剛剛,我們對火災(zāi)煙氣做了兩個方面的總結(jié)
火給人類帶來了文明、光明和溫暖,但火災(zāi)也給人類的生命財產(chǎn)帶來了巨大的危害。
“國際消防技術(shù)委員會”對全球火災(zāi)調(diào)查統(tǒng)計表明,每年發(fā)生600~700萬起火災(zāi),大約有65000~75000人在火災(zāi)中喪命。
國內(nèi)外大量火災(zāi)案例統(tǒng)計表明,因火災(zāi)而傷亡者中,大多數(shù)為煙氣危害致死。由此可見,火災(zāi)煙氣的危害性極其嚴(yán)重,必須對其加以控制。
了解火災(zāi)煙氣的組成與危害是防排煙設(shè)計的重要基礎(chǔ),本文主要介紹火災(zāi)煙氣的組成與危害。
第一節(jié) 火災(zāi)煙氣的組成
一、火災(zāi)煙氣的生成
可燃物質(zhì)熱解或燃燒時會產(chǎn)生火災(zāi)煙氣。
火災(zāi)煙氣是混合物,主要由兩部分組成:占絕大部分的是混合了燃燒產(chǎn)物并被火焰加熱了的空氣,這部分空氣相對來講,不受火災(zāi)時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的影響;
第二部分是火災(zāi)熱解和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物,主要包括一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和甲烷等氣體,以及固體(煙灰)和液體(如碳?xì)浠衔铮┪⒘?,這部分成分的質(zhì)量和體積都很小。
因此,火災(zāi)煙氣的物理性質(zhì)與熱空氣基本一致,在對建筑進(jìn)行火災(zāi)危險性評估時,火災(zāi)煙氣的流動可等同于熱空氣的流動。
然而,火災(zāi)煙氣的化學(xué)性質(zhì)與空氣顯然不同,比如其反應(yīng)性、燃燒性和毒害性等,火災(zāi)煙氣中的微粒對眼睛和呼吸道均有很強的刺激性。
火災(zāi)煙氣的組成與火災(zāi)時空氣的供應(yīng)量有關(guān),可燃物和空氣的比例不同,生成的燃燒產(chǎn)物也不同。
對于正常的燃燒工況,空氣供應(yīng)量得到良好的保證,燃燒進(jìn)行得比較完全,所生成的產(chǎn)物都不能再燃燒,這種燃燒稱為完全燃燒,其燃燒產(chǎn)物稱為完全燃燒產(chǎn)物。
在完全燃燒的狀態(tài)下,燃燒產(chǎn)物主要以氣態(tài)形式存在,其成分主要取決于可燃物的組成。
對于非正常的燃燒工況,沒有良好的燃燒條件,燃燒進(jìn)行的不完全,稱為不完全燃燒,相應(yīng)的燃燒產(chǎn)物稱為不完全燃燒產(chǎn)物。
不完全燃燒的狀態(tài)下,燃燒產(chǎn)物含有醇、醚等有機化合物。這些燃燒產(chǎn)物多為有毒氣體,對人體的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)會造成不同程度的傷害,影響人的正常呼吸和行動能力。
建筑物發(fā)生火災(zāi)時,由于空間受限,如果有噴淋系統(tǒng)或者其他外在介質(zhì)參與滅火,其燃燒大多屬于不完全燃燒。
在火災(zāi)撲救過程中,由于采取不同的措施和滅火劑,也會相應(yīng)產(chǎn)生不同的氣體。
一般情況下采用水撲救時,只產(chǎn)生大量的水蒸汽,但如果某些燃燒物質(zhì)本身與滅火劑能起化學(xué)反應(yīng)時,會產(chǎn)生一些其它有害物質(zhì),如硫化氫、二氧化硫等,嚴(yán)重時會造成撲救人員中毒傷亡事故,這在歷史上是有沉重教訓(xùn)的。
二、火災(zāi)煙氣的成分
火災(zāi)煙氣的成分和性質(zhì)首先取決于發(fā)生熱解和燃燒的物質(zhì)本身的化學(xué)組成,其次還與燃燒條件有關(guān)。
所謂燃燒條件是指環(huán)境的供熱條件、環(huán)境的空間時間條件和供氧條件。
由于火災(zāi)時參與燃燒的物質(zhì)比較復(fù)雜,尤其是發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境條件千差萬別,所以火災(zāi)煙氣的組成也相當(dāng)復(fù)雜。
就總體而言,火災(zāi)煙氣是由熱解和燃燒所生成的氣(汽)體、懸浮微粒及剩余空氣三部分組成。
(一)熱解和燃燒所生成的氣(汽)體
大部分可燃物質(zhì)都屬于有機化合物,其主要成分是碳、氫、氧、硫、磷、氮等元素。
在一般溫度條件下,氮在燃燒過程中不參與化學(xué)反應(yīng)而呈游離狀態(tài)析出,而氧作為氧化劑在燃燒過程中消耗掉了。
碳、氫、硫、磷等元素則與氧化合生成相應(yīng)的氧化物,即二氧化碳、一氧化碳、水蒸汽、二氧化硫和五氧化二磷等。此外,還有少量氫氣和碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生。
現(xiàn)代建筑通常裝修復(fù)雜,各種室內(nèi)用品及家具越來越多。
除了一些室內(nèi)家具和門窗采用木質(zhì)材料外,其余大量的裝飾裝修和家具多采用高分子合成材料,如建筑塑料、高分子涂料、聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料、復(fù)合地板、環(huán)氧樹脂絕緣層、化纖制、沙發(fā)和床上用品等等。這些高分子合成材料的燃燒和熱解產(chǎn)物比單一的木質(zhì)材料要復(fù)雜得多。
(二)熱解和燃燒所生成的懸浮微粒
火災(zāi)煙氣中熱解和燃燒所生成的懸浮微粒,稱為煙粒子。
這些微粒通常包括游離碳(炭黑粒子)、焦油類粒子和高沸點物質(zhì)的凝縮液滴等。這些固態(tài)或液態(tài)的微粒,懸浮在氣相中,隨其飄流。
由于煙粒子的性質(zhì)不同,在火災(zāi)發(fā)展的不同階段,煙氣的顏色亦不同。
在起火之前的陰燃階段,由于干餾熱分解,主要產(chǎn)生的是一些高沸點物質(zhì)的凝縮液滴粒子,煙氣顏色常呈白色或青白色;而在起火階段,主要產(chǎn)生的是炭黑粒子,煙氣顏色呈黑色,形成滾滾黑煙。
(三)熱空氣
室內(nèi)火災(zāi)中,在火災(zāi)煙氣以浮力羽流形式垂直上升的過程中,不斷卷吸周圍空氣形成體積逐漸龐大的煙羽流。
火災(zāi)煙氣的生成量主要是由煙氣羽流所卷吸的空氣量所決定的,也就是說,火災(zāi)煙氣中主要是被加熱的空氣。
目前最常用的火災(zāi)煙氣生成量計算模型都是基于空氣卷吸量,沒有考慮可燃物的消耗。
第二節(jié) 火災(zāi)煙氣的危害性
在建筑火災(zāi)中,火災(zāi)煙氣隨著熱氣流上升,當(dāng)遇到天花板或其他阻礙物時開始下降并逐漸充滿整個房間,中性面下降的過程,往往發(fā)生的非常迅速。
火災(zāi)煙氣在建筑中所產(chǎn)生的危害較多,概括起來主要有缺氧、中毒、減光、塵害和高溫幾個方面。
在火災(zāi)過程中產(chǎn)生的火災(zāi)煙氣會阻礙人員安全疏散、妨礙消防員進(jìn)入火場進(jìn)行搜救和滅火,并且會減小被困者生還的可能性。
一、缺氧
氧是人體進(jìn)行新陳代謝的關(guān)鍵物質(zhì),是人體生命活動的第一需要。
當(dāng)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,人就會昏厥。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%。
燃燒消耗了大量的氧氣,使得火災(zāi)煙氣中的含氧量往往低于生理上所需的正常數(shù)值,研究表明,在火災(zāi)猛烈發(fā)展階段,O2的濃度往往只有3%左右。
所以,在發(fā)生火災(zāi)時,建筑內(nèi)人員如不及時逃離火場是十分危險的。
二、中毒
建筑火災(zāi)中可燃物的種類繁多,既包括各種木質(zhì)材料、紙張、羊毛、絲綢等天然材料,又包括各種塑料、橡膠等高分子合成材料,加上燃燒狀況千變?nèi)f化,因而可以生成多種有毒有害氣體。
這些氣體的含量如超過人們正常生理所允許的最低濃度,就會造成人們中毒甚至死亡。
目前,已知的火災(zāi)中有毒氣體的種類或有毒氣體的成分有數(shù)十種,包括無機類有毒有害氣體(CO、CO2、NOx、HCl、HBr、H2S、NH3、HCN、P2O5、HF、SO2等)和有機類有毒有害氣體(光氣、醛類氣體、氰化氫等)。
(一)一氧化碳(CO)對人的影響
CO是火災(zāi)中較為常見的不完全燃燒產(chǎn)物,是一種有毒氣體,在火場當(dāng)中通常占有很大的比例并且不容易被排除。
火災(zāi)事故中,死于CO毒性作用的人數(shù)占死亡總?cè)藬?shù)的40%以上,是火災(zāi)中造成人員死亡的主要因素之一。
CO的主要毒害作用在于其與血紅蛋白結(jié)合生成碳氧血紅蛋白,極大地削弱了血紅蛋白與氧氣的結(jié)合能力,使血液中的氧含量降低,致使供氧不足,阻礙血液把氧送到人體各部分。
(二)氫化氰(HCN)對人體的影響
HCN為無色、略帶杏仁氣味的劇毒性氣體,其毒性約為CO 的20倍。
可燃物中的含氮燃料燃燒常會生成HCN,這類材料包括天然材料和合成材料,如羊毛、絲綢、尼龍、聚氨酯二聚物及尿素樹脂等,尤其是棉花,其陰燃即會生成HCN。
HCN是一種毒性作用極快的物質(zhì),它雖然基本上不與血紅蛋白結(jié)合,但卻可以抑制人體中酶的生成,阻止正常的細(xì)胞代謝。HCN濃度與中毒癥狀見表1.3。
現(xiàn)代建筑的室內(nèi)裝飾裝修,大量使用到各種塑料,而這些材料在火災(zāi)中會反應(yīng)生成大量HCN,這種氣體對人體的毒害作用越來越引起人們的重視。
通過檢驗火災(zāi)中死難者的血液成分,人們發(fā)現(xiàn),有30%以上的人員死亡是HCN中毒所致。
(三)其他毒害性氣體對人的影響
火災(zāi)煙氣中其他毒害性氣體還包括二氧化碳(CO2)、丙烯醛(C3H4O)和氯化氫(HCL)等。
二氧化碳是在火災(zāi)當(dāng)中生成量最大的氣體,其含量增加直接導(dǎo)致氧氣含量的降低,從而使人的呼吸頻率上升,進(jìn)而增加其他有毒有害氣體的吸入量。
丙烯醛是纖維物質(zhì)陰燃過程中產(chǎn)生的一種有毒物質(zhì),它對人的感官和肺部具有強烈的刺激作用,長時間暴露其中將會引起嚴(yán)重的肺功能紊亂。
例如,煙氣中含有5.5ppm的丙烯醛時,會對上呼吸道產(chǎn)生刺激癥狀;如濃度在10ppm以上時,就能引起肺部的變化,數(shù)分鐘內(nèi)即可死亡。
而木材燃燒的煙氣中丙烯醛含量高達(dá)50ppm左右,加之煙氣中還有甲醛、乙醛、氫氧化物、氫化氰等毒氣,對人體都是極為有害的。在PVC等物質(zhì)的火災(zāi)當(dāng)中,氯化氫等氣體相當(dāng)常見,這種物質(zhì)會影響人的感覺和肺部。
隨著高分子合成材料在建筑、裝修以及家具制造中的廣泛應(yīng)用,火災(zāi)中所產(chǎn)生的有毒有害煙氣的成分更加復(fù)雜,毒害性更加嚴(yán)重,需引起人們的重視。
三、減光
可見光的波長為0.4~0.7μm,一般火災(zāi)煙氣中煙粒子粒徑為幾個μm到幾十個μm,即煙粒子的粒徑大于可見光的波長,這些煙粒子對可見光是不透明的,對可見光有完全的遮蔽作用。
當(dāng)煙氣彌漫時,可見光因受到煙粒子的遮蔽,能見度大大降低。
同時,加上煙氣中有些氣體對肉眼有極大的刺激性,如HCl、NH3、HF、SO2、Cl2等,從而使人們在疏散過程中的行進(jìn)速度大大降低,這就是煙氣的減光性。
它不僅妨礙安全而迅速的疏散活動,而且也妨礙消防員正常的火災(zāi)撲救活動。
四、塵害
火災(zāi)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?,能長期漂浮在大氣中,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(kuò)散作用,能進(jìn)入人體肺部,粘附并聚集在肺泡壁上,引起呼吸道疾病,增大心臟病死亡率,對人體造成直接危害。
消防員滅火的時候,個人防護(hù)一定要佩戴齊全。
五、高溫
在著火房間內(nèi),火災(zāi)煙氣具有較高的溫度,有時可高達(dá)數(shù)百度,在地下建筑中,火災(zāi)煙氣溫度甚至可高達(dá)1000℃以上,這樣的高溫?zé)o論是對人、對物、還是對環(huán)境,都會產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。
高溫?zé)煔鈱θ说挠绊懣煞譃橹苯咏佑|影響和熱輻射影響。
人體對高溫?zé)煔獾娜棠托允怯邢薜模?5℃時,可短時忍受;在120℃時,15min內(nèi)就將產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷;140℃時,對人體產(chǎn)生損傷的時間約為5min;170℃時,只能忍受大約1min;而在幾百度的高溫?zé)煔庵腥梭w是一分鐘也無法忍受的。
雖然衣服的透氣性和絕熱性可限制溫度影響,不過多數(shù)人無法在溫度高于65℃的空氣中呼吸。
當(dāng)人體吸入高溫的有毒煙氣,會嚴(yán)重灼傷呼吸道,“重創(chuàng)”呼吸系統(tǒng),輕者刺激呼吸道粘膜,導(dǎo)致慢性支氣管炎,重者即便被救出了火場,也難以脫離生命危險。
若煙氣層在人的頭部高度之上,人員主要受到的則是高溫?zé)煔獾臒彷椛溆绊?。這時高溫?zé)煔馑斐傻奈:Ρ热梭w直接接觸高溫?zé)煔獾奈:σ托?/span>
熱輻射強度影響是隨著距離的增加而衰減的,一般認(rèn)為,在層高不超過5m的普通建筑中,煙氣層的溫度達(dá)到180℃以上時才會對人構(gòu)成威脅。
除對人體產(chǎn)生威脅外,煙氣溫度過高還會嚴(yán)重影響材料的性質(zhì),例如,鋼筋混凝土材料的機械性能會隨著溫度升高嚴(yán)重降低,對于采用鋼筋混凝土材料的建筑,更需要注意高溫?zé)煔獾挠绊?,并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。
大空間建筑中經(jīng)常采用大跨度的鋼架屋頂,而鋼材的力學(xué)性能也會隨著溫度升高而顯著下降,超過一定限度還會發(fā)生坍塌,在建筑火災(zāi)中已多次發(fā)生過這種情況。
因此,盡可能減少火災(zāi)中高溫?zé)煔獾挠绊懯菧p少火災(zāi)損失的重要方面。
除此之外,發(fā)生火災(zāi)時,特別是發(fā)生轟燃時,火焰和煙氣沖出門窗孔洞,濃煙滾滾,還會使人們產(chǎn)生嚴(yán)重的恐怖感,常常給疏散過程造成混亂局面,有些人員甚至失去理智、驚慌失措。
所以,火災(zāi)煙氣產(chǎn)生的危害是非常大的。