建筑火灾烟气危害分析

俞晨

摘 要：火灾发生时产生的烟气是导致人员死亡的主要原因。随着我国经济的发展，人员密集的场所越来越多，一旦发生火灾，就很容易造成群体性伤亡。因此，有必要研究火灾烟气中有毒物质的组成和比例以及毒性作用。

关键词：建筑火灾;火灾烟气;烟气危害

随着我国经济的发展，大量的可燃以及阻燃建筑材料被应用在建筑工程施工过程中，一旦发生火灾，会大大提高产生烟气毒性危害的概率。火灾烟气的危害主要分为烟尘危害、毒性危害以及热危害。其中，建筑火灾中产生的有毒烟气是导致人员伤亡的主要原因。因此，研究建筑材料燃烧过程中的毒性气体及分类，对减轻火灾所造成的危害具有极为重要的现实意义。

1 火灾烟气

美国试验与材料学会对烟气的定义是某种物质在燃烧或分解时散发出的固态或液态悬浮微粒和高温气体，就是物质燃烧后释放出的高温蒸汽和有毒气体[1]。

1.1  烟气的成分

火灾烟气由多种物质共同燃烧而释放，成分十分复杂，一般包括CO、CO2、HCN、HCl、HBr、H2S等。

1.2  烟气的特点

不同的火灾烟气具有不同的特点，但是都要从以下方面来探究：烟气内所含固、液颗粒的粒径分布，烟气的浓度、能见度以及光密度等。

1.2.1  烟尘颗粒的平均直径和粒径分布

烟气颗粒的大小是一个范围，为了使计算方便，常用平均直径dgn来代替。所有烟气颗粒平均直径dgn的计算公式为：

式中：N—烟气颗粒的总数目;Ni—任意一个烟气颗粒直径范围内的烟气颗粒个数。

颗粒尺寸范围的宽度为σg，常用标准差来表示这个范围的宽度：

若所有烟气颗粒的直径均相等，则有σg=0。如果颗粒的直径满足正态分布，用颗粒的对数来表示，颗粒总数的68.8%的颗粒直径在 lg dgn±lg σg之间。

1.2.2  烟气浓度和光密度

烟气的浓度与能见度成反比，烟气的浓度越高，能见度就会越低。当一束光射入烟气，由于烟气能够吸收以及散射光，只有一部分光可以通过烟气。在能见度较低的火灾区域内，人们由于视野不清晰以及内心恐慌，很可能无法选择正确的疏散通道以及逃生路线。烟气的浓度、成分以及烟气颗粒的大小、分布状态都会影响火场的能见度。烟气的能见度常用光密度表示。

根据Lambert-Beer定律：当一束波长为λ0的光射入烟气时，有：

式中：L—光在烟气中通过的距离;K—消光系数，也表征光的消烟能力，其大小与烟气的特征（如浓度、烟尘颗粒的直径及分布）有关，可进一步表示为：

式中：Km—比消光系数，即单位质量浓度的消光系数;Ms—烟气质量浓度。

烟气浓度常用光密度D来衡量。即：

单位平均光路长的光密度是计算烟气浓度的一个重要参数，计算公式为：

测试材料的发烟特性时，常用比光密度Ds，也称烟密度，即从单位面积A的试样表面所产生的烟扩散在单位容积V中通过的单位光路长度L的光密度，即：

1.2.3  能见距离

当火灾发生时，人在烟气中的能见距离决定了人是否能够看到疏散标志以及逃生路线，这直接影响到疏散时间及疏散成功率。人在烟气中的能见距离与很多因素相关，其中，最为主要的有3类。

（1）烟气的影响。烟气颗粒的大小、烟气浓度以及烟气的扩散方向等。

（2）火场现场环境的影响。火灾现场疏散标志的颜色、尺寸以及现场的照明状况等。

（3）人的影响。火场内人员的身体和心理状态。

2 烟气危害

火灾烟气的危害是多方面的，从烟气的组成可知，主要包含3个方面，即烟尘危害、热危害以及毒性危害。

2.1  烟尘危害

当火场中充斥着烟气时，能见度往往只有几十厘米，甚至“伸手不见五指”，人们往往会感到十分恐惧、不知所措，进而失去活动能力，有些甚至会失去理智[2]。在这种混亂的局面下，很容易发生人员踩踏事件，造成严重的后果，不仅会给火场的人员疏散增加困难，还会影响火灾的扑救工作。同时，烟气中的一些气体对人眼有很强的刺激性，如HCl、NH3、HF、SO2等，使人在疏散过程中无法睁眼，大大降低了移动速度。

能见度的计算公式为：

式中：R—比例系数，无量纲数值;K—烟气的消光系数，m-1。

2.2  热危害

当火灾发生时，火场中的人员会吸入大量高温的烟气从而灼伤呼吸道。除此之外，高温的烟气还会通过对流和辐射对人体皮肤表面造成损伤，人们对高温火灾烟气带来的热量的耐受性是有限的。当温度为60 ℃时，人可暂时忍受;当温度升高到120 ℃时，人体将在15 min内受到不可恢复的损害;当温度达到170 ℃时，人已经无法生存。

人体耐热极限时间与温度有如下关系：

t=3.28×108/T3.61（9）

式中：t—人员耐热极限时间，min;T—空气的温度，℃。

不同温度、湿度下人体的耐受时间如表1所示。

2.3  毒性危害

首先，燃烧需要消耗氧气，当空气中大量的氧气被消耗，无法满足人类正常的生理需求时，人们会由于缺氧而感到恐慌和窒息。其次，燃烧时所产生的烟气中含有大量的有毒气体，包括一氧化碳、氰化物等，很容易造成人体中毒。相较于烟尘危害和热危害，毒性危害最为致命。

建筑材料在燃烧时，毒气的主要来源有两个：一是建材经高温作用热分解产物，二是燃烧产物。在实际火灾中，二者往往并存。在不同浓度的一氧化碳、二氧化碳、氰化氢下人体的反应如表2所示。

对于不同的烟气，人中毒的作用机理也是各不相同的，但是主要表现在两个方面：窒息作用、刺激作用[3]。在绝大多数的火灾中，这两种刺激是共存的。常见的窒息性气体对人体的危害如表3所示。

3   总结与展望

对火灾烟气进行研究，需要多学科、交叉性地进行，包括材料产烟情况研究、烟气的运动以及扩散规律研究、检测毒性气体的方法研究、烟气毒性程度以及毒性机理研究等。就目前来看，结合生物学，从分子角度研究烟气毒性是一个新的研究方向。加强烟气的分析，尤其是对有毒有害气体毒性的分析，包括烟气中各个组分的相互作用和烟气在空间内的迁移规律，对人类安全生产与生活具有重要意义。

[参考文献]

[1]姜允申.灾害毒理学研究新进展[J].河南预防医学杂志，2016，27（11）：824-827.

[2]徐熙春，帅建强，李欢欢.烟气毒性评价方法浅析[J].内江科技，2015，36（5）：35，44-45.

[3]郭海东，李宏霞.火灾烟气的危害及其应急救治策略研究进展[J].西部医学，2019，31（1）：161-164.