当火场温度达175℃时，只要一分钟人的皮肤就会受到严重的伤害。表1-13是不同温度下人体可耐受时间，目前工程应用认为安全的烟气温度应在60℃以下。温度/℃405060708090可忍受时间/min604635262015表1-13不同温度下人体可耐受时间（2）热辐射人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受极限是2.5kW/m2，处于这个程度的辐射热灼伤几秒钟之内就会引起皮肤强烈疼痛，辐射热为2.5kW/m2的烟气相当于上部烟气层的温度达到180~200℃。而对于较低的辐射热流，人员可以忍受5min以上。对于很短的曝火时间，例如快速通过一个发生火灾的封闭空间的敞开门洞所需的时间，甚至可以忍受10kW/m2辐射热流。热辐射强度<2.5kW/m22.5kW/m210kW/m2忍受时间>5min30s4s表1-14人体对辐射热的耐受极限人类无法存活指标人类危害忍受临界值温度和含水量<60℃，水分饱和100℃，水分含量<10%180℃，水分含量<10%耐受时间>30min12min1min（3）热对流火场中人员呼吸的空气已经被火源和烟气加热，吸入的热空气主要通过热对流的方式与人体尤其是呼吸系统换热。试验表明，呼吸过热的空气会导致热冲击（即高温情况下导致人体散热不畅出现的中暑症状）和呼吸道灼伤。研究表明火场中可吸入空气的温度不高于60℃才认为安全。

表1-12人体对热对流的耐受极限火灾烟气的遮光性、毒性、高温等都对人的感官有刺激作用，使人在逃离火场过程中会产生一些特定的心理反应。

表1-16人员疏散心理反应特征及其对人员疏散的影响程度4、心理方面危害心理反应特征特征说明与人员疏散的关系冲动侥幸冲动心理是由于外界环境的刺激引起的，受情绪左右，需要激情推动；侥幸心理是人们在特殊环境下的一种趋利避害的投机心理。两者密切联系，相互影响火灾环境的外在刺激使人们容易产生冲动的想法，可能在侥幸心理的支配下做出过激决策，应避免这种情况的出现躲避心理当察觉火灾等异常现象时，为确认而接近，但感觉危险时由于反射性的本能，马上向远离危险的方向逃跑起火车厢内人员因危险而往两侧疏散时，将造成人群移动的困难与混乱习惯心理对于经常使用的空间如走廊、楼梯、出入口等，有较深切的了解及安全感，火灾时宁可选择较危险但熟悉的路径应加强人员应急疏散培训和教育鸵鸟心态在危险接近且无法有效应对时，出现判断失误的概率增加且具有逃往狭窄角落方向的行动发生于地下空间内火灾，人们躲进封闭空间企图逃避危险服从本能人员在遭遇紧急状况时，较容易服从指示行事，但指令的内容必须非常简洁