火灾科学05火灾烟气

2015/5/41火灾科学易亮[e-mail]－火灾烟气主要内容烟气的产生烟气的性质烟气的流动烟气的控制一、烟气的产生什么是烟气(Smoke)？火灾烟气是一种混合物，包括：可燃物热解或燃烧产生的气相产物，如未燃燃气、水蒸汽、CO2、CO及多种有毒或有腐蚀性的气体；由于卷吸而进入的空气；多种微小的固体颗粒和液滴。－《建筑火灾安全工程导论》火灾中80%以上的死亡源于烟气！一、烟气的产生来源于火灾燃烧阴燃－白色烟气，雾滴有焰燃烧－黑色烟气，炭烟燃料成分对产物的影响部分氧化物质（醇、酮）未氧化物质（烃）－产生炭烟一、烟气的产生碳氢化合物发烟的增大趋势碳氢化合物类型代表物质分子式正烷烃正己烷CH3(CH2)4CH3异烷烃2,3甲基丁烷(CH3)2CH·CH(CH3)3烯烃丙烯CH3·CH=CH2炔烃丙炔CH3·CCH芳香烃聚苯乙烯R-CH=CH2多环芳香烃萘二、烟气的性质1、烟气的浓度将单位体积的烟气过滤，确定其中颗粒物的重量(mg/m3)，适用于小尺寸试验(ASTM，1982)；测量单位体积烟气中烟颗粒的数目(个/m3)，适用于烟浓度很小的情况，如空气的净化过程；将烟收集在已知容积的容器内，确定它的遮光性，一般表示为一定的光学密度，适用于小尺寸和中等尺寸的试验(ASTM，1979)；在烟气从燃烧室或失火房间中流出的过程中测量它的遮光性，并在测量时间内积分，而后得到烟气的平均光学浓度。2015/5/42二、烟气的性质2、毒性有毒气体－CO、RCN…固态、液态悬浮物窒息多种物质的综合作用数据缺乏衡量参数－半数致死浓度在给定的时间内，这种浓度的气体能导致暴露者的50％死亡在动物活体实验基础上对人类的情况进行假定二、烟气的性质气体种类假定LC50(对人)参考数据(种类，分钟)符号中文名5min(ppm)30min(ppm)CO2二氧化碳150,000150,000rC2H4O乙醛20,000LC(m,240)=1500LC0(r,240)=4000LC(r,30)=20,000LC(r,240)=16,000C2H4O2醋酸11,000LC(m,60)=5620NH3氨20,0009,000EC(m,5)=20,000EC(m,39)=4,400EC(r,5)=10,000EC(r,30)=4,000HCl氯化氢16,0003,700LC(r,5)=40,989CO一氧化碳3,000LC(r,30)=4,600LC(h,30)=3,000二、烟气的性质HBr溴化氢3,000LC(m,60)=814LC(r,60)=2,858NO一氧化氮10,0002,500LC(h,1)=15,000COS硫化羰2,000LC0(var.,35—90)=1000—1400H2S硫化氢2,000LC(m,60)=673LC0(h,30)=600LC(h,30)=2,000HF氟化氢10,0002,000LC(gpg,15)=4327LC(p,60)=1,774LC(m,60)=456LC(r,60)=1276C3H4N氰丙烯2,000LC(gpg,240)=576LC(r,240)=500二、烟气的性质COF2氟化羰750LC(r,60)=360NO2二氧化氮5,000500EC(m,5)=2500EC(m,30)=700LC(m,5)=83331LC(r,5)=1880C3H5O丙烯醛750300LC(m,360)=66LC0(p,10)=153LC(p,5)=505-1025CH2O甲醛250LC0(r,240)=250LC(r,30)=250SO2二氧化硫500LC0(m,300)=6000LC(var.,5)=600-800HCN氰化氢280135LC(r,5)=570LC(r,30)=110LC(r,5)=503LC(m,5)=323LC(h,30)=135LC(h,5)=280C9H6O2N2酸酯100LC(gpg,240)=13LC(rbt,180)=1500LC(r,360)=600LC(m,240)=10COCl2氯化羰5090LC(h,30)=90C4F8八氟化四碳286LC(r,10)=17LC(r,5)=28二、烟气的性质3、温度烟气的高温对人能产生不良影响试验表明（猪）：在120℃的温度下呆2分钟、100℃的温度下呆5分钟、90℃的温度下呆10分钟都不会受伤猪的皮肤与人较接近，人的数据？在空气温度高达100℃极特殊的条件下(如静止的空气)，一般人只能忍受几分钟；一些人无法呼吸温度高于65℃的空气。二、烟气的性质3、温度对于健康的着装成年男子，Cranee温度与极限忍受时间的关系式：t－极限忍受时间（min）T－空气温度（℃）衣服的透气性和隔热程度对忍受温度升高也有重要影响火灾危险性评估中推荐数据为：短时间脸部暴露的安全温度极限范围为65℃到100℃。83.614.110/tT2015/5/43二、烟气的性质3、温度Purser关系式exp(5.18490.0273)tT温度（℃）时间（min）406050466035702680209015二、烟气的性质4、遮光性透射率：光学密度：单位长度光学密度：Beer-Lambert定律：消光系数（减光系数）：光源光敏元件稳定电源数据采集系统I0IL烟气遮光性测量装置示意图0lg/DII0/II00lg//DIIL0ln//cKIIL0exp()cIIKL02.303cKD二、烟气的性质烟气遮光性不同表示方法的对应关系透射率I/I0百分遮光度B(%)长度L(m)单位光学密度D0(1/m)减光系Kc(1/m)1.000任意000.90101.00.0460.10510.00.00460.01050.60401.00.2220.51110.00.0220.05110.30701.00.5231.2010.00.05230.120.10901.01.002.3010.00.100.230.01991.02.004.6110.00.200.46百分遮光度：B=[(I-I0)/I0]×100二、烟气的性质4、遮光性遮光性与能见度（Visibility）能见度：人们在一定环境下刚刚看到某个物体的最远距离自发光标志：表面反光标志：发光标志的能见度与减光系数的关系500cd/m2白烟2000cd/m2黑烟500cd/m2黑烟2000cd/m2白烟0.40.50.711.522015107能见度Vis(m)减光系数Kc(1/m)Vα=802.303cVVVisKD8V3V二、烟气的性质4、遮光性遮光性与能见度刺激性烟气对能见度的影响在刺激性与非刺激性气体中人的能见度能见度Vis(m)减光系数Kc(1/m)0.20.30.50.711.5232357102030刺激性烟气非刺激性烟气经验方程Vα=8(0.1331.47log)ccVVisKK二、烟气的性质4、遮光性在刺激性与非刺激性烟气体中人的行走速度非刺激性烟气刺激性烟气减光系数Kcm-10.2行走速度ms-10.40.60.81.01.2000.50.31.01.5盲人的行走速度2015/5/44二、烟气的性质4、遮光性消光系数与烟气浓度（颗粒物浓度，mp）的关系cmpKKmmK－比消光系数，热解与阴燃取4.4m2/g；有焰燃烧取7.7m2/gpm－烟气颗粒物浓度，g/m3ppMmVppfMyM空间体积，m3颗粒物总质量，g颗粒物生成系数燃料质量，g三、烟气的流动1、烟气流动的驱动力－压差烟囱效应浮力与膨胀力外界风的影响室内通风的影响活塞效应三、烟气的流动烟囱效应室内压力：室外压力：内外压差：ToTipi0po00000()()()()ioiiooiooippppghpghppgh0iiippgh0oooppghh基准面三、烟气的流动ph中性面室内压力室外压力0ip0op2015/5/45三、烟气的流动烟囱效应中性面中性面仅有下部开口TiT0TiT0(b)(c)(a)正烟囱效应和逆烟囱效应时的气体流动HToTiTiTiToTo三、烟气的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三、烟气的流动浮力三、烟气的流动外界风三、烟气的流动外界风200012wwppppCu＋－－－风向与表面不同相对位置产生的压力变化三、烟气的流动2015/5/46三、烟气的流动活塞效应机器房内部建筑空间向下运动的电梯箱电梯井门厅检修井注意:箭头表示流动方向电梯向下运动时引起的气体流动201/2221/SsaecaabAVPNCACANN三、烟气的流动2、烟气的有效流通面积加压空间Q1AQA2A3Q3Q2A1加压空间Q1AQA2A3Q3Q2A1并联出口串联出口2221231111eAAAA123eAAAA三、烟气的流动2、烟气的有效流通面积A3A2Q3Q2Q1Q4A5Q5QA加压空间A4A1混联出口三、烟气的流动3、火源附近的烟气流动－羽流（Plume）连续火焰区间歇火焰区浮力羽流区三、烟气的流动3、火源附近的烟气流动－羽流（Plume）a)轴对称羽流b)墙边羽流c)墙角羽流d)线性羽流e)阳台溢流f)窗口溢流θzwLzzbWHdzZl三、烟气的流动3、火源附近的烟气流动－羽流火焰高度2015/5/47三、烟气的流动3、火源附近的烟气流动－羽流火焰高度三、烟气的流动3、火源附近的烟气流动－羽流火焰高度三、烟气的流动3、羽流羽流速度羽流温度羽流质量流率三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型火源为点源火源无热辐射损失Boussinesq假设－弱羽流假设任意高度速度、温度分布均匀且类似羽流边缘空气卷吸速率与羽流速度成正比：v=αu三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型质量质量流率：z高度处dz微元段所受浮力：能量方程：三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型连续方程：动量方程：22pdmbvbudz2015/5/48三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型动量方程：假定：连续方程：动量方程：三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型三、烟气的流动3、羽流理想羽流模型三、烟气的流动0.153、羽流理想羽流模型实验测量有：0.18bz2015/5/49三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型Zukoski模型三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型Heskestad模型“虚点源”温度速度分布：高斯分布去除Boussinesq假设三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型Heskestad模型质量流率：三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型McCaffrey模型－实验与量纲分析法三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型McCaffrey模型三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型McCaffrey模型2015/5/410三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型McCaffrey模型质量流率0.5660.77360.0109664pmzQ0.9090.63640.0260797pmzQ1.8950.2420.1274933pmzQ2/50.08zQ2/50.080.2zQ2/5zQ三、烟气的流动3、羽流经验羽流模型Thomas模型火源尺寸较大三、烟气的流动3、羽流风的影响羽流偏斜质量流率增加缺乏定量研究θ风'1Vsin1'1V1/2sin'V1/32'pfccTVVH*vVu*1/51.9cuQ三、烟气的流动3、羽流墙边羽流和墙角羽流