火灾烟气毒害性研究与危害性分析

火灾烟气毒害性研究及危害性评价文献综述

【摘要】火灾是一种严重的灾难，已普遍受到人们的关注。造成火灾死亡的主要原因是火灾烟气。气体毒性研究的主要目的是为了评价火灾烟气的不同组成成分的毒性,长期以来在如何评估火灾烟气的潜在危害性方面，得出了一些方法。而且现在火灾烟气毒性研究已成为毒理学研究的一个新兴领域。在中国知网中检索最近五年的文献资料，总结出国内外关于火灾烟气毒害性研究的一些方法模型，讨论这些方法的优缺点，并探讨了火灾烟气毒害性研究及危害性评价的发展方向。

【关键词】火灾烟气；毒害性；危害性；方法模型；发展方向

Toxic Smoke and Fire Hazard Assessment Research Literature Review

Abstract:

0 引言

最近这些年来，火灾频频发生，对人们的危害也越来越大，然而造成火灾死亡的主要原因是火灾烟气，火灾统计数据表明，火灾中85%的死亡人员都是吸入有毒烟气造成的[1]。

人们对火灾烟气毒害性与危害性的研究也已经有了很长一段时间的历史，国外从20世纪60年代，我国公安部四川消防研究所从20世纪80年代中期，开始了一系列火灾烟气毒害性评价的研究工作。具体来说，20世纪70年代到90年代，美国国家标准和技术研究所（National Institute of Standard and Technology，NIST），英国国防部、德国标准机构以及日本建设部等提出了各种研究火灾烟气毒性的评价指标和试验方法[2]。火灾烟气毒害性的研究非常复杂，涉及到多个学科的相互交叉，其中包括物理学、化学、生物毒理学、环境科学和行为学等有关内容[3]。在最近这些年的研究中，不同国家，不同地方的研究人员用不同研究方法得出了不同的理论模型。总的来说，各种方法都有自己的优缺点，但对于现实生活中的建筑物的设计和材料的选择有一定的作用。

为了了解现在火灾烟气毒害性研究和危害性评价的研究状况，作者在中国知网数据库检索了国内最近五年的有关论文发表情况，并对结果进行分析，对火灾烟气毒性研究内容、方向、方法和成果进行汇总、归类和分析。

1火灾烟气成分

在最近这些年的研究中，人们对于火灾危害的研究，首先是对于火灾烟气成分的研究。美国试验与材料学会（ASTM）对烟气下的定义是：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。也就是说，起火后包围着火焰的云状物就是烟气，即是物质燃烧后释放出的高温蒸汽和有毒气体[4-5]。

火灾烟气是多种混杂物燃烧而释放出来的，所以，它的组成成分及其复杂，一般来说，火灾烟气中含有一氧化碳、二氧化碳、氰化氢、氯化氢、溴化氢和硫化氢等。这些只是气体状物质，其中还含有大量的

粒径在几微米到几十微米的含碳颗粒等粉尘，这些固体颗粒是火灾烟气的主要有色成分，其毒害性较小，火灾烟气的主要毒害性作用是那些化学物质[6-7]。

2 国内外火灾烟气毒性研究现状

2.1 火灾烟气毒性评价标准

在中国知网上检索了最近五年的有关火灾烟气毒性研究的学术论文发表情况，得出最近几年国内外对火灾烟气毒性研究的最新动态。阅读文献会得知国内外学者的关于火灾烟气毒性研究的不同方法、不同理论模型，也得出了不同的关于烟气毒性的定性评价采取的定量指标[8]。如表1所示。

表1 烟气毒性定量评价指标

指标名称 简要介绍

LC 50(Lethal Concentration)

使50%的试验动物在规定暴露时间及暴露

后的继续观察时间内产生死亡的烟气浓度

LT 50(Lethal Time)

燃烧炉燃烧1g 某材料释放的烟气

杀死50%试验动物所需的时间

LL 50(Lethal Loading)

在固定暴露时间内，燃烧炉释放的烟气

能杀死50%试验动物时的材料质量

IC 50(Incapacitation Concentration)

使50%试验动物失能的浓度

暴露时间

一般暴露时间为30min ，暴

露后观察时间为10min~14d 2.2 火灾烟气毒性定量研究的理论模型

2.2.1 N-气体模型

N-气体模型是一种基于假设的理想模型，它的假设前提是：火灾烟气中产生的毒性效果是由少数几种气体造成的。这种假设避免了火灾烟气非常复杂的烟气组分研究，忽略了含量少、其作用小的气体，仅仅研究的是毒性较大、含量较多的火灾烟气组成成分。其综合效应就是考虑这几种气体的各自效应，一般考虑的有七中气体，是：CO ，CO 2，O 2(贫氧)，HCl ，HBr ，HCN ，NO 2。其一般计算公式为

][][][][][21][21][][][]

[50502502502HBr LC HBr HCl LC HCl O LC O HCN LC HCN b CO CO m N ++--++-=气体值

其中，中括号内的数目是该种气体在空气中的浓度，常数是在30min 及14天观察期间的总死亡数。m 和b 的值则由实验决定，当CO 2的浓度小于或等于5%时，m 和b 的取值分别为-18和122000，当CO 2浓度大于5%时，m 和b 的取值分别为23和-386000[9-11]。

有关研究得出，该气体模型中如果N 的值为1的话，则试验中的动物会部分死亡；如果N 的值小于0.8的话，则试验中的动物不会死亡；如果N 的值大于1.3的话，则试验中的动物会全部死亡。而且研究还得出，该N-气体模型中的值仅仅考虑了各自气体的单独作用对试验动物的影响，但是火灾烟气中的成分

是非常复杂的，它们的作用也一定是相互影响的，其共同作用有时候可能是毒性增强，有时候也可能使毒性减弱，目前人们已经发现CO 2和CO 、NO 2之间存在协同作用，NO 2和HCN 之间存在着拮抗作用[12-13]。因此说，该气体模型也是又一定的缺点的。

2.2.2 FED 或FEC 评价模型

（1）FED 模型的依据是相对有效暴露剂量（Fractional effective exposure dose ）概念[14]。FED 模型先是测量燃烧燃料释放出的某些气体的数量，再把各测量结果转换成它们各自要杀死某种动物所需的总剂量中所占的比例。假设毒性可以单相加，则FED 可以定义为

∑

⎰=i i i t

i LC dt C FED )(500 上式中C i 为第i 种气体的浓度，LC 50(i)t 为i 种气体的半数致死浓度与时间的乘积。

（2）窒息性气体的FED 模型的基本原理[15]是

t Ct C FED n i t t i i ∆=∑∑

=12

1)(

上式中C i 为第i 种窒息性气体的浓度，（Ct ）i 为使试验动物失能的某种气体的表情哦了水平。模型的建立者认为，在氧气浓度不低于13%时，可以不考虑氧气的毒害作用，此时的最主要的窒息性气体是CO 和HCN [16-17]。

（3）FEC 模型主要是刺激性气体的相对有效浓度（Fractional effective concentration ）概念。FEC 模型是各种刺激性气体浓度对导致暴露试验动物产生效应的浓度的比率之和。刺激性气体对人体的呼吸系统、感官和肺的刺激效应可以使用一个总相对阈值浓度概念来评价[18]。该模型假设各种刺激性气体的刺激作用具有可加性。则FEC 的表达式为

∑++-=+++++=

-=i 222][][][][][][][][222IC IC HCHO IC CHO CH CH IC NO IC SO IC HF IC HBr IC HCl FED HCHO CHO

CH CH NO SO HF HBr HCl 刺激性气体 式中浓度均用10-6表示，每种刺激性气体的FEC 值有其不同的暴露时间决定，再求和得总FEC 值。如果在任何暴露时间内的总FEC 值高于FEC 阈值，将会对暴露在此气体浓度下的人员产生严重的刺激作用，可能会对居民的安全逃生产生显著的不利影响[19-20]。

2.2.3 TGAS 模型

TGAS 模型以肺组织内的血-气平衡为基础，考虑各种因素导致的换气量变化，推导出对时间的微分方程来计算体重标准化的内部剂量，并进一步计算不同时间的失能概率[21]。

运用TGAS 模型计算了四种不同火灾场景内烟气对人的失能作用，其计算结果

[22]如表2所示。 表2 TGAS 模型计算火灾烟气对人失能作用影响

火灾场景 失能率达50%的间隔 烟气层、空气层数 烟气层平均50%的 失能时间（min ） 空气层平均50% 的失能时间(min)