防排烟工程 教学课件 ppt 作者 徐志胜 等 第一章 火灾烟气的产生及危害

防排烟工程目录 第一章、火灾烟气的产生及危害 第二章、火灾烟气的流动与控制 第三章、防排烟系统管路计算 第四章、建筑防排烟计算 第五章、公路隧道的防排烟 第六章、地铁防排烟设计 第七章、防排烟设备及联动控制 第八章、防排烟系统施工、调试、验收、维护第一章火灾烟气的产生及危害 【教学要求】 了解火灾烟气的组成；掌握烟气的相关特征参数；掌握烟气危害特性【重点与难点】 烟气的遮光性及其与能见度的关系烟气的主要危害及其耐受极限值 烟气是火灾燃烧过程中一项重要的产物。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案例传统节日-元宵节,晚上8.05分,中央电视台新址大火室内火灾911事件中的五角大楼 温富大厦火灾1 黄岩特大火灾 柞水丰禾超市火灾 公路火灾1.1烟气的概念和产生1.1.1烟气的概念美国试验与材料学会（ASTM）给烟下的定义是：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）对烟气的定义则是，在上述定义基础上增加文字“以及混合进去的任何空气”。烟气由三类物质组成：（1）燃烧物质释放出的高温蒸气和有毒气体；（2）被分解和凝聚的未燃物质（烟从浅色到黑色不等）；（3）由于卷吸而进入的空气。完全燃烧所产生的烟气成分中，主要为二氧化碳、水、二氧化氮、五氧化二磷等，有毒有害物质较少。不完全燃烧所产生的烟气成分中，除了上述生成物外，还可以产生一氧化碳、有机磷、烃类、多环芳香烃、焦油以及碳屑等固体颗粒。颗粒的性质因可燃物的性质不同存在很大的差异。1.1.2材料的发烟性能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。而在相同条件下，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。发烟量是指单位质量可燃材料所产生的烟量。表1-1为各种材料在不同温度下燃烧，当达到相同的减光程度时的发烟量，其中Kc为烟气的减光系数（其定义见1.2.3节）。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 4.0 1.8 0.4 杉木 3.6 2.1 0.4 普通胶合板 4.0 1.0 0.4除了发烟量外，各种材料的发烟速度也不相同。发烟速度是指单位质量的可燃物在单位时间内的发烟量。表1-2为实验测得的部分材料的发烟速度。 难燃胶合板 3.4 2.0 0.6 硬质纤维板 1.4 2.1 0.6 锯木屑板 2.8 2.0 0.4 玻璃纤维增强塑料 6.2 4.1 聚氯乙烯 4.0 10.4 聚苯乙烯 12.6 10.0 聚氨酯（人造橡胶之一） 14.0 4.0表1-2各种材料在不同温度下的发烟速度[m3/(s·g)] 材料名称 加热温度（℃） 225 230 235 260 280 290 300 350 400 450 500 550 针枞 0.72 0.80 0.71 0.38 0.17 0.17 杉 0.17 0.25 0.28 0.61 0.72 0.71 0.53 0.13 0.13 普通胶合板 0.03 0.19 0.25 0.26 0.93 1.08 1.10 1.07 0.31 0.24 难燃胶合板 0.01 0.09 0.11 0.13 0.20 0.56 0.61 0.58 0.59 0.22 0.20 硬质板 0.76 1.22 1.19 0.19 0.26 0.27 微片板 0.63 0.76 0.85 0.19 0.15 0.12 苯乙烯泡沫板A 1.58 2.68 5.92 6.90 8.96 苯乙烯泡沫板B 1.24 2.36 3.56 5.34 4.46 聚氨酯 5.0 11.5 15.0 16.5 玻璃纤维增强塑料 0.50 1.0 3.0 0.50 聚氯乙烯 0.10 4.5 7.50 9.70 聚苯乙烯 1.0 4.95 1.971.2.1烟气的压力在火灾发生、发展和熄灭的不同阶段，建筑物内烟气的压力分布是各不相同的。以着火房间为例，在火灾发生初期，烟气的压力很低，随着着火房间内烟气量的增加，温度上升，压力相应升高。当发生轰燃时，烟气的压力在瞬间达到峰值，门窗玻璃均可能被震破。—旦烟气和火焰冲出门窗孔洞之后，室内烟气的压力就很快降低下来，接近室外大气压力。据测定，一般着火房间内烟气的平均相对压力约为10～15Pa，在短时可能达到的峰值约为35～40Pa。批注：1、火风压室内发生火灾后，产生的火风压可能使屋顶发生位移，或在墙体上产生裂缝。火风压对火灾蔓延的作用主要表现在使起火房间内部压力升高，加快热烟气的蔓延速度。1.2烟气的表征参数表征烟气特性的常用参数有压力、温度、遮光性、光学密度以及烟尘颗粒大小等。1.2.3烟气的遮光性由于烟气中的固体和液体颗粒对光有着散射和吸收作用，使得只有一部分光能透过烟气，造成火场能见度大大降低，这就是烟气的遮光性。由于烟气的减光作用，火灾烟气导致人们辨认目标的能力大大降低，并使事故照明和疏散标志的作用减弱。烟气的遮光性可通过测量光束穿过烟气层后的强度衰减来确定，测量如图1-1所示。I0IL图1-1烟气遮光性测量装置示意图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称为该空间的透射率。若该空间没有烟气，则射入和射出的光强度几乎不变，即透射率等于1。光束通过的距离越长，光束强度衰减的程度越大。根据郎伯比尔（Lambert-Beer）定律，有烟情况下的光强度I可表示为：I=I0·exp（–KcL）（1-1） 式中，Kc——烟气的减光系数（m-1），它表征烟气减光能力，其大小与烟气浓度、烟气颗粒的直径及分布有关；I0——光源的光束强度（cd）；I——光源穿过一定距离以后的光束强度（cd）；L——光束穿过的距离（m）。式（1-1）整理可得： lnI=lnI0-KcL（1-2）从上式可见，在相同的距离L和一定的光源强度I0下，减光系数Kc增大，受光器处的光强I下降，了烟气层的烟气的浓度是增大的；反之，Kc减小，相应的I增高。说明了减光系数Kc的大小代表着烟气浓度的大小。烟气的遮光性还可以用百分减光度来描述，其定义式为B=（I0-I）/I0×100%（1-3）式中，（I0-I）——光强度的衰减值（cd）；B——百分减光度（%）。1.2.4烟气的光学密度将给定空间中烟气对可见光的减光作用定义为光学密度DD=–lg（I/I0） （1-4）将式（1-1）代入式（1-4），得到D=KcL/2.303 （1-5）这表明烟气的光学密度与烟气质量浓度、比消光系数和光线行程长度成正比。为比较烟气浓度，通常将单位长度光学密度D0作为描述烟气浓度的基本参数，单位为m-1，即表示为：D0=D/L=Kc/2.303（1-6） 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。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） 1.00 0 任意 0 0 0.90 10 1.0 0.046 0.105 10.0 0.0046 0.0105 0.60 40 1.0 0.222 0.511 10.0 0.022 0.0511 0.30 70 1.0 0.523 1.20 10.0 0.0523 0.12 0.10 90 1.0 1.00 2.30 10.0 0.10 0.23 0.01 99 1.0 2.00 4.61 10.0 0.20 0.461.2.5烟气颗粒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，通常采用颗粒几何平均直径dgn表示，其定义为：（1-7）式中，N——总的颗粒数（个）；Ni——第i个颗粒直径间隔范围内颗粒的数目（个）；di——颗粒直径（μm）。颗粒尺寸分布的差用表示，即：（1-8）如果所有颗粒直径都相同，则=1。如果颗粒直径分布为对数正态分布，则占总颗粒数66.8%的颗粒，其直径处于之间的范围内。越大，表示颗粒直径的分布范围越大。表1-4给出了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。表1-4一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 dgn/μm 燃烧状态 杉木 0.5~0.9 2.0 热解 杉木 0.43 2.4 明火燃烧 聚苯乙烯 0.9~1.4 1.8 热解 聚苯乙烯 0.4 2.2 明火燃烧 软质聚氨酯塑料 0.8~1.8 1.8 热解 软质聚氨酯塑料 0.3~1.2 2.3 热解 软质聚氨酯塑料 0.5 1.9 明火燃烧 绝热纤维 2.0~3.0 2.4 阴燃1.3烟气的危害火灾时高温烟气的危害主要表现在三个方面：即能见度的影响、呼吸方面危害及温度方面危害。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。1.3.1能见度方面危害烟气对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。能见度指的是人们在一定环境下刚好能看到某个物体的最远距离。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。能见度与减光系数和单位光学密度有如下关系：式中，V——能见度（m）；Kc——减光系数（m-1）；R——比例系数，它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）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；以及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；还有暴露在刺激性与非刺激性烟气的情况下，人沿走廊的行走速度与烟气减光系数的关系进行了测试，得出图1-2、1-3、1-4如下：图1-2发光标志的能见度与减光系数的关系图1-3在刺激性与非刺激性烟气中人的能见度图1-4在刺激性与非刺激性烟气中人的行走速度通过对图1-2的，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。图1-3 表示在刺激性与非刺激性烟气两情况下，发光标志的能见度与减光系数的关系。可见公式（1-9）给出的能见度的关系式不适应于刺激性烟气，在浓度大且有刺激性的烟气中，受试者无法将眼睛睁开足够长的时间以看清目标。图1-4给出了暴露在刺激性与非刺激性烟气的情况下，人沿走廊的行走速度与烟气减光系数的关系。当减光系数为0.4m-1时，通过刺激性烟气的行走速度仅是通过非刺激性烟气时的70%。当减光系数大于0.5m-1时，通过刺激性烟气的行走速度降至约0.3m/s，相当于普通人蒙上眼睛时的行走速度。火灾中烟气对人员生命安全的影响不仅仅是生理上的，还包括对人员心理方面的副作用。当人员受到浓烟的侵袭时，在能见度较低的情况下，极易产生恐惧与惊慌，尤其当减光系数在0.1m-1时，人员便不能正确进行疏散决策，甚至会失去理智而采取不顾一切的异常行为。表1-5给出了适用于小空间和大空间的最低减光度。表1-5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-1 0.2 0.08 能见度/m 5 101.3.2呼吸方面危害（1）缺氧由于火灾引致的亢奋及活动量往往增加人体对氧气的需求，因此实际上在氧气浓度尚高时，即可能已出现氧气不足症状。一般环境中氧气浓度在10%下，即导致失能与死亡；而研究显示，当环境氧气浓度低于9.6%时，人们无法继续进行避难逃生，而此值常作为人员需氧浓度的临界值。空气中缺氧对人体的影响情况见表1-6。 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（2）有害气体一般高分子材料热解及燃烧生成物成分种类繁杂，有时多达百种以上，然而对人体生理有具体毒害效应的气体生成物仅是其中一部分，这些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为一些常见有机高分子材料燃烧所产生的有害气体。 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、氨基树脂等含氮高分子材料 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、乙酸虽从火灾死亡统计资料得知，大部分罹难者是因吸入一氧化碳等有害气致死，但有时不宜过于强调，因为没有一次火灾情况是相同的。表1-8列出了部分有害气体允许浓度。表1-8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 PVC电绝缘材料、其他含氯高分子材料及阻燃处理物 氯化氢（HCL）：呼吸道刺激剂，吸附于微粒上的HCL的潜在危险性较之等量的HCL气体要大 >500，气体或微粒存在时表1-8部分有害气体允许浓度工程应用中通常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，即若烟气的光学密度不大于0.1m-1或能见度大于等于10m，则可认为各种有害燃烧产物的浓度在30分钟内不会达到人体的耐受极限，通常以CO的浓度为主要的定量判定指标。（3）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。1995年David（戴维）提出空气中CO浓度与人体暴露的临界忍受时间，可作为危害评估的参考。CO对人体失能忍受时间表达式为（1-10）式中，t——人体的忍受时间（min）；XCO——烟气中CO浓度（％）。表1-9一氧化碳对人体的影响4）二氧化碳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（表1-10）。 浓度/ppm（﹪） 暴露时间 危害效应 100（0.01﹪） 8小时内 尚无感觉 400~500（0.05﹪） 1小时内 尚无感觉 600~700（0.07﹪） 1小时内 感觉头痛、恶心、呼吸不畅 1000~2000（0.2﹪） 2小时内 意识朦胧、呼吸困难、昏迷、逾2小时即死亡 3000~5000（0.5﹪） 20~30分钟内 即死亡 10000（1﹪） 1分钟内 即死亡表1-10二氧化碳对人体的影响 CO2浓度/％ 暴露时间 危害效应 17~30 1分钟内 丧失控制与活动力、无意识、抽搐、昏迷、死亡 10~15 1分钟至数分钟 头昏、困倦、严重肌肉痉挛 7~10 1.5分钟至1小时 无意识、头痛、心跳加速、呼吸短促、头昏眼花、冒冷汗、呼吸加快 6 1至2分钟 心悸、视力模糊 16分钟 头痛、呼吸困难 数小时 颤抖 4~5 数分钟内 头痛、头昏眼花、血压升高、呼吸困难 3 1小时 轻微头痛、冒汗、静态呼吸困难 2 数小时 头痛、轻微活动下呼吸困难1.3.3温度方面危害（1）火焰（Flame）与温度（Heat）烧伤可能因火焰的直接接触及热辐射引起。由于火焰很少与燃烧物质脱离，故只对邻接区域内人员常产生直接威胁，这点与烟气不同。烟气温度对于火场内及邻接区域的人员皆具危险性。姑且不论氧气消耗或毒害性效应，由火焰产生的热空气及气体，亦能引致烧伤、热虚脱、脱水及呼吸道闭塞（水肿）。对于健康、着装整齐的成年男子，克拉尼（Cranee）推荐了温度与极限忍受时间的关系式为：（1-11）式中，t——极限忍受时间（min）；T——烟气温度（℃）。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65~100℃。（2）热辐射研究表明火灾中火源释放的热量近70%通过对流传热方式进入烟气层。若火场中烟气不能及时排出，当聚集的烟气温度达到较高温度时（通常认为达到600℃时），烟气将辐射大量的热作用于火场中尚未被点燃的物体致使其裂解出可燃气体，当裂解出的可燃气体足够多时，最终可能致使火场中绝大多数可燃物在短时间内都燃烧起来，这种现象称为轰燃。轰燃现象表明火场中作用于人体的热量主要来自于烟气层的热辐射，因此控制烟气的温度对火场中的人员疏散有积极意义。表1-11人体对辐射热的耐受极限 热辐射强度 <2.5kW/m2 2.5kW/m2 10kW/m2 忍受时间 >5min 30s 4s（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.表1-12人体对热对流的耐受极限研究表明火场中可吸入空气的温度不高于60℃才认为安全。 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 >30min 12min 1min复习题1.火灾烟气的组成成分？2.烟气遮光性的定义？它与能见度的关系如何？3.烟气的相关特征参数有哪些？4.火灾烟气的危害性主要体现在哪些方面？