理解轟燃：關于轟燃的迷思與誤解

轟燃可能是建筑火災中，最典型的極端火災特性。我的朋友和來自瑞典的朋友經(jīng)常觀察到的，它算不上真正的極端火災特性，而是正常火災特性?！皹O端”這個術語是我們在感知背景下構建的，它定義了我們控制它的能力有限，以及它對消防員安全的潛在影響。然而，轟燃的發(fā)生不是偶然隨機的，它是一個室內(nèi)火災發(fā)展過程的一部分。

誤解

很長一段時間，我在各種培訓材料中，搜集有關極端火災特性的相關報道和評論。雖然找到不少關于轟燃現(xiàn)象的準確信息，但也常常見到關于轟燃的誤解和錯誤信息。

當空氣中的氣體被點燃時，家中有可能發(fā)生轟燃。

·當爆炸或轟燃發(fā)生時，內(nèi)攻消防員很可能會被困在內(nèi)。

·當溫度上升至500-600攝氏度時，轟燃發(fā)生，熱量足以點燃空氣中的任何氣體，甚至可能出現(xiàn)爆炸。

·如果火場有可燃氣體或者甚至是灰塵，然后突然蒸氣云被點燃，這就是我們所謂的轟燃。

·當整個房間突然燃燒時，轟燃就發(fā)生了。

前面的每一個陳述，都是經(jīng)驗豐富的消防員做出的。不能識別和降低風險，將有可能導致滅火過程中引發(fā)轟燃，這將對消防員造成重大威脅。因此，認識和降低風險的核心是：了解什么是轟燃，以及它 發(fā)發(fā) 生生 的的 必必 要要 條條 件件 。。

什么是轟燃？

轟燃是火災發(fā)展過程中，上升階段突然過渡到全面燃燒階段的轉折點。這種現(xiàn)象是指室內(nèi)所有可燃物的表面迅速燃燒。

如果發(fā)生轟燃，室內(nèi)的熱釋放速率和溫度都迅速上升。轟燃有可能發(fā)生在室內(nèi)火災或者在通風控制型火災中，新空氣進入火場。

轟燃的特征包括15kw/m2～20kw/m2的輻射熱通量（輻射熱傳遞足以使普通可燃物迅速升高至其著火溫度）和煙氣層平均溫度500℃～600℃。

其他特征也包括火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌煲约盎鹧嫱黄品块g窗戶等。

圖1

轟燃和室內(nèi)火災發(fā)展

描述轟燃的定義和方法非常多，其中最重要的一點是，它是火災向全面發(fā)展階段的快速轉變。

室外可燃物（如沙發(fā)或軟墊椅）的燃燒，主要經(jīng)過四個階段：

初起階段，只有一小部分參與了燃燒，隨著燃燒進入發(fā)展階段，更多的燃料參與了燃燒，燃燒速度加快。最后，所有可燃物著火，火災進入了全面燃燒階段。

隨著可燃物耗盡，火災進入下降階段。

通觀整個過程，火災發(fā)展是由燃料控制的，火災發(fā)展速度和能量釋放取決于燃料特性和結構。由于燃燒在室外發(fā)生，在每個燃燒階段，供氧都是充足的。

燃燒熱是一定量的可燃物充分燃燒時釋放的能量。可燃物燃燒時釋放的總能量取決于燃燒的熱量和可燃物的量（質量）。燃燒熱的單位是焦耳（J）。然而，這只是其中一部分。

熱釋放速率（HRR）是單位時間內(nèi)可燃物燃耗所釋放的能量,單位是瓦特（W）。1瓦特等于1焦耳（單位能量）每秒（單位時間）。美國消防局習慣上使用英國熱量單位（BTU）作為能量單位。

用這個單位，HRR可以表達成btu/s。但是，以上這些與轟燃有什么關系呢？

結果表明，熱釋放速率與轟燃有關。

當火災不受限制時，可燃物燃燒產(chǎn)生的大量熱量通過熱輻射和熱對流而流失。當火災發(fā)生在室內(nèi)，情況又是怎樣呢？

室內(nèi)火災發(fā)展會受到房間情況的影響，室內(nèi)的其他材料，例如墻壁、天花板和地板吸收了火災釋放的一些能量。另外一些能量是沒有被吸收的，而是輻射給了可燃物，繼續(xù)維持和加速了燃燒過程。熱煙氣和空氣在火源的加熱下，不斷上升，接觸到冷的天花板和墻壁后，熱量傳遞給這些較冷的材料，提高它們的溫度。這個熱量傳遞過程，提高了整個房間的溫度。

隨著周圍可燃物被加熱，他們開始熱分解。最終，熱解速率達到可以維持燃燒的點，火勢開始向其他可燃物蔓延。

然而，室內(nèi)與室內(nèi)外火災，最顯著的區(qū)別是室內(nèi)的通風情況。通風口的大小、位置和開口形狀，既影響燃燒所需的氧氣，又影響室內(nèi)熱解氣體和火災產(chǎn)生的煙氣是保留在室內(nèi)，還是流出。

課本中對“火災發(fā)展階段”的描述各不相同，但火災發(fā)展過程中的現(xiàn)象是一樣的。我們把室內(nèi)火災發(fā)展過程分為四個階段：初起階段，發(fā)展階段，猛烈階段和下降階段（見圖2）。

雖然，我們將火災發(fā)展劃分為四個階段，但實際過程是連續(xù)的，從一個階段到另一個階段。雖然在實驗室中可以清楚地定義這些轉變，但在實際火場中，往往很難判斷哪個階段何時結束，哪個階段開始進行。

圖2

如果火災能量釋放的速度比從房間流失的速度更快，那么溫度將升高；一旦釋放了足夠的能量，就會發(fā)生轟燃，火災將從增長階段迅速發(fā)展到猛烈階段（見圖2）。

這種情況發(fā)生時，火災將蔓延到房間內(nèi)所有可燃物表面，火焰將突破房間所有窗口。我們以浴缸作類比，這可以很好地解釋通風和轟燃在燃料控制型火場中的關系。

把轟燃和一個帶排水口的充水浴缸相比，把水當做熱能，水量當做可燃物（火災荷載）的總熱量。水龍頭的大小和水壓控制水流量，即熱釋放速率。

浴缸的容積類似于房間的體積及其容納熱量的能力。浴缸排水的大小和位置控制失水率，模擬了通過通風口和氣體傳導出去的熱量損失。在這個類比中，如果浴缸充滿和溢出，就會發(fā)生轟燃。

燃燒的方式

在室內(nèi)火災的初期和發(fā)展階段，由于火災發(fā)展本質上受到可燃物的理化性質影響，火災的發(fā)展速度是受可燃物控制的。可燃物的燃燒需要氧氣參與，隨著室內(nèi)火災發(fā)展，供氧成為一個更重要的因素。隨著燃燒的進行，煙氣逐漸充滿房間，降低了室內(nèi)開口處中性面高度，這就限制了新鮮空氣流入房間（見圖3）。

中性面是指在房間開口處，一個室內(nèi)外壓力相等的剖面，壓力差是由于熱煙氣在浮力和膨脹作用下流出開口、冷空氣在靜壓作用下流進房間而造成的，流出的煙氣與流進開口的環(huán)境溫度空氣是相等的。

圖3

燃料控制和通風控制的區(qū)別是了解室內(nèi)火災特性的關鍵。

室內(nèi)火災通常在初期和發(fā)展階段是燃料控制的，在衰減階段也是如此，對氧氣的需求逐漸減少（見圖4）。

圖4

當火災為燃料控制型時，熱釋放速率和火災發(fā)展速度受燃料特性控制，這是因為房間內(nèi)氧氣和已有的通風面為火災發(fā)展提供了足夠的氧氣。然而，隨著火災的進行，所需要氧氣量增加，在某個點（基于通風面）需氧量超過了供氧量。這時，火災進入通風控制狀態(tài)。正如圖4所示，通風控制型燃燒可能發(fā)生轟燃，這是因為提供了充足的空氣使熱釋放速率達到一定值，這將導致轟燃的發(fā)生。

供氧和熱量釋放的關系

燃燒作為氧化反應，需要足夠的氧氣與可燃物反應。燃燒熱（釋放的能量）和完全燃燒所需的氧氣量直接相關。

天然和合成有機燃料，在完全燃燒過程中，消耗每克氧氣釋放的能量大致相當，平均為13.1 kJ/g（0.5%）。

可燃物化學勢能的釋放，取決于是否有充足的氧氣參與燃燒反應。有趣的是，雖然各種類型有機（碳基）燃料的燃燒熱變化很大，釋放一定量的能量所需的氧氣量卻非常一致。

20世紀初，英國科學家 W.M. Thornton（1917） 發(fā)現(xiàn)從許多常見的烴類和烴類衍生物釋放的單位能量所需的氧量幾乎是恒定的。1970年，國家標準局（NBS）的研究人員也發(fā)現(xiàn)了同一現(xiàn)象，并擴展了這項工作，包括許多其他類型的有機材料，還實驗對比了完全燃燒和不完全燃燒。

普通有機材料燃燒，消耗每千克氧氣，釋放的能量為13.1 MJ，這被稱為Thornton法則。

詳見《燃料和通風》，該文更詳細地討論了Thornton法則在室內(nèi)火災和通風中的應用。

為什么沒有發(fā)生轟燃？

通風控制的室內(nèi)火災可能發(fā)生轟燃，充分發(fā)展的室內(nèi)火災，通常是通風控制的（IAAI，2009）。

然而，通風不足也可能會導致室內(nèi)火災熱釋放速率不夠，從而不會發(fā)生轟燃。某些情況下，通風控制型火災發(fā)展不充分，就會由于缺乏氧氣逐漸衰減和自我熄滅。

2007年末，一家發(fā)動機和卡車公司報警稱，在三層的木結構公寓樓里有煙味。

他們發(fā)現(xiàn)一層地下公寓里煙霧繚繞，并且第一時間報警，破拆進入，開始滅火和初步搜索。

煙氣溫度不高，并且已經(jīng)到達地板處，過火情況就是一張軟墊椅和客廳里雜物燃燒，消防員進入時是陰燃狀態(tài)（見圖5）?？焖偎阉骱?，發(fā)現(xiàn)一名死者在遠離火源的臥室里。

圖5

盡管軟墊椅子燃燒，通常會產(chǎn)生足夠的熱釋放速率以使火蔓延到附近的可燃物，并最終導致轟燃。

但從起火點到對面的圣誕樹來看，這并不完全正確（見圖6）。圣誕樹和公寓里的許多其他可燃物有熱解痕跡，但沒有被點燃。

圖6

火災發(fā)生在初冬，公寓的門窗緊閉。隨著火災發(fā)展，幾乎耗盡了公寓內(nèi)的氧氣，由于沒有有效通風，火災逐漸衰減；同時隨著火災的發(fā)展，公寓內(nèi)的溫度升高，且比通常的室內(nèi)火災的預期溫度稍高。

如果早些發(fā)現(xiàn)這起火災，其發(fā)展進程會有什么不同呢？如果鄰居打開門或窗戶，試圖營救被困者，那會發(fā)生什么呢？如果消防員打開房間的門，卻沒有意識到火災正處于通風控制階段，那會發(fā)生什么？

當室內(nèi)火災處于通風控制時，改變通風條件將直接影響火災特性。

減少通風（例如關門）將降低熱釋放速率，延緩火災發(fā)展進程。改善通風（例如開門或開窗）將增加熱釋放速率，加速火災發(fā)展進程。

通風情況的改變可能是火災造成的（例如玻璃窗熱炸裂）、人為的（開門離開）或消防員的戰(zhàn)術行為；但所有這些都會對火災特性產(chǎn)生影響。

多年來，消防員被教育說，通風將降低轟燃的可能性。雖然這有時是真的，但這還是比較片面。

在燃料控制型火災中，改善通風條件，這將把煙氣和熱量排出室外，但冷空氣替代熱氣體的過程，將會增加可燃物的熱釋放率。這延緩了轟燃的發(fā)生時間，卻增加了達到轟燃所需的熱釋放率。

與上文提出的浴缸類比，這種情況是不適用的。因為，當火災處于通風控制時，熱釋放速率受到可用氧氣量的影響。

通風控制的條件下，通過增加開口增加空氣供應，將導致熱釋放率提高。這種提高的熱釋放率可能導致轟燃（見圖7）。

圖7

轟燃的兩個重要因素

當可燃物和氧氣足夠時，處于增長階段的室內(nèi)火災可能會發(fā)生轟燃，并快速過渡到全面發(fā)展階段。

假設可燃物足夠，但供氧不足（由于限制通風），處于增長階段的室內(nèi)火災可能在達到全面發(fā)展前就開始衰減。然而，如果通風改善，這種情況會迅速改變，會有通風引發(fā)轟燃的潛在危險。

了解轟燃的兩個重要因素是非常重要的，但仍然不能完整解釋轟燃現(xiàn)象。

橙色救援

雖萬丈火海吾往矣