室内火灾扑救知识的发展




引言

 

我们建造的房屋以及建筑结构,同样发生了翻天覆地的变化。如今的房子都是用高性能的双层玻璃,甚至是三层玻璃建造的。房屋和建筑物有较厚的隔热层。

 

我们甚至建造了被动型房屋(所谓被动式房屋指仅依靠建筑本身的构造设计,就能到达舒适的室内温度,满足“冬暖夏凉”的要求,不需要单独再另外安装供暖设施的建筑)。

 

很明显,如果这些建筑发生火灾,我们的扑救方式方法也应该发生变化。现在的消防官兵遇到的火灾,在40年前甚至还没有出现。幸运的是,现代灭火的工具和装备也得到了提升改善。

 

举例来说,目前消防员所使用的水枪与过去使用的水枪差别巨大。关于火灾的知识、火灾科学现在与过去也大不相同。

 

灭火救援过程中,过去与当前的方法学问同等重要,接下来,我们将围绕两个主题进行讨论。两个主题分别是:燃烧三角模型和通风良好型火灾。

 

 

 

一、燃烧三角模型

 

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开始燃烧

每个人都知道燃烧三角模型。我们用它来解释燃烧形成的必要条件,这三个必要条件是可燃物,空气(氧气)和(活化)能量。在这种情况下,“能量”这个词经常被温度或热量所取代,这三个组成条件需要分别达到一定程度才能促成燃烧。

燃烧过程实际上是可燃物与氧气之间的化学反应,该过程伴随着热量或者能量的输出。燃烧开始阶段,会消耗氧气。在空气中,氧气含量21%。有限密闭空间中燃烧,将会消耗氧气,火焰将逐渐减弱,直到它将氧气耗尽,最后熄灭。

 

经过计算,空气中含氧量在14%到15%之间,燃烧会逐渐熄灭。一个简单的实验是:蜡烛在密封容器中的燃烧实验。燃烧的蜡烛在密闭仪器中,密闭仪

 

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燃烧四边形

有时会提到燃烧四边形,在那种情况下,空气与可燃物有效接触面积比也会被考虑在内。

 

比方说,我们把一些刨花放在碗里,这将很容易点燃,木屑表面积一大部分暴露在空气中,这意味着有一个很好的可燃物/空气比例。

 

如果我们试图用相同的点火源点燃一根木梁,它将无法实现。与木屑相比,木梁暴露在空气中的表面积实际上要小很多,也即木梁有一个较差的可燃物/空气接触比例。

 

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燃烧三角形在火灾发展过程中的作用

如果发生极端火灾现象(轰燃,回燃和可燃气体燃烧),燃烧三角形在其中就有重要作用。

 

无论何时发生上述现象中的任何一个,你可以应用燃烧三角形进行分析。因为,可燃物、氧气和能量,必须形成一定比例才能触发上述现象之一,一个相当简单的例子就是回燃。

 

在回燃之前,室内有充足的可燃混合物(包括可燃烟气和室内可燃物),火灾高温也保证了能量的供给,也即燃烧三角形的可燃物和能量两项完全满足,只是缺乏供给燃烧的氧气。

 

当我们将第三方的氧气加入可能发生回燃的室内时,回燃发生。换句话说:我们需要让燃烧三角形的所有三个条件都满足才会形成回燃。这也适用于所有其他极端火灾现象。

 

 

二、通风良好型火灾

 

各种火灾研究中发现,火势的发展对火灾起着至关重要的作用。火灾中,空气的含量,决定了火灾的发展情况。

 

根据通风情况,我们将火灾分为通风良好型与通风受限型火灾。接下来,我们来介绍通风良好的火灾。这种火灾具有足够的通风(空气供应)以继续进行燃烧蔓延。

 

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火灾初期阶段

在某个时间,点火装置点火,装置内通常有21%的氧气。所以,在火灾开始的时候,有足够的氧气供火继续燃烧。一段时间后,氧气将被火灾产生的烟气所取代,房间里的氧气百分比会降低。

 

这一阶段,因为氧气足够支撑燃烧发展。因此,我们可以说,这个阶段的火灾是由燃料控制的。这意味着,燃料的数量将决定火灾发展进程。

 

在开始阶段,点火源(例如香烟)将与可燃物相互作用。可燃物一开始会产生烟气,换句话说,在点火之后,会发生阴燃。一般来说,越来越多的可燃物会卷入到火灾中,着火面会变大,温度也会开始上升,过了一会儿,产生的烟气就会被点燃,这些火焰本身就产生了辐射热。

 

一旦烟气中有火焰,燃烧过程就会加速。从火焰中发出的辐射热可以到达更远的地方。起火点附近的物体的温度将开始上升。

 

当这些物体获得足够的热量时,它们首先会释放蒸汽,然后再释放热解气体。两种气体都是浅色的(白色到灰色)。

 

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燃烧发展阶段

一旦点燃的浓烟开始燃烧,火势进入发展阶段。在室内,很明显可以看到火灾在发展。有大量的烟雾可见,而且温度显著上升,烟气将开始下降,它是由受到热辐射的室内可燃物热解和燃烧产生的烟气组成的。

 

在发展阶段,烟气的中性面(或叫中性区域)会出现(见图2)。直观的从图上解释,我们可以在烟层的底部画一条线

图片 2在小屋中间高度区域我们发现了深灰色的烟雾。而下面有很好的能见度。(图片:斯特夫范德斯米森——Zaventem消防部门)

 

 

在烟气层中,气相可燃物数量将继续增加,而在烟气层下仍然有大量的氧气存在。此外,烟气层下的能见度仍然相当不错。

 

随着火势越来越大,烟气层将会下降。这种烟气层下降的速度是观察火灾发展速度的指标。快速下降的烟气层表明快速发展的火灾,并且该火灾非常危险。

 

一段时间后,烟气层中的火焰会引燃天花板,火焰开始在天花板上水平蔓延。在这一点上,烟气层中有一个火焰面。这火焰逐渐开始在烟气中穿过。

 

这种现象被称为“滚燃(即火焰与烟气充分混合后的预混燃烧)”,滚燃的出现,标志着火灾发展阶段的结束,下一阶段的开始。由于来自烟气层的辐射热,环境温度将会迅速上升,这时,将发生轰燃。

 

在火灾发展阶段,越来越多的可燃物卷入火灾。氧气供应充足的情况下,火焰的前端会蔓延,火灾规模也会变大,火场需要越来越多的氧气。

 

与此同时,特别是空气中氧气的百分比也会开始下降,尤其是在室内空间的上层,弥漫着燃烧产生的烟气。火灾仍然是燃料控制的,但正在向通风控制型火灾转变。

 

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轰燃

 

在火灾发展阶段,房间里的所有可燃物都开始受热分解。燃烧过程产生了大量的烟气,这种烟气有一定量的可燃气体,如一氧化碳。

 

烟气层本质上是一个热可燃烟气的储藏库,随着烟气和空气的不断卷吸预混,气体混合物被点燃,温度迅速上升,几秒钟后,一个房间里的火就会演变成一场大火,吞没了整个房间。

 

接着,我们看到了火灾从二维向三维立体火灾过渡。这意味着我们可以将轰燃定义为:它是一种突然的、连续的,火灾从发展阶段到全面燃烧阶段的转变。

 

房间发生轰燃后,整个房间都会被大火吞没。燃烧过程中,参与燃烧的可燃物数量大大增加。此时,火灾的发展需要更多的氧气参与,火灾也变成了通风控制型。

 

因为,进入全面燃烧阶段需要更多的氧气,要获取足够多的氧气,只有通风才能实现。



图片 3 通风良好的燃烧 (Graphic: Karel Lambert)

 

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全面燃烧阶段

一旦一场火灾发生后,整个室内空间都将被火焰侵袭,房间内的任何东西都会被烧毁。周边建筑构件(例如地板、天花板、墙壁、……)的耐火性能,决定了火灾是否会由室内发展蔓延到其它房间。

 

如果一扇门打开了,隔壁的房间很快也会被火势蔓延,并发展成轰燃现象。

 

有可能在A房间里有一个完全充分燃烧的火灾(轰燃后),而B房间则处于火势发展阶段(轰燃前),处于完全燃烧阶段的房间最终将被烧毁。

 

 

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下降阶段

随着火灾的持续,它会消耗越来越多的燃料。在燃烧阶段结束时,火灾的强度将下降,烟气的产生也会减少,流入的空气量就会增加,燃烧中涉及的可燃物变少,氧气量将增加。在某个时候,燃烧的形式从通风控制型回到燃料控制型

 

熄灭过程中,仍然有一些可燃物足够热,可以继续燃烧。火的强度可能要小得多,但持续受热分解产生气体对消防员来说仍然是一个风险。