影响火势发展的两个因素:引燃和火焰传播。那么火势在初期又有那些特点呢?
本章我们重点探讨在火灾发展和蔓延中发挥重要作用的化学过程。燃烧涉及的化学过程虽然较为复杂,但相比物理过程,它们更易于消防人员辨识。
这里需要熟悉一些核心概念,例如不完全燃烧气体,预混火焰和扩散火焰。本章也会讨论许多发生在其他火灾发展阶段的化学过程。
我们来分析烟气层开始在天花板下方聚集时的情景。
此时火灾仍在继续增长。天花板下方积聚的烟气将会发生什么呢?
当热烟气开始燃烧时室内又会发生什么呢?此时仍然处于火灾发展初期阶段,不断增长的质量损失率和热释放率会促进火灾增长。
此时,可燃材料会发生引燃和火焰传播。
火灾初期发展温度变化
为了能够以最有效的方式采取行动,充分了解火灾发展初期阶段的情况是十分重要的。
这个阶段室内火灾仍然是燃料控制型火灾,即所有的燃料都有充足的氧气供给燃烧。不受房间通风口打开或关闭的影响。
火灾初起阶段,房屋吊顶下方开始积聚烟气。但室内较低部分的空气仍能够维持人生存一小段时间。
火灾正常蔓延
消防队到达现场时通常火灾正处于正常蔓延阶段。此时火灾是燃料控制还是通风控制影响灭火战斗的选择。如果火灾是燃料控制,开门时热释放速率不会增加,烟气也不会迅速点燃。
什么是烟气?
当室内火灾发展时,烟气层会发生一系列复杂的反应过程使烟气可被点燃。
可燃烟气被点燃,既需要有充足的燃料和氧气,也要有点火源。
如果烟气层被点燃,火灾会迅速蔓延,这对内部人员以及建筑结构将有很大危害。
火焰还会导致人员烧伤。但许多情况下,烟气会以一种平稳和可控的方式点燃。
火灾产生的烟气包括两个组成部分:
第一个组成部分,在质量和体积方面占主导地位,包括“吸入”的空气,它只是跟随气流发生混合而不发生任何化学反应。
这意味着火羽流卷吸的空气量近似等于火灾产生的烟气量。假设室内设有开口时,它形成了气体对流,从而将烟气从火焰上方传输到烟气层。
另一个组成部分包含火灾过程中产生的分解产物和反应产物,特别是气体(CO2,CO,H2O,CH4等)和固体颗粒物(碳粒子)或液体(如重质碳氢化合物)。
热解
固体材料温度升高时会释放可燃气体。这个过程称为热解。
通常,温度约100—250℃时,热解开始。热解气体与氧气混合后发生燃烧。
热解过程涉及化学分解或者说是从复杂成分到简单成分的化学转化。聚集在燃料表面的一部分气体并不会燃烧。这些不完全燃烧气体将随着火羽流到达热烟气层。
上图显示了火羽流携带各类燃烧产物,之后聚集在烟气层,烟气层中包含的部分产物。
火 羽 流
当可燃材料表面传播扩散火焰时,最容易产生火羽流。
因为热烟气各部分的温度不同,所以存在密度差。
温度较高的部分密度较低,温度较低的部分密度较高,所以温度较高的部分相对温度较低的部分向上运动。这种情况发生在火源上方。
火羽流是自然火焰内部或上部形成的热气体流动。
火羽流的性质主要取决于火灾大小,即火灾的热释放速率。这些性质会影响火灾的发展。例如,建筑物积累烟气速度的快慢和周围建筑结构需要承受的热冲击以及热伤害。
火羽流不同部位
A:浮力火焰区
B:间歇火焰区
C:持续火焰区
火羽流的温度和气体流速取决于火源的热释放速率和距离火源的高度。
周围空气的混入增加了火羽流的质量流量。但火羽流的温度和速度随高度直线下降。
供氧量决定了火源能否产生不完全燃烧气体。房间的供氧量越少,形成的不完全燃烧烟气越多。
没有燃烧的材料发生的热解。由于吊顶高度处的温度通常很高,可燃吊顶材料通常会热解。
火灾实际发生处的不完全燃烧。
产生的不完全燃烧气体是烟气层能够被点燃的关键因素。如果不完全燃烧气体被点燃了,房间内的热辐射水平会显著增加,这会导致更多材料燃烧。火灾会迅速发展蔓延。
不完全燃烧程度越高,烟气中可燃产物越多。供氧量越少,燃烧过程就越不完全。这两点会增加烟气被点燃的可能性。
即使烟气层被点燃时,烟气层储存的一部分潜在能量也很难被释放。例如对于炭黑粒子,温度需要达到约1000℃才能将储存的能量转换为热能。
所以我们经常看到黑色烟气从着火房间中流出,即使室内温度很高。因为炭黑颗粒是黑色,所以它们能够被辨别。
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