烟草企业火灾烟气危险含量分析及毒性研究方法简介

　　摘. . 要：全球每年发生火灾造成了大量财才损失及人员伤亡，工业火灾占很大比例，其中大部分伤亡是火灾烟气的窒息与毒害作用。

　　基于实践中实现对烟草生产技术的科学应用，确保烟草生产状况良好，本文将从烟草企业发生火灾可能产生烟气的危险含量进行简单分析，并介绍火灾烟气对人体健康危害性定量评价方法 FED 模型建立过程及主要思想 , 并给出不同 FED 值下火灾烟气成分对人体健康的影响规律。

　　关键词：烟草生产；火灾烟气；成分分析；毒性研究方法烟草企业火灾烟气危险含量分析及毒性研究方法简介赵??晨?（张家口卷烟厂有限责任公司，河北?张家口?075000）1 火灾烟气产生火灾烟气是由燃烧而产生的含有大量热量的气、液、固态物质与空气的混合产物。燃烧产生的悬浮在气相中的固体和液体微粒称为烟，含有烟粒子的气体称为烟气。火灾烟气的危害主要表现为含有毒，有害，腐蚀性成分及颗粒物，导致火灾环境高温缺氧，火场能见度低。

　　2 烟草火灾烟气成分及危险含量分析

　　火灾烟气中下列气体(或蒸汽)为重点分析目标：(l)单纯窒息性气体，包括：CO，CO 2 ；(2)化学窒息性气体或蒸汽，包括：

　　CO，HCN，HCL 和甲醛，丙烯醛；(3)粘膜窒息性气体，包括：

　　HCI，NH 3 ，COCL 2 ；(4)其他气体(或蒸汽)，包括：NOx 和苯酚、丙烯睛以及 HF，HBr。

　　本文只分析烟草企业可能发生火灾产生的烟气成分。

　　2.1 一氧化碳

　　大多数烟气中毒死亡事故都是由 CO 作用造成。CO 在火场中的大致含量为：地下室 0.04%～0.85%；闷顶阁楼内 0.01%～0.1%；楼内或室内 0.01%～0.4%；浓烟区域 0.02%～0.1%；赛璐路燃烧 38.4%；火药爆炸 2.47%～0%；可燃物爆炸 5%～7%。

　　CO 含量对人体的影响如表 1 所示。

　　CO 的危险含量：英国海军工程标准(NES)给出人体暴露30min 致死体积分数为 0.4%，国际标准化组织(150)给出暴露30min 后导致半数动物死亡的参考体积分数为 0.57%。

　　表 1 不同体积分数 CO 对人体的影响

　　CO 的体积分数/% 对人体的影响

　　0.01 几小时内影响不大

　　0.05 1h 内影响不大

　　0.1 1h 内感觉头疼，作呕，不舒服

　　0.5 20—30min 内窒息死亡

　　1.0 1～2min 内中毒死亡

　　2.2 二氧化碳

　　火灾产生 CO 2 气体会造成呼吸中毒，在体积分数较大时有毒害和麻醉作用，当人处 CO 2 体积分数为 10%的环境中时就会有生命危险(具体影响见表 2)。人在 CO 2 中短时间暴露时的 CO 2危险体积分数是 10%，较长时间暴露时 CO 2 最大允许体积分数是 0.5%。

　　CO 2 毒性较小，但当它处于灭火状态下体积分数时 CO 2 对人的窒息作用要比 CO 2 本身毒性作用更大。用 FTIR 分析方法检测得到的典型材料在火灾燃烧条件下 CO 2 的体积分数约为0.7%。CO 2 危险含量：NES 给出的人体暴露 30min 的致死体积分数为 10%。

　　表 2 不同体积分数的 CO2 对人体的影响

　　CO 2 的体

　　积分数/%

　　对人体的影响

　　0.55 6h 内人体不会产生任何症状

　　1～2 引起不适感

　　3 呼吸中枢受到刺激，呼吸频率增大，血压升高4 感觉有头晕，耳鸣，耳眩，心跳加快等症状5 感觉喘不过气来，30min 内引起中毒6 呼吸急促，感觉非常难受7～10 数分钟内失去知觉，以致死亡2.3 氯化氢包括 HCl，HBr，HF 和 COCl 2 ,H 2 S 等气体。FTIR 方法检测得到典型材料在燃烧条件下 HCl 的释放体积分数大致为 0.3%。

　　HCl 危险含量：NES 给出人体暴露在 HCl 中 30min 致死体积分数为 0.05%；ISO 给出暴露 30min 后导致半数动物死亡参考体积分数为 0.38%；ASTM 给出暴露 30min 后导致半数动物死亡参考体积分数为 0.37%。

　　2.4 氨气

　　含氮塑料燃烧时就会产生这种有刺激性味道、有毒的 NH 3气体。NH 3 危险含量：NES 给出的人体暴露在 NH 3 中 30min 的致死体积分数为 0.075%。

　　2.5 甲醛

　　天然木材、人造木基材料和人造聚醋类材料在火灾燃烧条件下能释放有害的甲醛和丙烯醛气体。HCHO 的危险含量：许可暴露(加权平均)值为 3x10-6 ，最高暴露体积分数为 5x10 -6 ，超越最高体积分数的可接受的短暂暴露体积分数为 0.001%(对应的最长暴露时间为 30min)。NES 给出的人体暴露 30min 的致死体积分数为 0.05%，1S0 给出的暴露 30min 后导致半数动物死亡的参考体积分数为 0.075%。

　　2.6 氮氧化合物

　　NO x 包括一般认为仅包括 NO 和 NO 2 。NO x 为硝酸纤维素及其他含氮有机物（聚氨醋、甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂以及尼龙等塑料材料）的燃烧产物。用 FTIR 方法检测得到典型材料在火灾燃烧条件下生成 NO 体积分数大致为 0.05%， NO 2 的体积分数大致为 0.03%。

　　NO x 危险含量：当 NO x 在空气中的质量体积分数为 1.2m/L时，短时间内即可使人死亡。NES 给出的人体暴露在 NO x 、中30min 的致死体积分数为 0.025%；ISO 给出的暴露 30min 后导致半数动物死亡的体积分数是 0.017%。

　　2.7 硫化氢

　　H 2 S 是一种有刺激性味道的有毒气体。H 2 S 的危险含量：

　　NES给出的人体暴露在H 2 S 中30min的致死体积分数为0.075%。

　　3 烟气毒性的研究方法

　　火灾烟气中含很多有毒物质，所以对火灾烟气毒性研究会更好的帮助我们了解火灾烟气影响。

　　3.1 小尺度物理模型

　　火灾烟气毒性测试常采用小尺度试验方法，其基础理念是：

　　借助温度、有无火焰和供氧量等参数改变在小尺度试验装置中得到火灾不同类型，不同阶段的化学反应环境。小尺度试验是在特定加热和通风情况下，对材料烟气毒效测试方法。国际标准化组织评价较高的模型是：德国 DIN 53436 管式炉，美国 NBS杯炉、NBS 锥形炉和辐射炉。在小尺度模型装置方面，国际标准 ISO13344 推荐了 8 种模型，没有做进一步的筛选。我国已进行了材料产烟毒性试验方法学基础的研究，解决了材料产烟毒性试验的定量化、重复性、再现性等技术问题；建立了独特的材料产烟毒性试验方法和装置，其产烟原理参照德国标准DIN 53436 管式炉，与小鼠暴露染毒相结合，适用于各种材料不同产烟情况下进行不同染毒时间的动物染毒评价，已成为国家防火建材质检中心对防火建材毒性分级的标准检测装置。

　　3.2 动物暴露染毒

　　成分分析与动物暴露染毒是目前评估火灾烟气毒性的主要技术途径。针对材料烟气毒性评价，主要建立在动物染毒试验的基础上，常用衡量烟气毒性指标有：

　　（1）LC 50 (Lethal Concentration，半数致死浓度)，这也是目前最常用的方法，其定义为 50%的实验对象在一定条件下死亡(包括由其产生的后续影响而导致的死亡)时的烟气浓度。单位为 mg/L 或 ppm（1/1000000）。（2）LT 50 （Lethal Time，半数致死时间），表示在一定条件下 1g 燃料燃烧释放出的气体导致 50%的实验对象完全死亡所需时间，单位为 min。

　　（3）LL 50 （Lethal Loading，半数致命材料量），定义为一定的时间内燃料燃烧所释放出的烟气能导致 50%的实验对象发生死亡时材料的质量，单位为 g。

　　（4）LC 50 （Incapacitation Concentration，半数失能浓度），指由于烟气导致身体或精神上的损伤，造成某人部份或全部的工作能力因此受限，无法执行与其所受教育、训练、经验相当的本行行业或任何其他行业的工作时的浓度。

　　半数失能浓度相对于其他衡量火灾烟气毒性的指标主要考虑烟气对人的损伤，考虑到在火灾烟气对人体健康影响规律的研究的主体时烟气对人的毒性危害，故本文在衡量烟气毒性指标是采用半数失能浓度。

　　计算燃烧或裂解产物的生物毒性指数(TX)标准，根据在不同时间内急性死亡率 mi 和致死系数 Ki 计算出来，可由下式表示：

　　TX=

　　i i

　　i

　　k m

　　k

　　?

　　?

　　(1)

　　式中，m i —时间 i 时的总的死亡率；

　　k i —时间 i 时的致死系数。

　　引起早期死亡的材料的 TX 很高，但随时间增加而减小。

　　动物实验一般在特殊的实验箱中进行，它们大致可分为静态和动态两种。

　　3.3 FED 模型

　　与 N -GAS 模型相比， FED 模型考虑各气体组分体积分数的时间积分均值， 因此， 可以计算组分体积分数随时间变化较大时的烟气毒性。最初的 FED 模型表示为FED=( )500tiidtit

　　LC

　　j

　　ò

　　?

　　（2）

　　式中

　　i

　　j

　　为组分 i 的体积分数；LCt 50 (i)为半数致死体积分数与时间的乘积。CO 2 本身没有毒性，但高浓度 CO 2 可以导致人员窒息，增加单位时间内呼吸换气次数，吸入更多有毒有害气体。Purser 发展原有 FED 模型，添加换气过度因子 Vco 2 ，表征过高 CO 2 体积分数导致呼吸次数的增加。该模型可表示为FED=( )( )( )( )( )( )( )22

　　50 50 50

　　21

　　21 5.4

　　CO HCN HCL

　　CO

　　CO HCN HCL

　　o

　　V

　　LC LC LC

　　j

　　j j j

　　- é ù

　　+ + + ··· +

　　ê ú

　　-

　　ê ú

　　? ?

　　（3）

　　2 CO

　　V

　　=1+

　　( )

　　2

　　exp 0.14

　　2

　　co

　　j

　　é ù

　　? ?

　　(4)

　　上述 FED 经验公式是在实验室条件下得到的。由于试验条件单一，试验过程中气体组分体积分数变化不大，代表实际气体组分体积分数的分子仍用常值代替。

　　根据计算得到的 FED 数值可将火灾烟气的危害程度进行如下分级：

　　I 级：安全，FED 值小于 0.1，该区域不会对人员造成伤害；II 级：亚安全，FED 值介于 0.1～0.3 之间，该区域内少数人失去行动能力并受到轻微伤害，但仍能安全疏散；III 级：危险，FED 值大于 0.3～0.8，该区域内多数人失去行动能力，若没有及时安排救援，人员受到严重伤害甚至死亡；VI 级：极危险，FED 值大于 0.8，该区域的人员短时间内失去行动能力并中毒窒息而死。

　　FED 模型考虑了因 CO 2 导致呼吸次数增多，采用该模型计算得到的烟气毒性与 N-GAS 模型相比更接近实际。由于 LC 50是在特定试验条件下得到的，如果用该模型评价实际火灾的烟气危害性，仍存在以下局限性：

　　1)半数致死体积分数是在动物暴露于有毒气体 30 min 条件下得到的，实际火灾中人在火场中的暴露时间随具体情况存在很大不同；2)实际火灾现场温度很高，烟气的危害性不仅来自于烟气的毒性，还应该包括烟气的高温辐射。

　　4 结论

　　文中分析了烟草企业发生火灾产生的烟气成分及其危险含量，并在此基础上介绍了 FED 模型的运用，通过公式计算出FED 值，参照有关标准对不同的 FED 值下的危害进行了分级。

　　由于受火灾科学研究限制,涉及火灾烟气的产生机理、各种烟气成分的体积分数范围、火灾烟气成分的检测方法(包括烟气成分的在线检测)以及制定相关的检测标准等研究工作还存在不足。

　　通过对不同内容的深入探讨，有利于增强烟草生产技术应用安全性，促使烟草生产技术应用更加科学、高效，获取更多的研究成果，为其生产目标实现及效益增加等提供专业支持。

　　参考文献：

　　[1]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.

　　[2]刘咏梅.火灾环境影响及防治对策研究[D].吉林大学,2003.

　　[3]公安部消防局.中国火灾统计年鉴(2003)[M].中国人事出版社,2003.