剛剛,我們對火災煙氣做了兩個方面的總結
火給人類帶來了文明、光明和溫暖,但火災也給人類的生命財產帶來了巨大的危害。
“國際消防技術委員會”對全球火災調查統(tǒng)計表明,每年發(fā)生600~700萬起火災,大約有65000~75000人在火災中喪命。
國內外大量火災案例統(tǒng)計表明,因火災而傷亡者中,大多數(shù)為煙氣危害致死。由此可見,火災煙氣的危害性極其嚴重,必須對其加以控制。
了解火災煙氣的組成與危害是防排煙設計的重要基礎,本文主要介紹火災煙氣的組成與危害。
第一節(jié) 火災煙氣的組成
一、火災煙氣的生成
可燃物質熱解或燃燒時會產生火災煙氣。
火災煙氣是混合物,主要由兩部分組成:占絕大部分的是混合了燃燒產物并被火焰加熱了的空氣,這部分空氣相對來講,不受火災時發(fā)生的化學反應的影響;
第二部分是火災熱解和化學反應產物,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(如碳氫化合物)微粒,這部分成分的質量和體積都很小。
因此,火災煙氣的物理性質與熱空氣基本一致,在對建筑進行火災危險性評估時,火災煙氣的流動可等同于熱空氣的流動。
然而,火災煙氣的化學性質與空氣顯然不同,比如其反應性、燃燒性和毒害性等,火災煙氣中的微粒對眼睛和呼吸道均有很強的刺激性。
火災煙氣的組成與火災時空氣的供應量有關,可燃物和空氣的比例不同,生成的燃燒產物也不同。
對于正常的燃燒工況,空氣供應量得到良好的保證,燃燒進行得比較完全,所生成的產物都不能再燃燒,這種燃燒稱為完全燃燒,其燃燒產物稱為完全燃燒產物。
在完全燃燒的狀態(tài)下,燃燒產物主要以氣態(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,燃燒進行的不完全,稱為不完全燃燒,相應的燃燒產物稱為不完全燃燒產物。
不完全燃燒的狀態(tài)下,燃燒產物含有醇、醚等有機化合物。這些燃燒產物多為有毒氣體,對人體的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、神經系統(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)生火災時,由于空間受限,如果有噴淋系統(tǒng)或者其他外在介質參與滅火,其燃燒大多屬于不完全燃燒。
在火災撲救過程中,由于采取不同的措施和滅火劑,也會相應產生不同的氣體。
一般情況下采用水撲救時,只產生大量的水蒸汽,但如果某些燃燒物質本身與滅火劑能起化學反應時,會產生一些其它有害物質,如硫化氫、二氧化硫等,嚴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的。
二、火災煙氣的成分
火災煙氣的成分和性質首先取決于發(fā)生熱解和燃燒的物質本身的化學組成,其次還與燃燒條件有關。
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。
由于火災時參與燃燒的物質比較復雜,尤其是發(fā)生火災的環(huán)境條件千差萬別,所以火災煙氣的組成也相當復雜。
就總體而言,火災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反應而呈游離狀態(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,還有少量氫氣和碳氫化合物產生。
現(xiàn)代建筑通常裝修復雜,各種室內用品及家具越來越多。
除了一些室內家具和門窗采用木質材料外,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物比單一的木質材料要復雜得多。
(二)熱解和燃燒所生成的懸浮微粒
火災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。
由于煙粒子的性質不同,在火災發(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,主要產生的是一些高沸點物質的凝縮液滴粒子,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
室內火災中,在火災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,火災煙氣中主要是被加熱的空氣。
目前最常用的火災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) 火災煙氣的危害性
在建筑火災中,火災煙氣隨著熱氣流上升,當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。
火災煙氣在建筑中所產生的危害較多,概括起來主要有缺氧、中毒、減光、塵害和高溫幾個方面。
在火災過程中產生的火災煙氣會阻礙人員安全疏散、妨礙消防員進入火場進行搜救和滅火,并且會減小被困者生還的可能性。
一、缺氧
氧是人體進行新陳代謝的關鍵物質,是人體生命活動的第一需要。
當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)生火災時,建筑內人員如不及時逃離火場是十分危險的。
二、中毒
建筑火災中可燃物的種類繁多,既包括各種木質材料、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,加上燃燒狀況千變萬化,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是火災中較為常見的不完全燃燒產物,是一種有毒氣體,在火場當中通常占有很大的比例并且不容易被排除。
火災事故中,死于CO毒性作用的人數(shù)占死亡總人數(shù)的40%以上,是火災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合生成碳氧血紅蛋白,極大地削弱了血紅蛋白與氧氣的結合能力,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,它雖然基本上不與血紅蛋白結合,但卻可以抑制人體中酶的生成,阻止正常的細胞代謝。HCN濃度與中毒癥狀見表1.3。
現(xiàn)代建筑的室內裝飾裝修,大量使用到各種塑料,而這些材料在火災中會反應生成大量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。
二氧化碳是在火災當中生成量最大的氣體,其含量增加直接導致氧氣含量的降低,從而使人的呼吸頻率上升,進而增加其他有毒有害氣體的吸入量。
丙烯醛是纖維物質陰燃過程中產生的一種有毒物質,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)分鐘內即可死亡。
而木材燃燒的煙氣中丙烯醛含量高達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等物質的火災當中,氯化氫等氣體相當常見,這種物質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用,火災中所產生的有毒有害煙氣的成分更加復雜,毒害性更加嚴重,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撲救活動。
四、塵害
火災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,它們肉眼看不見,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,由于氣體的擴散作用,能進入人體肺部,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,個人防護一定要佩戴齊全。
五、高溫
在著火房間內,火災煙氣具有較高的溫度,有時可高達數(shù)百度,在地下建筑中,火災煙氣溫度甚至可高達1000℃以上,這樣的高溫無論是對人、對物、還是對環(huán)境,都會產生嚴重的不良影響。
高溫煙氣對人的影響可分為直接接觸影響和熱輻射影響。
人體對高溫煙氣的忍耐性是有限的,在65℃時,可短時忍受;在120℃時,15min內就將產生不可恢復的損傷;140℃時,對人體產生損傷的時間約為5min;170℃時,只能忍受大約1min;而在幾百度的高溫煙氣中人體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。
當人體吸入高溫的有毒煙氣,會嚴重灼傷呼吸道,“重創(chuàng)”呼吸系統(tǒng),輕者刺激呼吸道粘膜,導致慢性支氣管炎,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煙氣的熱輻射影響。這時高溫煙氣所造成的危害比人體直接接觸高溫煙氣的危害要低些。
熱輻射強度影響是隨著距離的增加而衰減的,一般認為,在層高不超過5m的普通建筑中,煙氣層的溫度達到180℃以上時才會對人構成威脅。
除對人體產生威脅外,煙氣溫度過高還會嚴重影響材料的性質,例如,鋼筋混凝土材料的機械性能會隨著溫度升高嚴重降低,對于采用鋼筋混凝土材料的建筑,更需要注意高溫煙氣的影響,并采取適當?shù)姆雷o措施。
大空間建筑中經常采用大跨度的鋼架屋頂,而鋼材的力學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,在建筑火災中已多次發(fā)生過這種情況。
因此,盡可能減少火災中高溫煙氣的影響是減少火災損失的重要方面。
除此之外,發(fā)生火災時,特別是發(fā)生轟燃時,火焰和煙氣沖出門窗孔洞,濃煙滾滾,還會使人們產生嚴重的恐怖感,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,火災煙氣產生的危害是非常大的。