1、第二章 防排烟工程基本知识,火灾烟气（smoke）,CO2,CO,H2O,CH4,HCL,HF、NH4、HCH、C、煤焦油粒子、凝聚液滴,第一节 火灾烟气的形成及危害性,一、火灾烟气的组成 1、基本概念 由燃烧或热解作用所产生的悬浮在气相中的可见的固体和液体微粒称为烟或烟粒子。 含有烟粒子的气体称为烟气。 火灾过程所产生的烟气叫做火灾烟气。 火灾烟气是火灾时所生成的气体和悬浮在其中的烟粒子的总称。,影响火灾烟气的成份和性质的因素发生热解和燃烧物质的化学成份燃烧条件：,供热条件供氧条件时间空间条件,对于正常的燃烧工况，燃烧条件得到良好的保证，燃烧进行得比较完全，所生成的气体都不能再燃烧，这种燃烧
2、称为完全燃烧，其燃烧产物称为完全燃烧产物。,完全燃烧,对于非正常的燃烧工况，没有良好的燃烧条件，燃烧进行的很不完全，称为不完全燃烧，相应的燃烧产物称为不完全燃烧产物。建筑物发生火灾时就属于这种情况。,不完全燃烧,由于火灾时参与燃烧的物质比较复杂，尤其是发生火灾的环境千差万别，所以火灾烟气的组成相当复杂。,火灾烟气的组成 热解和燃烧生成的气体：N2、CO、CO2、H2、CH4等气体,热解和燃烧生成的悬浮微粒（烟粒子）：碳黑、焦油类粒子、高沸点物质的凝缩液滴等 注： 各个阶段所产生的烟粒子不同。 阴燃阶段：干馏热分解，高沸点物质的凝缩液滴粒子，烟气呈白色或青白色 起火阶段：产生碳黑粒子，烟色呈黑色
3、,剩余空气：没有参与燃烧反应的空气；剩余空气系数V/V0 V：燃烧时所供给的实际空气量V0：物质完全燃烧时所必需的空气量,二、火灾烟气的危害性 1、毒性 烟气中含氧量往往低于人们生理正常所需要的数值。 烟气中含有各种有毒气体，而且这些气体的含量已超过了人们生理正常所允许的最低浓度。 烟气中的悬浮微粒对人体也是有危害的。 烟气一般温度都很高，对人体产生伤害。,一般人类惯于在大气的21%氧气浓度下自在活动，当氧浓度低至 17%，肌肉功能会减退，此为缺氧症现象。,缺氧,在 1014%氧气浓度时，人仍有意识，但显现错误判断力，且本身不察觉。,在 68%氧气浓度时，呼吸停止，将在 68 分钟内发生窒息死
4、亡。,实际的着火房间中氧气的最低浓度可达3%左右。,中毒,影剧院、歌舞厅等一些人员密集场所在内部装修时，采用含有大量纤维物质的材料(如：木材、竹等)和高分子材料(如：各种塑料、人造丝等)。这些物质在火灾形成的高温条件下，会分解出大量的有害气体，如CO、CO2、HCI，以及氧化物、光气、氨等。,据有关统计资料表明，火灾中因窒息和烟气中毒造成的人员伤亡可占火灾总伤亡人数的5080。,原因,有毒气体主要是CO，因为对死者血液的研究中，经常发现羰(tang)基血红蛋白，这是CO中毒的结果。,火灾案例,由于经营者私自采用三合板、棉丙交织布等大量木材和高分子可燃材料装修，并未做阻燃处理；舞池四周放置56个
5、聚酯泡沫沙发。火灾发生后，这些物质的燃烧产生大量有毒烟气，再加上歌舞厅装修后比较幽暗封闭，烟气不易散出，使现场人员12分钟内便丧失了逃生能力。,1994年11月27日，辽宁省阜新市艺苑歌舞厅发生火灾。此次火灾造成233人死亡，20余人受伤。,原因分析,火灾案例,由于时装城和歌舞厅装修中使用大量木材、油漆、海绵、化纤装饰布、塑料制品等可燃材料。装修中上部吊顶连接，致起火燃烧后蔓延迅速，大量有毒烟气窜入毗邻的凤凰服装城录像厅，致使多人死亡。,1995年4月24日，新疆乌鲁木齐市凤凰时装城(内设歌舞厅、KTV包厢、录像厅)发生火灾。录像厅内44名观众、1名清洁工和正在装修中的歌舞厅内休息的7名民工中
6、毒窒息死亡。,原因分析,火灾案例,2000年12月25日晚9时左右，王成太等4名无证上岗的电焊工，在东都商厦地下一层焊接该层与地下二层分隔铁板时，电焊火渣溅落到地下二层的可燃物上引发火灾，王成太等人用水扑救无效后未报警，即逃离现场。,王成太撤出大楼后，见到消防人员，却没有报告起火原因和正四楼歌舞厅正在营业等情况，就逃离了东都商厦，致使消防人员不知道起火原因和正四楼歌舞厅多人被困的危险情况，延误了消防人员灭火救人的时机，造成309人一氧化碳中毒窒息死亡。 经法医鉴定：309人均系一氧化碳中毒窒息死亡。,火灾后的商厦,部分火灾现场,火灾案例,2003年 2月2日大年初二，哈尔滨天潭酒店特大火灾，造
7、成33人死亡，10人受伤。,部分火灾现场,火灾案例,在天潭酒店特大火灾中死亡的33人，大多是因烟雾中毒窒息而死。,最多的烟雾和毒气来源是酒店内的软包装修。“软包装修”即在大厅和包房的四壁，用聚氨酯软质海绵镶嵌起来，用以保温、隔热、隔音和美化。这种聚氨酯软质海绵易燃，而且燃烧迅猛，燃烧时能生成大量的浓烟和毒气。这家酒店两个大厅和23个包房都是软包装修，聚氨酯软质海绵燃烧所生成的烟雾毒气足以使成百人中毒窒息死亡。,原因,豪华客房,国际会议厅,“软包装修”在现代建筑中运用得相当广泛,各种可燃物质燃烧时生成的有毒气体,中毒,窒息性：,腐蚀性：,刺激性：,麻醉性：,CO2、CO,HCN、H2S、HCl,
8、NH3、cl2、COCl2,N2O,烟气的化学成分有毒外，对眼睛的刺激作用相当明显。,减光性 火灾烟气的减光性使人们不能迅速逃离火场。 火灾烟气的减光性妨碍正常的扑救活动。,可见光波长为0407um（微米），一般火灾烟气中烟粒子直径d为几微米到几十微米，即d2（可见光波长），这些烟粒子对可见光有完全的遮蔽作用。当烟气弥漫时，可见光因受到烟粒子的遮蔽而大大减弱，能见度大大降低，这就是烟气的减光性。,同时，加上烟气中的有些气体对人的肉眼有极大的刺激性，如HCL、NH3、HF、SO2、CL2等等使人睁不开眼，从而使人们在疏散过程中的行进速度大大降低。,普通人的视力可能达到的范围称为能见距离或视程。,
9、能见距离,极限视距,熟悉者Dmin =5m,内部人员基本固定的住宅楼，宿舍楼、生产车间,不熟悉者Dmin =30m,非固定人员集中的高层旅馆、百货大楼,保证安全疏散的最小能见距离。一般用Dmin表示。,补充：,由于烟气的减光性，在发生火灾时的疏散通道或火场上实际能达到的能见距离将远小于极限规程，这就是人们在火灾烟气中的行进速度大大降低。,所以，烟气的减光性不仅妨碍迅速疏散活动，增加中毒或烧死的可能性，成为毒害性的帮凶，而且也妨碍正常的扑救活动。,恐怖性 火灾发生时浓烟滚滚，使人们产生了恐怖感，失去活动能力，丧失理智，造成混乱局面。,高温,人们对高温烟气的忍耐性是有限的。在60时可短时忍受，在1
10、20时15分钟内就将产生不可恢复的损伤；烟气温度进一步提高，损伤时间更短，140时约为5分钟，170时约为1分钟，而在几百度的高温烟气中是一分钟也无法忍受的。,在着火房间内，火灾烟气具有较高的温度，低可达500-600，高可达800-1000。地下建筑中火灾烟气温度可高达1000以上。,氧气在空气中的含量10%二氧化碳在空气中的含量10%一氧化碳在空气中的含量0.128%人呼吸的空气温度149。,补充：人可生存的极限值：,第二节 火灾烟气的基本状态参数及浓度 一、火灾烟气的基本状态参数 1、压力：着火房间平均压力可视为当地大气压力火灾发生初期，烟气的压力很低，随着燃烧的进行，火灾房间烟气量增加
11、，温度升高，压力增大。当发生轰燃时，烟气的压力瞬间达到峰值，震破门窗玻璃。当烟气和火焰冲出门窗孔洞，室内压力就很快降低，接近当地大气压。,2、温度：与冷空气混合后的烟气温度为经验公式： 1为烟气的冷却系数火灾发生初期，着火房间温度不高，随着火灾的发展，温度逐渐上升，发生轰燃时，燃烧很快达到高峰，室内烟气温度也达到最高水平。实验表明，不同种类的可燃物，不同开口尺寸的门窗孔洞，导致室内最高温度不同。,3、密度：,烟气的组成成分与空气不同，在相同温度和相同压力下，密度也与空气不同。,在一般工程计算中，烟气的密度可近似地取为相同温度的当地大气中空气的密度。,二、火灾烟气的浓度,1、火灾烟气中有毒气体的
12、浓度,有毒气体在烟气中的容积成分ri：任何一种有毒气体的分容积Vi（m3）占烟气总容积Vy （m3）的比例。,根据有毒气体含量多少，容积成分有两种表示方法：,百分浓度：,（%）,百万分浓度：,（PPM）,2、火灾烟气中烟粒子的浓度,烟粒子浓度表示法,质量浓度：单位容积的烟气中含有烟粒子的质量。,（g/m3）,颗粒浓度：单位容积的烟气中含有烟粒子的颗粒数。,（1/m3）,光学浓度：光线通过烟层时，强度减弱，其减弱程度与烟气的浓度有函数关系，用减光系数Cs表示光学浓度。,光学浓度,烟气的光学浓度是通过测量光束穿过烟场后的强度衰减确定的。,烟气遮光性的测量原理图,设由光源射入某一空间的光束强度是I0
13、，该光束由该空间射出后的强度是I。,根据比尔定律：,（cd/m2）,式中：,Cs烟的减光系数，m-1；,l光源与受光体之间的距离，m；,I受光体处的光亮度，cd/m2；,I0光源处的光亮度， cd/m2。,（m-1）,讨论：, 若I，I0一定，,Cs,l,烟粒子浓度, 若l、I0一定，,I,Cs,烟粒子浓度,I,Cs,烟粒子浓度,结论： Cs的大小能代表烟粒子浓度的大小,l,Cs,烟粒子浓度,分析：当烟气中烟粒子浓度愈大时， Cs值愈大，D越小。,Cs=0.1m-1左右时能保证任何情况下都安全疏散。,由上述可知，烟的减光系数Cs与能见距离D之积为常数C。C是个经验系数。,对疏散通道上的反光标志
14、、疏散门等，C=24；,对发光型标志、指示灯等，C=510。,火场上烟气最大光学浓度可达2530m-1，要达到Cs=0.1m-1，烟气的浓度要稀释300倍左右，这就要求进行积极排烟。,烟气浓度与能见度的关系,由于烟气的减光作用，火场中的能见度必然有所下降，这会严重影响火灾中的人员活动。,能见度与减光系数的关系为：,光学浓度和质量浓度及颗粒浓度的关系,理论假定：,烟气中的气体对可见光是透明的，即烟气对光线的遮蔽作用完全是由烟粒子造成的；,在烟气容积中，烟粒子分布均匀；,忽略烟粒子之间的相互遮蔽效应。,结论1：s与ns成线性关系,因为,两边取微分，,光强的减弱等于烟粒子所遮蔽的光能，所以：,而,结
15、论2：Cs与s成线性关系,结论3：Cs与ns成线性关系,结论：烟粒子的三种浓度表示法不是相互独立的，而是呈线性关系的。,第三节 着火房间的烟气温度工况 一、基本概念 1、温度工况：室内气温随时间变化而发生变化的关系。 2、影响因素： 可燃物的种类和数量 房间的大小 热交换条件 通风换气条件,二、着火房间的热平衡方程式,（一）着火房间的产热量Qr,kJ/kg;,式中,可燃物的不完全燃烧系数，一般可取 =0.95；,可燃物的燃烧速度，,M,f,可燃物的低位发热值，,(kJ),h。,燃烧时间，,(二） 着火房间内气体的吸热量Qq,(kJ),式中,被加热气体的体积，,V,m3;,室内气体相应于时间 的
16、平均容积温度，,K;,被加热气体在 温度区间的平均容积比热，,Cp,(T0 ),KJ/Nm3K;,室内气体的初始温度，,T0,K.,(三）着火房间维护结构和室内各种设备的吸热量Qw,(W),式中,着火房间维护结构和设备表面在 时刻的温度，,K.,着火房间系统的黑度；,绝对黑体辐射常数，,根据能量守恒定律：,任何时刻着火房间内的热平衡方程式：,(kJ),确定任意时刻着火房间的平均容积温度所涉及的因素：,第二， f 取决于房间的大小和可燃物的数量、分布；,第三， F 取决于房间的大小和室内设备的布置；,第四， T0火灾室内气体的初始温度；,第一，M、 取决于可燃物的种类；,第五， 等还与 有关，难
17、以确定。,三、着火房间内气体平均容积温度的图解法第一种类型线簇第二种类型线簇第三种类型线簇,四、着火房间内的气体温度场, 着火房间的温度工况：着火房间内气体在某时刻的平均容积温度。, 时刻的气体温度场： 时刻着火房间内气体在空间各点上的温度值的集合。,建立坐标系,以地板上的燃烧中心为坐标原点。,以原点至气体排出口（排烟口或外窗）中心在地板面上的投影点的连线为横坐标轴。,以通过原点的垂线为纵坐标轴。,任意点气体温度经验公式：,y0着火房间高度的一半，m；,x0着火房间从燃烧中心到气体排出口水平距离的一半，m；,y直角坐标系中在垂直方向上到地板面的任意高度，m；,x直角坐标系中在水平方向上离燃烧中
18、心的任意距离，m；,按计算确定的着火房间内气体的平均容积温度，k；,直角坐标系中任意一点的气体温度，k。,讨论：,在同一水平距离，高度越高，气温越高，顶棚处气温最高。,在同一高度上，离燃烧中心越远，气温越低，在燃烧中心部位气温最高。,着火房间气温最高的部位：,在燃烧中心正上方的顶棚处,可达1.596 。,着火房间气温最低的部位：,远离燃烧中心在地板面上的投影点，约为0.744 。,燃烧中心在地板面上的投影点的气温为1.064 。,在直角坐标系的K点，即x=x0，y=y0坐标处，,（2-31）,K点的温度代表着火房间内气体的平均容积温度。,气体排出口的温度：,（x=2x0）,（K）（2-32）,
19、通常情况y0y2y0，,算得Tpy=（0.931.12）,一般在工程计算中，可近似取 值。,五、火灾标准温度曲线,在确定民用住宅与公用建筑的着火房间内的温度工况时，通常认为发生火灾时，所燃烧的可燃物为同一种材料，单位面积燃烧荷载均布，热交换和通风换气条件也是相类似的。所以，认为这些建筑物中着火房间内温度工况大体一致。,标准温度工况阶段,火灾标准温度曲线公式表示：,（）,(2-29),练习：计算当爆燃发生15min之后，火场烟气的温度。,解：,第四节 烟气的生成量,一、可燃物的燃烧特性,（一）可燃物的燃烧低位值, 燃烧发热值：单位质量可燃物在燃烧时所释放出的热量值。, 高位发热值： 单位质量可燃
20、物完全燃烧时所释放出的全部热量值。, 低位发热值：高位发热值扣除了水的汽化潜热后的部分。,（二）可燃物的燃烧速度M, 燃烧速度：可燃物在正常供气条件下燃烧时，单位时间内单位燃烧表面积上所失去的质量数。,公式表示：,式中：,燃烧时间，h;,A可燃物燃烧表面积，m2;,W可燃物燃烧经 时间后所失去的质量，kg.,（2-1）,(三）可燃物燃烧理论空气量, 理论空气量：单位质量物质完全燃烧时所必需的空气量。,对于固态可燃物，理论空气量的经验公式：,（2-2）,（四）可燃物燃烧理论烟气量, 理论烟气量：单位质量可燃物在理论空气量的条件下完全燃烧时所生成的烟气量。,对于固态可燃物，理论烟气量的经验公式：,
21、（Nm3/kg),(2-4),（五）可燃物燃烧实际烟气量,作为燃烧特性的理论烟气量 是可燃物在理论空气量和完全燃烧两个前提条件下燃烧时得到的，工程上和实际火灾中的可燃物燃烧过程往往是在实际空气量条件下的不完全燃烧，这时所生成的烟气量称为实际烟气量，实际烟气量将并不等于理论烟气量。,实际烟气量,实际空气量 ： （Nm3/kg）,实际烟气量 ： （Nm3/kg）,由于不完全燃烧的影响 ： （ Nm3/h ）,B参与燃烧的可燃物总耗量（kg/h）,着火房间中的燃烧速度,可燃物的燃烧速度是在正常供气条件下进行燃烧实验时测得的。当建筑物发生火灾时，着火房间中可燃物的燃烧是在非正常供气条件下进行的。单位时
22、间内可燃物热解与燃烧所失去的质量数称为着火房间中的燃烧速度R nr。,Kg/min,着火房间中的烟气生成量,着火房间中的烟气生成量：,（Nm3/min）,Vy着火房间中单位质量可燃物完全燃烧时所生成的烟气量,从门窗打开起经过时间后着火房间中的烟气生成量为：,R从门窗打开起算经分钟后的室内燃烧速度（kg/min）,VY着火房间中单位质量可燃物在时刻完全燃烧时所生 成的烟气量 （Nm3/kg）,TV着火房间中时刻的室内气体绝对平均容积温度（K）,第五节 烟气的扩散与控制区域划分 一、烟气的扩散室内自然对流,火灾产生的高温烟气的密度比冷空气小，由于浮力作用向上升起，遇到水平楼板或顶棚时改为水平方向继
23、续流动，形成了烟气的水平扩散。在烟气的流动扩散中，一方面与冷空气混合，另一方面受楼板、顶棚等的冷却，温度逐渐降低，向下流动。这就形成了室内的自然对流。,烟气扩散流动速度,烟气扩散流动速度与烟气的温度和流动方向有关。,烟气在水平方向的扩散流动速度较小，在火灾初期为0.10.3m/s，在火灾中期为0.50.8m/s。,烟气在垂直方向上的扩散流动速度较大，通常为15m/s。在楼梯和管道竖井中，因为“烟囱效应”产生的抽力，烟气上升流动速度更大，可达68m/s。,烟囱,建筑中，烟气扩散的三条主要路线： 第一条：着火房间走廊楼梯间上部楼层室外第二条：着火房间室外第三条：着火房间相邻上层房间室外,二、烟气的
24、扩散流动计算,火灾实验和实践都证实：着火房间内的烟气向走廊的扩散流动是火灾烟气流动的主要路线。,因此，我们将重点讨论火灾烟气从着火房间扩散流动到走廊的有关问题。,另外，走廊在建筑物着火之后也是人员逃生的重要通道。,（一）从着火房间扩散到走廊的烟气量的计算,着火房间扩散到走廊中的烟气量与门窗的开启情况关系极大。在火灾初期，所产生的烟气量少，如房间的门窗都紧闭，这时空气和烟气仅仅通过门窗的缝隙进出，流量是有限的。当发生轰燃时，门窗玻璃破碎或门板破损，火势发展，烟气生成量大大增加，这时就有大量烟气从着火房间流出。,若窗开门闭，窗孔上产生热压作用，空气和烟气的流进流出主要发生在窗孔上。由于窗孔的位置总
25、是比门的位置高，如果窗孔的中性层高于门框上缘，则烟气不会扩散到走廊。,若窗关门开，热压作用主要发生在门洞处。门洞的下部，走廊的冷空气进入着火房间，在门洞的上部，着火房间中的烟气流向走廊。,门窗同时打开，热压作用同时在窗孔和门洞处产生，但由于窗孔的位置较高，使总的中性层位置较高。对窗孔而言偏下，对门洞而言偏上，大部分烟气将通过窗孔的上部排至室外，扩散到走廊中的烟气量仍较少。（如图）,Bm着火房间与走廊连通的门的宽度（m）,Hm着火房间与走廊连通的门的高度（m）,容积流量：,m3/h,Tyo从着火房间窜出流到走廊中的烟气的初始温度（K）,着火房间窗关门开时扩散到走廊中的烟气量的计算式：,Nm3/m
26、in,kg/min,Vy着火房间中单位质量可燃物燃烧时所生成的烟气量Nm3/kg,y0标准状态下的烟气密度 kg/Nm3,（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是层流流动。,烟气在上层流动，空气在下层流动。没有外部气流干扰，分层流动状态能保持4050m的流程。如遇到外部气流干扰时，层流状态将变成紊流状态。,烟气层的厚度在一定的流程内能维持不变，通常可达2030m。当烟气流过比较长的路程时，受走廊顶棚及两侧壁面的冷却，两侧的烟气沿壁面开始下降，最后只在走廊端面的中部保留一个接近圆形的空气流。,烟气层的宽度、厚度和水平流动速度,烟气层的宽度就是走廊的宽度,烟气层的厚度：
27、根据连续性方程和能量守恒方程可求,m,ty走廊中流动烟气的平均温度 ,tk走廊中冷空气的温度 ,Q由着火房间流到走廊中的烟气在一定流程内的平均容积流量 m3/s,走廊中烟气的水平流速,M3/s,走廊中烟气的温度,在走廊中流动的烟层，一方面受到与其接触的顶棚和墙壁的冷却，另一方面与走廊中的冷空气进行掺混。随着流程的增大，烟层中的烟气温度逐渐降低。,实验系数，取决于走廊的结构特性,L烟气流动的路程总长度 m,三、烟气控制区域及其划分防烟区与排烟区烟气控制区域划分的原则烟气控制区域的划分方法,将在第三章中详细讲述,第六节 防排烟的方式 一、防烟方式： 非燃化防烟：材料的非燃化 密闭防烟：密闭性好的门窗 阻碍防烟：在烟气扩散流动的线路上设置阻碍 加压防烟：对着火区以外的区域进行加压送风,二、排烟方式 自然排烟：利用火灾产生的热烟气流的浮力和外部风力作用通过建筑物的对外开口把烟气排出室外机械排烟： 全面通风排烟：排烟机排烟同时送风机送风 负压机械排烟：用排烟机排烟,
