火灾烟气

有机物烟气形成过程
热热
有 机
分 解
分 解 生
物
成
物
热 分 解
燃烧
二次分解生成物 燃烧生成物
二次分解 生成物
燃烧
燃烧生 成物
热分解生成物
烟气危害量级实例
以我国新建高层宾馆为例，一个客房放置两张床、写字 台、沙发、软椅茶几、木门壁橱等，还有床垫及床上用 品 、 地 毯 、 窗 帘 等 。 上 述 可 燃 物 。 约 相 当 于 30 ～ 40kg/m2 的 标 准 木 材 ， 即 平 均 火 灾 负 荷 密 度 为 30 ～ 40kg/m2。而一般木材在300℃时，其发烟量约为3～ 4m3/g，即3000～4000m3/kg。而较典型的客房面积 为 18m2 。 即 一 个 客 房 内 可 燃 物 按 木 材 的 发 烟 量 为 （ 35kg/m2×18m2×3500m3/kg ） 2205000m3 。 如 果发烟量不损失，可充满像北京长富宫饭店主楼（高 90m，标准层面积960m2）那样的高层建筑24座。
烟气的减光性
烟气的减光性：由于烟气中含有固体和液体颗粒， 对光有散射和吸收作用，从而使得火场能见度大大 下降。 此外，烟气中含有对人体有刺激性作用的气体如 SO2、H2S、HCl、Cl2、NO2、NH3等，使人眼流 泪，不易睁开，从而进一步影响人的视觉，影响撤 离火场的速度。
烟气的减光性
为了保证安全疏散，火场能见度（对反光物体而言） 必 需 达 到 5 ～ 30m ， 因 此 消 光 系 数 应 为 0.1 ～ 0.6m-1。而火灾发生时烟气的消光系数多为25～ 30m-1 ， 因 此 为 了 确 保 安 全 疏 散 ， 应 将 烟 气 稀 释 50～300倍。
DL作为描述烟气浓度的基本参数。
D KL KmLM S 2.3 2.3
DL

D L

KmMs 2.3

K 2.3
烟气的浓度和烟气光密度
在应用烟箱法研究和测试固体材料的发烟特性时，采用比
光密度Ds。所谓比光密度Ds是从单位面积的试样表面所
产生的烟气扩散在单位体积的烟箱内，单位光路长度的光
密度。比光密度Ds可用下式表示：
死亡时间（td）。
动物试验法
美国国家航空航天局（NASA）研制的水平管式加 热炉试验法，其试验装置如图4-2所示。加热炉加 热速度为40K/min，最高温度780～1100K。在 暴露室中放试验小鼠，暴露30分钟，测定小鼠停 止活动时间和小鼠死亡时间。从这些试验数据可判 断不同材料燃烧烟气的相对毒性，如表4-5所示。
第四章 火灾烟气
4.1 烟气的产生 4.2 烟气特征与危害 4.3 烟气的毒性评价
4.1 烟气的产生
烟气：由燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的固体 和液体微粒称为烟或烟粒子，含有烟粒子的气体称为烟 气。 烟气组成：（1）气相燃烧产物；（2）未燃烧的气态可 燃物；（3）未完全燃烧的液、固相分解物和冷凝物微 小颗粒。 烟气危害：（1）火灾烟气中含有众多的有毒、有害成 份、腐蚀性成份以及颗粒物等；（2）火灾环境高温缺 氧；（3）火场能见度较低。
68.8%的颗粒，其直径处于 log d gn log g
之间的范围内。
g越大则表示颗粒直径的分布范围越大。
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
d 燃gn 烧状态 g
杉木
0.5～0.9 2.0 热解
杉木
0.43
2.4 明火燃烧
聚氯乙烯（PVC）
0.9～1.4 1.8热解
聚氯乙烯（PVC）
0.4 2.2 明火燃烧
软质聚氨酯塑料（PU） 0.8～1.8 1.8 热解
硬质聚氨酯塑料（PU） 0.3～1.2 2.3 热解
硬质聚氨酯塑料（PU）
0.5
1.9 明火燃烧
绝热纤维
2～3 2.4 阴燃
烟气的浓度和烟气光密度
当一束光通过烟气时，由于烟气对光的吸收和散射作 用，使得只有一部分光能够通过烟气，从而降低了火区的 能见度，不利于火灾的扑救和火区人员疏散。烟气浓度越 大，该作用越强烈。
动物试验法
美国联邦航空局（FAA）的民航研究所（CAMI） 提出了另一种动物试验法，将试验小白鼠放入网状 轮中，以恒速旋转，小白鼠则逆着轮子的旋转方向 向前跑动。当小白鼠暴露在烟气中一段时间后，因 中毒而失去自控能力，开始随轮滑动或旋转，此时
记录其停止活动时间（ti）。然后停止轮的旋转，
并检查小白鼠的呼吸情况。当其停止呼吸时，记录
烟气的毒害性
（2）烟气中含有各种有毒气体，而且这些气体的 含量有的已大大超过了人们正常生理所允许的最低 浓度，从而造成人员中毒死亡。 （3）火灾烟气具有较高的温度。人对高温烟气的 忍耐程度是有限的，在65℃时，人可短时忍受； 在120℃时，15min内就将产生不可恢复的损伤； 烟气温度进一步提高，损伤时间则更短；140℃时 约为5min，170℃时约为1min；而在几百度的高 温烟气中人是一分钟也无法忍受的。
化学分析法
（1）气相色谱法 （2）红外光谱法 （3）傅立叶红外气体分析仪 （4）比色法 （5）离子选择电极法 （6）电化学法 化学分析法虽然可分析气态燃烧产物的种类和含量， 但不能解释毒性的生理作用，因此还需进行动物试 验和生理研究。
动物试验法
动物试验法就是通过观察生物对燃烧产物的综合反 应来评价烟气的毒性。动物试验法可分为简单观察 法和机械轮法等。
的2—4倍。以上公式是通过防护玻璃观察到的， 没有考虑烟气对人眼刺激的影响。
计算实例
在6m见方、2.5m高的房间内，明火燃烧200g聚氨酯软
泡沫坐垫，试估算此时火场中反光疏散通道标志的能见度。
已知聚氨酯软泡沫坐垫明火时的质量光学密度 m2/g。
Dm

Baidu Nhomakorabea
0.22
[解] 假设燃烧产生的烟气在整个房间内是均匀分布的，则
（1）终点判据。如在一定的暴露时间内，试验动物的死 亡率、瘫痪（停止活动）率、发病率等； （2）毒性指数LC50、EC50（或IC50）。其中LC50是指使 50%动物丧失生命的烟气浓度，又称半数致死浓度； EC50（或IC50）是指使50%动物丧失活动能力和停止活动 的烟气浓度，又称半瘫痪浓度。 （3）毒性指数LD50。LD50是指使50%试验动物致死的剂 量。 （4）毒性指数LT50和IT50。LT50和IT50分别指烟气使50% 的试验动物死亡和停止活动的时间。
动物试验法
前联邦德国提出的试验方法（DIN53436）就是 常用的燃烧产物毒性试验方法。其试验装置为一管 状 炉 。 燃 烧 试 样 装 入 一 个 长 1000mm 、 外 径 40mm 、 壁 厚 2mm 的 石 英 管 中 。 暴 露 室 为 0.05m3，其中放入20只雄性大鼠。暴露室与石英 管燃烧室通过一根玻璃管相连。暴露时间30min。 观察动物中毒情况，并取样分析燃烧产物的成份。
根据Lambert-Beer定律，当一束波长为λ的光通过烟 气时，有：
I I0 exp(KL)
烟气的浓度和烟气光密度
下面引入比消光系数：
K KmMs
Km为比消光系数；即单位质量浓度的消光系数 Ms烟气质量浓度，即单位体积内烟的质量
烟气的浓度和烟气光密度
烟气浓度通常用光密度（或光学密度）D来衡量。其定义
为：
D log( I 0 ) I
烟气的浓度和烟气光密度
I I0 exp(KL)
K KmMs
D log( I 0 ) I
D KL KmLM S 2.3 2.3
表明烟气的光密 度与烟气质量浓 度、平均光线行 程长度和比消光 系数成正比。
烟气的浓度和烟气光密度
为了比较烟气浓度，通常将单位平均光路长度上的光密度
q f
Gi Hi A
qH 0
18.4q
4.2 烟气的特征及危害
烟气的特征：烟尘颗粒的大小及粒径分布、烟气 的浓度、烟气光密度和火场的能见度。 烟气的危害：烟气的毒害性、高温烟气对人的伤 害、烟气的减光性。
烟尘颗粒的大小及粒径分布
烟气中颗粒的大小可用颗粒平均直径表示，通常采 用几何平均直径表示颗粒的平均直径，其定义为：
考虑安全系数 后的极限值
≥2.5 ≤180 ≤60
≥14 ≤500
≤5
<0.1
4.3 烟气毒性评价
可燃物燃烧时产生的烟气中含有毒性气体，如CO、 CO2、HCN、NOx、SO2、H2S等，高分子材料燃 烧时还会产生HCl、HF、丙烯醛、异氰酸酯等有 害物质。不同的材料燃烧时产生的有害气体成份和 浓度是不相同的，因而其烟气的毒性也不相同。评 价材料烟气毒性大小的方法有： （1）化学分析法 （2）动物试验法 （3）生理研究法
log d gn

n i 1
Ni log di N
烟尘颗粒的大小及粒径分布
同时，采用标准差来表示颗粒尺寸分布范围内的宽 度，即：
1
log g
n
i1
(lo g di

log
d
gn
)2
Ni

N

2
烟尘颗粒的大小及粒径分布
如果所有颗粒直径都相同，则 g 1
如果颗粒直径分布为对数正态分布，则占总颗粒数
Ds

V AL
D

V A
DL
烟气的浓度和烟气光密度
如果同时测量了发烟试件在发烟过程中的质量损失，则可 用烟气的质量光学密度来表征烟气密度：
Dm

DLV mf
m f 发烟材料的质量损失
火场能见度
要看清某以物体，则要求物体与背景之间有一定的对比度。 对于很大的、均匀的背景下的孤立物体，其对比度定义 为： C B，/ B0 1 分B别、为B0物体和背景的亮度或光线强度。 日光下黑色物体相对于白色背景的对比度为-0.02，该值 定义为能够从背景中清楚地辨别物体的临界对比度。物体 能见度定义为距对比度减少到-0.02这点的距离。 实际火 灾环境中，能见度的测量常以物体不可辩清的最小距离为 标准。并不用光度计去实际测量对比度。
DL
Dmm f V
0.22 200 6 6 25
0.49m-1
K 2.3DL 2.30.49 1.12
m-1，
SN

3 K
3 1.12

2.7
m
烟气的毒害性
（1）由于燃烧消耗了大量的氧气，使得烟气中的 含氧量往往低于生理上所需的正常数值。当空气中 的含氧量低于15%时，人的肌肉活动能力将明显 下降；降低到10～14%时，人的判断能力将迅速 降低，出现智力混乱现象；降低到10～14%时， 短时间内就会晕倒，甚至死亡。在起火的房间内氧 的最低浓度可达3%左右，若人员不及时撤离火场 是非常危险的。
火灾负荷
定义：把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物的 数量定义为火灾负荷，单位为kg/m2。
q
Gi Hi
Qi
H0 A 18.4 A
火灾负荷密度
定义：把房间内所有可燃物完全燃烧时所产生的总 热量与房间特征参考面积之比定义为火灾负荷密度。 房间的特征参考面积可采用地板面积或室内总面积。 采用地板面积表示的火灾负荷密度表达式为： （MJ/ m2）
火场能见度的影响因素
①烟气的散射和吸收系数； ②火场的亮度； ③所辨认物体是发光还是反光； ④逃生者的视力及其眼睛对光强的适应状态。
火场能见度与消光系数的关系
通过大量的实验和研究，建立火场能见度与消光系 数之间的经验关系为：
对于发光物体： KS N 8
对于反光物体： KS N 3
在相同情况下发光物体的能见度是反光物体能见度
性能化设计采用生命安全判据
参数 冷空气层的高度（m） 热烟气层的温度（℃） 距离地板 2.5m 内的温度（℃） 距离地板 2.5m 内 O2 的体积系数（%） 距离地板 2.5m 内 CO 的体积系数（ppm） 距离地板 2.5m 内 CO2 的体积系数（%）
烟密度（m-1）
极限值 >1.5 <600 <65 >12 <1400 <6 <0.1
动物试验法
生理研究法
生理研究法就是对在火灾中中毒死亡者进行尸体解 剖，了解死亡的直接原因，如血液中毒性气体的浓 度，气管中的烟尘，以及烧伤情况等。 研究表明，在死者血液中，CO和HCN是主要的毒 性气体。在气管和肺组织中也检出了重金属成份， 如铅、锑等，以及吸入肺部的刺激物，如醛、HCl 等。
毒性评价指标