浅析火灾烟气的流动及控制

浅析火灾烟气的流动及控制

大连消防支队 衣永生 电话：[1**********]

摘要：火灾中所产生的烟气会对受灾人群及扑救人员造成伤害，是导致人员伤亡的重要原因，因此要达到在火灾初期阶段最大程度降低人员和财产损失的目的，就必须深入了解研究火灾烟气的特征、流动规律，并以此为依据对火灾烟气的产生和运动进行控制。

关键词：火灾烟气 流动状态 烟囱效应 防排烟系统

有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。在火灾发展过程中产生的烟气称为火灾烟气，火灾烟气是建筑火灾中导致人员伤亡的主要因素之一，因此火灾烟气的控制是建筑防火性能化设计的重要内容，与人员安全疏散设计密切相关， 开展火灾烟气控制系统的性能化设计必须了解火灾烟气特征及流动规律。

１． 火灾烟气的组成

火灾烟气的组成成分取决于可燃物的化学组成和燃烧条件 ， 大部分可燃物都属于有机化合物 ，主要由碳、氧、氢、硫、磷、氮等元素组成 。其中碳、氢、氧、硫、磷等燃烧时分别生成二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、二氧化硫和五氧化二磷等产物。氮在燃烧过程中不起反应而呈游离状态析出 ，氧在燃烧过程中被消耗掉了。可燃物在不完全燃烧时，会同时生成完全燃烧产物和不完全燃烧产物。含碳多的物质在缺氧条件下燃烧时还将产生大量的碳粒子。

１.１不同物质的燃烧产物

１.１.１单质燃烧产物

一般单质在空气中完全燃烧，其产物为构成该单质的元素的氧化物，如碳、氢、硫等。

１.１.２化合物燃烧产物

在空气中燃烧除生成完全燃烧产物外，还会生成未完全燃烧产物。分子化合物会热裂解，并进一步燃烧，其中一氧化碳为最典型的未完全燃烧产物。

１.１.３木材燃烧产物

木材的主要成分是纤维素 ，木材受热之后发生裂解，生成不完全燃烧产物，在２００℃左右开始，主要生成二氧化碳、水蒸汽、甲酸、乙酸、一氧化碳及各种可燃气体等。

1.1.4合成高分子材料燃烧产物

高分子材料在受热中会伴有热裂解，并产生有毒或有刺激气体，如氯化氢、氮氧化物、氰化氢等。

2．火灾烟气的危害

火灾烟气会给暴露在火场的人员造成严重危害，其危害主要来自以下几个方面： ２． １火灾烟气的毒害性

研究表明，火灾中死亡的人员中有50﹪是吸入有毒物质引起的。火灾烟气中含有大量有毒成分，如CO、HCH、SO2、NO2等，这些气体对人体的伤害都很大，如CO2，作

为主要的燃烧产物之一，在火场中浓度可达15﹪，它最主要的生理作用是刺激人的呼吸中枢，导致呼吸急促，烟气吸入量增加。再比如CO，是火灾中伤害性最强的主要燃烧产物之一，其毒性在于对血液中的血红蛋白的高亲和性，其对血红蛋白的亲和力比氧高出250倍，能够阻碍人体血液中氧气的输送，引起头痛、虚脱、神志不清等症状和肌肉调节障碍等。

2.2高温

火灾烟气具有较高的温度，这对人也是一个很大的危害。人体皮肤温度约为45℃时就会有痛感，吸入150℃或者更高温的热烟气将引起人体内部的灼伤。

2.3火灾烟气的减光性

火灾烟气中的烟粒子对可见光是不透明的，其直径只有几微米到几十微米，对可见光有完全的遮蔽作用。当烟气扩散弥漫时，可见光因受到烟粒子的遮蔽而大大减弱，使能见度大大降低。同时，烟气中的有些气体，如HCH、NH3、SO2等等，对人的

眼睛有不同程度的刺激作用。使人们在疏散过程中视力无法达到正常视程，进而影响疏散速度。

2.4烟气的恐怖性

火灾发生时常常浓烟密布，特别是轰然发生后火焰和烟气将冲出门窗，烈焰熊熊，浓烟滚滚，使人们惊慌失措，恐怖万分，乱作一团，这样也会影响到人们的疏散速度，造成更大的伤亡。

3、火灾烟气的流动

火灾时 ,随着可燃物的不断燃烧，大量的烟和热随之产生，形成了炽热的烟气流。由于浮力的驱动，使烟气携带高温在建筑内处于流动状态。浮力越大，流动也越快。

3．1烟在房间内的流动

在着火房间中，从起火点上升的烟气和火源上方的火焰形成火羽流，羽流竖直扩散遇到顶棚后，便向四周水平扩散，形成顶棚羽流；遇到墙壁或障碍物向下降，，形成墙羽流。随着火灾的发展，烟层不断由下向上，再由上向下积聚，向室外或走廊扩散。如果门窗一直紧闭，烟气层将继续增厚。随着压力增加到极限，门窗上的玻璃将在热应力的作用下破碎，高温烟气将从门窗洞口喷射而出，形成窗口射流，如图1。

图1

3.2烟气在走廊内的流动

走廊内的烟气，开始即贴附在天棚下流动，由于受到冷却及与周围空气的混合，烟气层则逐渐加厚，靠近天棚和墙面的烟气易冷却，先沿墙面下降，随着流动路线的增长和周围空气混合作用的加剧，烟气逐渐下降而失去浮力，最后只在走廊中心剩下一个圆筒形空洞。如图

2.

图2

3.3烟气在高层建筑中的流动

3.3.1烟囱效应

烟囱效应是影响建筑火灾中烟气流动的主要因素之一。当室内空气温度高于室外空气温度时，由于室内外空气容重的不同，将使空气产生浮力，并导致建筑物内上部的压力大于室外压力，下部的压力小于室外压力。当外墙上有开口时，通过建筑物上部的开口，室内空气流向室外，通过建筑物下部开口，室外空气流向室内，这即是正向烟囱效应。当室内空气温度低于室外温度时,将会产生相反的效果,即形成逆向烟囱相应。

3.3.2外部风的影响

在许多情况下，外部风可在建筑的周围产生压力分布，进而影响到高层建筑物内烟气的流动状态，建筑物的迎风侧将承受正风压，逆风侧及两侧面将承受负风压，平屋顶将承受向上的吸力。

在发生建筑火灾时，如果有破碎的窗户处于建筑物的背风侧，则外界风作用产生的负压将会使烟气从着火房间中抽出，这可减少烟气在建筑内部的蔓延，如果破碎的窗户处于迎风向，则外部风将驱动烟气在着火楼层内迅速蔓延。

4.火灾烟气的控制

所谓火灾烟气的控制就是将火灾产生的烟气，在着火房间或着火房间所在的防烟分区内进行控制并加以排出，防止烟气扩散到疏散通道或者其他防烟分区内，确保起火建筑内的人员的安全疏散和火灾的成功扑救。在建筑内烟气的流动路线是沿着着火房间→走道→竖向梯、井等部位向上伸展。

4.1密闭防烟

密闭防烟多用于面积较小的房间，如住宅、小旅馆、宿舍等。由于房间面积较小而又都是耐火构件加以分隔，且密闭性又好，当可燃物不多时，有可能因供氧不足而熄灭，进而阻止烟气蔓延。

4.2自然排烟

自然排烟是借助室内外气体温度差引起的热压作用和室外风力所造成的风压作用而形成的室内烟气和室外空气的对流运动。

设臵自然排烟设施的场所，其自然排烟口的净面积应符合一定要求，如《建筑设计防火规范》9.2.2条规定 防烟楼梯间前室、消防电梯间前室自然排烟口的净面积不应小于2.0m2，合用前室不应小于3.0m2 ；靠外墙的防烟楼梯间，每5层内可开启排烟窗的总面积不应小于3.0m2 ；靠外墙的防烟楼梯间，每5层内可开启排烟窗的总面积

不应小于2.0m2；中庭、剧场舞台不应小于该中庭剧场、舞台楼地面面积的5﹪；其他场所宜取该场所建筑面积的2﹪-5﹪。

4.3机械防排烟

这种控制烟气的方式不受室外条件影响，排烟效果稳定。防排烟系统分为防烟系统和排烟系统。

防烟系统是指采用机械加压送风方式和自然排烟方式，防止建筑物发生火灾时烟气流入疏散通道和避难场所的系统。《建筑设计防火规范》中规定不具备自然排烟条件的防烟楼梯间、不具备自然排烟条件的消防电梯间或合用前室、设臵自然排烟设施的防烟楼梯间，其不具备自然排烟条件的前室应设臵防烟系统。

机械排烟系统是指采用机械排烟方式或自然通风方式，将烟气排至建筑物外，控制建筑内的有烟区域保持一定能见度的系统。《建筑设计防火规范》中规定设臵排烟设施的场所，当不具备自然排烟条件时应设臵机械排烟设施。机械排烟系统横向宜按防火分区设臵，竖向穿越防火分区时，垂直排烟管道宜设臵在管井内；穿越防火分区的排烟管道应在穿越处设臵排烟防火阀。

参考文献 ： 《中国消防手册》 上海科学技术出版社

《建筑设计防火规范》 GB50016-2006 2006年12月1日实施

《消防科学与技术》 2007年第一期

作者简介：衣永生，男，1961年5月出生，大连市消防支队培训教育中心主任，高级工程师，主要从事消防技术培训教育和管理工作。