烟气的性质、流动和控制

– 具体建筑物应当按什么值来选择材料 – 通风和轰燃对发烟量的影响 – 发烟速率和发烟势的联系
导向火焰 研究可燃固体自由燃烧 时发烟性能的装置
烟气的流动
烟气的有效流通面积 烟气流动的驱动力 中性面位置的计算 中性面以上楼层内的烟气浓度
烟气的流动
有效流通面积
– 某种流体在一定压差下流过系统的总的当量流通面积
因为 I I0eKcl
dI I0eKcl (Kc )dl I (Kc )dl
两边取微分，
Kc
1 I
dI dl
光强的减弱等于烟粒子所遮蔽的光能： dI / dl I ( d 2 / dS) (dN / dl)
4
dN
/ dl
s d 3
dV
/ dl
s d 3
dS
6
6
Kc
3 s 2 d
1 dI 3 s I dl 2 d
– 对刺激性烟气，金(Jin)给出能见度经验公式
V＝（0.133-1.47logKc)×R/Kc 1.5
– 对烟气浓度的研究
行 走 1.0
刺激性烟气 非刺激性烟气
广泛应用于火灾探测
速 度
(m/ 0.5
s) 0.3
盲人的行走速度
0 0 0.2 0.4
0.6 0.8
1.0 1.2
减光系数 Kc (1/m)
物质名称 木材、纸张 棉花、人造纤维 羊毛 聚四氟乙烯
聚苯乙烯 聚氯乙烯 尼龙 酚树脂 三聚氢氨-醛树脂 环氧树脂
燃烧时所生成的主要有毒气体 二氧化碳、一氧化碳 二氧化碳、一氧化碳 二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、氨、氰化氢 二氧化碳、一氧化碳
苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、乙醛 二氧化碳、一氧化碳、氯化氢、光气、氯气 二氧化碳、一氧化碳、氨、氰化物、乙醛 一氧化碳、氨、氰化物 一氧化碳、氨、氰化物 二氧化碳、一氧化碳、丙醛
• 经过部分氧化的燃料发出的烟量比生成这些物质的碳 氢化合物的发烟量少
烟气的产生与性质
烟气的浓度 ▲质量浓度：单位容积的烟气中含有烟粒子的质量。
s
ms Vy
（g/m3）
用于实验室
▲颗粒浓度：单位容积的烟气中含有烟粒子的颗粒数。
ns
Ns Vy
（1/m3） 用于空调工程
▲光学浓度：光线通过烟层时，强度减弱，其减弱 程度与烟气的浓度有函数关系，用减光系数Kc表示 光学浓度。 用于防排烟工程
烟气的遮光性
烟气的遮光性和人的能见度
– 能见度的概念：人在一定环境下能看到的最远距离， 具有一定的主观标志。
– 人员疏散的一个重要影响因素，决定人员是否有危险 – 影响烟气能见度的因素：
• 烟气本身的性质：颜色、浓度、颗粒大小、刺激性等 • 目标物的性质：颜色、尺寸、光照条件、发射光还是
反射光等 • 背景 • 人员本身的身体和精神状态、视力情况
结论2：Kc与μs 成线性关系
烟气的产生与性质
（1）燃烧物自身的化学成分 （2）环境条件： 供热条件
供氧条件 时间空间条件
烟气的产生与性质
烟气对人的危害
– 烟气对人的直接危害 • 高温烟气对人构成灼伤危险 • 烟气的窒息作用 • 烟气的有毒成分会造成致命危险 • 烟气的遮光性大大降低能见度，以致严重影响 人员疏散和灭火行动
烟气的流动
• 流动的驱动力
– 烟囱效应
内外温差 密度差
– 底部开口
Pso s gH 0
压力差
To Ts
o s
正烟囱效应：内部温度高 Pso 0
负烟囱效应：外部温度高 Pso 0
烟气的流动
• 烟囱效应
– 上下双开口 • 形成流动：正向上，负向下 • 存在中性面，约在竖井中部，取决于上下口面积 • 正烟囱效应
7
刺激性烟气 非刺激性烟气
Vα=6
5
经验
3
方程
2
0.2 0.3
0.5 0.7 1 1.5 2
3
减光系数 Kc (1/m) 在刺激性与非刺激性气体中人的能见度
烟气的遮光性
• 刺激性气体对能见度的影响
– 可大大降低人的行走速度
• 减光系数为0.4时，刺激性气体中行走速度为非刺激性中的
70% • 减光系数大于0.5时，刺激性气体中行走相当于盲人
– 中性面之下： Pso 0 – 中性面中上： Pso 0
Fra Baidu bibliotek• 假定理想气体
P / RT
PS0 KS 1/ T0 1/ TS h
烟气的流动
• 烟囱效应
– 实际中，气体流动竖井 楼层 外界
– 对任意一楼层，其有效流动面积为：
Ae 1/ Asi2 1/ Aio2 1/2
– 通过该层的质量流率为：
• 总压差 为各压差之和
PT = P1+P2+P3
Q1 A2
Pi
2
Q /CAi
2
Q2 A3
Ae
in1 1/
Ai 2
1/ 2
Q3
A1
加压空间 Q A
烟气的流动
• 有效流通面积的计算 – 混联流动：既有并联，又有串联
– 并联：A2和A3， A4和A5 A23e A2 A3
A3
A2
Q1
A45e A4 A5
•
m CAe
2Pso
1/ 2
– 对于串联路径，有
Psi Pso Ae / Asi 2
烟气的遮光性
• 材料的发烟性能测试
– 大多方法都是NBS烟箱法的改进型和衍生型 – 常用的NBS烟箱法
• 实验材料：75cm2 • 热源：竖直上方2.5W/cm2的固定热源
下方6个小火焰组成的有焰燃烧阵 • 结果：装置内试样光学密度的最大值
Dm = D0(V/As) • 只考虑了试样的暴露面积，没考虑试样的厚度 • 再现性和重复性好，误差在±25％间浮动
• 烟颗粒当中通常含有相当多的可燃组份，条件合适会 继续燃烧（温度、氧浓度）
烟气的产生与性质
• 烟颗粒的产生
– 完全燃烧时无烟颗粒产生，对于火灾中很难实现 – 可燃物的化学性质对烟气产生有重要影响
• 低分子量的燃料基本上不产生烟气
– 一氧化碳、甲醛、甲醇、乙醚等
• 高分子燃料易产生烟气 • 燃料的化学组分是决定烟气产生量的主要因素
高温
– 100℃的温度下： • 30分钟 • 几分钟
– 温度与极限忍受时间的关系式(Zapp)
t 4.1108 /T B2 / B1 3.61
– 空气湿度增大，极限忍受时间降低 – 衣服的透气性和隔热程度对忍受温度也有影响
烟气的遮光性
表示方法
– 光通过烟气或灰尘后会发生折射、散射、反射等现 象，光强减小
Q4
Q3
Q2
A4
A5
A1 Q
A
加压空间
– 串联：A23e、A45e与A1串联
Q5
Ae
1/
A2 1
1/
A2 23e
1/
A2 45e
1 / 2
混联出口
烟气的流动
• 流入的空气体积流率为Q，门1，2，3的开口面积 均为A，门4，5的面积为 ,加压空间与外界的压 差为 试计算出其有效流通面积Ae,门A2两侧的压 力差,通过门A4的空气体积流率,门A4内外压差
– 烟气对人的间接危害 • 烟气使人群陷入受威胁状态，从而使人员的运 动特点在火灾时产生与正常时很大的区别
– 80%左右的人死于烟气
烟气的产生与性质
缺氧
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。对于处在着火房间内的人们来说，O2的短时 致死浓度为6％。
第三章 烟气的性质、流动和控制
内容
烟气的产生与性质 烟气的遮光性 烟气的流动 烟气的控制
烟气的产生与性质
烟气的定义: 烟气是一种混合物
– 可燃气热解或燃烧产生的气相产物 – 由于卷吸而进入的空气
– 多种微小的固体颗粒和液滴
尘、炭烟、雾－气溶胶
– 原生粒子－以固体颗粒进入气相中的物质 – 再生粒子－由气体转变为固体或液体的粒子 – 火灾烟气是一种特殊类型的气溶胶
烟气的产生与性质
烟颗粒的产生
– 组分浓度梯度造成的不完全燃烧下的产物
• 阴燃－材料热解生成的挥发分,与冷空气混合，浓缩成 较重的高分子组份，并形成含有碳颗粒和高沸点液体 的薄雾
• 有焰燃烧
– 高温下脱离固体的灰分 – 不完全燃烧和高温分解形成的气相中碳颗粒 – 可燃挥发分高温热解生成的高分子化合物
烟气的产生与性质
窒息性： CO2、CO
中毒
腐蚀性： HCN、H2S、HCl 刺激性：NH3、cl2、COCl2
麻醉性：N2O
烟气的产生与性质
减光性
能见距离:对于某一型式的光源和标志，透过大气 层或烟气层传到某处能被肉眼识别时，该处与光源 或标志的距离。
极限视距 :保证安全疏散的最小能见距离
烟气的产生与性质
实际的着火房间中氧气的最低浓度可达3%左右。
烟气的产生与性质
毒性
– 火灾烟气中都会含有有毒物体 – 含量最大的是CO：火灾中的死亡人员约有一半是由
CO中毒引起的 – NOX – 氰化氢（HCN)－木材、皮革、含氮塑料、人造革等
燃烧 – SOx、HCl等－塑料制品的燃烧 – 固体颗粒的毒害
烟气的产生与性质
Beer-Lambert定律：I I0eKcl （cd/m2）
式中：
Kc—烟的减光系数，m-1；
l—光源与受光体之间的距离，m；
I—受光体处的光亮度；
I0—光源处的光亮度。
烟气的产生与性质
光学浓度和质量浓度及颗粒浓度的关系
理论假定：①烟气中的气体对可见光是透明的，即烟 气对光线的遮蔽作用完全是由烟粒子造成 的； ②在烟气容积中，烟粒子分布均匀； ③忽略烟粒子之间的相互遮蔽效应。
Vα=8
• 巴切尔、帕乃尔
0.4 0.5
0.7
1
1.5 2
– 自发光标志可见度 比反光标志的大2.5倍
减光系数 Kc (1/m)
发光标志的能见度与减光系数的关系
烟气的遮光性
刺激性气体对能见度的影响
– 刺激性气体对眼睛构成危害，人无法睁眼
– 在刺激性气体中能见度和减光系数间的关系不适用
30
20
能 见 度 10 V(m)
烟气的产生与性质
在烟气中取一微元体dV，截面积为dS ， 长度为dl，烟粒子总数为dN，烟粒子的 平均直径为d，平均密度为ρ。
每个烟粒子的质量为 d 3
6
则
dN d 3
s
6 dV
（mg/m3）
dl
∷ ∷∷
∷∷ ∷
dS ∷
dN∷∷
∷∷
其中 ns
dN dV
所以
s
ns
6
d3
（mg/m3）
结论1：μs与ns成线性关系
Arapahoe试验 Steiner隧道法
辐射板试验 OSU量热计
ISO烟箱
场合类型 FOS ROS FG FOD ROD ROD ROS
参考 ASTM, 1977 ASTM, 1979 ASTM, 1982 ASTM, 1981(a) ASTM, 1981(b) ASTM, 1980(b)
ISO, 1980
– 遮光性：一定光束穿过烟场后强度的衰减 – 光学密度：光通过烟气后透射率倒数的常用对数
烟气的遮光性
烟气遮光性的几种表示方法
– 透射率：I/I0 – 光学密度 ： D = lg(I0/I) = -lg(I/I0) – 单位长度光学密度 ：D0 = -lg(I/I0)/L – 减光系数： Kc = –ln(I/I0)/L= 2.303D0 – 烟的百分遮光度： B = (I0–I)/I0 100% – 光学密度和遮光度的关系：D= -lg(1-B/100)
烟气的遮光性
• 材料的发烟性能测试
– 拉斯巴希法：
• 烟收集在13m3的容器中 • 引入发烟势的概念：烟气生成的最大可能性
Dp = D0 (V/W1) • 考虑了可燃组份质量的影响 • 根据质量损失和容器大小，可求出光学密度
– 房间总烟载荷
V Dp W1
烟气的遮光性
• 可燃固体处在烟囱结构中发出的烟很少 • 实验炉中产生的烟较多 • 一些问题
烟气的遮光性
烟气的遮光性和人的能见度
– 能见度与减光系数和单位光学密度的关系
V = R/Kc= R/2.303D
• 金实验
20
– 白烟减光系数较小 – 发光标志：R取5－10 – 反光标志：R取2－4
能见 15 度 V(m)
10
–
有反射光存在的建筑物： 7
R取2－4
2000cd/m2 黑烟 500cd/m2 黑烟 2000cd/m2 白烟 500cd/m2 白烟
在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度
烟气的遮光性
材料的发烟性能测试
– 材料的发烟性能不是材料的固有性质，与火灾环境有关 – 但它建立了一种可评价材料发烟性的方法，仍得到广泛
应用 – 不同测试方法的设计略有差别，但光学密度的测量都是
将烟气收集到固定的容器中进行的
名称
Rohm-Haas XP—2 NBS试验
– 存在并联流动、串联流动、混联流动
有效流通面积的计算
– 并联流动：每个出口的压差P都相同，总流量QT 为
各出口流量之和
A
QT = Q1+Q2+Q3
Q = CA (2P/)1/2
Q 加压空间
n
Ae Ai i 1
A1 Q1
A2
A3
Q2
Q3
并联出口
烟气的流动
• 有效流通面积的计算
– 串联流动
• 每个出口的体积流率相同