消防工程施工技术
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1 建筑消防相关知识

1.1 火灾基础知识

1.1.1 火灾燃烧反应的三要素

火灾是一种特殊的燃烧现象,可以通过燃烧学的基本规律对火灾的发生和蔓延作出分析。比如起火是火灾过程的最初阶段,很多概念同燃烧学中的着火、点火等基本规律有关,但是又不完全相同,起火所涉及的面比着火和点火要广得多。因此要特别注意火灾燃烧学与一般燃烧学之间的异同点。下面先由一般燃烧学的三要素出发,了解火灾发生的基本条件。

在本质上,燃烧反应是可燃物与氧化剂在一定热源作用下发生的快速氧化-还原反应。具备一定数量和浓度的可燃物和氧化剂以及一定能量强度的引火源是导致燃烧的必要条件。在一些情况下,例如,气体可燃物或氧化剂未能达到一定浓度,引火源没有足够的热量或一定的温度,即使具备了燃烧的三个必要条件也不能燃烧。比如,一根火柴的热量不足以点燃一根木材;甲烷在空气中燃烧,当甲烷含量小于14%,或者空气中氧气含量小于12%时燃烧就不会继续;如果用热能引燃甲烷、空气混合物,当温度低于595℃时燃烧就不会发生。要发生火灾,必须同时具备可燃物、氧化剂以及引火源三个条件并达到一定的极限值,缺一不可,通常称为发生火灾的三要素,或叫作火三角。

1.1.1.1 可燃物

凡是能与空气中的氧或者其他氧化剂起剧烈化学反应且放出热量的物质都属于可燃物质。可燃物是多种多样的,不同类型建筑物内能够导致火灾的可燃物种类更加繁多。例如,化工生产设备内流动着大量高温、高压的易燃以及可燃液体,只要管道出现漏洞,喷出来就是火;工地上的生石灰遇火发热能将草袋烧着;住宅类建筑里的煤气及家用电器等,使用不当也会导致火灾。可燃物按来源可分为天然可燃物和各种人工聚合物,如木材、纸张、布匹、汽油、液化石油气、建筑装饰用板材、沙发以及窗帘等。按形态可分为固态、液态和气态可燃物三种。可燃物从组成上讲可以是由一种分子组成的单纯物质,例如H2、CO、CH4、H2S等部分可燃气体和低分子的可燃液体。绝大部分可燃物均为多种单纯物质的混合物或多种元素的复杂化合物。例如天然气的组分一般主要包括甲烷(CH4)和氢气,液化石油气的主要组分包括丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)以及丁烯(C4H8)等多种碳氢化合物。火灾燃烧产物中也含有未完全燃烧的可燃气体,以及多种可燃液滴及固体颗粒。对于人工聚合物,其成分更加复杂,火灾燃烧产物中常含有大量的毒性成分,火灾危险性更为严重。物品的火灾危险性类别如表1-1所列。从表1-1中可以看出,甲类物品的闪点较低,爆炸极限范围宽,其火灾危险性最大。在建筑设计中,针对各种不同物品的燃烧特性与火灾危险性,应分别采取相应的防火阻燃及灭火技术措施。

表1-1 物品的火灾危险性类别

建筑物中可燃物种类很多,其燃烧发热量也由于材料性质不同而异。为便于研究,在实际中常根据燃烧热值将某种材料换算为等效发热量的木材,用等效木材的质量表示可燃物的数量,叫作当量可燃物的量。通常地说,大空间所容纳的可燃物比小空间要多,因此当量可燃物的数量与建筑面积或容积的大小有关。为便于研究火灾性状,通常把火灾范围内单位地板面积的当量可燃物的质量(kg/m2)定义为火灾荷载。房间中火灾荷载的总和,叫作当量可燃物总量。当量可燃物总量与房间中单位面积上的实际可燃物数量和各种可燃物的实际总数量有所不同。火灾荷载可按下列公式进行计算:

式中 W——火灾荷载,kg/m2

Gi——某可燃物质量,kg;

Hi——某可燃物热值,kJ/kg;

H0——木材的热值,kJ/kg;

AF——室内的地板面积,m2

Qi——室内各种可燃物的总发热量,kJ。

火灾荷载是衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数,为分析建筑物火灾危险性的一个重要指标,是研究火灾发展阶段特性的基本要素,火灾荷载和燃烧特性的关系参见表1-2。

表1-2 火灾荷载与燃烧特性的关系

在建筑物发生火灾时,火灾荷载直接决定着火灾持续时间的长短及室内温度的变化情况。所以,在进行建筑结构防火设计时,很有必要了解火灾荷载的概念,合理确定火灾荷载数值。试验表明,火灾荷载为60kg/m2时,其持续燃烧时间为1.3h。通常住宅楼的火灾荷载为35~60kg/m2,高级宾馆达到45~60kg/m2。这样当火灾发生时,因为火灾荷载大,火势燃烧猛烈,燃烧持续时间长,火灾危险性增大。

1.1.1.2 氧化剂

凡是能帮助和支持燃烧的物质都叫作氧化剂。火灾时空气中的氧气是一种最常见的氧化剂。在热源能够满足持续燃烧要求的前提下,氧化剂的量与供应方式是影响和控制火灾发展势态的决定性因素。地下建筑火灾中常利用“封堵降氧”的方法控制火势的发展。

1.1.1.3 引火源

能引起可燃物质燃烧的热能源称为引火源,引火源可以是明火,也可以是高温物体,如火焰、电火花、高温表面、自然发热、光以及热射线等,它们的能量和能级存在很大差别。在一定温度和压力下,能引起燃烧所需的最小能量叫作最小点火能,这是衡量可燃物着火危险性的一个重要参数。一般,可燃混合气的初温增加,最小点火能减少;压力降低,则最小点火能增大。当压力降至某一临界压力时,可燃混合气就很难着火。

下面以球形电火花为例,简述最小点火能的概念。图1-1为电火花点火的简化模型,相应的简化条件为:

图1-1 电火花点火的简化模型

①可燃混合气体处在静止状态;

②电极间距足够大(不考虑电极的冷熄作用);

③化学反应为二级反应。

假设从球心到球面温度分布均匀,球形火焰温度是绝热火焰温度(Tm),环境温度为T。点燃的判断依据为在火焰厚度δ内形成TmT的稳定分布。

则要使半径为rmin球体内的可燃混合气体用电火花将其由T加热至Tm时,所需要的最小点火能Hmin(kJ)应为:

式中 k1——修正系数,用来修正电火花加热温度总低于Tm而带来的误差;

Tm——球形火焰温度,K;

T——环境温度,K;

rmin——球形可燃混合气体半径,m;

cp——可燃混合气体比定压热容,kJ/(kg·K);

ρ——可燃混合气体密度,kg/m3

实践证明,多数火花(例如电闸跳火)具有这个能量,所以,必须加强对明火的控制。

1.1.2 不同种类可燃物的火灾燃烧特性

1.1.2.1 可燃气体的火灾燃烧特性

(1)可燃气体的着火。建筑物火灾中的可燃气体通常有两类:一类为火灾前建筑物内已经存在的燃料气,如天然气、液化石油气以及人工煤气等;另一类是火灾烟气中由于可燃物不完全燃烧生成的可燃气体,如CO和H2S等。

任何可燃气体在一定条件下与氧接触,均要发生氧化反应。如果氧化反应过程产生的热量等于散失的热量,或活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量,这个过程就称为稳定的氧化反应过程。若氧化反应过程生成的热量大于散失的热量,或活化中心浓度增加的数量大于其销毁的数量,这个过程就叫作不稳定的氧化反应过程。

由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而导致燃烧的一瞬间,叫作着火。

①热力着火。一般工程上遇到的着火是因为系统中热量的积聚,使温度急剧上升而引起的。这种着火称为热力着火。如图1-2所示为可燃混合物的热力着火过程。其中曲线L为氧化反应过程发生的热量随系统温度变化的指数曲线,曲线MM'、M″是随建筑物或可燃气体容器内壁温度升高,系统的散热曲线。当温度T0比较低时,散热线M和发热曲线L有两个交点1和2。当建筑物或可燃气体容器内壁温度逐渐升高时,散热线M向右移动,到M'位置时和曲线L相切于i点。i点是稳定状态的极限位置,如果系统内壁温度比T0i再升高一点儿,曲线M就移动到M″的位置,曲线LM″就没有交点。这时发热量总是大于散热量,温度不断升高,反应不断加速,化学反应就由稳定的、缓慢的氧化反应转变为不稳定、激烈的燃烧。

图1-2 可燃混合物的热力着火过程

Q—热量;T—温度

发热曲线L与散热曲线M'的切点i,称为着火点,相应于该点的温度叫作着火温度或自燃温度。

根据以上分析可知,着火点是一个极限状态,超过这个状态便有热量积聚,使稳定的氧化反应转为不稳定的氧化反应。着火点同系统所处的热力状态有关。着火温度除和可燃混合物的特性有关外,还与周围环境的温度、压力以及反应容器的形状及尺寸等向外散热的条件有关,即使同一种可燃气体,着火温度也不是一个物理常数。在燃料的活性较强、燃烧系统内压力比较高和散热较少的情况下,燃料的热力着火温度会变得低一些。表1-3给出了1atm(1atm=101325Pa,下同)、298K条件下,某些可燃性物质的最低着火温度。

表1-3 空气中某些可燃性物质的最低着火温度

大量的试验及理论分析证明,当混合气压力增大时,着火温度下降,混合气自燃容易发生。反之,则自燃温度上升,混合气不易着火。着火临界压力和着火温度的关系如图1-3所示。

图1-3 着火临界压力与着火温度的关系

T0——着火温度;p——着火临界压力

着火温度还与燃料和空气的组分比有关。着火临界压力也同燃料和空气的组分比有关,这就是可燃气体的着火(爆炸)极限,如图1-4与图1-5所示。

图1-4 着火温度与混合气成分的关系

T0——着火温度;p——着火临界压力

图1-5 临界压力与混合气成分的关系

T0——着火温度;p——着火临界压力

由图1-4、图1-5可以看出,在一定的压力和温度下,并不是所有的可燃混合气都能着火,燃料气的浓度低于或者高于某一极限值都不会被点燃或爆炸。可燃性气体混合物遇明火发生燃烧时可燃气体的最低浓度,叫作可燃极限下限;遇明火能发生燃烧的最高浓度,称为可燃极限上限。当压力或者温度下降时,可燃极限范围缩小,火灾危险性降低;当压力或温度下降到某一值时,可燃极限上限和下限可为一点;当温度或者压力继续下降,则任何混合气体成分都不能着火。表1-4为若干燃料气的可燃极限。

表1-4 若干燃料气的可燃极限(273.15K、1atm)

②支链着火。热力着火理论为多数燃料在燃烧设备内所经历的着火过程,也是大多数火灾发生的主要原因。也有许多现象不符合热力着火理论,比如氢气/氧气体系在低压下其可燃界限呈半岛形,如图1-6所示。这种燃烧现象可以通过支链着火理论来解释。

图1-6 氢/氧混合物的爆炸极限

在一定条件下,因为活化中心浓度迅速增加而引起反应加速从而使反应由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应的过程,叫作支链着火。例如,磷在大气中会发生闪光,但温度并不高;许多液态可燃物(醚、汽油、煤油等)在低压与温度只有200~280℃时发生微弱的火光,叫作冷焰。

实际燃烧过程中,不可能有纯粹的热力着火或者支链着火存在。事实上,它们是同时存在而且是相互促进的。可燃混合气的自行加热不仅加强了热活化,而且也加强了每个链反应的基元反应。通常来说,高温时热自燃是着火的主要原因,而在低温时支链反应是着火的主要原因。

(2)可燃气体的点火。假设可燃混合物中任一点的瞬时温度与浓度均相等,燃烧反应是在整个系统中同时进行的。而当一微小热源放入可燃混合物中时,则贴近热源周围的一层混合物被迅速加热,并开始燃烧产生火焰,然后利用湍流混合和传热,火焰锋面逐渐传播并扩展至整个可燃物,使可燃混合物逐步着火燃烧。这种现象称为强迫着火。工程中使用得比较普遍的着火方法是强迫着火,点火源可以是灼热固体颗粒、电火花、引燃火炬以及高温烟气回流等。

强迫着火和自燃着火在原理上为一致的,均为化学反应急速加剧的结果。但是,强迫着火要求点火源处的火焰能够在混合气中传播,所以,强迫着火的条件不仅与点火源的性质有关,还与火源的传播条件有关。为了确保着火成功,并使火焰能在较冷的可燃气中传播,强迫着火温度(点火温度)通常要比自燃温度高得多。

(3)可燃气体的燃烧过程。根据可燃气体与空气混合过程的特点,可燃气体的燃烧过程可归纳为扩散式燃烧和预混式燃烧两种基本形式。两者边混合边燃烧叫作扩散式燃烧。可燃气体与空气在燃烧前即进行预混合的燃烧过程称为预混式燃烧。火灾燃烧中经常出现这种情况,即使可燃组分在预混燃烧阶段不能完全燃烧,部分燃料气进入烟气中,还可继续发生扩散燃烧。

①扩散式燃烧。可燃气体在喷射出来之前没有同空气混合,当可燃气体从存储容器或者输送管道中喷射出来时,在适当的点火源能量的作用下,喷射而出的可燃气体卷吸周围的空气,边混合边燃烧,形成射流扩散火焰,分为层流与湍流两种类型。图1-7为可燃气体层流扩散火焰示意。层流扩散火焰焰面为圆锥形。焰面上可燃气体和空气的混合比等于化学计量比。焰面以内为可燃气体与燃烧产物的混合区。可燃气体浓度Cg从火焰中心向焰面逐步降低。焰面以外为空气和燃烧产物的混合区。氧气浓度由静止的空气层向焰面逐步降低;燃烧产物在焰面上浓度Ccp最大,由焰面向内、外两侧逐步降低。

图1-7 可燃气体层流扩散火焰的结构示意

Ⅰ——外侧混合区(烟气+空气);Ⅱ——内侧混合区(烟气+燃气);Cg——可燃气体浓度;Ccp——燃烧产物浓度;a——空气过剩系数

由喷口平面到火焰锥尖的距离称为火焰高度,它是表示燃烧状况的一个重要参数。如图1-8所示为扩散火焰高度与喷出气流速度之间的关系。

图1-8 气流速度增加时扩散火焰高度和燃烧工况的变化

1——火焰长度终端曲线;2——层流火焰终端曲线

理论和试验分析的结果表明,当喷口尺寸及形状一定时,层流扩散火焰高度随管口喷出气流速度增加而增长,即:

式中 qV——可燃气体的体积流量,m3/s;

D——气体的扩散系数,m2/s;

u——可燃气体的平均流速,m/s;

R——喷口的当量半径,m;

Kc——修正系数。

随着可燃气体气流速度的增大,火焰逐渐由层流转变为湍流。通过实验表明,当喷口处的雷诺数约为2000时,进入由层流向湍流的转变区。当雷诺数达到某一临界值(通常小于10000)时,整个火焰焰面几乎完全发展为湍流燃烧。

试验表明,湍流扩散火焰的高度大致和喷口的半径成正比,和绝热火焰温度、环境初始温度及空气和燃料气的化学当量比有关,和燃料气的流速无关。喷口气相射流火焰的特性主要决定于燃料气喷出的动量,文献中通常称之为动量射流火焰。工程计算中,湍流火焰高度还常用以下公式估算。

式中 R——喷口的当量半径,m;

a——湍流结构系数;

n——燃料气在空气中发生化学当量比燃烧时的燃料/空气比。

人工燃气的层流扩散火焰温度最高可达900℃,湍流扩散火焰可以达到1200℃左右。由于火焰部分的温度较高,可以对邻近的物体或建筑造成严重破坏,所以,在火灾防治中,需要关注火焰可能达到的高度。

②预混式燃烧。若由于某种原因致使可燃气体泄漏,在封闭的泄漏点区域,如建筑物室内就会形成大量的可燃混合气。如果同时出现点火源,便可引起爆炸。这种爆炸往往引发火灾,或者使火灾进一步扩大。可燃气体与空气混合的程度一般用一次空气系数a1来表示,即一次空气量与理论空气量的比值。一次空气系数a1=1时,即处于化学当量比燃烧;一次空气系数a1<1,表明氧气供应不足,燃料过量,称为富燃料预混气,这种状况的燃烧称为部分预混式燃烧,一次空气系数a1>1时,则表明空气过剩,燃料气较少,通常称为贫燃料混气,处于完全预混式燃烧状态。火灾的初期阶段,一般是富燃料预混气燃烧阶段;火灾的通风阶段处于空气过剩阶段。

如图1-9所示为部分预混式燃烧形成的本生火焰,由内锥和外锥两层火焰组成。内锥由可燃气体与一次空气混合物的燃烧所形成,其燃烧过程处于动力区内。外锥由尚未燃烧的可燃气体从周围空气中获得氧气燃烧所形成,燃烧过程处在扩散区内。由火势的发展来看,火灾的发展及蔓延实际上是一种处于高温反应区的火焰传播过程。随着气体流动状态的不同,预混火焰传播速度可以分为层流火焰传播速度和湍流火焰传播速度两种。

图1-9 部分预混式燃烧形成的本生火焰

1——内锥面;2——外锥面;h——内锥高度;r——内锥半径;Sn——火焰传播速度;v——气流速度;vn——法线上的分量;φ——法线上的分量与气流速度间的夹角

层流火焰传播速度定义是火焰面向层流可燃混合气中传播的法向速度。一定温度及压力下,可燃混合物的法向火焰传播速度Sn为反映可燃气体燃烧特性的一个物理常数,由可燃混合物的物理化学特性所决定。随着初始温度的升高,Sn显著增大。对于烃类碳氢化合物而言,炔族火焰传播速度最大,其次就是烯类,最小是烷族。法向火焰传播速度的最大值出现在空气与可燃气体按化学计量比混合时。法向火焰传播速度相应的最大和最小值时可燃物的含量就是可燃混合物的着火下限和上限。表1-5所示为常温常压下,若干燃料气体与空气混合时的法向火焰传播速度的最大值,以及在该速度时燃料气在预混气中的百分比。

表1-5 若干燃料气体与空气混合时的法向火焰传播速度的最大值(常温常压)

当部分预混火焰内锥表面各点上的气流速度v在锥体母线的法线上的分量vn与该点的法向火焰传播速度Sn相等时,则内锥形状十分稳定,轮廓清晰,呈明亮的蓝色锥体。又由于一次空气量小于燃烧所需的空气量,所以在蓝色锥体上仅仅进行一部分燃烧过程。所生成的中间产物将穿过内锥焰面,在其外部按扩散方式和空气混合而燃烧:且一次空气系数越小,则外锥焰就越大。a1=1时,燃烧温度最高,内锥高度最短;a1<1或者a1>1时,内锥高度均增长。

因为预混湍流火焰比层流火焰明显缩短,焰面由光滑变为皱曲,火焰厚度增加,火焰总表面积也相应增加。当湍流尺度很大时,焰面将强烈扰动,焰面变为由许多燃烧中心所组成的一个燃烧层,燃烧得到强化。如图1-10所示为其火焰结构。

图1-10 部分预混燃烧湍流火焰结构

1——焰核;2——焰面;3——燃尽区;L1——焰核长度;L2——焰面长度;L3——燃尽区长度;Lf——火焰中长度

预混火焰可向任何有可燃混合气的地方传播。当可燃混合气的气流速度的法向分速度小于火焰传播速度时,火焰缩回喷口,叫作回火。回火可能造成混合室与其相连的管道内的温度和压力急剧升高,甚至造成爆炸,其破坏性极大,所以,对于预混燃烧应当格外注意防止回火。

部分预混式燃烧由于预混了部分空气,因此燃烧温度和燃烧的完全程度有所提高,火焰温度相对扩散式燃烧较高。当选取适宜的一次空气系数时,燃烧过程仍属稳定,并且一次空气系数越大,燃烧的稳定范围就越小。

1.1.2.2 可燃液体的火灾燃烧特性

(1)液体的燃烧过程。如图1-11所示为可燃液体的着火过程。液体燃烧主要包括蒸发和气相燃烧两大阶段。在外界点火源所释放热能的作用下,可燃性液体蒸发生成可燃性蒸气,可燃性蒸气与氧气或者氧化剂混合生成的可燃性混合气,在点火源释放的热能作用下,达到着火条件而起火。所以,液体蒸发是液体燃烧的先决条件。在常温条件下,不同液体的蒸发速率是不同的,因而在液面上方,可燃蒸气和空气形成的可燃混合气的着火能力也有所区别。蒸发快的比蒸发慢的要危险。饱和蒸气压及沸点是表征液体蒸发特性的重要参数。

图1-11 可燃液体的着火过程

(2)液体的闪燃与点燃。在低温条件下易燃、可燃液体蒸气以及空气混合到达一定的浓度,遇到明火点燃即发生蓝色火焰且一闪即灭,不再继续燃烧的现象,叫作闪燃。出现闪燃的最低温度叫闪点。由于当时液体蒸发的速率尚不能达到燃烧的需要,所以闪燃出现的时间不长。随着温度的升高,液体的蒸发加快,达到着火浓度的时间缩短,此时便有起火甚至爆炸的危险了。实际应用中常用闪点来衡量液体的火灾安全特性。液体的闪点越低,蒸发性越好,其火灾危险性越大。因此,闪点是易燃、可燃液体即将起火燃烧的前兆。对于防火而言,闪点具有重要的意义。测定闪点有开口杯法和闭口杯法,通常前者用于测定高闪点液体,后者用于测定低闪点液体。

表1-6列出了常见可燃液体的闪点。从表中能够看出,许多液体的闪点低于常温。为了便于防火安全管理,通常把闪点低于45℃的液体称为易燃液体,闪点高于45℃的叫作可燃液体。在建筑防火设计中,常以28℃与60℃为界,把易燃和可燃液体分为甲、乙、丙三类火险物质。闪点小于28℃的可燃液体属甲类火险物质,比如汽油;闪点大于等于28℃、小于60℃的可燃液体属乙类火险物质,例如煤油;大于等于60℃的可燃液体属丙类火险物质,比如柴油、植物油。

表1-6 常见可燃液体的闪点

随着液体温度的升高,其蒸气浓度会进一步增大,到一定温度再遇到明火时,便可发生持续燃烧,这一温度叫作该液体的燃点。与燃料气的可燃极限类似,可燃液体的着火温度也有下限与上限之分。着火温度下限指的是液体在该温度下蒸发生成的蒸气浓度等于其可燃极限下限,着火温度下限也就是该液体的燃点。着火温度上限指的是该液体在该温度下蒸发出的蒸气浓度等于其可燃极限上限。表1-7列出了液体的着火温度极限。

表1-7 液体的着火温度极限

(3)池火及流淌火灾。在表面张力的作用下,当可燃液体由容器或者管道中流淌出来,受到了某种固体壁面阻挡,就极易积聚起来形成不规则的大面积液池。在火灾中,可燃液体燃烧的主要形式是液面燃烧,即火焰直接在液池表面上生成,通常称为池火。盛放在敞口容器中的液体为一种典型的池火。液池的大小可以通过它的当量直径来度量,是决定池火特性的一个重要参数。伯利诺夫与卡迪亚罗夫对直径从3.7~22.9mm的碳氢可燃物池火的研究结果表明,池火的液面下降速率及火焰高度随池火直径的变化可以分为三个区域:当直径D小于0.03m时,火焰为层流火焰,液面下降速率随池火直径的增加而下降;直径D>1.0m时,火焰为充分湍流状态,液面下降速率和池火直径无关;直径处在0.03m<D<1.0m范围时,火焰处于过渡区状态。如图1-12所示为常见几种油类池火中液面下降速度和火焰高度随池径的变化。

图1-12 油类池火中液面下降速度和火焰高度随池径的变化

池火中液面的下降速率可由下式给出:

式中 R——液面下降速率,m/s;

ρ——液体的密度,kg/m3

Lv——液体蒸发热,kJ/kg;

——火焰供给液面的面积热流量,kW/m2

——其他热源供给液面的面积热流量,kW/m2

——通过燃料表面的热损失速率,kW/m2

在自燃燃烧情况下,由火焰供给液面的面积热流量为液体所得到的热量的主要来源,包括通过容器边缘对液面的导热、对液面的直接对流传热和辐射换热三项之和。

式中 D——液面的直径,m;

TF——火焰的温度,K;

TL——液体的温度,K;

K1——综合考虑各种导热项而引入的系数,kW/(m3·K);

K2——对流传热系数,kW/(m4·K);

K3——包括斯忒藩-玻耳兹曼常量和由火焰对液面传热的形状因子;

K4——不仅包括关联平均光程与液池直径的比例因子,而且包括火焰中辐射组分的浓度和辐射系数。

1-exp(-K4D)是火焰辐射项。假设K4足够大,则当D很小时,导热项决定着燃烧速率;而当D比较大时,辐射项对燃烧速率起控制作用。

一些试验还证实,液池表面不同径向位置的燃烧速率也并不相同。对于直径比较小的池火,靠近池边的蒸发速率比中心处大,其中甲醇池火十分明显。而对于大直径的燃烧池及辐射强的火焰来说,情况正相反。

近年来,因为人为纵火或生产事故,汽油、柴油等可燃液体引发的火灾时有发生。当由于某种原因可燃液体由容器中泄漏出来以后,遇到火源而着火,可燃液体就会边流动边燃烧,称为流淌火灾。流淌火与固定面积的池火有很大的差别,主要体现在流淌火燃烧表面积不断扩大,释热速率极高,而且其扩展方向不确定,会造成对建筑和设备极大的破坏。在液体火灾的防治中,将液体限制在一定的区域内,防止其流淌是一个十分有效的消防措施。

1.1.2.3 可燃固体的火灾燃烧特性

图1-13所示为可燃固体的燃烧过程。可燃固体的燃烧过程大体为:在一定的外部热量作用之下,固体物质发生热分解,生成可燃挥发分和固定炭。如果挥发分达到燃点或受到点火源的作用,即发生明火燃烧。稳定的明火向固体燃烧面反馈热量,使固体燃料的热分解加强,即使撤掉点火源,燃烧仍能持续进行。当固体本身的温度达到较高后,固定炭也开始燃烧。由火灾防治角度出发,主要关心可燃固体的前期气相燃烧。

图1-13 可燃固体的燃烧过程

有一些可燃固体受热之后,先熔化为液体,由液体蒸发生成可燃蒸气,再以燃料气的形式发生气相燃烧。因为这些固体的相对分子质量较大,总会或多或少地产生固定炭,所以其燃烧后期也存在固定炭的燃烧阶段。

通常固体燃料是由外部火源点燃的。当固体燃料在明火点燃下刚刚可发生持续燃烧时,其表面的最低温度叫作该物质的燃点。因为固体的挥发性差,而且其性质不够稳定,所以其燃点不易准确测定。表1-8列出了一些可燃固体的燃点供参考。

表1-8 可燃固体的燃点

有些固体除了可由明火点燃外,还可发生自燃。所谓自燃,是指没有外部点火源的情况下,可燃固体受热或者自然发热,热量在其周围积蓄起来,导致可燃物达到一定的温度而发生的燃烧。在规定条件下,可燃物质发生自燃的最低温度叫作该物质的自燃点。可燃气体和液体也都有自燃点。物质的自燃点越低,发生火灾的危险性越大。表1-9为部分可燃物的自燃点。

表1-9 部分可燃物的自燃点

不少建筑物火灾正是由可燃物自燃造成的。当可燃物堆放在通风散热较差的地方,如靠近炉灶或烟囱的木柴垛,可能因为受热达到自燃点而导致火灾。另外,某些可燃物如柴草垛等,受到雨淋,可燃物由于菌化分解作用产生热量而达到自燃点,并且有可能最终导致火灾。还有一些固体可燃物在常温下可自行分解产生可燃气体,或者在空气中氧化导致迅速自燃或爆炸,如硝化棉、塞璐珞以及黄磷等。有的在常温下受到水或空气中水蒸气的作用,能产生可燃气体,并引起燃烧或爆炸,如金属钾、钠、电石以及氢化钠等。有的在受到撞击、摩擦,或与氧化剂、酸、碱等有机物接触时能导致燃烧或爆炸,如赤磷、五硫化二磷等;还有一些强氧化剂,如氯酸钠、氯酸钾、过氧化钾、过氧化钠等,遇酸、受热、受撞击、受摩擦,以及遇有机物或硫黄等易燃的无机物,极易引起燃烧或爆炸。实际储存这些物质时,特别是对于堆放着的固体或需要加热、烘烤、熬炼的固体来说,一定要采取适当的措施避免其接近自燃点。

可燃固体的种类繁多,一般可分为天然物质(木材、草、棉花、煤等)和人工合成物质(橡胶、塑料、纺织品等)两大类。在工程燃烧中一般以煤为固体燃料的代表。但是在建筑火灾中,建筑物中的装饰材料、家具、衣物以及室内存放的各种物品等,都是经常遇到的可燃物和初始火源,它们大都是由木材和人工聚合物制成或构成的。以下主要讨论这两类物质的火灾燃烧特点。

(1)木材的火灾燃烧特性。木材受热在100℃以下时主要是蒸发水分,当温度超过100℃开始发生热解、汽化反应,析出可燃气体,同时将少量的热放出。当温度达到大约260℃时,可燃性气体的析出量迅速增加,此时明火可将其点燃,但是并不能维持稳定燃烧。这表明可燃性气体的量还不够大,因此260℃相当于液体可燃物的闪点,这里称为木材的闪火温度。大量的实验结果证实,尽管木材种类很多,但是木材热解、汽化的规律相差不大;热解、汽化产物的主要成分包括CO、H2、CH4等。木材的闪火温度均在260℃附近。环境温度达到424~455℃时,即可着火燃烧。某些树种的闪火温度、着火温度值见表1-10。

表1-10 树种的闪火温度和着火温度

因为木材结构的各向异性,导致顺木纹方向透气性好、热导率大;垂直木纹方向透气性差、热导率小,如果受热则不易散掉,容易形成局部高温,对热解、汽化反而有利,因此垂直木纹方向较顺木纹方向容易着火。这在森林火灾和建筑火灾中的木制品烧损情况中均有表现,即沿垂直木纹方向烧损严重,而烧痕常常不连续,呈一个一个的深洞。

(2)高分子化合物的火灾燃烧特性。研究结果证实:高分子材料受热之后,也发生热解、汽化反应,高分子化合物的着火燃烧过程见图1-14。某些高分子化合物受热后,首先释放出可燃性气体,因此着火仍发生在气相中。比如,高分子材料用激光加热时,试件放在激光器的焦点,调节电流控制激光器的功率。随着加热的开始,试件温度不断升高,热解及汽化反应逐渐强化,热解及汽化生成物在试件上方形成一束垂直于试件表面的白烟。随着时间的延续,白烟底部变粗,而且更接近试件表面,同试件表面的距离只有,以后便着火形成预混火焰,并沿着白烟3~4mm传播,最后形成扩散火焰。若在空气中添加5%的四氯化碳,则火焰呈蓝色,但是燃烧速度变慢。大量的实验结果证实,有机玻璃着火时的表面温度在580~610℃之间,添加少量的四氯化碳相当于添加了阻燃剂,从而推迟了着火,减慢了燃烧速度。所以阻燃剂以及难燃化处理常在人工合成材料中添加少量的CCl4

图1-14 高分子化合物的着火燃烧过程

某些聚合物受热先液化、再蒸发,因此着火特性类似液体可燃物的着火。控制着火特性的主要参数是蒸发速率,因为此时的环境温度很高,可以用高温环境下的蒸发规律处理这个问题。受热的聚合物液化之后也要流动,流动方向总是受重力控制从上向下流动。因此受热部位对着火性能的影响不同于受热汽化的可燃物,受热部位在上,液化的流体向下流动对着火燃烧有利,导致火灾蔓延的危险性加大。

1.1.3 建筑物火灾的发展和蔓延

火灾过程中火灾建筑物室内环境的温度随着产生热量的增多而升高,在达到并且超过逃生人员所能承受的极限时,便会危及生命安全。并且温度继续升高到一定程度后,建筑构件和金属将会丧失其强度,导致建筑结构受到损害。

一般用室内平均温度随时间的变化曲线表示建筑物室内火灾的发展过程,如图1-15所示。

图1-15 建筑物室内火灾的发展过程

A——可燃固体火灾室内平均温度的上升曲线B——可燃液体室内火灾的平均温升曲线

由两曲线的对比可见,可燃液体火灾初期的温升速率很快,在相当短的时间内,温度可达1000℃左右。如果火区的面积不变,即形成了固定面积的池火,则火灾基本上呈定常速率燃烧。如果形成流淌火,燃烧强度将迅速增大。这种火灾几乎没有多少探测时间,供初期灭火准备的时间也很有限,极易对人和建筑物造成严重危害,防止及扑救这类火灾应当采取一些特别的措施。

根据建筑物常见的可燃固体火灾温升曲线A,以及建筑物火灾发生、发展的时间顺序,建筑物火灾大体可分为三个主要阶段,也就是:火灾初起阶段、充分发展阶段以及熄灭阶段。其中充分发展阶段进一步可分为成长阶段与旺盛阶段。各阶段的特点简述如下。

1.1.3.1 火灾初起期

通常将可燃物质(气体、液体和固体)在一定条件下,形成非控制的火焰称为起火,失去控制的火焰叫作起火灾。建筑物火灾中,初始起火源大多数是固体可燃物。固体可燃物起火的点火源有多种,如烟头、可燃物附近异常发热的电器及炉灶的余火等。在某种点火源的作用下,固体可燃物的某个局部被引燃起火,并失去控制,叫作处于火灾初期阶段。根据起火源的燃烧特性、起火源周围可燃物的分布和燃烧特性及通风情况等差异,火灾初起期的持续时间不同。例如,焚烧废纸而引燃家具所需时间比较短,如果烟头使被褥着火则常要一两个小时以上。由于以上原因,火灾初期着火区的扩大呈现不同的规律性,通常呈现以下两种情况。

(1)火灾初起即熄灭。初始可燃物全部烧完而未能延及其他可燃物,火灾早期就受到控制或自行熄灭。这种情况一般发生在初始可燃物不多且距离其他可燃物较远的情况下,或者是火灾早期探测系统起作用,刚发烟就受到有效的控制。

(2)阴燃。火灾增大到一定的规模,但是温度和通风不足使燃烧强度受到限制,火灾以较小的规模持续燃烧。此时可燃物呈现显著的不完全燃烧状态,大量的发烟但是不出现明火,这样的燃烧过程常叫作阴燃,如图1-16所示。

图1-16 阴燃阶段

阴燃为固体物质特有的燃烧形式。所谓阴燃是一种在气固界面处的燃烧反应,是一种没有气相火焰的缓慢燃烧。易发生阴燃的材料大都质地松软、多孔或者呈纤维状。当它们堆积起来时,更易发生阴燃,如纸张、木屑、烟草、锯末、纤维织物以及一些多孔性塑料等。假设某柱状纤维的右端首先被加热导致纤维素分解析出气体,剩下的固定碳发生阴燃,并向左传播(图1-17)。图1-17所示为阴燃沿柱状纤维传播示意。由图中可以看出,发生阴燃的柱状纤维可分为四个不同的区域。

图1-17 阴燃沿柱状纤维传播示意

区域Ⅰ (灼热燃烧区)。在该区纤维素中大部分气体已挥发掉,剩下的固定碳进行表面燃烧,温度在四个区域中最高,可达到600~750℃。

区域Ⅱ (热解炭化区)。区域中燃烧热传导至区域后,使该ⅠⅡ区域温度升高,当温度达到250~时,纤维素发生热解,析出300℃气体。但是此时气体析出速度较小,可燃气体浓度不高,未达到燃烧条件。在该区上方会有烟逸出,烟气中含有可燃气体。

区域Ⅲ (原始材料区)。在该区温度比较低,纤维素不发生热解,保持原始状态。

区域Ⅳ (灰烬区)。纤维素热解剩下的固体碳经一段时间的燃烧之后,只剩下十分松散的灰烬。该区的温度逐渐下降。

阴燃阶段火区体积不大,室内平均温度、温升速率以及释热速率都较低。如果通风条件相当差,阴燃持续一段时间后火灾会自行熄灭。但阴燃过程产生的烟雾中含有可燃气体,有发生爆炸的危险性;阴燃火灾常常发生在堆积物的内部,较难彻底扑灭,并且易发生复燃。

若能在阴燃阶段采取有效的灭火措施,将大大减少火灾损失。否则,若可燃物充足且通风良好,随着室内温度的逐渐上升,当火焰在原先起火的可燃物上扩展开,阴燃转变为明火燃烧,引燃起火点附近的其他可燃物,将致使火灾进一步迅速蔓延。

1.1.3.2 火灾的充分发展阶段

(1)成长阶段

①浮力羽流。由阴燃转变为明火燃烧后,燃烧速率及释热率大大增加,可燃物上方的火焰及流动的烟气统称为羽流。羽流的火焰大多数为自然扩散火焰,温度很高,一般可达到1000℃左右,可以烧坏与其接触的物品和建筑构件。所以需要采取有效的措施控制羽流火焰的高度。当可燃液体或固体燃烧时,蒸发或者热分解产生的可燃气体从燃烧表面升起的速度很低,可以忽略不计,所以这种火焰中的气体流动是浮力控制的,又称浮力羽流。

在羽流的上升流动过程中,将会把其周围的大量空气卷吸进来。所以,随着上升高度的增加,羽流的质量流率逐渐增大,造成烟气的温度和浓度降低,流速减慢。

在不受限的或者很高的空间内,羽流将一直向上扩展,直到其浮力变得相当微弱以至无法克服黏性阻力的高度。越到上方,羽流的速度越低。而且随着烟气温度的降低,那些不再上升的烟气将发生弥漫性沉降。在比较高的中庭内生成的烟气就很容易发生这种现象。

②顶棚射流。羽流上升过程中受到房间顶棚的阻挡,于顶棚下方向四方扩散,形成沿顶棚表面平行流动的热烟气层,叫作顶棚射流,如图1-18所示。其中H为顶棚高度,定义为顶棚距可燃物表面的距离。

图1-18 无限大顶棚以下的顶棚射流示意

H——棚顶高度;R——以羽流中心撞击点为中心的径向半径;Q——火源热释放速率

多数情况下顶棚射流的厚度是顶棚高度的5%~12%,顶棚射流内最大温度和速度出现在顶棚以下顶棚高度的1%处。顶棚射流的温度分布及速度分布特点,对于火灾自动探测报警及自动喷水灭火装置的设计、选型与安装具有科学的指导意义,有利于提高这些系统工作的可靠性,减少误报、漏报。

顶棚射流发展过程中受到墙壁的阻挡,沿墙壁转向下流。因为烟气温度较高,沿墙壁下流的顶棚射流下降不长的距离后,便转向上浮,这叫作反浮力壁面射流。重新上升的热烟气先在墙壁附近积聚起来,达到了一定厚度后向室内中部扩展,并且在顶棚下方形成逐渐增厚的热烟气层。若房间有通向外部的开口,在热风压的作用下,当烟气层的厚度超过开口的拱腹高度时,如图1-19所示,烟气便可蔓延到室外。建筑物的开口不仅可以造成火焰、热烟气向火源房间以外建筑空间或者建筑物外部空间的蔓延,而且火源房间以外温度比较低的新鲜空气在热风压的作用下从开口下部进入室内,其通风效果对于火灾的发展进一步起到了推波助澜的作用。

图1-19 火灾充分发展阶段的通风口流动

hf——热空气流过通口的高度;h1——冷空气流过通口的高度;p0——中性面处的大气压力

③轰燃。建筑物火灾中室内受限空间内火焰、羽流、顶棚射流、热烟气、反浮力壁面射流以及建筑物开口的相互作用,进一步加剧了可燃物的热分解及燃烧,使得室内温度不断升高,辐射传热效应增强。辐射传热效应可以使距离起火物比较远的可燃物被引燃,火势将进一步增强。

当起火房间温度达到一定值时,建筑物的通风状况对火灾的继续发展占据主导作用,这时室内所有可燃物的表面都将开始燃烧,火焰基本上充满全室,这叫作轰燃。轰燃的出现标志着火灾充分发展阶段的开始。另外,需要指出的是,轰燃的定义是有限制的,它主要适用于接近于正方体且不太大的房间内的火灾,显然在非常高或非常长的受限空间内,所有可燃物被同时点燃是不可能的。

轰燃的出现为燃烧释放的热量在室内逐渐积累与对外散热共同作用的结果,是一种热力不稳定现象。假设着火初期热释放速率R随温度T的升高而呈指数关系升高,但是到达一定程度因为受到空气供应速率限制便不再升高了。与此同时,受到房间壁面传热性质的影响,起火房间还会向其周围散发热量,如图1-20所示,热损失速率L与温度呈线性关系。

图1-20 轰燃的热力不稳定模型

图1-20中的三条热损失曲线L1L2以及L3分别相应于三种不同传热性质壁面房间火灾时的散热情况,热释放速率R和热损失速率曲线L有三个交点,分别为AB以及C。其中,A点相应于稳定状态的通风控制燃烧,C点相应于火灾初期阶段,B点则是相应于轰燃发生时的不稳定状态。在B点,温度升高可造成燃烧强化,使热释放速率增大;温度降低则使燃烧减弱到小火状态。对于可持续燃烧的室内火灾来说,常常燃烧速率的微小增加,就会造成热释放速率急剧地由B点跳跃至A点,即导致火势的急剧扩大。

轰燃阶段时间较短,室内温度陡升,温升曲线梯度很大。此时室内温度经常会升到800℃以上,最高可达1100℃。火灾进入这一阶段之后,燃烧强度仍在增加,释热速率逐渐达到某一最大值,可以引起室内设施和建筑物结构的严重损坏、毁坏以至全部倒塌。高温火焰和烟气从起火室的开口向邻近房间或相邻建筑物蔓延,导致火势的进一步恶化。此时,室内尚未逃出的人员是很难生还的。

确定发生轰燃的临界条件对火灾防治具有十分重要的意义。目前,定量描述轰燃临界条件主要有两种方式。一种以到达地面的面积热流量达到一定值为条件。一般认为,处于室内地面上可燃物所接收到的面积热流量达到20kW/m2即可发生轰燃。然而,实验表明,这一数值对于引燃纸张之类的可燃物是足够的,而对其他可燃固体来说就显得太小了。在普通建筑物中发生轰燃时地面处的临界面积热辐射流量于15~35kW/m2范围内变化。

另一种以烟气温度达到一定值为条件。因为温度测量较为方便,火灾试验中,人们经常采用测量烟气温度来判定轰燃是否发生。这种观点强调了烟气层的影响,实际上是间接体现面积热辐射流量的作用。依据高度为3m左右的普通房间火灾试验结果,顶棚下的烟气温度接近于600℃为发生轰燃的临界条件。对于层高比较高的房间,发生轰燃的临界烟气温度值很高,反之则亦然。例如,在1.0m高的小型实验模型内,试验测得发生轰燃时的顶棚温度仅是450℃。

其他影响轰燃发生的因素包括室内装修后的顶棚高度及装修材料的可燃性和厚度、火源大小、开口率等。因为内装修造成建筑物空间高度较矮,火焰甚至可以直接撞击在顶棚上,在顶棚下面不仅有烟气的流动,且有火焰的传播,助长了火灾的蔓延,轰燃的危险性增大。可燃物及内部装修使用易燃材料多,天棚保温性能好,房间密封严,室内热量蓄积加快而温度增高显著时,热分解产生的可燃气体也增多,轰燃的出现即会提前,而且也激烈。相对顶棚而言,可燃墙面对轰燃激烈程度的影响次之,可燃地面的影响最小。

(2)旺盛阶段。轰燃(图1-20中的B点)发生后,室内火焰成漩涡状,温度急剧上升到A点,在此时间内,房间上下几乎无温差,整个房间接近于等温状态,室温达到1000℃左右,室内处于全面而猛烈的燃烧状态,热辐射及热对流也剧烈增强,结构的强度受到破坏,可能产生严重变形乃至塌落。根据可燃物数量、建筑物构造、开口部位的大小及围护结构的热工性质等不同,从B点至A点的时间通常为20~30min到1h,从B点到A点称为旺盛阶段。

火灾旺盛阶段持续时间可用式(1-9)计算:

式中 m——火灾旺盛阶段持续时间,min;

W——火灾荷载,kg/m2

AF——室内的地板面积,m2

R——燃烧速度,kg/min。

1.1.3.3 火灾减弱阶段

约80%的可燃物被烧掉后,火势即到达衰减期。这时室内可燃物的挥发分大量消耗致使燃烧速率减小,室内平均温度降至其峰值的80%左右。最后明火燃烧无法维持,火焰熄灭,可燃固体变为赤热的焦炭。这些焦炭按照固定碳燃烧的形式继续燃烧,燃烧速率十分缓慢。因为燃烧放出的热量不会很快消失,室内平均温度仍然较高,并且在焦炭附近还存在相当高的局部温度,这叫作火灾逐渐熄灭的阶段。该阶段室温逐渐降低,其下降速度是7~10℃/min,但是在较长时间内室温还会保持200~300℃。

应该指出,易燃结构和耐火结构的室内火灾发展情况有所不同:通常木结构建筑由于可燃物多而会迅速出现轰燃,最盛期由于结构倒塌引起空气流通,火势非常炽烈但较短暂,最高温度可达1100℃。耐火结构由于可燃物较少且结构及开口部分基本不变(其通风条件已定),其火灾持续时间比较长,最高温度稍低(900℃)而烟量较多。现代高层建筑往往窗大而可燃装修材料多,因此常呈现木结构火灾特征,在建筑防火设计中须引起足够的重视。

以上所述火灾发展过程指的是火灾的自然发展过程,没有涉及人们的灭火行动。如果在火灾初起阶段就能采取有效的消防措施,如启动自动喷水灭火系统,就可有效地控制室内温度的升高,防止火灾轰燃的发生,有效地保护人员的生命安全和最大程度地减少财产损失。当火灾进入到充分发展阶段之后,灭火的难度大大增加,但有效的消防措施仍然可以抑制过高温度的出现、控制火灾的蔓延,从而减少火灾导致的损失。图1-21所示为启动喷水灭火系统对火灾过程的影响。

图1-21 启动喷水灭火系统对火灾过程的影响

1.1.4 烟气的产生

火灾烟气是燃烧过程的产物,为一种混合物,主要包括:①可燃物热解或燃烧产生的气相产物,如未燃气体、水蒸气、CO、CO2多种低分子的碳氢化合物及少量的硫化物、氯化物、氰化物等;②因为卷吸而进入的空气;③多种微小的固体颗粒和液滴。

可燃物的组成和化学性质以及燃烧条件对烟气的产生都具有重要的影响。少数纯燃料(如CO、甲醛、甲醇、乙醚、甲酸等)燃烧的火焰不发光,且基本上不产生烟。而在相同的条件下,大分子燃料燃烧时的发烟量却较为显著。在自由燃烧情况下,固体可燃物(如木材)及经过部分氧化的燃料(如乙醇、丙酮等)的发烟量较生成这些物质的碳氢化合物(如聚乙烯和聚苯乙烯)的发烟量少得多。

建筑物中大量建筑材料、家具、衣服以及纸张等可燃物,火灾时受热分解,然后和空气中的氧气发生氧化反应,燃烧并且产生各种生成物。完全燃烧所产生的烟气的成分中,主要为二氧化碳、水、二氧化氮、五氧化二磷或者卤化氢等,有毒有害物质相对较少。但是,无毒气体同样可能会降低空气中的氧浓度,妨碍人们的呼吸,导致人员逃生能力的下降,也可能直接造成人体缺氧致死。

依据火灾的产生过程和燃烧特点,除了处于通风控制下的充分发展阶段以及可燃物几近消耗殆尽的减弱阶段,火灾初期阶段往往处于燃料控制的不完全燃烧阶段。不完全燃烧所产生的烟气的成分中,除了以上生成物外,还可以产生一氧化碳、有机磷、多环芳香烃、烃类、焦油以及炭屑等固体颗粒。固体颗粒生成的模式及颗粒的性质因可燃物的性质不同存在很大的差异。多环芳香烃碳氢化合物和聚乙烯可认为是火焰中炭烟颗粒的前身,并使得扩散火焰发出黄光。这些小颗粒的直径是10~100μm,在温度和氧浓度足够高的前提下,这些炭烟颗粒可以在火焰中进一步氧化,否则,直接通过炭烟的形式离开火焰区。火灾初期阶段有焰燃烧产生的烟气颗粒则几乎全部由固体颗粒组成。其中一小部分颗粒为在高热通量作用下脱离固体的灰分,大部分颗粒则是在氧浓度较低的情况下,因为不完全燃烧和高温分解而在气相中形成的炭颗粒。这两种类型的烟气均是可燃的,如果被点燃,在通风不畅的受限空间内甚至可能引起爆炸。

油污的产生同碳素材料的阴燃有关。碳素材料阴燃生成的烟气与该材料加热到热分解温度所得到的挥发分产物相似。这种产物与冷空气混合时可浓缩成比较重的高分子组分,形成含有炭粒和高沸点液体的薄雾。静止空气环境下,颗粒的中间直径D50(反映颗粒的大小的参数)约是,并可缓慢沉积在物体表面,形成油污。

1μm各种建筑材料在不同的温度条件下,其单位质量所产生的烟量是不同的,几种建筑材料在不同温度下燃烧,当达到相同的减光程度时的发烟量见表1-11,其中Kc是烟气的减光系数。

表1-11 几种建筑材料在不同温度下的发烟量(Kc=0.5m-1

随着我国经济水平不断提高,高层民用建筑特别是高层公共建筑(如宾馆、饭店、写字楼、综合楼等)大量出现,高分子材料大量应用于建筑装修、家具、管道及其保温、电缆绝缘等方面。如果发生火灾,建筑物内着火区域的空气中充满了大量的有毒的浓烟,毒性气体可直接导致人体的伤害,甚至致人死亡,其危害远远超过一般可燃材料。以我国新建高层宾馆标准客房(双人间)为例,平均火灾荷载为30~40kg/m2。通常木材在300℃时,其发烟量为3000~4000m3/kg,比如典型客房面积按18m2进行计算,室内火灾温度达到300℃时,一个客房内的发烟量是35kg/m2×18m2×3500m3/kg=2205000m3。若发烟量不损失,一个标准客房火灾产生的烟气可充满24座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。

1.1.5 烟气的特征参数

表示烟气基本状态的特征参数常用的有温度、压力、减光性以及烟尘颗粒大小等。

1.1.5.1 压力

在火灾发生、发展以及熄灭的不同阶段,建筑物内烟气的压力分布是各不相同的。以着火房间为例,在火灾发生初期,烟气的压力较低,随着着火房间内烟气量的增加,温度上升,压力相应升高。当发生火灾轰燃时,烟气的压力在瞬间上升至峰值,门窗玻璃均存在被震破的危险。当烟气和火焰冲出门窗空洞之后,室内烟气的压力就很快降低下来,接近室外大气压力。据测定,通常着火房间内烟气的平均相对压力为10~15Pa,在短时可能达到的峰值为35~40Pa。

1.1.5.2 温度

在火灾发生、发展以及熄灭的不同阶段,建筑物内烟气的温度分布是各不相同的。以着火房间为例,在火灾发生初期,着火房间内烟气温度不高。随着火灾发展,温度将会逐渐上升,当发生轰燃时,室内烟气的温度相应急剧上升,很快达到最高水平。实验证实,由于建筑物内部可燃材料的种类不同,门窗空洞的开口尺寸不同,建筑结构形式不同,着火房间烟气的最高温度各不相同。小尺寸着火房间烟气的温度通常可达500~600℃,高则可达到800~1000℃。地下建筑火灾中烟气温度可以高达1000℃以上。

1.1.5.3 烟气的减光性

因为烟气中含有固体和液体颗粒,对光有散射和吸收作用,使得只有一部分光能通过烟气,导致火场能见度大大降低,这就是烟气的减光性。烟气浓度越大,其减光作用越强烈,火区能见度越低,不利于火场人员的安全疏散及应急救援。

烟气的减光性是通过测量光束穿过烟场后光强度的衰减确定的,如图1-22所示为测量方法。

图1-22 烟气减光性的测量原理

设由光源射入某一空间的光束强度是I0,该光束由该空间射出后的强度为I。若该空间没有烟尘,则射入与射出的光强度几乎不变。光束通过的距离越长,射出光束强度衰减的程度越大。

根据比尔-兰勃定律,在有烟气的条件下,光束穿过一定距离L后的光强度I可表示为:

I=I0exp(-KcL)  (1-10)

式中 Kc——烟气的减光系数,m-1,它表征烟气减光能力,其大小与烟气浓度、烟尘颗粒的直径及分布有关;

I0——光源的光束强度,cd;

I——光源穿过一定距离L以后的光束强度,cd;

L——光束穿过的距离,m。

可进一步表示为:

Kc=KmMs  (1-11)

式中 Km——比消光系数,即单位质量浓度烟气的减光系数,m2/kg;

Ms——烟气质量浓度,即单位体积内烟气的质量,kg/m3

烟气的减光性还可用百分减光度来描述,即

式中 I0-I——光强度的衰减值,cd;

B——百分减光度,%。

测量烟气减光性的方法较适用于火灾研究,它可以直接与所考虑场合下人的能见度建立联系,并且为火灾探测提供了一种方法。

1.1.5.4 烟气的光密度

将给定空间中烟气对可见光的减光作用定义为光学密度D,即:

将式(1-10)、式(1-11)代入式(1-13),得到

这证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。为了比较烟气浓度,一般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,单位为m-1,即:

此外,在研究和测试固体材料的发烟特性时,把烟收集在已知容积的容器内,确定它的减光性,通常表示为比光学密度DL,此法只适用于小尺寸及中等尺寸的试验(ASTM,1979),称为烟箱法。

所谓比光学密度Ds,是由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。比光学密度Ds可以用下式表示:

式中 V——烟箱体积,m3

A——发烟试件的表面积,m2

Ds——比光学密度,m-1

比光学密度Ds越大,则烟气浓度就越大。表1-12给出了部分可燃物发烟的比光学密度。

表1-12 部分可燃物发烟的比光学密度

①试件面积为0.055m2,垂直放置。

1.1.5.5 烟尘颗粒大小及粒径分布

烟气中颗粒的大小可用颗粒平均直径表示,一般采用几何平均直径dgn表示,其定义为:

式中 N——总的颗粒数目,个;

Ni——第i个颗粒直径间隔范围内颗粒的数目,个;

di——颗粒直径,μm。

若所有颗粒直径都相同,则σg=1。若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lgdgn±lgσg之间的范围内。σg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见表1-13。

表1-13 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

1.1.6 烟气的危害

1.1.6.1 烟气的毒性

火灾中因为燃烧消耗了大量的氧气,使得烟气中的含氧量降低。缺氧是气体毒性的特殊情况。研究数据表明,如果仅仅考虑缺氧而不考虑其他气体影响,当含氧量降至10%时就可对人构成威胁。然而,在火灾中仅仅由含氧量减少导致危害是不大可能出现的,其危害往往伴随着CO、CO2和其他有毒成分(如HCN、NOx、SO2以及H2S等)的生成,高分子材料燃烧时还会产生HCl、HF、丙烯醛以及异氰酸酯等有害物质。不同材料燃烧时产生的有害气体成分及浓度是不相同的,因而其烟气的毒性也不相同。评价材料烟气毒性大小的方法有:化学分析法、动物试验法以及生理研究法。

此外,高温火灾烟气对人体呼吸系统及皮肤都将产生十分严重的不良影响。研究表明,当人体吸入大量热烟气时,会导致血压急剧下降,毛细血管遭到破坏,从而导致血液循环系统破坏。另外,在高温作用下,人会心跳加速,大量出汗,并由于脱水而死亡。大量的研究表明,烟气温度达到65℃时,人体可短时间忍受;人在温度120℃的烟气中,15min即可产生不可恢复的损伤;170℃的烟气中,1min人体就可产生不可恢复的损伤。在几百摄氏度的高温烟气环境中,人是一分钟也无法忍受的。

衣服的透气性及隔热程度对温度升高的忍受极限也有重要影响。对于在特殊的可控高温环境下长时间的暴露尚有试验数据参考。然而,短时间的暴露在建筑火灾等异常高温环境下却没有相应的资料及数据。目前,在火灾危险性评估中推荐数据是:短时间脸部暴露的安全温度极限范围是65~100℃。

利用化学分析法可了解燃烧产物中的气体成分及浓度,研究温度对燃烧产物的生成及含量的影响。比较常用的分析方法见表1-14。

表1-14 烟气气体成分分析方法

化学分析法虽然可分析气态燃烧产物的种类及含量,但不能解释毒性的生理作用,因此还需进行动物试验及生理研究。

动物试验法就是利用观察生物对燃烧产物的综合反应来评价烟气的毒性的过程。动物试验法可分为简单观察法与机械轮法等。美国国家航空航天局(NASA)研制了水平管式加热炉试验法,加热炉加热速度是40K/min,最高温度可达780~1100K。在暴露室中放试验小鼠,暴露30min,测定小鼠停止活动时间与小鼠死亡时间。由这些实验数据可判断不同材料燃烧烟气的相对毒性(见表1-15。)

表1-15 不同材料燃烧烟气的相对毒性(水平管式加热炉试验法)

生理试验法即为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。研究证实,在死者血液中,CO和HCN是主要的毒性气体。在气管及肺组织中也检出了重金属成分,如铅、锑等,以及吸入肺部的刺激物,如醛、HCl等。

1.1.6.2 火灾烟气中能见度降低的危害

能见度是指人们在一定环境下刚刚看到某个物体的最远距离,通常用米(m)为单位。能见度主要取决于烟气的浓度,同时还受到烟气的颜色、物体的亮度、背景的亮度及观察着对光线的敏感程度等因素的影响。当火灾时,烟气弥漫,因为烟气的减光作用,能见度必然有所下降,这对火区人员的安全疏散造成严重影响。能见度V(单位为m)和减光系数K(单位为m-1)的关系可表示为:

VKc=R  (1-18)

其中R为比例系数,试验数据证实,它反映了特定场合下各种因素对能见度的综合影响。大量火灾案例和试验结果证实,即便设置了事故照明和疏散标志,火灾烟气仍然导致人们辨认目标和疏散能力大大下降。金曾对自发光与反光标志的能见度进行了测试,他建议安全疏散标志最好采用自发光形式。巴切尔与帕乃尔也指出,自发光标志的可见距离约比表面反光标志的可见距离大2.5倍。图1-23给出了自发光物体能见度的一些试验结果。通常来说,对于疏散通道上的反光标志、疏散门等,在有反射光存在的场合下,R=2~4;对自发光型标志、指示灯等,R=5~10。

图1-23 发光标志的能见度与减光系数的关系

然而,上述关于能见度的讨论并没考虑烟气对眼睛的刺激作用。金提出在刺激性烟气中能见度的经验公式为:

V=(0.1331-1.471gKcR/Kc(仅适用于Kc≥0.25m-1)  (1-19)

安全疏散时所需的能见度及减光系数的关系见表1-16。

表1-16 安全疏散所需的能见度及减光系数的关系

确保安全疏散的最小能见距离为极限视程,极限视程随人们对建筑物的熟悉程度不同而不同。对建筑熟悉者,极限视程约是5m;对建筑不熟悉者,其极限视程约是30m。为了保证安全疏散,火场能见度(对反光物体而言)必须达到5~30m,所以减光系数应不超过0.1~0.6m-1。火灾发生时烟气的减光系数多为25~30m-1,所以,为了确保安全疏散,应将烟气稀释50~300倍。

即使是在无刺激性的烟气中,能见度的降低也可以直接导致人员步行速度的下降。日本的一项试验研究表明,即使是对建筑疏散路径相当熟悉的人,当烟气减光系数达到0.5m-1时,其疏散也变得困难。刺激性的烟气中,步行速度会陡然降低,刺激性与非刺激性烟气中人沿走廊行走速度的部分试验结果如图1-24所示。当减光系数是0.4m-1时,通过刺激性烟气的表观速度仅是通过非刺激性烟气时的70%。而当减光系数大于0.5m-1时,通过刺激性烟气的表观速度降至约0.3m/s,相当于蒙上眼睛时的行走速度。行走速度下降是因为受试验者无法睁开眼睛,只能走“之”字形或者沿墙壁一步一步地挪动。

图1-24 在刺激性与非刺激性烟气中人沿走廊行走的速度

火灾中烟气对于人员生命安全的影响不仅仅是生理上的,还包括对人员心理方面的副作用。当人们受到浓烟的侵袭时,在能见度十分低的情况下,极易产生恐惧与惊慌,尤其当减光系数在0.1m-1时,人们便不能够正确进行疏散决策,甚至会失去理智而采取不顾一切的异常行为。

研究烟气减光性的另一应用背景为火灾探测。大量研究表明,Kc与颗粒大小的分布有关。随着烟气存在期的增长,较小的颗粒会聚结成较大的集合颗粒,所以单位体积内的颗粒数目将减少,Kc随着平均颗粒直径的增大而减少。离子型火灾探测器是按照单位体积内的颗粒数目来工作的,所以对生成期较短的烟气反应较好。它可以对直径小于10nm的颗粒产生反应。而采用散射或者阴影原理的光学装置只能测定颗粒直径的量级与仪器所用光的波长相当的烟气,通常为100nm,它们对小颗粒反应不敏感。