082巴拉圭某超市火灾时发生气相爆炸的成因探析正文

巴拉圭某超市火灾时发生气相爆炸的成因探析江西科技师范学院土木系邹静华南昌市建筑设计研究院唐昀［摘要］在高分子化合物广泛运用的今天，对“伊瓜博拉尼奥斯”超市燃烧爆炸特大恶性火灾——这一典型、特殊案例进行了解，探析高聚物形成燃烧爆炸原因，从而提高认识、吸取教训、防止类似火灾重演。［关键词］火灾、、热分解、CO、聚氨甲酸酯塑料、气相爆炸。1问题提出人员密集场所一旦发生大型火灾时，熊熊烈火、灼人气浪及滚滚浓烟，将对人员构成极大杀伤力、对财产与建筑产生极大的破坏；此时若再伴有燃烧爆炸或发生房屋坍塌，对火场中还未及时撤出的人讲、可能是万劫难逃、灭顶之灾……。2004年8月1日巴拉圭“伊瓜博拉尼奥斯”超市发生特大恶性火灾，正是火灾发生后不到10分钟时间内、伴随两次爆炸，结果造成五、六百人死亡的大惨案。灾难发生九天后、由美国、智利、阿根廷、和巴拉圭专家组成的火灾调查组，向警方递交了火灾分析报告。分析报告中推测……火灾发生时、被加热的一氧化碳混合气体达到一定温度遇到氧气后自燃、引起粉尘混合气体发生爆炸［1］。这是一种被消防界称之为“气体爆炸”的火灾现象。“伊瓜博拉尼奥斯”超市是一座营业性商业建筑。在多国专家组成的调查分析报告中、已排除了煤气爆炸等的可能，也即是说在这座民用商业建筑内、不存在另外可直接导致爆炸的气体、液体和蒸气。那么如何解释又发生了的气体爆炸？这爆炸性气体是什么？从何而来呢？2“伊瓜博拉尼奥斯”超市有关部位概况［1］“伊瓜博拉尼奥斯”超市，占地4000多平方米、地上三层，总面积约1．2万平方米。二层是攴饮区，攴饮区有烤肉炉及烟囱、烟囱通向屋顶外，但不是直通、为避开屋顶梁打了一个弯；三层的面包房内有一发酵间存放有大量面粉、发酵粉和烤面包用其它粉状物。面包房内有一个假烟囱、它不通向室外，而是通到（三层）天花板与屋顶之间的空间（闷顶层）；三层屋顶锌板覆盖了极易燃烧的材料——一层聚氨甲酸酯塑料、和另一些易燃烧材料制成的隔板；为说明问题、需对超市所涉及的爆炸有简单了解。3爆炸与气相爆炸人们对爆炸并不陌生，开山炸石、喜庆鞭炮、瓦斯矿难、战争炮火等无不注释着爆炸现象；3.1爆炸所谓爆炸就是物质的状态在瞬间发生突变，释放出大量能量、形成冲击波、使周围物资受到猛烈冲击的物资剧烈运动，通常伴随有声和光效应。爆炸根据参爆物性质和原因，可分为三类，即物理爆炸、原子爆炸、化学爆炸。在民用建筑火灾燃烧爆炸事故中，由于高聚化合物组成产品繁多且运用广泛，发生化学爆炸可能性也就最大、也最为复杂。3.2化学爆炸化学爆炸即指在外界作用下（如受热、受压、受撞击、混合等），能发生剧烈化学反应、瞬间产生大量的气体和热量，使周围气体压力急剧上升、体积迅速扩大，导致膨胀做功和热量扩散。根据参爆物相态不同，化学爆炸可分为气相爆炸、凝聚相爆炸、和混合相爆炸三类。3.3气相爆炸气相爆炸又可分为①易燃气体混合物爆炸，②气体热分解爆炸，③可燃粉尘爆炸。⑴易燃气体混合物爆炸易燃气体或易燃液体的蒸气同助燃性气体（如空气中氧）按一定比例混合，在点火源的激发下引起的爆炸，称之易燃气体混合物爆炸。⑵可燃粉尘爆炸可燃性粉尘同空气混合形成燃爆性混合物，在火源作用下引发的爆炸。当可燃性悬浮态粉尘粒径越小且又分布均匀时，发生爆炸的可能性就越大。4超市建筑何来易燃气体？根据文献［1］多国专家组调查分析报告，发生火灾原因已排除了易燃气体——煤气，那么这栋超市民用建筑、在火灾燃烧过程中为何又有易燃性气体？4.1超市有可间接产生可燃性气体的建筑材料——聚氨甲酸酯等塑料“伊瓜博拉尼奥斯”超市，在三层屋顶锌板采用了一层聚氨甲酸酯塑料覆盖、和另一些易燃塑料制成的隔板，墙面和柱面也用了塑料材料装修。聚氨甲酸酯等塑料属有机类材料，C、H、O元素是主要成份，具有可燃性。在通常环境下（从宏观角度出发讲）、其化合物性能是相对稳定的（产生挥发性微量气体可忽略）；而一旦处在高温条件下，这些高聚物材料燃烧则以分解燃烧的形态进行，即受热时先发生热分解、分解出CO、H２、CｎHｍ等可燃性气体，并与空气中氧混合而发生燃烧。4.2超市闷顶层空间有可导致热分解的外部热源——烟囱根据文献［1］多国专家组调查报告描述，二层攴饮区有烤肉炉及其烟囱、烟囱穿过天花板与屋顶层的空间、通向屋顶外。但烟囱不是直通、为避开屋顶梁打了一个弯，且发现这里积聚大量的烟灰、油脂和其他脏物。故专家推测、引发火灾的罪魁可能是攴饮区烤肉炉的烟囱。这便说明因烟囱打弯处未平滑过渡、大量烟灰、油脂集聚，巳燃尽烟灰堆集此处阻碍热量散发，温度升高达一定时促使未燃尽烟尘及油脂燃烧，造成烟囱过热。而烟囱由于保温隔热不好、导致烟气热量以对流、幅射的方式传热闷顶空间，烤热了屋顶、墙壁和柱子上的聚氨甲酸酯塑料面4.3聚氨酯塑料燃烧热分解产物之－——可燃性气体4.3.1聚氨甲酸酯聚氨甲酸酯等塑料，由二元或多元异氰酸酯（带有－NCO）与二元或多元羟基化合物（－OH）作用生成高分子化合物的总称。分子主链上含有许多重复的－NH－C－0基团，由于基团的‖0不饱和性及所用原料的差异，可得无数化合产物。这些化合产物一般简称为聚氨酯。聚氨酯分为热塑性聚氨酯、热固性聚氨酯、和弹性聚氨酯三类。聚氨酯燃烧热值22～24MJ/Kｇ、聚氨酯泡沫燃烧热值23～28MJ/Kｇ（不同组成会有差异）。4.3.2聚氨酯塑料燃烧热分解聚氨酯塑料燃烧热分解可分为热氧降解和正常燃烧二个阶段，五个过程：①加热过程；聚氨酯塑料在外部热源的作用下，热塑性聚氨酯达到一定温度时开始软化并熔解，进而熔融成粘稠状物质；热固性聚氨酯在分解点温度以下不熔融，热量被积蓄起来。②分解过程；聚氨酯塑料在足够的热量下便会开始分解，分解过程与分解温度、分解潜热、氧气供应和分解产物有关。一般几乎所有的高聚物在分解阶段会发生如下变化：ａ、生成分子量较小的可燃性气体（如甲烷、乙烷、丙烷、乙稀、甲醛、丙酮、一氧化碳等）；和生成分子量较小的不燃性气体（如卤化氢、氮气、水蒸汽、二氧化碳等）。ｂ、生成碳化物残渣。ｃ、生成微炭粒烟尘。③着火过程；当分解产生的可燃性气体与空气混合并达到燃点时，则被引燃发生燃烧。若无明火、聚氨脂材料被加热到足够高温度时，它也会发生着火燃烧。发泡聚氨脂燃点和自燃点分别为310℃、和415℃。④燃烧过程；着火燃烧时放出燃烧热，燃烧热通过辐射、对流、传导使燃烧物温度提高，不断加速化学键断裂，促使燃烧延续进行下去。⑤燃烧扩散过程；……。从上述聚氨酯塑料燃烧各个过程可看出并通俗地认为：凡高分子化合物在外部能量的作用下，是一个由高分子变为低分子、高聚化合物变为化合物及单质元素的解聚降解过程。受各种因素影响，其间会发生复杂的化学、物理变化。根据物质不灭定律，聚氨酯塑料高分子组成中含有C、H、O、N…，解聚中必有与C、H、O元素相关生成物如C、CO、CO２、HCN、HN3等。可看出、高分子化合物燃烧热分解既是必经重要步骤，又是其主要特征。正是聚氨酯等塑料燃烧过程中、大量热分解出易燃可爆CO气体、才为这场爆炸奠定了可能。4.3.3氧浓度对燃烧热分解产物的影响火灾发生时、可燃物在燃烧过程中，由于环境、燃烧条件各种变化，即便同一种高分子可燃物，其燃烧产物成份与含量也会有变化差异。大多人都知晓的例子是，冬天在室内用木炭取暖、通风条件好时，主要生成物为CO2；密闭不通风时，主要则生成CO。化学反应式为：氧气充足C＋O2CO2＋热量氧气不足C＋O2CO＋热量4.3.4热分解产物一氧化碳量的概念多国专家组在调查报告里[1]，己锁定引起超市爆炸主气体是CO。在笔者无法定量分析热分解产物CO量的情况下，可借助有关资料对聚氨酯塑料燃烧热分解出CO量作一参考认识：［英］E．G．巴舍与A．C．帕尼尔在研究不同物质燃烧所能产生毒气量时、提出了自已的意见，摘录如下：1公斤的聚氨基甲酸酯泡沫燃烧时可释放出0．55Kｇ一氧化碳，在20℃温度下体积0．44立方米、在300℃时体积为0．88立方米；并可释放出0．35公斤氰化氢，在20℃温度下体积0．28立方米、在300℃时体积为0．56立方米［4］。［日］防灾设施研究会编《建筑防烟排烟设备》书中、对聚氨酯燃烧生成物也给出了定量数，摘录如下：聚氨酯在自由燃烧（800℃空气中）时、产生一氧化碳为0．173；在熏烧（800℃氧含量11．7％中）时、产生一氧化碳为0．160（单位为单位ｇ/1ｇ试料）［5］。5超市建筑何来可燃粉尘？根据文献［1］多国专家组调查报告：位于上层面包房内的发酵间存放有大量面粉、发酵粉和烤面包用其它粉状物；面包房内有一个假烟囱、它不通向室外，而是通到（三层）天花板与屋顶之间的空间（闷顶层）。可推想面包房作业时，只要排风系统未配量或排风效果不佳，定会有飘浮在面包房内的面粉、发酵粉及其它粉尘沿着假烟管进入闷顶层空间。6一氧化碳、面粉类性能及燃烧爆炸参数6.1性能参数一氧化碳化学结构分子式：CO、分子量28．01，密度1．25Kｇ/M３、比重0．97、比热容1．1KJ/Kｇ．K；化学特性：无色无臭气体、不易液化和固化，微溶于水，能溶于乙醇和笨，燃烧时火焰呈兰色，燃烧热值10．1MJ/Kｇ。有毒、CO通过肺被血液接受，由于血红蛋白对CO的亲和力是氧的240倍，故会使血液中氧气含量大大降底、破坏血液循环。人在过量的CO环境里短则3～5min、长则1～2h会导致生命危险。中国室内室气质量标准值为10ｍｇ/M３（1ｈ均值）[6]。面粉是麦子碎化而成的细小颗粒，颗粒直径小于10-2ｍｍ的才能飞起来形成“尘”，颗粒直径小于0．42ｘ10-2ｍｍ的才具有燃烧爆炸性；燃爆性粉尘要悬浮于空气或其它助燃性气体中，当颗粒直径小于10-4ｍｍ时、可以稳定悬浮于空气中成为溶胶形式而不沉降，堆积粉尘不会发生爆炸，面粉燃烧热值15～18MJ/Kｇ。6.2一氧化碳、面粉类燃烧爆炸参数一氧化碳燃烧爆炸参数爆炸极限按体积计算（%）按重量计算（%）物质名称蒸气密度空气为1）闪点（℃）自燃点（℃）下限上限下限上限最大爆炸压力一氧化碳0.96气体64412.58014.5928面粉类粉尘爆炸参数粉尘种类粉尘名称温度组别高温表面堆积粉尘层（5mm）的引燃温度粉尘云的引燃温度（℃）爆炸下限浓度（g/m3）粉尘平均粒径（µm）最大爆炸压力（kg/cm2）小麦粉T11炭化41020~406.65农产品裸麦粉T1132541567~9330~506.657综合分析“伊瓜博拉尼奥斯”超市建筑，三层与屋顶之间是相对密闭的闷顶空间，其内的聚氨甲酸酯等塑料、在过热烟囱热源烘烤作用下，闷顶空间温度逐渐升高，当聚氨甲酸酯等塑料某部位首先达到分解温度时，该区域进入熏烧（有时也伴有燃绕），其特征是自我供应型、放出热量的裂解反应。由于熏烧需氧量很少，闷顶空间氧含量下降缓慢，过程可持续很长时间；而反应生成的CO却是越来越多、浓度不断上升。当把天花板与屋顶之间的氧气几乎消耗尽后，产生出大量一氧化碳气体充斥这封闭空间、形成了一个巨大一氧化碳气团。熏烧期间若闷顶层温度升到较高时，聚氨甲酸酯等塑料在足够氧含量下，进行无焰燃绕，其特征是需环境供氧，进一步裂解反应、释放出CO等产物。此时闷顶空间氧含量下降较快。长期以来，飘浮在面包房内的面粉、发酵粉及其它粉尘，在浮力与热效应作用下，顺着假烟管进入闷顶层空间，与CO及空气混合形成可燃性粉尘易燃性混合气体。当其单一的、或混合型的、同空气混合后的比例达到各相应爆炸浓度，自燃或高温激发能正好产生，氧气又符合需求的瞬间，即多种爆炸因素不可思议地、同时出现在同一时刻、同一地点，便发生了第一次爆炸。面包房堆积的大量面粉在爆炸冲击波作用下、大量面粉飞飞扬扬、飘散悬浮在火场空间，和闷顶层外空气充分混合，继而形成新的可燃粉尘混合气体。瞬变中可燃粉尘混合气体达到爆炸浓度标准某时、则又引发第二次火灾燃烧爆炸。“伊瓜博拉尼奥斯”超市特大恶性火灾、虽然不是发生在我国，但其火灾燃烧爆炸的典型性，带给了我们许多凝重地思考。参考文献：[1]消防人网站、火灾案例《巴拉圭超市“超级”火灾解谜》．FIREREN．COM2004-8-11新华网[2]《燃烧爆炸危险与安全技术》张国顺编著中国电