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1、第四章 火灾烟气,4.1 烟气的性质与危害4.2 烟气扩散原理4.3 烟气控制技术,引言,发生火灾时，都会产生含有大量高温与有毒气体的烟气，如果不对烟气进行有效控制，任其肆意产生四处传播，必将给建筑物内的人员带来巨大的生命威胁。统计结果表明，在火灾中2/3以上的死亡者是烟气所致，大部分是由于吸人烟尘及有毒气体(主要是CO)昏迷后致死。案例：2000年12月25日，何南省洛阳市东都商厦发生特大火灾，死亡人数达309人。着火点在地下二层的家具厅，家具燃烧产生的大量烟气沿楼梯间涌上了顶楼(四楼)的歌舞厅，在很短时间内，即造成众多正在狂欢的人们吸人有毒烟气之后而死亡。事后统计表明，这309人全部是因为
2、吸人有毒烟气重度中毒窒息而亡，可见火灾中烟气危害的严重性。,引言,烟气控制的方法是从防范和消除两个方面同时进行，即防止烟气大量产生和迅速蔓延，同时对已产生的烟气迅速排除。防止烟气的产生和蔓延可从三个方面着手:第一是杜绝烟源，即实现建筑物和家具的非燃化。在建筑材料、装修材料、家具的选择上尽量采用非燃烧材料或难以燃烧的材料，以及发烟量少、发烟速度慢的材料，尽管实际上不可能完全杜绝烟源，但是可以把火灾烟气的生成量降低到最小程度;,引言,第二是扼杀烟源，在建筑物一旦起火时，能迅速地采取有效措施，断绝起火房间内新鲜空气的供给，使火熄灭;第三是切断烟源，当建筑物内某房间起火时，迅速切断着火区域与非着火区域
3、的一切联系，以防火势和烟气扩散。为确保疏散通道的安全，保证人员安全撤离，对疏散通道还要采取特殊的防护措施，以防烟气侵入。,引言,尽管采取了一系列防止烟气产生和蔓延的措施，一旦起火，由于火灾发生区域的随机性、燃烧材料的复杂性、防烟设施对烟气的控制能力不足，以及消防设施管理不善等诸多原因，烟气仍有可能大量产生并蔓延开来，因此，起火后应迅速排除火灾产生的烟气，减少烟气的毒性，降低烟气的浓度，维持一定的视距，便于人员疏散。这也是防止烟气蔓延的积极措施，排烟和防烟一样起着同等重要的作用。,引言,本章研究的主要问题：研究烟气控制技术，将从工程上解决以下一系列问题:如何使火灾烟气少产生甚至不产生;如何使火灾
4、烟气控制在火灾发源地而不蔓延出去;如何使火灾烟气迅速地、最大限度地排除到安全的地方;如何在疏散通道及重要房间内实现防烟安全性，防止烟气侵人，确保火灾时有一个安全的撤离通道和临时栖身所。,4.1 烟气的性质与危害,一、火灾烟气组成(一)烟气形成火灾是指在时间和空间上失控燃烧所造成的灾害。火灾时烟气主要是由两种化学反应方式的产物所形成:第一种是可燃物在空气中的燃烧，释放热量产生火焰，以及发光和发烟，此种燃烧其烟中可燃物已存无几;第二种是热分解反应。它是可燃物由于温度升高而发生无氧化作用的不可逆化学分解，这种化学分解仅有发烟而无火焰和发光现象。这两种化学反应形成的产物构成了火灾烟气的主体。,4.1
5、烟气的性质与危害,一、火灾烟气组成(二)烟气组成火灾发生时，由于参与燃烧的物质品种繁多，火灾化学反应过程复杂，所处环境条件各不相同，因而，导致火灾中烟气物质组成相当复杂。火灾烟气是一类复杂混合物，按照混合物的相态，烟气可以由下列产物组成:(1)可燃物经热分解与燃烧生成的气相产物。包括未燃燃气，如CH4,CO,CnHm；惰性气体，如CO2，水蒸气;多种有毒腐蚀性气体，如SO2，NO，NO2,HC1等。(2)多种悬浮微小(直径在0.0110.0m)固体颗粒和液滴，如游离碳焦油类粒子、高沸点物质的凝缩液滴等。,4.1 烟气的性质与危害,一、火灾烟气组成(3)由火焰卷吸进入烟气的新鲜空气。火灾中影响烟
6、气组成成分的因素主要有母体可燃物化学性质与火灾燃烧方式，其中，母体可燃物化学性质是决定烟气产生量、产生速度与烟气毒性的主要因素；建筑中装饰应用的聚氯乙烯高分子有机材料，其产烟数量为木材的3-5倍；而少量纯材料如CO、甲醛、甲醚、甲醇等，其燃烧火焰基本上不产生烟气。火灾中燃烧方式不同时，烟气产物亦不同，如碳素材料在阴燃时生成的烟气是含有碳粒和高沸点的液体薄雾，是一种可以燃烧和爆炸的雾状烟气。,4.1 烟气的性质与危害,二、建筑材料的发烟量与发烟速度(一)建筑材料发烟量由表4-1所示，各种建筑材料单位重量所产生的烟量不同，对于木材及木制品而言，当温度达到300以上时，随着温度升高，燃烧区分解出的碳
7、质微粒减少，发烟量减少，而在相对高温时，高分子有机材料却能产生大量烟气,4.1 烟气的性质与危害,(一)发烟速度除了材料发烟量外，火灾中影响生命安全的另一重要因素是发烟速度即单位时间内单位重量可燃物的发烟量。表4-2是由实验得到的各种材料的发烟速度。该表说明，木材类在加热温度超过350时，发烟速度一般随温度升高而降低。高分子有机材料在相似范围内，则有所提高，而且高分子的发烟速度比木材要大得多，这是由于高分子材料的发烟量大、燃烧速度快所致。,在现代建筑中，高分子材料大量用于家具用品、建筑装修、管道及其保温、电缆绝缘等方面，一且发生火灾，高分子燃烧不仅迅速，加快火势扩展蔓延，而且还会产生大量有毒浓
8、烟，其危害远远超过一般可燃材料。,4.1 烟气的性质与危害,三、减光系数与能见距离(一)减光系数由于烟气中存在悬浮的固体和液体烟粒，影响火场的能见距离，从而影响人员的安全疏散，阻碍消防队伍接近着火点和救人。这种火灾烟气的减光作用在光学中可以用减光系数来表示。当可见光通过烟层时，烟粒使光线的强度减弱，光线减弱的程度与烟粒的浓度有函数关系，如图4-1所示。设光源与发光物体之间距离为L(m);无烟时受光物体处的光线强度为I0(cd)；有烟时光线强度为I(cd),4.1 烟气的性质与危害,三、减光系数与能见距离(一)减光系数根据朗伯一比尔定律得在相同距离L和一定的光源强度I0下，当受光处光强I下降，说
9、明减光系数Cs增加，亦即烟中烟粒浓度增加，人的能见度减弱。,4.1 烟气的性质与危害,三、减光系数与能见距离(二)能见距离火灾的烟气使人们辨认目标的能力大大降低，即便设置事故照明和疏散标志，也会使其减弱，从而使人们在疏散时往往看不清周围环境，甚至辨不清疏散方向，找不到安全出口，严重影响人员安全。各国普遍认为，当能见距离降到3m以下时，逃离火场就十分困难。能见距离，可近似用以下两式计算:,4.1 烟气的性质与危害,四、烟气危容国内外统计资料表明，火灾中烟气是夺取人类生命最凶恶的杀手，它的危害性可以归纳为对人体危害、对疏散危害和对扑救危害三个方面。(一)对人体危害 人员在火灾中死亡的原因，主要有四
10、种，即吸入烟气死亡、直接烧死、房屋倒塌压死以及逃生失误致死。其中最主要的原因是吸入烟气死亡，具体来说，可以归纳为以下四个方面:,4.1 烟气的性质与危害,1.CO中毒在人体的血液中，血红蛋白的功能之一是输送氧气。在火灾中，当人们从呼吸道吸入CO时，即与血红蛋白结合形成一氧化碳血红蛋白，使血红蛋白失去携带氧气的能力。研究表明，当有50%上的血红蛋白结合成一氧化碳血红蛋白时，人体的脑、中枢神经因严重缺氧失去知觉，甚至死亡。火灾中约有一半人员的死因是CO中毒，因此，CO中毒对人体最具威胁。CO对人体的影响程度可参阅表4-5。,4.1 烟气的性质与危害,2.烟气中毒火灾中物质燃烧产生各种有毒气体，对人
11、体危害极大。木材制品燃烧时产生甲醛、乙醛、丙烯醛等醛类有毒气体。以丙烯醛为例，当其在烟气中的含量达到10ppm时，脑部中毒几分钟后即可死亡；火灾中烟中含量可达50ppm；允许值为0.01ppm。在塑料制品燃烧时，产生的氯化氰、氢氧化物等毒性很大的气体，其中氢化氰为极毒气体。火灾疏散时有毒气体的允许浓度如表4-6所示。,4.1 烟气的性质与危害,3.缺氧在火灾区域，空气中含有相当数量的CO、NO2和其他有毒气体，维持燃烧需要消耗大量氧气，这样，使空气中含氧量大大降低。当发生燃烧时，含氧量可以降低到5%，人体仅因严国缺氧就可导致死亡。缺氧对人体的影响，如表4-7所示。在气密性良好的建筑内，少量燃夯
12、就可造成含氧量大大降低。,4.1 烟气的性质与危害,4.高温烟气窒息火灾时由于吸人高温烟气，使口腔、喉头肿胀、导致呼吸道阻塞窒息，如抢救不及时，很快致死。综上所述，烟气对人体的危害，CO及毒气影响最大，缺氧影响亦较严重，实际上烟气对人体的损害是多种因素的综合结果。,4.1 烟气的性质与危害,四、烟气危容(二)对疏散危害在火灾区域以及疏散通道中，常充有相当数量含Co及各种燃烧成分的热烟或烟雾弥漫，给疏散工作带来极大困难。烟气中的SO2、NO、NO2等刺激性气体，常给眼、鼻、喉带来强烈刺激，导致视力下降、呼吸困难，而且，由于浓烟存在，给疏散人员造成极为紧张的恐怖心理状态，其结果使人们失去行动能力或
13、采取异常行为。,4.1 烟气的性质与危害,当疏散通道上部被烟气占有时，人们必须弯腰摸索行走，其速度缓慢又不易找到安全出口，还可能走回头路。在大部分被烟气充满的疏散通道中，人们少时停留(如12min)就可能昏倒，停留稍长(45min以上)就可致死。所以，疏散通道必须设置防排烟设施。,4.1 烟气的性质与危害,实际检测表明，疏散通道中的烟气浓度，当有防排烟设施时，一般为火灾室内烟气浓度的1/100-1/300。为保证人员疏散安全，必须保持疏散时人们的能见距离不得小于某一数值，即疏散极限视距Dmin，根据建筑的用途不同和在住人员对建筑物熟悉程度不同，疏散极限视距作如下规定:(1)住宅楼、教学楼、生产
14、车间。因内部人员固定和对疏散路线熟悉，取Dmin=5m。(2)各类旅馆、百货大楼、商场。因大多数人员为非固定，对疏散路线安全出口不太熟悉，取Dmin=30m。,4.1 烟气的性质与危害,四、烟气危容(三)对扑救危害 消防队伍在参与灭火救援工作时，同样受到烟气威胁，包括中毒、窒息，严重妨碍作业，如：弥漫烟雾影响视线、起火点难以找到、辨不清火势发展方向等，导致灭火工作难以有效展开；烟气扩展蔓延，促使形成新的火区。,4.2 烟气扩散原理,在建筑中，高层建筑室内火灾的烟气沿走廊至竖井顶向外扩散，是火灾烟气代表性的流动路线，本节主要讨论这一流动路线上烟气扩散的若干规律，可以概括成以下两个方面:(1)沿走
15、廊水平扩散规律。火灾烟气由室内扩散至走廊的烟量、烟层宽度、厚度、烟气水平流动速度、烟气温度和流量容积等。(2)沿竖井垂直扩散规律。建筑内外温差引起自然空气流动的烟囱效应原理及其对烟气扩散的影响等。,4.2 烟气扩散原理,一、沿走廊扩散(一)着火房间扩散到走廊中烟量的计算着火房间扩散到走廊中的烟量与着火房间门窗开闭状态有很大关系。门窗的开闭状态有下列四种情况：门窗全闭、窗开门闭、窗关门开、门窗全开。显然，窗关门开时扩散到走廊上的烟气量最多，是最不利的情况。一种较为简单计算烟气质量流量的计算方法为：,4.2 烟气扩散原理,一、沿走廊扩散式中：Ms从为扩散到走廊的烟气质量流量(kg/s);B为着火房
16、间与走廊连通门的宽度(m);Hm为着火房间与走廊连通门的高度(m)。上式未能反映各类可燃物对所生成烟气量的影响，所以只能作为近似计算。,4.2 烟气扩散原理,一、沿走廊扩散(二)烟气在走廊中的扩散流动计算火灾实验表明，烟气在走廊中的流动呈层流流动状态，这个流动过程有如下两个特点:(1)烟气在上层流动，空气在下层流动。如果没有外部气流干扰的话，分层流动状态能保持4050m的流程，上下两个流体层之间的掺混很微弱，但若流动过程中遇到干扰时，如室外空气送进或排气设备排气时，则层流状态将变成紊流状态流动。,4.2 烟气扩散原理,一、沿走廊扩散(2)烟气层的厚度在一定的流程内能维持不变，从着火房间排向走廊
17、的烟气出口算起，通常可达2030m左右，当烟气流过比较长的流程时，由于受到走廊顶棚及两侧墙壁面的冷却，两侧的烟气沿墙壁面开始下降，最后只在走廊断面的中部保留一个接近圆形的空气流截面，如图4-2所示。,4.2 烟气扩散原理,一、沿走廊扩散 走廊中烟气的扩散流动计算就是要确定烟气流动过程中的有关参数，包括烟气层的厚度、宽度、烟气的温度和水平流动速度等。1.烟气的宽度、厚度和烟气的水平流动速度2.烟层中的烟气温度(了解),4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散建筑中引起烟气垂直流动的驱动力较多，如室内外因温差引起的烟囱效应(或称热气压效应)、燃气的浮力、电梯活塞效应、通风系统扇风机抽压作用
18、以及自然风力影响等，其中烟囱效应是高层建筑火灾垂直烟气扩散最主要的驱动力。,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散当垂直通道内外的气体温度不同时，由于密度差引起的压差，而引起垂直通道内气体的流动。在冬天或火灾发生后烟气充满建筑物时，外部较冷而建筑物内较热，所以，建筑物内空气密度比外部小，便产生使气体向上运动的浮力。高层建筑中的楼梯井、电梯井、竖直机械管道机通风槽等竖井中，气体上升运动十分显著，流速可达38m/s，这就是通常所谓的烟囱效应，一种自然的气体流动规律。下面就烟囱效应的若干问题进行讨论。,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散(一)下部开口竖井 如图4-6所示，设竖
19、井高H，内外温度分别为Ts和T0,s和0分别为空气在温度Ts和T0时的密度，g是重力加速度。当建筑地平面的大气压力为P时，设离开地平面高度H上方的某点压力为PS,可按下式计算:,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散(一)下部开口竖井同理:竖井顶部内外压力差为,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散(一)下部开口竖井当竖井内部温度比外部高时，即TsT0时，s外部压力。由于图4-6所示竖井顶部没有开口，所以没有气流。(二)正烟自效应(上、下开口)如图4-7(a)所示，当冬天或建筑发生火灾后(烟气充满建筑内时)，气温存在内热外冷条件。,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟
20、气扩散当竖井上部和下部都有开口时，PsP0，竖井上部烟气由内向外流动，竖井下部烟气因负压产生纯向上流动。在竖井某一位置，当Ps=P0 时，形成压力中性平面(或称中性层、中性面)，如图4-7(b)所示。在中性面以上任意高度H处的内外压力差s0=(s-0)gH当内为正值，即为正烟囱效应。在中性面以下，s0 内变为负压，当H=0时，负值最大。,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散在建筑物内，由竖井连通的各个楼层中，空气流动规律如图4-7(c)所示。在中性层以下，气流方向由外向内、由下向上，在中性层以上，气流方向由内向外。当建筑物内发生火灾时，正烟囱效应对火灾扩展的影响如图4-8所示，有两
21、种情况:,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散(1)当着火层在中性层以下时，如图4-8(a)所示。受竖井内与建筑物外温差所形成的负压影响，着火楼层烟气由该楼层一侧沿水平方向流向竖井，再沿竖井向上，中性层以下各楼层不受烟气侵犯。当烟气经过中性层到达中性层以上时，由于竖井内气流变为正压，各楼层都将受到烟气侵犯。,4.2 烟气扩散原理,二、烟囱效应与垂直烟气扩散(2)着火层在中性层以上时，如图4-8(b)所示。烟气受竖井内正气压作用，限制了烟气的流动。着火层烟气只能由该楼层一侧沿水平方向直接流向窗外，整个建筑其他各层都不受烟气侵犯。在正烟囱效应作用下，火灾烟气流动除上述两种规律外。当楼层
22、间缝隙较大，则有部分烟气可直接流进着火层的上一层，如图4-9(a)、(b)所示。如果着火层的燃烧强烈，热烟气浮力克服了竖井内烟囱效应引起的中性层以上的正压，则烟气仍可进人竖井并流人上部楼层，如图4-9(c)所示。,4.2 烟气扩散原理,（三）逆烟囱效应(上、下开口)夏天时室外较热室内较凉，尤其在空调建筑物中，即TsT0在自然通风条件下，气流方向与冬天相反，建筑物内竖并下部密度大、压力高，气流由内向外，竖井内气流由上向下流动，如图4-10(&)所示；在中性层以上，竖井内气压为负，中性层以下，气压为正，如图4-10(b)所示；在该气压作用下，建筑物内气流，在中性层以上由建筑外沿楼层向内，至竖井后由
23、上向下流动；在中性层以下，竖井中气流由上向下，经各楼层向外排出，如图4-10(c)所示。,4.2 烟气扩散原理,（三）逆烟囱效应(上、下开口)当建筑物内发生火灾时，逆烟囱效应对火灾扩展的影响如图4-11所示，亦有两种情况:(1)当着火层在中性层以下时，如图4-11(a)。受竖井内与建筑物外温差所形成的负压影响，着火楼层烟气由该楼层一侧沿水平方向流向竖井，再沿竖井向下；中性层以上各楼层不受烟气侵犯。当烟气经过中性层到达中性层以下时，由于竖井内气流变为正压，各楼层都将受到烟气侵犯。,4.2 烟气扩散原理,（三）逆烟囱效应(上、下开口)(2)当着火层在中性层以上时，如图4-11(b)所示。烟气受竖井
24、内正气压作用，限制了烟气的流动。着火层烟气只能由该楼层一侧沿水平方向直接流向窗外，整个建筑其他各层都不受烟气侵犯。上述两种情况下，如果楼层之间有较大的空隙，则火灾层的上楼层亦将引起火灾。(四)中性面位置当竖井上下开口面积相同，中性面位置可以由下式计算(式中，符号同前)：,4.3 烟气控制技术,在建筑防火设计中，为了减少火灾对人员生命的威胁，采取各种技术方法和措施控制烟气的扩散蔓延，并加以清除，这是十分必要的。如何控制呢?首先应将烟气控制在一定区域内，即对建筑空间进行适当划分，建立防烟分区;其次，在防烟分区的边界上采取一定的隔烟措施，阻止烟气越过边界蔓延;随后，在火灾所在的防烟分区内设置排烟装置
25、，以保证人员撤离前所在空间的烟层高度、烟层浓度在安全允许的范围内;最后，在非火灾分区或撤离疏散通道以及临时避难处，采用一定防烟措施，防止烟气进入。,4.3 烟气控制技术,一、防烟分区划分划分防烟分区的目的是为了有利于控制烟气扩散和火灾的扩大。防烟分区大小应该适宜。一般来说，将防烟分区划分得小些，其防排烟效果好，安全性较高，但若过小。则排烟设施增多，占据有效空间增多，造价提高。如果将防烟分区划分得大些，则某一处发生火灾时其高温烟气波及范围就大，受灾面积增多，且不利于疏散扑救。此外，防烟分区划分还应考虑建筑物不同部位的用途和楼层数等因素。,4.3 烟气控制技术,按照民用建筑防火规范，防烟分区应考虑
26、以下问题:防烟分区面积，与建筑的高低、部位、防火分区大小有关，对于一般高层建筑、人防工程，其防烟分区面积不宜超过500m2,汽车库不超过2OOOm2,防烟分区不应跨越防火分区;为防止火灾垂直蔓延，有利于迅速扑救以及人员疏散与临时避难需要，特殊部位应独立设置防烟分区或在防烟分区中设立独立防烟单元，如疏散楼梯间及其前室、消防电梯间及其前室、高层建筑的避难层与避难间、疏散主要通道等;在防烟分区边界上，采用隔烟措施防止烟气越界蔓延。,4.3 烟气控制技术,二、隔烟设施在防烟分区的区域边界上设置烟气阻隔设施形成围挡，使烟气不能越过阻碍物继续流动；在火灾发展初期，烟气阻隔设施对阻止烟气水平扩散十分有效；若
27、及时启动排烟装置，烟气可以有效地被控制在本区，若不能及时排烟，烟气越聚越多，烟气层厚度增大，将越过阻隔装置向外扩散。,4.3 烟气控制技术,二、隔烟设施用于阻隔烟气水平方向扩散的装置由挡烟垂壁和挡烟樑两类。挡烟垂壁通常有防烟卷帘、活动式挡烟板、固定式挡烟板等。(1)防烟卷帘与防火卷帘门相同。(2)固定式挡烟板与活动式挡烟板如图4-12,图4-13所示。建筑中常利用防烟分区外围的横樑，当横的横断面高度=0.5m时作为挡烟樑使用。,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式从防止烟气产生和防止由外进人疏散通道等两个方面，归纳成以下三种类型:(一)不燃化防烟方式这是一种本质安全化防烟方式。在建筑设计中，尽可
28、能采用不燃化的室内装修材料、家具、各类管道及其保温绝热材料。这种本质安全化防烟方式，对于综合型大型建筑、特殊功能建筑、无窗建筑、地下建筑以及使用明火的场所(如厨房等)特别需要应用。在不燃化设计的建筑内，即使发生火灾，因其材料不燃或难燃，产生烟气量大为减少，烟气浓度大大降低。,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式(二)密封防烟方式在较小的房间发生火灾时，如果建筑结构密封性能良好，外部难以供氧，则在短时间内，因缺氧会自动熄灭。(三)机械加压防烟方式在建筑物发生火灾时，对火灾区以外的有关区域进行送风加压，使其保持一定的正压，以防止烟气侵人的防烟方式叫加压防烟。有以下几种形式:,4.3 烟气控制技术,三
29、、防烟方式(1)有烟区与无烟区用防火门窗分隔，用正压限制缝隙进烟，如图4-14所示。,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式(2)发生火灾时，分隔门打开，垂吊挡板挡烟，有两种情况:第一种正压空气流速较小如图4-15(a)时，少量烟气发生回流;第二种正压空气流速较大如图4-15(b)时，可以防止烟气回流，并使前方烟气得到稀释。,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式(3)走廊内无分隔门和垂吊挡板如图4-16时，当使用空气量较大且均匀分布于全走廊横断面时，亦可阻止烟气扩散。,4.3 烟气控制技术,三、防烟方式(3)电梯间(或楼梯间)前室采用正压防烟，如图4-17所示。,
30、4.3 烟气控制技术,四、防烟方式火灾时排烟方式按动力可分为自然排烟和机械排烟两类。(一)自然排烟方式利用火灾时热烟气的浮力与室外冷空气的对流运动，通过建筑物的对外开口将烟气排至室外，如图4-18所示，其中图4-18(a)侧壁排烟口排烟，4-18(b)外窗排烟。在自然排烟系统中，必须有冷空气进口。,4.3 烟气控制技术,四、防烟方式自然排烟另一种布置形式如图4-19所示，它是利用自然排烟与挡烟帘配合使用，挡烟帘可以在建筑物顶棚下形成小的蓄烟池，有效排出其中的烟气。这种方式对限制烟气在无分隔的大型建筑内茎延，是比较有效的。这种布置形式也有缺点，即受室外压力影响较大，当外部有风时，形成外部压力比室
31、内高，导致外部空气压向室内，如图4-19(b)所示，限制了烟气的排出。当一年中有风时期较长时，就应该改换成机械排烟。,自然排烟方式的优点是不需要动力和复杂设备，比较容易实现；缺点是排烟效果不稳定，受自然因素影响较大。,4.3 烟气控制技术,四、防烟方式(一)机械排烟方式,烟气的产生是衡量火灾环境的基本因素之一。在完全燃烧时，可燃物转化成稳定的气相产物，但在实际火灾的扩散火焰中很难实现完全燃烧，火灾烟气是不完全燃烧的产物。,4.1 烟气的产生,原因：燃烧反应物的混合基本上是由浮力诱导产生的湍流流动控制，其中存在较大的组分浓度梯度。在氧气浓度较低的区域，部分可燃挥发份将经历一系列热解反应，从而导致
32、多种组分分子的生成。,有机物烟气形成过程,有机物,二次分解生成物,燃烧生成物,热分解,燃烧,热分解生成物,热分解生成物,热分解,二次分解生成物,燃烧生成物,燃烧,正是烟颗粒的存在才使扩散火焰发黄光。这些小颗粒的直径约为10-100nm，它们可在火焰中进一步氧化。但是如果温度和O2浓度都不够高，它们便以碳烟（Soot）的形式离开火焰区。,母体可燃物的化学性质对烟气的产生有重要影响大部分固体、液体燃烧时会明显发烟。少数可燃物（CO,甲醛，乙醚、甲醛、甲酸等）燃烧火焰不发光，且基本上不产生烟。材料的化学组成是决定烟气产烟量的主要因素 可燃物分子中碳氢比值不同，生成碳烟的能力也不同，碳氢比值越大，产烟
33、能力越强。在扩散火焰燃烧中烟气生成能力顺序为：乙炔乙烯乙烷可燃物分子结构对碳烟生成力的影响 环状结构的芳香族化合物的生碳能力比直链的脂肪族化合物高。氧气浓度充分，碳粒子生成少；不充分，碳粒子生成多，烟雾大。,影响烟气产生的因素,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3040kg/m2的标准木材，即平均火灾负荷（荷载）密度为3040kg/m2。而一般木材在300时，其发烟量约为34m3/g，即30004000m3/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
34、（35kg/m218m23500m3/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（2073600m3）。,4.2 烟气的特征及危害,火灾过程中产生的高温烟气，不但加速了火灾的蔓延，而且由于其本身具有毒性，可造成人员的伤亡，并且降低了火场的能见度，影响人员逃生。因此对火灾烟气特性及其危害的认识也是火灾防治的重要基础之一。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。,（1）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
35、直径表示，通常采用几何平均直径dgn表示颗粒的平均直径，其定义为：,第i个颗粒直径间隔范围内颗粒的数目,（1）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）烟尘颗粒的大小及粒径分布,如果所有颗粒直径都相同，则如果颗粒直径分布为对数正态分布，则占总颗粒数68.8%的颗粒，其直径处于之间的范围内。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 燃烧状态杉木 0.50.92.0热解杉木 0.43 2.4明火燃烧 聚氯乙烯（PVC）0.91.4 1.8热解聚氯乙烯（PVC）0.4 2.2明火燃烧软质聚氨酯塑料（
36、PU）0.81.8 1.8热解硬质聚氨酯塑料（PU）0.31.2 2.3热解硬质聚氨酯塑料（PU）0.5 1.9明火燃烧绝热纤维 23 2.4阴燃,烟气的流动,流动的驱动力烟囱效应 内外温差密度差压力差底部开口 正烟囱效应：内部温度高 负烟囱效应：外部温度高,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中性面之下：中性面中上：假定理想气体,烟气的流动,烟囱效应,（2）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
37、越大，该作用越强烈。根据Lambert-Beer定律，当一束波长为的光通过烟气时，有：,平均光路长度,消光系数,入射光强,透过烟气光强,（2）烟气的浓度和烟气光密度,下面引入比消光系数：,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,（2）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：,（2）烟气的浓度和烟气光密度,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。,（2）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DL作为描述烟气浓度的基本参数。,（2）烟气的浓度和烟气光密度,
38、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：,比光密度Ds越大，则烟气浓度越大,（2）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：,发烟材料的质量损失,（3）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：，分别为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
39、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辨清的最小距离为标准。并不用光度计去实际测量对比度。,火场能见度的影响因素,烟气的散射和吸收系数；火场的亮度；所辨认物体是发光还是反光及光线的波长；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：对于反光物体：在相同情况下发光物体的能见度是反光物体能见度的24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。,按消光系数对发烟程度分级,01，发烟程度多。在火灾情况下，对建筑内
40、部通道熟悉的人，消光系数允许临界值为1.0；对建筑内部通道不熟悉的人，K应在0.2以下。,计算实例,在6*6m2、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。,m-1,m-1，,m,解 假设燃烧产生的烟气在整个房间内是均匀分布的，则,1993年2月14日唐山林西百货大楼火灾，死亡80人，经法医鉴定，除一人为高空坠落死亡外，其余全部死于有毒烟气；辽宁阜新艺苑歌舞厅“11.27”大火，易燃的棉丙化纤布燃烧产生大量有毒气体，造成200余人中毒窒息死亡；1994年12月8日，新疆克拉玛依友谊馆大火，
41、死亡325人，95%死于烟气中毒。研究表明，火灾中死亡人员约有一般是由CO中毒引起，另外一半是直接烧伤、爆炸压力以及其他有毒气体引起。,烟气的危害,(一)烟气的毒害性,1.缺氧是气体毒性的特殊情况。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。有数据表明，若仅考虑缺氧时，当O2低于10%就可对人体构成危险。,(一)烟气的毒害性,2.烟气中含有各种有毒气体；3.火灾烟气具有较高的温度；4.固体悬浮颗粒,(二)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、H2
42、S、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。,(二)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530m，因此消光系数应为0.10.6m-1。而火灾发生时烟气的消光系数多为2530m-1，因此为了确保安全疏散，应将烟气稀释50300倍。,性能化设计采用生命安全判据,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
43、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,（一）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。,（二）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。,（二）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
44、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。,（二）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，记录死亡时间（td）。,（二）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，
45、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7801100K。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。,（二）动物试验法,（三）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,（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
46、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，又称半数瘫痪浓度。（3）毒性指数LD50。LD50是指使50%试验动物致死的剂量，又称半数致死量。（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。,LD50 LC50 LT50,毒性评价指标,剂量,浓度,时间,烟气的控制,烟气控制 所有可以单独或组合起来以减轻或消除烟气危害的方法。控制烟气的途径挡烟将烟气阻挡在某些限定区域排烟通过对人和
47、物没有危害的渠道导出烟气自然排烟机械排烟大规模建筑，烟气控制是几种方法的结合,烟气的控制,烟气控制的基本方式防烟分隔防烟分隔的物体：墙壁、隔板、楼板等防烟阻体挡烟主要是在建筑物内形成一定大小的防烟分区防烟阻体材料必须具有一定的耐火性能 跨越防烟分区的活动，则必须设置活动的门或窗帘 分隔物存在一定的烟气泄漏烟气泄漏的一阶近似：开口流动方程,烟气的控制,烟气控制的基本方式防烟分区：让烟被限制在一个分区内，再利用该区独立的排烟系统将烟排出，达到烟控制的目的。防烟分区的划分方法平面分区：楼地板面积较大的使用空间，大多与防烟垂壁相配合。分区原则可分为以楼地板面积，及以距排烟口长度来划分。垂直分区：电梯竖
48、井、楼梯间或其它管道井等，用防火墙及防火门作分区，以防止烟流入竖井中并经由竖井向其它楼层蔓延。层间分区：楼层为基础，所构成之天花板和楼地板间的分区。,烟气的控制,烟气控制的基本方式防烟分区的面积计算走道内有排烟，房间内没有 门为防火门：只按走道面积划分 门不是防火门：房间和走道面积都算房间内有排烟，走道内没有 门为防火门：只按房间面积划分 门不是防火门：房间和走道面积都算,烟气的控制,烟气控制的基本方式非火源区域的烟气稀释烟气稀释可是烟气或粒子浓度控制在人可承受的程度烟气在空间的浓度分布为：由此得到：稀释率 时间,烟气的控制,烟气控制的基本方式加压控制使用风机在防烟分隔物的两侧造成压差从而控制
49、烟气流过。加压控制的两种状况利用分隔物两侧的压差控制利用平均流速足够大的空气控制设计烟控系统时，应分别考虑两种情况加压系统中应设计一种可将烟气排到外界的通道,烟气的控制,烟气控制的基本方式空气流应用于铁路、公路隧道、地下铁道等的烟控Thomas给出的临界速度公式：,烟气的控制,烟气控制的基本方式空气流取下游气体参数为离火源足够远区域的参数，有 系数kv约为0.0292。适用于走廊内烟气流动根据火源功率可确定临界流速建筑物内一般不采用浮力用于风机驱动和自然通风系统喷淋对浮力的削弱,烟气的控制,空气流率与压差的计算通过缝隙的流率与压差的关系可表述为：压差可表述为：雷诺数：为路径的特性尺寸,烟气控制的几种典型情况,失火区域的烟气控制屋顶排烟自然排烟与挡烟帘配合有顶人行街的烟气控制从店铺直接向外排烟沿人行街顶棚设置挡烟帘设置蓄烟池楼内安全区的烟气控制对楼梯间加压对前室加压楼梯间和前室同时加压,第三、四章回顾,1、油雾中影响火灾蔓延过程的因素有哪些？2、在相同的外界条件下，火焰沿材料的水平方向、倾斜方向和垂直方向的传播蔓延速度相同吗？为什么？3、何谓烟气？影响烟气产生的因素有哪些？4、烟气的危害性主要表现在哪几个方面？5、常用的毒性评价指标有哪些？LC50、EC50（或IC50）是什么？,
