大學(xué)物理學(xué)電子教案 火災(zāi)煙氣及其理化特性

1、大學(xué)物理學(xué)電子教案 火災(zāi)煙氣及其理化特性圖1-11 聚氯乙烯的發(fā)煙過程 母體可燃物的化學(xué)性質(zhì)對(duì)煙氣的產(chǎn)生具有重要的影響。少數(shù)可燃物質(zhì)(例如一氧化碳、甲醛、乙醚、甲酸、甲醇等)的燃燒產(chǎn)物在光譜的“熱輻射”范圍內(nèi)（0.4100m）內(nèi)是完全透明的，或以某些不連續(xù)波帶吸收（或輻射）的，不能呈現(xiàn)連續(xù)吸收的黑體或灰體輻射特征。因而，燃燒的火焰不發(fā)光，且基本上不產(chǎn)生煙。但在相同的條件下，大部分可燃液體和固體的燃燒時(shí)就會(huì)明顯發(fā)煙。 第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生*二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害 材料的化學(xué)組成是決定煙氣產(chǎn)生量的主要因素，可燃物分子中碳?xì)浔戎挡煌?，生成?/p>

2、煙的能力不一樣，碳?xì)浔戎翟酱?，產(chǎn)生碳煙的能力越大，如乙炔中碳?xì)浔葹?:1，乙烯碳?xì)浔葹?:2，乙烷碳?xì)浔葹?:3，所以在擴(kuò)散燃燒中乙炔生碳能力最大，乙烷最小，乙烯介于中間； 可燃物分子結(jié)構(gòu)對(duì)碳煙的生成也有較大影響，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的芳香族化合物(如苯、萘)的生碳能力比直鏈的脂肪族化合物(烷烴)高。 此外，氧供給充分，碳原子與氧生成CO或CO2，碳粒子生成少，或者不生成碳粒子；氧供給不充分，碳粒子生成多，煙霧很大。第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生*二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)

3、煙氣及其理化特性二、火災(zāi)煙氣物理特性及危害(一) 遮光性1、表示方法對(duì)煙氣的遮光性衡量主要有光學(xué)密度、減光系數(shù)、百分遮光度和能見度，分別表示為： （1-70） （1-71） （1-72） （1-73）式中，L為光束經(jīng)過的測(cè)量空間段的長(zhǎng)度，m；I為該光束離開測(cè)量空間段時(shí)射出的強(qiáng)度；I/I0為該空間的投射率,%；D0為單位長(zhǎng)度的光學(xué)密度,1/m；Kc為煙氣的減光系數(shù),1/m；B為煙氣的百分遮光度,%；VC為能見度,m；R為比例系數(shù)。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性2、煙氣的遮光性與能見度可見光波長(zhǎng)為0.40.7m。般火災(zāi)煙氣

4、中的煙粒子粒徑d為幾m到幾十m，由于d2，煙粒子對(duì)可見光是不透明的。煙氣在火場(chǎng)上彌漫，會(huì)嚴(yán)重影響人們的視線，使人們難以尋找起火地點(diǎn)、辯別火勢(shì)發(fā)展方向和尋找安全疏散路線?；饒?chǎng)能見度與許多因素有關(guān)，包括煙氣的散射、室內(nèi)的亮度，所辨認(rèn)的物體是發(fā)光還是反光以及光線的波長(zhǎng)等。并且還依賴于逃生者的視力及光強(qiáng)的適應(yīng)狀態(tài)。盡管如此，通過大量的測(cè)試和研究，建立了火場(chǎng)能見度與煙氣消光系數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： KcVc8 （對(duì)于發(fā)光物體） KcVc3 （對(duì)于反光物體）這表明能見度與煙氣的消光系數(shù)大致成反比，且相同情況下發(fā)光物體的能見度是反光物體的24倍。在消防上，按消光系數(shù)的大小對(duì)發(fā)煙程度進(jìn)行分級(jí)，0Kc0.1時(shí)，發(fā)煙

5、程度為極少；0.1Kc0.5時(shí)，發(fā)煙程度為少；0.5Kc1.0時(shí)，為發(fā)煙程度多。在火災(zāi)情況下，對(duì)建筑物內(nèi)部通道熟悉的人，消光系數(shù)的允許臨界值為1.0，對(duì)內(nèi)部不熟悉者，應(yīng)在0.2以下。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性(二) 刺激性和腐蝕性煙氣中有些氣體對(duì)人的肉眼有極大的刺激性，使人睜不開眼而降低能見度，因而在火災(zāi)中會(huì)延長(zhǎng)人員的疏散時(shí)間，使他們不得不在高溫并含有多種有毒物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物影響下停留較長(zhǎng)時(shí)間。試驗(yàn)證明，室內(nèi)火災(zāi)在著火后大約15min左右，煙氣的濃度最大，此時(shí)人們的能見距離一般只有數(shù)10cm。圖1-12給出了暴露在刺

6、激性和非刺激性煙氣的情況下，人沿走廊的行走速度與煙氣遮光性的關(guān)系。煙氣對(duì)眼睛的刺激和煙氣密度都對(duì)人的行走速度有影響。 圖1-12 在刺激性與非刺激性煙氣體中人的行走速度 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性隨著減光系數(shù)增大，人的行走速度減慢，在刺激性煙氣的環(huán)境下，行走速度減慢得更厲害。當(dāng)減光系數(shù)為0.4(lm)時(shí)，通過刺激性煙氣的表觀速度僅是通過非刺激性煙氣時(shí)的70%。當(dāng)減光系數(shù)大于0.5(1m)時(shí)，通過刺激性煙氣的表觀速度降至約0.3ms，相當(dāng)于蒙上眼睛時(shí)的行走速度。行走速度下降是由于是受試驗(yàn)者無法睜開眼睛，只能走“之”字形

7、或沿著墻壁一步一步地挪動(dòng)。表1-14列出了各種燃燒產(chǎn)物的刺激性和腐蝕性及許可濃度。(三) 恐怖性由于火災(zāi)的突發(fā)性，對(duì)處在環(huán)境不熟悉中的人員，一看到濃煙滾滾、烈火熊熊，難免產(chǎn)生緊張、害怕、甚至驚恐萬狀、手足無措，若再有人員擁擠疏散通道，或是樓梯被煙火封鎖，勢(shì)必造成混亂，有人甚至?xí)ダ碇?，辨別方向的能力進(jìn)一步減弱。人們應(yīng)注意利用煙氣的某些性質(zhì)，提高滅火效率，做好安全疏散。表1-15列出了些常見可燃物燃燒時(shí)煙的特征。在火場(chǎng)上，根據(jù)煙的特征可以判別燃燒的物質(zhì)；根據(jù)煙的濃度、溫度和流動(dòng)方向，可以查找火源，并大體上判斷物質(zhì)的燃燒速度和火勢(shì)的發(fā)展方向。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、

8、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性表1-14 各種有毒氣體的刺激性、腐蝕性及其許可濃度 分類 氣體名稱 長(zhǎng)期允許濃度 火災(zāi)疏散條件濃度 單純窒息性毒害性、單純窒息性毒害性、化學(xué)窒息性毒害性、化學(xué)窒息性毒害性、化學(xué)窒息性刺激性、腐蝕性刺激性毒害性、刺激性刺激性、腐蝕性毒害性、化學(xué)窒息性刺激性、腐蝕性刺激性、腐蝕性缺O(jiān)2C O2COHCNH2SHClNH3Cl2HFCOCl2NO2SO25000501010550130.15514%3%20002001000300010025120500一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及

9、其理化特性表1-15 常見可燃物燃燒時(shí)煙的特征物質(zhì)名稱 煙的特征顏色嗅味木 材石油產(chǎn)品硝基化合物橡膠棉和麻絲聚氯乙烯纖維聚乙烯聚苯乙烯錦 綸有機(jī)玻璃酚醛塑料（以木粉填）灰黑色黑色棕黃色同上黑褐色黑色濃黑色白色黑色樹脂嗅石油嗅刺激嗅硫嗅燒紙嗅燒毛皮嗅鹽酸嗅石蠟嗅煤氣溴酰胺類嗅芳香木頭、甲醛嗅稍有酸味同上酸味同上稍有酸味堿 味同 上稍有酸味同上稍有酸味同上一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性(四) 高溫?zé)煔獾娜棠托曰馂?zāi)煙氣的高溫對(duì)人對(duì)物都可產(chǎn)生不良影響，但對(duì)于人員暴露在高溫下忍受時(shí)間極限的研究還比較缺乏。工業(yè)衛(wèi)生文獻(xiàn)上給出過一定暴

10、露時(shí)間下(代表時(shí)間是8h)的熱脅強(qiáng)(HeatStree)數(shù)據(jù)，對(duì)人對(duì)高溫的忍耐性未能提出多少建議。曾有試驗(yàn)表明，身著衣服、靜止不動(dòng)的成年男子在溫度為100的環(huán)境下呆30分鐘后便覺得無法忍受；而在75的環(huán)境下可堅(jiān)持60min。不過這些試驗(yàn)溫度數(shù)值似乎偏高了。扎波(Zapp)指出，在空氣溫度高達(dá)100極特殊的條件下(如靜止的空氣)，一般人只能忍受幾分鐘；一些人無法呼吸溫度高于65的空氣。對(duì)于健康的著裝成年男子，克拉尼(Cranee)推薦了溫度與極限忍受時(shí)間的關(guān)系式為： (1-74)式中，t為極限忍受時(shí)間,min；T為空氣溫度,；B1為常數(shù)(1.0)；B2為另一常數(shù)(0)。這一關(guān)系式并未考慮空氣濕度

11、的影響。當(dāng)濕度增大時(shí)人的極限忍受時(shí)間會(huì)降低。因?yàn)樗羝侨紵a(chǎn)物之一，火災(zāi)煙氣的濕度較大是必然的。衣服的透氣性和隔熱程度對(duì)忍受溫度升高也有重要影響。目前在火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估中推薦數(shù)據(jù)為：短時(shí)間臉部暴露的安全溫度極限范圍為65到100。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害*三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性(五) 煙熏損失對(duì)于潔凈廠房、實(shí)驗(yàn)室以及存放精密電子儀器場(chǎng)所，發(fā)生火災(zāi)時(shí)由于煙氣無孔不入，其中腐蝕性氣體會(huì)造成廠房結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，甚至造成精密儀器設(shè)備的報(bào)廢，造成財(cái)產(chǎn)損失。 三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害 (一) 毒害性 大量火災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料表明，火災(zāi)中的煙氣已成為火災(zāi)中

12、的第一兇手。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)中因煙氣致死的人數(shù)約占火災(zāi)死亡總數(shù)的80%以上，尤其對(duì)于人員密集場(chǎng)所，易造成群死群傷的惡性事故。如1993年2月14日唐山林西百貨大樓火災(zāi)，經(jīng)法醫(yī)鑒定，死亡的80人除一人屬高空墜落死亡外，其余全部死于有毒煙氣；遼寧埠新藝苑歌舞廳“11.27”大火，因易燃的棉丙化纖布燃燒時(shí)分解產(chǎn)生大量有毒氣體，造成200余人中毒窒息死亡；1994年12月8日新疆克拉瑪依友誼館大火，死亡325人，其中95%以上死于煙氣中毒。研究表明，火災(zāi)中的死亡人員約有一半是由CO中毒引起的，另外一半則由直接燒傷、爆炸壓力以及其它有毒氣體引起的。對(duì)火災(zāi)中的死者進(jìn)行生理解剖，發(fā)現(xiàn)CO和HCN為主要毒氣

13、。盡管如此，現(xiàn)有的火災(zāi)數(shù)據(jù)無法提供其它有毒氣體對(duì)人員死亡的可能影響。根據(jù)分析化學(xué)可知，火災(zāi)燃燒的副產(chǎn)物可能對(duì)人存在極大的危害，而這并不一定需要醫(yī)療方面的證據(jù)加以證實(shí)。 缺氧是氣體毒性的特殊情況。有數(shù)據(jù)表明，若僅僅考慮缺氧而不考慮其它氣體影響時(shí)，當(dāng)含氧量降至10%時(shí)就可對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)。然而，在火災(zāi)中僅僅由含氧量減小造成危害是不大可能出現(xiàn)的，其危害往往伴隨著CO、C02和其它有毒成分的生成。有人曾對(duì)這種綜合效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，但提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不多。表1-16為氧濃度下降對(duì)人體的危害。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害*第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性表1-16 氧濃度

14、下降對(duì)人體的危害 圖1-13是日本在1962年和1975年先后兩次進(jìn)行的實(shí)際火災(zāi)實(shí)驗(yàn)所得到的著火房間的氣體成分曲線。可見，在轟然發(fā)生前，氧氣的濃度一直保持在2021%左右，隨著燃燒的持續(xù)，氧氣的濃度逐漸減少，發(fā)生轟然時(shí)，氧氣的濃度急劇下降，并且在轟然最盛期，氧氣的濃度只有3%左右。而對(duì)處于著火房間的人們來說，氧氣的短時(shí)致死濃度為6%，但即使含氧量在614%之間，雖然不會(huì)短時(shí)死亡，但也會(huì)因失去活動(dòng)能力和智力下降而不能逃離火場(chǎng)。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害*第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性氧濃度（%） 對(duì)人體的危害情況 16121491066 呼吸和脈搏

15、加快，引起頭疼判斷力下降，全身虛脫，發(fā)紺意識(shí)不清，引起痙攣，68min死亡為5min致死濃度 圖1-13 著火房間內(nèi)氣體成分變化曲線 火災(zāi)煙氣的毒性不僅僅來自氣體，還可來自懸浮固體顆?；蛭接跓焿m顆粒上的物質(zhì)，尸檢大多數(shù)死者，發(fā)現(xiàn)在氣管和支氣管中有大量煙灰沉積物、高濃度的無機(jī)金屬等。但目前這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常缺乏。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害*第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性 評(píng)價(jià)材料燃燒產(chǎn)物的毒性參數(shù)有很多，其中最重要的參數(shù)之一是毒性試驗(yàn)的終點(diǎn)，它比鑒別主要毒物或其作用機(jī)理更重要。常用的終點(diǎn)判據(jù)有死亡率、癱瘓率、發(fā)病率等等。最常用的毒性指數(shù)是LC5

16、0。(使50%試驗(yàn)動(dòng)物喪失生命的煙氣濃度，簡(jiǎn)稱半數(shù)致死濃度)和EC50或IC50(使50%試驗(yàn)動(dòng)物喪失能力或停止活動(dòng)的煙氣濃度，簡(jiǎn)稱半數(shù)癱瘓濃度)。此外還有：LD50(使50%試驗(yàn)動(dòng)物致死的劑量(簡(jiǎn)稱半數(shù)致死量)，ALC50（由于物質(zhì)分解而不可能嚴(yán)格測(cè)定LC50時(shí)，為了比較而計(jì)算出的半數(shù)致死濃度，簡(jiǎn)稱LC50），鑒于時(shí)間是逃離火場(chǎng)的主要因素，因而又提出了LT50和IT50(分別指煙氣使50%試驗(yàn)動(dòng)物喪生和停止活動(dòng)的時(shí)間)，在評(píng)價(jià)材料熱解和燃燒產(chǎn)物毒性時(shí)此種判據(jù)愈來愈受重視。使用停止活動(dòng)而不用死亡作判據(jù)的缺點(diǎn)是時(shí)間較短，然而致死所用的正常暴露時(shí)間（30min）似乎又較長(zhǎng)。因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，建筑物

17、里的人遠(yuǎn)少于30min就可以離開發(fā)生火災(zāi)的房間，甚至可逃出整個(gè)建筑物。一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害*第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性燃燒產(chǎn)物毒物的可保持時(shí)間限度也是重要的?？杀３謺r(shí)間（TT）也稱為危害限度（HL），其定義為死于有毒氣體以前人員從有危險(xiǎn)的環(huán)境中逃出所允許的最大濃度。還有一種評(píng)價(jià)參數(shù)，稱為毒性指數(shù)（Tw）。 TwtcV/W (1-75)式中：V動(dòng)物暴露室的體積；W材料分解的重量；tc氣體的濃度(C)與30min使人致死的相同氣體的濃度(Cf)之比值，即tcCCf (1-76)若有數(shù)種有毒成分時(shí)，則tc的近似值為這些值的簡(jiǎn)單加和。但若有協(xié)同效

18、應(yīng)，可用系數(shù)s，即： (1-77)注意不要把材料的毒性與材料的毒性危害混為一淡。由材料的毒性轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧系亩拘晕：π杩紤]材料的數(shù)量。毒性危害僅僅是構(gòu)成材料火災(zāi)總危害的許多參數(shù)之一(其他參數(shù)有：材料的可燃性，火焰?zhèn)鞑ニ俣?，熱的釋放、煙的發(fā)生等)。 一、火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生二、火災(zāi)煙氣的物理特性及危害三、火災(zāi)煙氣的化學(xué)特性及危害*第五節(jié) 火災(zāi)煙氣及其理化特性(二) 爆炸性火災(zāi)燃燒可以是陰燃，也可是有焰燃燒，兩種情況下生成的煙氣中都含有很多顆粒。但是顆粒生成的模式及顆粒的性質(zhì)大不相同。碳素材料陰燃生成的煙氣與該材料加熱到熱分解溫度所得到的揮發(fā)分產(chǎn)物相似。這種產(chǎn)物與冷空氣混合時(shí)可濃縮成較重的高分子組分，形成含有碳粒和高沸點(diǎn)液體薄霧。在靜止空氣條件下，顆粒的中間直徑D50(反映顆粒的大