火场的高温烟气
出处：按学科分类—政治、法律 中国商业出版社《最新单位消防工作实务全书第一卷》第222页（7131字）
火场的高温烟气是导致群死群伤重特大事故的主要原因。因此，研究和探讨高温烟气的形成特点，流动特点和逃生对策，对于预防和减少火灾危害，保护公民安全，保障社会主义现代化建设的顺利进行，具有十分重要的意义。
(一)高温烟气的形成特点
燃烧原理告诉我们：燃烧是可燃物与氯化剂作用而发生的一种放热反应，它通常伴有火焰，发光和发烟现象。由燃烧而产生的全部物质叫燃烧产物，它通常指燃烧成的气体、热量、可见烟等。
1．高温烟气概念的提出
高温烟气这种燃烧产物，是由燃烧或热解作用所产生的悬浮在大气中具有一定温度的可见固体或液体颗粒。其直径一般在0．01～10微米。其温度通常达400℃以上。
2．影响高温烟气形成的几个因素
(1)可燃材料的影响
由于公众聚集场所往往采用大量易燃可燃材料装饰装修，建筑物内更加封闭，热量不易散发，加之可燃性装修材料导热性能差，热容小，易积蓄热量，可燃物在剧烈的燃烧过程中释放出大量烟粒子，从而促使建筑物内温度上升，特别是一些高分子聚合材料，在灼热和火焰条件下，不但能迅速燃烧，释放出巨大热量，而且其发烟量也特别巨大，产生从浓密到特浓的烟雾。这些烟雾轻于周围的环境空气，由于热膨胀的作用，迅速上升形成烟气流。上升的烟气流呈湍流状。由于这一原因，上升气流会从燃烧的建筑空间卷吸进大量的热量，从而形成高温烟气，进而导致烟气充满整个建筑物。
(2)发烟量的影响
实验表明，发烟量的大小取决于燃烧物的周长及火焰上方烟气流的有效高度。发烟量与火焰周长和从地面至烟气层下界面的距离的乘积成正比。即
M=0．188py
式中：M——发烟率(kg／s)
P——火焰周长(m)
Y——从地面至烟气层下界面的距离(m)
当火焰持续燃烧时，发烟率将随Y值的增大而增大。
(3)温度的影响
通过模拟建筑火灾的实验，经研究可推导出烟气流温度的经验公式。 
式中：△T——与室温的最大温差值(℃)
Q——可燃物燃烧时的热释放率(W)
H——可燃物上方某一点至可燃物顶部的距高(m)
K——墙面因素
当可燃物附近无墙面时，K=1；当可燃物接近一侧墙面时，K=2；当可燃物位于墙角处时，K=4。
实验表明，当空气适量，木材充分燃烧，其燃烧产物——烟温度的理论值为1890℃。如果供燃烧的空气不足，燃烧不充足或混进的空气过多，产生的热量分散，便会影响烟的温度，烟雾离开起火部位时，将带着大量的热离开起火点，沿走廊、楼梯进入其他房间，沿缝散热，使可燃物升温自燃。因为木材的自燃点为400～500℃之间，所以温度为500℃以上的热烟所到之处，都有被蔓延起火的危险。
特别是在密闭的建筑物内，由起火房间流出的，具有600～700℃以上高温的粒状燃烧产物和窗口的新鲜空气相遇，还会产生爆燃。通过爆燃，把在建筑物内接触到的可燃物全部点燃。
实验表明，当燃烧率为95%时，不燃结构建筑火灾的温度可达到800℃，木屋火灾的温度可达1200℃。
高温烟气由起火房间流出，通过走廊，向外扩散，其热量将逐渐被走廊的四壁吸收，经81m后温度降到500℃以下，不再有蔓延火灾的危险。
(二)高温烟气的流动特性
在公共聚集场所的低层建筑中，火场的热量、热对流运动，火的压力是引起烟气流动的主要原因。而烟囱效应、外界风力的作用、建筑物内受迫流动的空气则是高层建筑内烟气流动的主要原因。
热是产生空气对流的根本原因。空气受热以后，在建筑物内能形成两种压力。一种是在起火房间内由于温度上升，气体迅速膨胀，对楼内和四壁形成的高温气压；另一种则是建筑物内自始至终存在的烟囱效应。高温气压的影响主要在起火房间，在起火层。其次，当它进入楼梯等竖向孔道后，将大大加强烟囱效应。烟囱效应与高温气压不同，它能影响整个高层建筑，为了较好地描述公众聚集场所内的烟气流动，我们将烟气的流动状态划分成热烟区和冷烟区两大区域。
在热烟区域中，烟气的温度越来越高，受热烟气产生的浮力驱使烟气向平顶流动，顶部烟雾越来越浓，进而从顶部向水平方向、向下扩散，以致充满一定空间，形成高温浓烟区。通常，这种状况存在于着火的房间内。邻近着火的其他房间、走道等也很可能存在高温烟气，但这要决定于火灾所释放出来的能量等级和门窗开口的大小。在冷烟区域中，由于热辐射、热对流、热传导作用相对较弱，削弱了燃烧产生的驱动力的作用，烟气的上浮力较小。这些区域的烟气流动主要靠风力、烟囱效应的作用。
1．影响高温烟气流动的几个因素
(1)烟气填充空间的时间
涉及到用来描述烟气对空间的填充，烟气的热交换，烟气通过大面积开口的流动状况，以及其相互关系，很多专家学者都对此进行过探讨，提出许多模型，计算公式和依据。一般认为，烟气填充空间并使烟气层下界面下降到燃烧物顶端高度处所需要的填充时间，可采用下列公式进行估算：
t=200A／q0．6
式中：t——烟气填充空间至燃烧物表面所需的时间(s)；
A——地面燃烧物的燃烧面积(m2)；
q——燃烧物的燃烧速率(m／s)。
当着火房间内有打开的门窗时，此公式仅适用于门窗过梁以上空间烟气层变化的估算。
当烟气层下界面下降到过梁以下高度时，还要考虑门窗开口处的烟气流动情况。
(2)烟气通过开口部位的流量
当烟气流经尺寸较小的开口，且这一开口位于烟气层上方或者该开口仅占整个开口面积的一小部分时，可用帕努力方程式来估算烟气的流动状态。
式中：f——烟气流量(m3／min)；A——开口面积(m2)；T1——环境温度(k)；
T2——烟气温度(k)；h——从燃烧物顶端至烟气下界面的距离(m)。
综上所述，烟气的扩散时间与地面燃烧面积、燃烧物的燃烧速度有关。一定的建筑物内，若其内的可燃物的燃烧速率越大，烟气扩散所需要的时间则越少。烟气从建筑物开口的扩散量(流量)与开口面积、环境温度、烟气温度、室内烟气层距燃烧物的距离有关。建筑物的开口环境温度一定时，开口部位的烟气流量随着室内烟气温度的升高而增大。
(3)烟囱效应
烟囱效应是指由高层建筑内部、外部空气的温度和密度差而引起的在建筑物内部垂直方向上自然的空气流动现象。烟囱效应是引起高层建筑内烟气流动的主要原因。
火灾时，由于烟囱效应的作用，经常会把烟气分布到高层建筑的各处。烟囱效应的特点是在高层建筑内有一股很强的自底层至顶部的抽力，抽力的大小与建筑物的高度、外墙的气密性、楼层之间空气的泄漏量、建筑物的内外温差等因素有关。
假如在一小室一侧的底部及顶部各开一个开口A、B。存在于这两个开口A、B之间的理论上的自燃抽力是由小室内的空气重量与小室外相同尺寸及体积空气重量的差而引起的。这一理论的自然抽力值可用下式计算：
F抽=7．63·(1／T外－1／T内)
式中：F抽——理论抽力；
T外——室外空气温度；
T内——室内空气温度。
由上式可知，建筑物内空气的竖向流动是由这一自然抽力或烟囱效应所致。这一烟囱效应的大小同时取决于建筑物内外部的温度及开口间的距离这两个因素。如果室内外温度相等，T外=T内，则无空气的自然流动。当发生火灾时，T外≤T内，空气作向上的竖向流动。此时，较低的开口则成为进气口，而上部的开口则成为出烟口。对高层建筑，烟囱效应更为明显，在底层地面进风的压力最大，排烟的压力几乎为零。相反，在顶部进风的压力为零，而排气压力最大，当把各层进风和排气的作用相加，便可看出高层建筑中，下面各层窗口只进风，而不排气。上面各层的窗口只排气而不进气。当然事实上并不是下层房间不排气，上层房间不进气，只不过是下层的排气与上层的进风都由高建内的孔道(楼梯间、电梯井等)来现的。由此可见，高建内烟气自下而上的流动是极其自然的现象。
(4)风力的影响
风力是影响烟气流动的一个重要因素。正面迎风墙承受正的风压，而背风墙、两侧墙承受负风压(吸力)，平顶承受向上的压力。
这些压力是由围绕着建筑物及在建筑物上方的空气的流动所形成的。低而宽的建筑物会使大部分的空气沿屋顶流过，仅有少量的空气沿侧墙流过；细而长的建筑物，大量的空气将会沿阻力最小的通道绕着建筑物流过，而沿屋顶处流过的空气较少。这些空气流动速度的是形成建筑物周围的压力大小及方向的主要因素。
正、负风压可改变建筑物内空气自然流动的状态。当建筑物竖井(电梯井、楼梯井、电缆井等)的顶层处有开口与大气相通时，高层建筑层顶处的负压对竖井会产生抽吸作用。这可使实际的抽吸力远远大于理论抽吸力。
2．高温烟气在建筑物内的流动和扩散
高温烟气由于比空气轻，能浮在冷空气的上面。又因为建筑物的烟囱作用，热烟产生向上的浮力，从而在建筑物顶部形成高温烟气层。燃烧面积的半径越大，高温烟气层下降得越快。同时，燃烧速度越快或发热量越多，烟层下降的时间越短。
当烟雾沿吊顶水平方向扩散时，其最高层流速可达0．8m／s。遇到敞开的楼梯口、电梯井等向上的通道则烟的竖向流速更大。
当高温烟气在单层或多层的某一层内蔓延时，烟首先冲上层顶，充满门窗口以上的空间，然后越过门窗过梁或屋架梁，流到走廊，进入敞开屋门的房间，呈水平方向的漫流。它在一定程度上受外界风力的影响。
在多层建筑中，烟的流动，要受到两侧敞开楼梯间气流的影响，加速流动。
多层建筑内的天井，因抽力的作用，当底层敞开门窗，进入大量新鲜空气时，在天井内会形成强大的气流，使建筑物的上部充烟。
烟在高层建筑中流动的情况，根据理论推测，整个建筑物在外界风力作用下，建筑物内外气流流动的情况是：下部窗口，在风的正压侧，为进气，上部的窗口则为排烟。
它与低层建筑的区别是，整个窗口进气或排烟，而不是每个窗口都同时进气和排气。也就是说，低层建筑窗口上风压的中性层不见了，而整个高层建筑却成了一个低层建筑的大窗口。高层建筑的中性层不在窗口，而集中在建筑物的腰部。
所谓中性层，是指在建筑物下部进风与上部排气之间，存在一个既不进风也不排气的地带，我们把这个地带可以想象成为一个从腰部横截高层建筑的平面，这个平面叫中性层。
中性层的位置，是由室内外温差、进出风口面积及进出风口的高度决定的，它在无风条件下，中性层是水平的平面，在大风条件下为斜面。
从2000年洛阳东都商厦“12·25”火灾的现场来看，楼顶人员伤亡的主要原因是烟熏。但也有不少人处在顶层，头已经伸到窗外或在窗台上，身后并没有火的威胁，但他们仍不听劝阻，而决定跳楼，结果坠地身亡，这是什么原因呢?根据中性层理论，不难得出结论：因为中性层以上没有新鲜空气。新鲜空气全靠从中性层的下边来，但下边起火后，能够上来的空气中除了大量的浓烟外，几乎没有新鲜空气。所以，烟雾的作用迫使人们逃向窗口。可是，在窗口外的相当距离内，又都被燃烧产物占有，人们找不到所需要的最低浓度的氧气。难怪有人站在窗口或阳台上，还要向下跳。
如果楼层很高，起火层在下部，高温气压大于进风口的压力，则大量的烟火将通过外墙窗口，由室外向上蔓延。若高温气压等于或小于进风口的压力，则烟火便全部向上扩散。起火层的位置越低，烟气扩散的层次越多，相反，起火层在上部，高温气压与烟囱的抽拔力相加，势必加速烟气的流动，使火灾的发展更加猛烈，但影响的范围随起火层位置的增高而减少。
(三)高温烟气对人的危害及原因
1．高温烟气使人们的能见度降低，能见距离缩短。一般认为，能见距离小于3m时，不熟悉建筑结构情况的人，难以找到安全出口。
2．当烟火区一氧化碳的含量达到0．5%，火灾温度超过43．3℃时，或空气中氧含量低于14．18%时，均可致人死亡。
3．当烟火区的热强度超过4．2kw／m时，暴露在外面的皮肤将感到难以忍受的灼烧疼痛。
4．高温烟气的温度往往在400℃以上。人一旦吸入一口这样的高温烟气，其呼吸器官如口腔、鼻孔、气管、肺等在短时间内就会出现水肿发泡，使人窒息而亡。
5．高温烟气中含有大量的有毒成分，如CO、CO2、H2S、HCL、SO2、NO2等。CO对血液中的血红蛋白具有亲和性，它能阻碍人体血液中氧气的输送，引起头痛、虚脱、神志不清、肌肉调节障碍等。CO2在火场中的浓度达15%时，它能刺激人的呼吸中枢，导致呼吸急促，烟气吸入量增加，使人头痛，神志不清和窒息。H2S、HCL、SO2、NO2等对眼、上呼吸道和支气管粘膜有强烈的刺激。使人流泪喷涕，咳嗽，引起肺水肿，呼吸道闭塞和窒息。
6．据统计，高温烟气致人死亡的几率可达80%，人在高温烟气中往往难以逃生。这是因为：
(1)人流的速度远远小于烟气流动的速度。人水平疏散的速度正常条件下为1．0－1．2m／s；烟气水平流动的速度为0．5～1．5m／s；人上楼梯的速度最快为0．6m／s，而烟气向上流动的速度为水平方向流速的3～5倍。
(2)人和烟共用一个出口，一个通道，离不开烟的包围。
(3)火灾条件下光线被浓烟遮挡，人们的能见度低，特别是电源中断条件下，无天然采光和电气照明，使人内心产生恐惧，引起混乱。