1、第四章第四章 火灾烟气火灾烟气n4.1 4.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害n4.24.2 烟气扩散原理烟气扩散原理n4.3 4.3 烟气控制技术烟气控制技术引言引言n发生火灾时，都会产生含有大量高温与有毒气体的烟发生火灾时，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。传播，必将给建筑物内的人员带来巨大的生命威胁。n统计结果表明，在火灾中统计结果表明，在火灾中2/32/3以上的死亡者是烟气所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致，大部分是由于吸人
2、烟尘及有毒气体(主要是主要是CO)CO)昏昏迷后致死。迷后致死。n案例：案例：20002000年年1212月月2525日，何南省洛阳市东都商厦发生日，何南省洛阳市东都商厦发生特大火灾，死亡人数达特大火灾，死亡人数达309309人。着火点在地下二层的人。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家具厅，家具燃烧产生的大量烟气沿楼梯间涌上了顶楼楼(四楼四楼)的歌舞厅，在很短时间内，即造成众多正在的歌舞厅，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，狂欢的人们吸人有毒烟气之后而死亡。事后统计表明，这这309309人全部是因为吸人有毒烟气重度中毒窒
3、息而亡，人全部是因为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。可见火灾中烟气危害的严重性。引言引言n烟气控制的方法是从防范和消除两个方面同时进行，烟气控制的方法是从防范和消除两个方面同时进行，即即防止烟气大量产生和迅速蔓延防止烟气大量产生和迅速蔓延，同时，同时对已产生的烟对已产生的烟气迅速排除气迅速排除。防止烟气的产生和蔓延可从三个方面着手防止烟气的产生和蔓延可从三个方面着手:n第一是第一是杜绝烟源杜绝烟源，即实现建筑物和家具的非燃化。在，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
4、料，以及发烟量少、发烟速度慢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把火灾烟气的生成量降低到最小程度;引言引言n第二是第二是扼杀烟源扼杀烟源，在建筑物一旦起火时，能迅速，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，使火熄灭给，使火熄灭;n第三是第三是切断烟源切断烟源，当建筑物内某房间起火时，迅，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的一切联系，以防速切断着火区域与非着火区域的一切联系
5、，以防火势和烟气扩散。为确保疏散通道的安全，保证火势和烟气扩散。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。措施，以防烟气侵入。引言引言n尽管采取了一系列防止烟气产生和蔓延的措施，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，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，起火后应能大
6、量产生并蔓延开来，因此，起火后应迅速排迅速排除火灾产生的烟气除火灾产生的烟气，减少烟气的毒性，降低烟气，减少烟气的毒性，降低烟气的浓度，维持一定的视距的浓度，维持一定的视距，便于人员疏散。这也便于人员疏散。这也是防止烟气蔓延的积极措施，是防止烟气蔓延的积极措施，排烟和防烟排烟和防烟一样起一样起着同等重要的作用。着同等重要的作用。引言引言 本章本章研究研究的主要问题的主要问题：n研究烟气控制技术，将从工程上解决以下一系列研究烟气控制技术，将从工程上解决以下一系列问题问题:如何使火灾烟气少产生甚至不产生如何使火灾烟气少产生甚至不产生;n如何使火灾烟气控制在火灾发源地而不蔓延出去如何使火灾烟气控制在
7、火灾发源地而不蔓延出去;n如何使火灾烟气迅速地、最大限度地排除到安全如何使火灾烟气迅速地、最大限度地排除到安全的地方的地方;n如何在疏散通道及重要房间内实现防烟安全性，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道和临时栖身所。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害 一、火灾烟气组成一、火灾烟气组成(一一)烟气形成烟气形成n火灾是指在时间和空间上失控燃烧所造成的灾害。火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灾时烟气主要是由两种化学反应方式的
8、产物所形成:n第一种是可燃物在空气中的燃烧，释放热量产生火焰，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以及发光和发烟，此种燃烧其烟中可燃物已存无几;n第二种是热分解反应。它是可燃物由于温度升高而发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。物构成了火灾烟气的主体。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害 一、火灾烟气组成一、火灾烟
9、气组成(二二)烟气组成烟气组成n火灾发生时，由于参与燃烧的物质品种繁多，火灾化学火灾发生时，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。灾中烟气物质组成相当复杂。n火灾烟气是一类复杂混合物，按照混合物的相态，烟气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可以由下列产物组成:n(1)可燃物经热分解与燃烧生成的气相产物。包括未燃燃可燃物经热分解与燃烧生成的气相产物。包括未燃燃气，如气，如CH4,CO,CnHm；惰性气体，如惰性气体，如CO2，水蒸气，水蒸气;多种
10、多种有毒腐蚀性气体，如有毒腐蚀性气体，如SO2，NO，NO2,HC1等。等。n(2)多种悬浮微小多种悬浮微小(直径在直径在0.0110.0m)固体颗粒和液滴，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。如游离碳焦油类粒子、高沸点物质的凝缩液滴等。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害 一、火灾烟气组成一、火灾烟气组成n(3)由火焰卷吸进入烟气的新鲜空气。火灾中影响烟由火焰卷吸进入烟气的新鲜空气。火灾中影响烟气组成成分的因素主要有母体可燃物化学性质与火灾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燃烧方式，其中，母体可燃物化
11、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生量、产生速度与烟气毒性的主要因素；建筑中装饰建筑中装饰应用的聚氯乙烯高分子有机材料，其产烟数量为木材应用的聚氯乙烯高分子有机材料，其产烟数量为木材的的3-5倍倍；而少量纯材料如而少量纯材料如CO、甲醛、甲醚、甲醇等，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。和爆炸的雾状烟气
12、。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害二、建筑材料的发烟量与发烟速度二、建筑材料的发烟量与发烟速度(一一)建筑材料发烟量建筑材料发烟量n由表由表4-14-1所示，各种建筑材料单位重量所产所示，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，生的烟量不同，对于木材及木制品而言，当温度达到当温度达到300300以上时，随着温度升高，以上时，随着温度升高，燃烧区分解出的碳质微粒减少，发烟量减燃烧区分解出的碳质微粒减少，发烟量减少，而在相对高温时，高分子有机材料却少，而在相对高温时，高分子有机材料却能产生大量烟气能产生大量烟气4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害(一一)
13、发烟速度发烟速度n除了材料发烟量外，火灾中影响生命安全的另一除了材料发烟量外，火灾中影响生命安全的另一重要因素是发烟速度重要因素是发烟速度即单位时间内单位重量即单位时间内单位重量可燃物的发烟量可燃物的发烟量。表表4-24-2是由实验得到的各种材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料的发烟速度。该表说明，木材类在加热温度超过过350350时，发烟速度一般随温度升高而降低。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，这是由于且高分子的发烟速度比木材要大得多，这是由于
14、高分子材料的发烟量大、燃烧速度快所致。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、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烧不仅迅速，加快火势扩展蔓延，而且还会产生大量有毒浓烟，其危害远远超过一般可燃材料。烟，其危害远远超过一般可燃材料。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害三、减光系数与能见距离三、减光系数与能见距离(一一)减光系数减光系数n由于烟气中存在悬浮的固体和液体烟
15、粒，影响火场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。在光学中可以用减光系数来表示。n当可见光通过烟层时，烟粒使光线的强度减弱，光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，如图线减弱的程度与烟粒的浓度有函数关系，如图4-1所所示。设光源与发光物体之间距离为示。设光源与发光物体之间距离为L(m);无烟时受光无烟时受光物体处的光线强度为物体处的光线强度为I
16、0(cd)；有烟时光线强度为；有烟时光线强度为I(cd)4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害三、减光系数与能见距离三、减光系数与能见距离(一一)减光系数减光系数n根据朗伯一比尔定律得根据朗伯一比尔定律得n在相同距离在相同距离L和一定的光源强和一定的光源强度度I0下，当受光处光强下，当受光处光强I下降，下降，说明减光系数说明减光系数Cs增加，亦即烟增加，亦即烟中烟粒浓度增加，人的能见中烟粒浓度增加，人的能见度减弱。度减弱。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害三、减光系数与能见距离三、减光系数与能见距离(二二)能见距离能见距离n火灾的烟气使人们辨认目标的能力大大降低，即便火灾的
17、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。散方向，找不到安全出口，严重影响人员安全。n各国普遍认为，当能见距离降到各国普遍认为，当能见距离降到3m以下时，逃离火以下时，逃离火场就十分困难。场就十分困难。n 能见距离，可近似用以下两式计算能见距离，可近似用以下两式计算:4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害四、烟气危容四、烟气危容n国内外统计资料表明，火灾中烟气是夺取人类生命国
18、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最凶恶的杀手，它的危害性可以归纳为对人体危害对人体危害、对疏散危害对疏散危害和和对扑救危害对扑救危害三个方面。三个方面。(一一)对人体危害对人体危害n 人员在火灾中死亡的原因，主要有四种，即人员在火灾中死亡的原因，主要有四种，即吸入烟吸入烟气死亡气死亡、直接烧死直接烧死、房屋倒塌压死房屋倒塌压死以及以及逃生失误致逃生失误致死死。其中最主要的原因是吸入烟气死亡，具体来说，。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可以归纳为以下四个方面:4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害1.CO中毒中毒
19、n在人体的血液中，血红蛋白的功能之一是输送氧气。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在火灾中，当人们从呼吸道吸入CO时，即与血红蛋时，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，当有带氧气的能力。研究表明，当有50%上的血红蛋白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人员的死因是CO中毒，因此，中毒，因此，CO中毒对人体最
20、具中毒对人体最具威胁。威胁。nCO对人体的影响程度可参阅表对人体的影响程度可参阅表4-5。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害2.烟气中毒烟气中毒n火灾中物质燃烧产生各种有毒气体，对人体危害极火灾中物质燃烧产生各种有毒气体，对人体危害极大。木材制品燃烧时产生甲醛、乙醛、丙烯醛等醛大。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类有毒气体。以丙烯醛为例，当其在烟气中的含量达到达到10ppm时，脑部中毒几分钟后即可死亡；火灾时，脑部中毒几分钟后即可死亡；火灾中烟中含量可达中烟中含量可达50ppm；允许值为；允许值为0.01ppm。在塑。在塑料制品燃
21、烧时，产生的氯化氰、氢氧化物等毒性很料制品燃烧时，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。大的气体，其中氢化氰为极毒气体。n火灾疏散时有毒气体的允许浓度如表火灾疏散时有毒气体的允许浓度如表4-6所示。所示。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害 3.缺氧缺氧n在火灾区域，空气中含有相当数量的在火灾区域，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。量氧气，这样，使空气中含氧量大大降低。当发生燃烧时，含氧量可以降低到当发生燃烧时，含氧量可以降低到5%，人体，人体仅因严国缺氧就
22、可导致死亡。缺氧对人体的仅因严国缺氧就可导致死亡。缺氧对人体的影响，如表影响，如表4-7所示。在气密性良好的建筑内，所示。在气密性良好的建筑内，少量燃夯就可造成含氧量大大降低。少量燃夯就可造成含氧量大大降低。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害4.高温烟气窒息高温烟气窒息n火灾时由于吸人高温烟气，使口腔、喉头肿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，胀、导致呼吸道阻塞窒息，如抢救不及时，很快致死。很快致死。n 综上所述，烟气对人体的危害，综上所述，烟气对人体的危害，CO及毒气影及毒气影响最大，缺氧影响亦较严重，实际上烟气对响最大，缺氧影响亦较严重，
23、实际上烟气对人体的损害是多种因素的综合结果。人体的损害是多种因素的综合结果。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害四、烟气危容四、烟气危容(二二)对疏散危害对疏散危害n在火灾区域以及疏散通道中，常充有相当数量含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。来极大困难。n烟气中的烟气中的SO2、NO、NO2等刺激性气体，常给眼、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，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而且，由于
24、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采取恐怖心理状态，其结果使人们失去行动能力或采取异常行为。异常行为。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害n当疏散通道上部被烟气占有时，人们必须弯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，人们少时停留的疏散通道中，人们少时停留(如如12min)就就可能昏倒，停留稍长可能昏倒，停留稍长(45min以上以上)就可致死。就可致死。所以所以，疏散通道必须设置防排
25、烟设施。疏散通道必须设置防排烟设施。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害n实际检测表明，疏散通道中的烟气浓度，当有防排实际检测表明，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为保证人员疏散安全，必须保持疏散时人们的能见必须保持疏散时人们的能见距离不得小于某一数值，即疏散极限视距距离不得小于某一数值，即疏散极限视距Dmin，根，根据建筑的用途不同和在住人员对建筑物熟悉程度不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同，疏散极限视距作如下规定:n(1)住宅楼、教学
26、楼、生产车间。因内部人员固定和住宅楼、教学楼、生产车间。因内部人员固定和对疏散路线熟悉，取对疏散路线熟悉，取Dmin=5m。n(2)各类旅馆、百货大楼、商场。因大多数人员为非各类旅馆、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，取固定，对疏散路线安全出口不太熟悉，取Dmin=30m。4.14.1 烟气的性质与危害烟气的性质与危害四、烟气危容四、烟气危容(三三)对扑救危害对扑救危害n 消防队伍在参与灭火救援工作时，同样受到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，烟气威胁，包括中毒、窒息，严重妨碍作业，如如：弥漫烟雾影响视线、起火点难以找
27、到、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，导致灭火工作难以辨不清火势发展方向等，导致灭火工作难以有效展开有效展开；烟气扩展蔓延，促使形成新的火烟气扩展蔓延，促使形成新的火区。区。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理n在建筑中，高层建筑室内火灾的烟气沿走廊至竖井顶在建筑中，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成以下两个方面:n(1)(1)沿走廊水平扩散规律。火灾烟气由室内扩散至走
28、廊沿走廊水平扩散规律。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。温度和流量容积等。n(2)(2)沿竖井垂直扩散规律。建筑内外温差引起自然空气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。流动的烟囱效应原理及其对烟气扩散的影响等。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理一、沿走廊扩散一、沿走廊扩散(一一)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烟量的计算n着火房间扩散到走廊中的烟量与着火房间门窗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开闭状态
29、有很大关系关系。门窗的开闭状态有下列。门窗的开闭状态有下列四种情况四种情况：门窗全闭门窗全闭、窗开门闭窗开门闭、窗关门开窗关门开、门窗全开。显然，窗关门开时扩散到走廊上的门窗全开。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。一种较为简单烟气量最多，是最不利的情况。一种较为简单计算计算烟气质量流量的计算方法为烟气质量流量的计算方法为：4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理一、沿走廊扩散一、沿走廊扩散式中式中：Ms从为扩散到走廊的烟气质量流量从为扩散到走廊的烟气质量流量(kg/s);B为着火房间与走廊连通门的宽度为着火房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为
30、着火房间与走廊连通门的高度(m)。n上式未能反映各类可燃物对所生成烟气量的影响，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。所以只能作为近似计算。)/(468.02/3skgHBMmms4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理一、沿走廊扩散一、沿走廊扩散(二二)烟气在烟气在走廊走廊中的扩散流动计算中的扩散流动计算n火灾实验表明，烟气在走廊中的流动呈层流流动状火灾实验表明，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态，这个流动过程有如下两个特点:n(1)(1)烟气在上层流动，空气在下层流动。如果没有外烟气在上层流动，空气在下层流动。如果没有外部气流干扰的话
31、，分层流动状态能保持部气流干扰的话，分层流动状态能保持4 40 05 50 0m m的流的流程，上下两个流体层之间的掺混很微弱，但若流动程，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。气时，则层流状态将变成紊流状态流动。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理一、沿走廊扩散一、沿走廊扩散n(2)烟气层的厚度在一定的流程内能维持不变，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的烟气出口算起，通常从着火房间排向走廊的烟气出口算起，通常可达可达2030m左右，当烟气流
32、过比较长的流程左右，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，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廊断面的中部保留一个接近圆形的空气流截面，如图面，如图4-2所示。所示。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理一、沿走廊扩散一、沿走廊扩散n 走廊中烟气的扩散流动计算就是要确定烟气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、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。宽度、烟气的温度和水平流动速度
33、等。1.烟气的宽度、厚度和烟气的水平流动速度烟气的宽度、厚度和烟气的水平流动速度2.烟层中的烟气温度烟层中的烟气温度 (了解了解)4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n建筑中引起烟气垂直流动的驱动力较多，如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室内外因温差引起的烟囱效应(或称热气压效或称热气压效应应)、燃气的浮力、电梯活塞效应、通风系统、燃气的浮力、电梯活塞效应、通风系统扇风机抽压作用以及自然风力影响等，其中扇风机抽压作用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烟囱效应是高层建筑火灾垂直烟气
34、扩散最主要的驱动力。要的驱动力。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n当垂直通道内外的气体温度不同时，由于密度差引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、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
35、竖井中，气体上电梯井、竖直机械管道机通风槽等竖井中，气体上升运动十分显著，流速可达升运动十分显著，流速可达38m/s，这就是通常所，这就是通常所谓的谓的烟囱效应烟囱效应，一种自然的气体流动规律。下面就，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。烟囱效应的若干问题进行讨论。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散(一一)下部开口竖井下部开口竖井n 如图如图4-6所示，设竖井高所示，设竖井高H，内外温度分别为，内外温度分别为Ts和和T0,s和和0分别为空气在温度分别为空气在温度Ts和和T0时的时的密度，密度，g是重力加速度。当建筑
36、地平面的大气是重力加速度。当建筑地平面的大气压力为压力为P时，设离开地平面高度时，设离开地平面高度H上方的某点上方的某点压力为压力为PS,可按下式计算可按下式计算:4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散(一一)下部开口竖井下部开口竖井n同理同理:n竖井顶部内外压力差为竖井顶部内外压力差为4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散(一一)下部开口竖井下部开口竖井n当竖井内部温度比外部高时，即当竖井内部温度比外部高时，即TsT0时，时，s外部压力。由于外部压力。由于图图4-6所示竖井顶部所示竖井
37、顶部没有开口，所以没有气流。没有开口，所以没有气流。(二二)正烟自效应正烟自效应(上、下开口上、下开口)n如图如图4-7(a)所示，当冬天或建筑发生火灾后所示，当冬天或建筑发生火灾后(烟气充烟气充满建筑内时满建筑内时)，气温存在内热外冷条件。，气温存在内热外冷条件。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n当竖井上部和下部都有开口时，当竖井上部和下部都有开口时，PsP0，竖井上部烟，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气由内向外流动，竖井下部烟气因负压产生纯向上流动。流动。n在竖井某一位置，当在竖井某一位置，当Ps=P0 时
38、，形成压力中性平面时，形成压力中性平面(或称中性层、中性面或称中性层、中性面)，如图，如图4-7(b)所示。在中性面所示。在中性面以上任意高度以上任意高度H处的内外压力差处的内外压力差s0=(s-0)gH当当内为正值，即为正烟囱效应。在中性面以下，内为正值，即为正烟囱效应。在中性面以下，s0 内变为负压，当内变为负压，当H=0时，负值最大。时，负值最大。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n在建筑物内，由竖井连通的各个楼层中，空在建筑物内，由竖井连通的各个楼层中，空气流动规律如图气流动规律如图4-7(c)所示。在中性层以下，所示。在中性层
39、以下，气流方向由外向内、由下向上，在中性层以气流方向由外向内、由下向上，在中性层以上，气流方向由内向外。上，气流方向由内向外。n当建筑物内发生火灾时，正烟囱效应对火灾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扩展的影响如图4-8所示，有两种情况所示，有两种情况:4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n(1)当当着火层在中性层以下时着火层在中性层以下时，如图如图4-8(a)所所示。受竖井内与建筑物外温差所形成的负压示。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影响，着火楼层烟气由该楼层一侧沿水平方向流向
40、竖井，再沿竖井向上，中性层以下各向流向竖井，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，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。各楼层都将受到烟气侵犯。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理二二、烟囱效应与垂直烟气扩散、烟囱效应与垂直烟气扩散n(2)着火层在中性层以上时，如图着火层在中性层以上时，如图4-8(b)所示。烟气所示。烟气受竖井内正气压作用，限制了烟气的流动。着火层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，烟气只能由该楼
41、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。整个建筑其他各层都不受烟气侵犯。n 在正烟囱效应作用下，火灾烟气流动除上述两种规在正烟囱效应作用下，火灾烟气流动除上述两种规律外。当楼层间缝隙较大，则有部分烟气可直接流律外。当楼层间缝隙较大，则有部分烟气可直接流进着火层的上一层，如图进着火层的上一层，如图4-9(a)、(b)所示。如果着所示。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，如图并流人上部楼层，如图4-9(c)所示。所示
42、。4.4.2 2 烟气扩散原理烟气扩散原理（三）逆烟囱效应（三）逆烟囱效应(上、下开口上、下开口)n 夏天时室外较热室内较凉，尤其在空调建筑物中，夏天时室外较热室内较凉，尤其在空调建筑物中，即即Ts 乙烯乙烯 乙烷乙烷n可燃物分子结构对碳烟生成力的影响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。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。n氧气浓度氧气浓度充分，碳粒子生成少；不充分，碳粒子生成多，烟雾大。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影响烟气产生的因素烟气危害量级实例烟气危害量级实例n以我国新建高层
43、宾馆为例，一个客房放置两张床、写字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。约相当于品、地毯、窗帘等。上述可燃物。约相当于303040kg/m40kg/m2 2的标准木材，即平均火灾负荷（荷载）密度为的标准木材，即平均火灾负荷（荷载）密度为303040kg/m40kg/m2 2。而一般木材在。而一般木材在300300时，其发烟量约为时，其发烟量约为3 34m4m3 3/g/g，即，即300030004000m4000m3 3/kg/kg。而较典型的客房面积。而较典
44、型的客房面积为为18m18m2 2。即一个客房内可燃物按木材的发烟量为。即一个客房内可燃物按木材的发烟量为（35kg/m35kg/m2 218m18m2 23500m3500m3 3/kg/kg）2205000m2205000m3 3。如果发烟量。如果发烟量不损失，可充满像北京长富宫饭店主楼（高不损失，可充满像北京长富宫饭店主楼（高90m90m，标准，标准层面积层面积960m960m2 2）那样的高层建筑）那样的高层建筑2424座（座（2073600m2073600m3 3）。）。4.2 烟气的特征及危害烟气的特征及危害n火灾过程中产生的高温烟气，不但加速了火灾的蔓延，火灾过程中产生的高温烟气
45、，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。性及其危害的认识也是火灾防治的重要基础之一。n烟气的特征烟气的特征：烟尘颗粒的大小及粒径分布、烟气的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。浓度、烟气光密度和火场的能见度。n烟气的危害烟气的危害：烟气的毒害性、高温烟气对人的伤害、：烟气的毒害性、高温烟气对人的伤害、烟气的减光性。烟气的减光性。（1）烟尘颗粒的大小及
46、粒径分布）烟尘颗粒的大小及粒径分布niiignNdNd1loglog烟气中颗粒的大小可用烟气中颗粒的大小可用颗粒平均直径颗粒平均直径表示，通常表示，通常采用几何平均直径采用几何平均直径dgn表示颗粒的平均直径，其定表示颗粒的平均直径，其定义为：义为：第第i i个颗粒直径间隔范围内颗粒的数目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）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同时，采用标准差来表示颗粒尺寸分布范围内的宽度，即：宽度，即：2112)log(loglogniignigNNdd（1）烟尘颗粒的大小及粒径分布）烟尘颗粒的大小及粒径分布如果所有颗粒
47、直径都相同，则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，则占总颗粒如果颗粒直径分布为对数正态分布，则占总颗粒数数68.8%68.8%的颗粒，其直径处于的颗粒，其直径处于之间的范围内。之间的范围内。越大则表示颗粒直径的分布范围越大。越大则表示颗粒直径的分布范围越大。1gggndloglogg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可燃物 燃烧状态燃烧状态杉木杉木 0.50.50.90.92.02.0热解热解杉木杉木 0.430.43 2.4 2.4明火燃烧明火燃烧 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）0.90.91.4 1.81.4 1.8热解热解聚氯乙烯（聚氯
48、乙烯（PVCPVC）0.40.4 2.2 2.2明火燃烧明火燃烧软质聚氨酯塑料（软质聚氨酯塑料（PUPU）0.80.81.8 1.81.8 1.8热解热解硬质聚氨酯塑料（硬质聚氨酯塑料（PUPU）0.30.31.2 2.31.2 2.3热解热解硬质聚氨酯塑料（硬质聚氨酯塑料（PUPU）0.50.5 1.9 1.9明火燃烧明火燃烧绝热纤维绝热纤维 2 23 3 2.4 2.4阴燃阴燃gndg烟气的流动烟气的流动n流动的驱动力流动的驱动力n烟囱效应烟囱效应 内外温差密度差压力差内外温差密度差压力差n底部开口底部开口 正烟囱效应：内部温度高正烟囱效应：内部温度高 负烟囱效应：外部温度高负烟囱效应：外
49、部温度高 gHPsso 0ssT ooT 0soP0soP烟气的流动烟气的流动n烟囱效应烟囱效应n上下双开口上下双开口n形成流动：正向上，负向下形成流动：正向上，负向下n存在中性面，约在竖井中部，取决于上下口面积存在中性面，约在竖井中部，取决于上下口面积n正烟囱效应正烟囱效应n中性面之下：中性面之下：n中性面中上：中性面中上：n假定理想气体假定理想气体0soP0soPhTTKPSSS/1/100RTP/烟气的流动烟气的流动n烟囱效应烟囱效应建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动建筑物中正烟囱效应引起的烟气流动(a)(b)(c)着火层着火层中性面中性面着火层（2）烟气的浓度和烟气光密度）烟气的浓度和烟
50、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。烟气浓度越能见度，不利于火灾的扑救和火区人员疏散。烟气浓度越大，该作用越强烈。大，该作用越强烈。根据根据Lambert-BeerLambert-Beer定律，当一束波长为定律，当一束波长为的光通过烟的光通过烟气时，有：气时，有：)exp(0KLII平均光路长度平均光路长度消光系数消光系数入射光强入射光强透过烟气光强透过烟气光强（2）烟气的浓度和烟气光密度）
