《建筑防排煙工程》 課件 1火災煙氣的產(chǎn)生及危害

建筑防排煙工程第一章火災煙氣的產(chǎn)生及危害1.1煙氣的生成和組成1.1.1煙氣的生成1.1.2煙氣的組成1.2煙氣的特性1.2.1煙氣的狀態(tài)參數(shù)1.2.2煙氣的濃度1.2.3煙氣的遮光性1.2.4材料發(fā)煙特性【主要內(nèi)容】1.3煙氣的危害1.3.1能見度方面危害1.3.2呼吸方面危害1.3.3溫度方面危害1.3.4心理方面危害火災是在時間或空間上失去控制的燃燒。燃燒是可燃物與氧化劑發(fā)生的一種劇烈的發(fā)光、發(fā)熱的化學反應，且通常伴隨著熱分解反應（熱解是物質(zhì)由于溫度升高而發(fā)生無氧化作用的不可逆化學分解）。在一定的溫度下，燃燒反應的速度并不快，但熱分解的速度很快，此時的燃燒沒有火焰和發(fā)光現(xiàn)象，但有發(fā)煙現(xiàn)象?；馂臒煔馐腔馂倪^程中物質(zhì)因熱解和燃燒作用而形成的一種重要產(chǎn)物，其生成與燃燒工況有著密切的關(guān)系。1.1煙氣的產(chǎn)生和組成事故統(tǒng)計表明：火災中80%以上死亡是由煙氣所導致。除了極少數(shù)情況外，幾乎所有火災中都會產(chǎn)生大量煙氣。火災煙氣生成與燃燒工況密切相關(guān)1.1.1煙氣的產(chǎn)生完全燃燒產(chǎn)物中煙氣成分主要取決于可燃物的組成和燃燒條件，大多為二氧化碳、水、二氧化氮、五氧化二磷或鹵化氫等，有毒有害物質(zhì)相對較少。不完全燃燒產(chǎn)物主要是一氧化碳、有機磷、醇、醚、多環(huán)芳香烴等有機化合物，多為有毒有害物質(zhì)。除了處于燃料控制下的初期增長階段以及可燃物幾乎消耗殆盡的減弱階段，建筑火災的燃燒常常屬于不完全燃燒。煙氣包含：完全燃燒產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物。1.1.1煙氣的產(chǎn)生煙氣定義美國消防工程師協(xié)會編寫的《消防工程師手冊》（SFPE）：燃燒產(chǎn)物的煙霧氣溶膠或凝結(jié)相成分，煙氣主要組成包括煙灰、半揮發(fā)性有機化合物和固體無機化合物購車的微顆粒成分，以及非常易揮發(fā)的有機化合物、揮發(fā)性有機化合物、液態(tài)和氣態(tài)無機化合物組成的非顆粒成分。美國試驗與材料學會（ASTM）：某種物質(zhì)在燃燒或分解時散發(fā)出的固態(tài)或液態(tài)懸浮微粒和高溫氣體。美國消防協(xié)會中庭建筑煙氣控制設(shè)計指南（NFPA92B）：在上述基礎(chǔ)上增加“以及混合進去的任何空氣”。1.1.2煙氣的組成火災煙氣由三類物質(zhì)組成：①熱解和燃燒所生成的氣（汽）體；②熱解和燃燒所生成懸浮微粒；③由于卷吸而進入的空氣。1.1.2煙氣的組成1.熱解和燃燒所生成的氣（汽）體①有機化合物（碳、氫、硫、磷等元素）：二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、水蒸氣（H2O）、二氧化硫（SO2）和五氧化二磷（P2O5）等。少量氫氣（H2）和碳氫化合物（CxHy）。②高分子合成材料：游離基③發(fā)生、發(fā)展和熄滅各階段中煙氣組成不同。1.1.2煙氣的組成2.熱解和燃燒所生成的懸浮微粒①煙顆粒：游離碳（炭黑粒子）、焦油類粒子和高沸點物質(zhì)的凝縮液滴等。②陰燃：熱分解的揮發(fā)分產(chǎn)物；白色、青白色③有焰燃燒：碳顆粒（大部分）、灰分；黑色1.1.2煙氣的組成3.由于卷吸而進入的空氣煙氣中只有很小部分來源于燃燒產(chǎn)物，而大部分是這種卷吸作用進入的空氣。1.1.2煙氣的組成1.2.1煙氣的狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度、密度）

1.壓力一般著火房間內(nèi)煙氣的平均相對壓力Pys為10～15Pa，在短時可能達到的峰值為35～40Pa。煙氣的絕對壓力Py為：由于Pys相對P0可忽略不計，故1.2煙氣的特性1.2.1煙氣的狀態(tài)參數(shù)2.溫度著火房間內(nèi)最高溫度也不同，低則達500～600℃，高則達800～1000℃。地下建筑火災中煙氣溫度可高達1000℃以上?；旌虾鬅煔鉁囟龋簱交旌鬅煔鉁囟冉?jīng)驗公式：煙氣絕對溫度：1.2煙氣的特性1.2.1煙氣的狀態(tài)參數(shù)3.密度利用理想氣體方程PM=ρRT推導煙氣的比容Vy或密度ρy對于火災煙氣來說，Py≈P0，故煙氣密度為：在平原地區(qū)，可用標準大氣壓Pb≈P0。煙氣的密度一般比空氣稍大，但兩者差值最大也不超過3%。1.2煙氣的特性1.有毒氣體的濃度任何一種有毒氣體的分體積Vi占煙氣總體積Vy的比例，稱為該有毒氣體在煙氣中的體積分數(shù)ri百分濃度%百萬分濃度ppm1.2.2煙氣的濃度2.煙粒子的濃度質(zhì)量濃度、顆粒濃度和光學濃度質(zhì)量濃度顆粒濃度光學濃度1.2.2煙氣的濃度設(shè)由光源射入測量空間的光束強度為I0，該光束由測量空間L射出后的強度為I，則比值I/I0稱為該空間內(nèi)煙氣透射率。透射率倒數(shù)的常用對數(shù)稱為煙氣的光學密度。光束經(jīng)過的距離是影響光學密度的重要因素。單位長度光學密度D0（m-1）1.2.3煙氣的遮光性光源光敏元件穩(wěn)定電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1-4煙氣遮光性測量裝置示意圖LI0I根據(jù)Beer-Lambert定律，有煙情況下的受光器處光強度I可表示為：Kc稱為煙氣的減光系數(shù)。據(jù)此，減光系數(shù)可表示為：描述煙的遮光性也可用百分遮光度B（%）：1.2.3煙氣的遮光性在相同的距離l和一定的光源強度I0下，受光器處的光強I下降，透射率降低，減光系數(shù)Kc增大，百分遮光度B增大，單位光學密度D0和光學密度D增大，說明了空間內(nèi)煙氣的遮光性增強，煙粒子濃度增大；反之，受光器處的光強I上升，透射率增大，減光系數(shù)Kc減小，百分遮光度B減小，單位光學密度D0和光學密度D減小，說明了空間內(nèi)煙氣的遮光性變?nèi)?，煙粒子濃度減小。煙氣的遮光性與煙氣的光學密度可以相互轉(zhuǎn)換，它們的對應關(guān)系見表1-3。1.2.3煙氣的遮光性表1-3

煙氣遮光性與光學密度的對應關(guān)系透射率（I/I0）百分減光度（B/%）長度（L/m）單位光學密度（D0/m-1）減光系數(shù)（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各種可燃物在不同溫度下，其發(fā)煙性能也各不相同。少數(shù)純?nèi)剂希ㄈ缫谎趸肌⒓状?、甲醛、乙醚等）燃燒的火焰不發(fā)光，且基本上不產(chǎn)生固態(tài)或液態(tài)懸浮微粒。大分子燃料燃燒時的發(fā)煙量卻比較顯著。在自由燃燒情況下，固體可燃物（如木材）和部分經(jīng)過氧化的燃料（如乙醇、丙酮等）的發(fā)煙量比生成這些物質(zhì)的碳氫化合物（如聚乙烯和聚氯乙烯）的發(fā)煙量少得多。發(fā)煙量：單位質(zhì)量可燃材料所產(chǎn)生的煙量。發(fā)煙速度：單位質(zhì)量的可燃物在單位時間內(nèi)的發(fā)煙量。1.2.4材料發(fā)煙特性木材類在溫度升高時，發(fā)煙量有所減少。這主要是由于分解出的碳質(zhì)微粒在高溫下又重新燃燒，且溫度升高后減少了碳質(zhì)微粒的分解所致。高分子有機材料能產(chǎn)生大量的煙氣。表1-1各種材料在不同溫度下的發(fā)煙量（Kc=0.5m-1）材料名稱發(fā)煙量/（m3/g）300℃400℃500℃松4.01.80.4杉木3.62.10.4普通膠合板4.01.00.4難燃膠合板3.42.00.6硬質(zhì)纖維板1.42.10.6鋸木屑板2.82.00.4玻璃纖維增強塑料6.24.1聚氯乙烯4.010.4聚苯乙烯12.610.0聚氨酯（人造橡膠之一）14.04.0表1-2各種材料在不同溫度下的發(fā)煙速度[m3/(s·g)]木材類在加熱溫度超過350℃時，發(fā)煙速度一般隨溫度的升高而降低。高分子有機材料則恰好相反。高分子材料的發(fā)煙速度比木材要大得多，因為高分子材料的發(fā)煙系數(shù)大，且燃燒速度快之故?！綤TV火災】材料名稱加熱溫度（℃）225230235260280290300350400450500550針樅0.720.800.710.380.170.17杉0.170.250.280.610.720.710.530.130.13普通膠合板0.030.190.250.260.931.081.101.070.310.24難燃膠合板0.010.090.110.130.200.560.610.580.590.220.20硬質(zhì)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玻璃纖維增強塑料0.501.03.00.50聚氯乙烯0.104.57.509.70聚苯乙烯1.04.951.97火災煙氣危害：能見度、呼吸、溫度、心理方面危害。前兩種危害直接威脅到人的生命安全，是造成火災時人員傷亡的主要因素。1、能見度方面危害能見度：是指人們在一定環(huán)境下剛好能看到某個物體的最遠距離。能見度的影響主要有兩方面：一、是煙氣的減光性使能見度降低，疏散速度下降；二、是煙氣有視線遮蔽及刺激效應，會助長驚慌狀況，擾亂疏散秩序。主要由煙氣的濃度決定，同時還受到煙氣的顏色、物體的亮度、背景的亮度以及觀察者對光線的敏感程度等因素的影響。1.3煙氣的危害式中V——能見度（m）；Kc——減光系數(shù)（m-1）；R——比例系數(shù)，反映了特定場合下各種因素對能見度的綜合影響；D0——單位長度光學密度（m-1）。

大量火災案例和實驗結(jié)果表明，即便設(shè)置了事故照明和疏散標志，火災煙氣仍可導致人們辨識目標和疏散能力的大大下降。（1-9）能見度與減光系數(shù)和單位光學密度有如下關(guān)系：圖1-2發(fā)光標志的能見度與減光系數(shù)的關(guān)系白色煙氣是陰燃產(chǎn)生的，黑色煙氣是明火燃燒產(chǎn)生的。通過白色煙氣的能見度較低，可能是由于光的散射率較高。他建議對于疏散通道上的反光標志、疏散門以及有反射光存在的場合，R取2~4；對自發(fā)光標志、指示燈等，R取5~10。由此可知，安全疏散標志最好采用自發(fā)光標志。Jin（金）對自發(fā)光標志和反光標志在不同煙氣情況下的能見度進行了測試。圖1-4在刺激性與非刺激性煙氣中人的行走速度煙氣對眼睛的刺激作用也會影響能見度。在刺激性的煙氣中，人的眼睛睜時間、行走速度將降低，能見度低于非刺激性的煙氣。Jin（金）對暴露于刺激性煙氣中人的能見度和移動速度與減光系數(shù)的關(guān)系進行了實驗。表1-6給出了人可以耐受的能見度極限值。小空間通常功能分區(qū)簡單，進入其中的人對內(nèi)部構(gòu)造可能熟悉起來比較容易，而且小空間到達安全出口的距離短，能見度的要求就相對低一些；大空間內(nèi)功能分區(qū)復雜，人員流動性大，對疏散設(shè)施不容易熟悉，尋找安全出口需要看得更遠，因此能見度要求更高。故在疏散安全設(shè)計上，通常采用最小能見度為10m。表1-6人員可以耐受的能見度極限值參數(shù)小空間大空間光學密度/m-10.20.08能見度/m510為保證安全疏散的極限視距[V]，必然有一個極限的減光系數(shù)[Ks]，即如表1-7所示。由表可見，在任何情況下都能保證安全疏散的煙氣光學濃度[D0]為0.1m-1左右。表1-7保證安全疏散的極限消光系數(shù)[Ks]值m-1

光源標志型式對建筑物熟悉者對建筑物不熟悉者發(fā)光型標志燈或窗1～20.17～0.33反射型指示燈或門0.4～0.80.07～0.132、呼吸方面危害大氣中環(huán)境氧氣濃度人體癥狀21％活動正常17~21％高山癥，肌肉功能會減退10~17%尚有意識，但顯現(xiàn)錯誤判斷力，神態(tài)疲倦本身不易察覺10%導致失能9.6%人們無法進行避難逃生6~8%呼吸停止，在6~8分鐘內(nèi)發(fā)生窒息（Asphyxiation）死亡（1）缺氧部分火災試驗顯示，在許多情況下任一毒害氣體尚未到達致死濃度之前，最低存活氧氣濃度或最高呼吸溫度已先行到達。當空氣中含氧量降低到15%時，人的肌肉活動能力下降降到10%～14%時，人就四肢無力，智力混亂，辨不清方向降到6%～10%時，人就會暈倒。所以，對于處在著火房間內(nèi)的人們來說，氧氣的短時致死濃度為6%。（2）中毒燃燒材料來源氣體產(chǎn)生種類所有高分子材料一氧化碳、二氧化碳羊毛、皮革、聚氨酯、尼龍含氮高分子材料氰化氫、一氧化氮、二氧化氮、氨羊毛、硫化橡膠、含硫高分子材料等二氧化硫、二硫化碳、硫化氫聚氯乙烯、含鹵素阻燃劑的高分子材料、聚四氟乙烯硫化氫、氟化氫、溴化氫聚烯類及許多其他高分子烷、烯聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯等苯酚醛樹脂酚、醛木材、紙張、天然原木纖維丙烯醛聚縮醛甲醛纖維素及纖維產(chǎn)品甲酸、乙酸高分子材料熱解及燃燒產(chǎn)生氣體的毒害性成分基本上可分為三類：窒息性或昏迷性成分、對感官或呼吸器官有刺激性成分、其它異常毒害性成分。

表1-7有機高分子材料燃燒所產(chǎn)生的有害氣體（2）中毒——COCO人吸入后和血液中的血紅蛋白結(jié)合成為一氧化碳血紅蛋白。當CO和血液50％以上的血紅蛋白結(jié)合時，便能造成腦和中樞神經(jīng)嚴重缺氧，繼而失去知覺，甚至死亡。即使吸入量在致死量以下，也會因缺氧而頭痛無力及嘔吐等，導致不能及時逃離火場而死亡。火災死亡統(tǒng)計資料：大部分罹難者是因吸入一氧化碳等有害氣致死。表1-10CO濃度與暴露癥狀CO暴露濃度（ppm）暴露時間（min）癥狀50360～480不會出現(xiàn)副作用的臨界值200120～180可能出現(xiàn)輕微頭疼40050～120頭疼、惡習60045頭疼、頭昏、惡習120癱瘓可能失去知覺100060失去知覺160020頭疼、頭昏、惡心32005～10頭疼、頭昏30失去知覺64001～2頭疼、頭昏10～15失去知覺，有死亡危險128001～3即可出現(xiàn)生理反應，失去知覺，有死亡危險（2）中毒——CO2隨著二氧化碳濃度及暴露時間的增加，將對人體造成嚴重影響。譬如，當CO2

濃度在10％時，人體暴露時間2分鐘，將導致意識模糊。CO2濃度(%)對人體的影響0.556h內(nèi)不會產(chǎn)生任何癥狀1~2引起不適感3呼吸中樞受到刺激,呼吸頻率增大,血壓升高4感覺頭痛、耳鳴、目眩、心跳加速5感覺喘不過氣,30min內(nèi)引起中毒6呼吸急促,感覺難受7~10數(shù)分鐘內(nèi)失去知覺,甚至死亡表1-11列出了除CO、CO2外的火災煙氣中部分有害氣體允許濃度。表1-11部分有害氣體允許濃度熱分解氣體的來源主要的生理作用短期（10min）估計致死濃度/ppm木材、紡織品、聚丙烯腈尼龍、聚氨酯以及紙張等物質(zhì)燃燒時分解出不等量氰化氫，本身可燃，難以準確分析氰化氫（HCN）：一種迅速致死、窒息性的毒物；在涉及裝潢和織物的新近火災中懷疑有此種毒物，但尚無確切的數(shù)據(jù)。350紡織物燃燒時產(chǎn)生少量的、硝化纖維素和賽璐珞（由硝化纖維素和樟腦制得，現(xiàn)在用量減少）產(chǎn)生大量的氮氧化物二氧化氮（NO2）和其他氮的氧化物：肺的強刺激劑，能引起即刻死亡以及滯后性傷害>200木材、紡織品、尼龍以及三聚氰胺的燃燒產(chǎn)生；在一般的建筑中氨氣的濃度通常不高；無機物燃燒產(chǎn)物氨氣（NH3）：刺激性、難以忍受的氣味，對眼、鼻有強烈的刺激作用>1000工程應用采用一種有效的簡化處理方法來度量煙氣中燃燒產(chǎn)物對人體的危害濃度，通常以一氧化碳濃度為主要的定量判定指標，即一氧化碳濃度小于0.25%（2500ppm）時，人員可以安全疏散。（3）塵害火災煙氣中懸浮微粒是有害的，危害最大的是顆粒直徑小于10μm的飄塵，它們?nèi)庋劭床灰姡荛L期漂浮在大氣中，少則數(shù)小時，長則數(shù)年。尤其是微粒小于5μm的飄塵，由于氣體的擴散作用，能進入人體肺部，黏附并聚集在肺泡壁上，引起呼吸道疾病和增大心臟病死亡率，對人體造成直接危害。除此之外，由于火災過程中產(chǎn)生的大量煙氣得不到有效并及時的凈化，這大量污染氣體便會使城市的PM2.5指數(shù)迅速升高，對人們的日常生活造成了嚴重影響，火災中產(chǎn)生大量的CO2氣體，會加劇溫室效應。3、溫度方面危害（1）高溫煙氣高溫會引致燒傷、熱虛脫、脫水及呼吸道閉塞（水腫），對于火場內(nèi)及鄰接區(qū)域的人員皆具危險性。當周圍氣體溫度達到60℃時，人體尚能忍受一段時間，不過要視當時人的衣著及個人體質(zhì)等因素決定承受時間的長短；若周圍溫度為120℃時，人體只能承受十幾分鐘；當火場溫度達175℃時，只要一分鐘人的皮膚就會受到嚴重的傷害。表1-13是不同溫度下人體可耐受時間，目前工程應用認為安全的煙氣溫度應在60℃以下。溫度/℃405060708090可忍受時間/min604635262015表1-13不同溫度下人體可耐受時間（2）熱輻射人體對煙氣層等火災環(huán)境的輻射熱的耐受極限是2.5kW/m2，處于這個程度的輻射熱灼傷幾秒鐘之內(nèi)就會引起皮膚強烈疼痛，輻射熱為2.5kW/m2的煙氣相當于上部煙氣層的溫度達到180~200℃。而對于較低的輻射熱流，人員可以忍受5min以上。對于很短的曝火時間，例如快速通過一個發(fā)生火災的封閉空間的敞開門洞所需的時間，甚至可以忍受10kW/m2輻射熱流。熱輻射強度<2.5kW/m22.5kW/m210kW/m2忍受時間>5min30s4s表1-14人體對輻射熱的耐受極限人類無法存活指標人類危害忍受臨界值溫度和含水量<60℃，水分飽和100℃，水分含量<10%180℃，水分含量<10%耐受時間>30min12min1min（3）熱對流火場中人員呼吸的空氣已經(jīng)被火源和煙氣加熱，吸入的熱空氣主要通過熱對流的方式與人體尤其是呼吸系統(tǒng)換熱。試驗表明，呼吸過熱的空氣會導致熱沖擊（即高溫情況下導致人體散熱不暢出現(xiàn)的中暑癥狀）和呼吸道灼傷。研究表明火場中可吸入空氣的溫度不高于60℃才認為安全。

表1-12人體對熱對流的耐受極限火災煙氣的遮光性、毒性、高溫等都對人的感官有刺激作用，使人在逃離火場過程中會產(chǎn)生一些特定的心理反應。

表1-16人員疏散心理反應特征及其對人員疏散的影響程度4、心理方面危害心理反應特征特征說明與人員疏散的關(guān)系沖動僥幸沖動心理是由于外界環(huán)境的刺激引起的，受情緒左右，需要激情推動；僥幸心理是人們在特殊環(huán)境下的一種趨利避害的投機心理。兩者密切聯(lián)系，相互影響火災環(huán)境的外在刺激使人們?nèi)菀桩a(chǎn)生沖動的想法，可能在僥幸心理的支配下做出過激決策，應避免這種情況的出現(xiàn)躲避心理當察覺火災等異常現(xiàn)象時，為確認而接近，但感覺危險時由于反射性的本能，馬上向遠離危險的方向逃跑起火車廂內(nèi)人員因危險而往兩側(cè)疏散時，將造成人群移動的困難與混亂習慣心理對于經(jīng)常使用的空間如走廊、樓梯、出入口等，有較深切的了解及安全感，火災時寧可選擇較危險但熟悉的路徑應加強人員應急疏散培訓和教育鴕鳥心態(tài)在危險接近且無法有效應對時，出現(xiàn)判斷失誤的概率增加且具有逃往狹窄角落方向的行動發(fā)生于地下空間內(nèi)火災，人們躲進封閉空間企圖逃避危險服從本能人員在遭遇緊急狀況時，較容易服從指示行事，但指令的內(nèi)容必須非常簡潔