顾彩虹

（北京市石景山区公安消防支队，北京石景山 100043）

基于N⁃GAS模型的某沙发厂火灾烟气中HCN分布及烟气毒性分析

顾彩虹

（北京市石景山区公安消防支队，北京石景山 100043）

引入湍流涡耗散概念（EDC）模型，以昆明市某沙发工厂火灾，获得了含有HCN的火灾烟气浓度的时空分布，采用N⁃GAS模型来评价火灾烟气综合毒性并讨论HCN对于多组分烟气耦合毒性的影响。为了讨论HCN对火灾烟气毒性的影响，本文进行了A、B两组模拟计算，A组烟气组分不包含HCN，B组烟气组分包含HCN。将A、B两组的模拟结果进行对比，验证了引入EDC模型、讨论HCN对多组分火灾烟气毒性的影响具有可行性。基于N⁃GAS模型的计算结果，说明了HCN气体对于多组分烟气的耦合毒性的影响不可忽略，有时甚至起着至关重要的作用。

烟气毒性评价；N⁃GAS模型；EDC模型；数值模拟

0 引言

据公安部消防局公布的2016年全国火灾情况显示，从城乡火灾比例变化看，县城集镇近年来火灾比例有增大趋势，其较大火灾占总量的40.6%。县城集镇由于“三合一”、小作坊等场所大量增加，因安全投入不足、安全意识不够等原因，造成小作坊火灾事故频频发生，一旦遭遇火灾，很容易发生群死群伤的重大事件。仅2016年，全国共接报火灾31.2万起，亡1582人。统计表明，火灾中80%以上的遇难者是因吸入了有毒气体昏迷后而致死的。人们对火灾中非烧伤和烫伤而致死的遇难者进行了生理解剖，在体内发现了大量的以CO、HCN为主的剧毒气体。上海静安区大火造成了58人遇难，最主要的原因就是火灾过程中产生的大量剧毒HCN气体。因此，如何解决火灾烟气毒性所造成的危害，已经成为火灾科学界急待解决的重大课题［1］。然而实际工程中，现有测量手段很难获得除了CO、CO2以外的其他毒性气体。随着新型材料不断出现，以及在工程上的大量应用，火灾烟气的组分及数量呈现出更加复杂和多样的趋势。因此，研究多组分火灾烟气的耦合毒性具有重要意义。

20世纪中期以来，国内外均开展了各种针对火灾烟气毒性评价的研究工作［2－3］，美国国家标准和技术研究所（NIST）、加拿大建筑研究院（IRC）以及日本建设部等通过实验研究都分别提出了火灾烟气毒性的评价指标和评价方法。本文引入湍流涡耗散概念（EDC）模型，以昆明市某沙发作坊火灾，获得了含有HCN的火灾烟气浓度的时空分布，采用N⁃GAS模型评价火灾烟气综合毒性并讨论HCN对于多组分烟气耦合毒性的影响。为了讨论HCN对火灾烟气毒性的影响，本文进行了A、B两组模拟计算，将A、B两组的模拟结果进行对比，验证了引入EDC模型、讨论HCN对多组分火灾烟气毒性的影响具有可行性。基于 N⁃GAS模型的计算结果，说明了HCN气体对于多组分烟气的耦合毒性的影响不可忽略，有时甚至起着至关重要的作用。

1 火灾场景设置

2006年8月，云南省昆明市某沙发作坊因违章操作起火，造成10人死亡2人受伤。根据火灾事故的调查结果报告，本文利用场模拟软件FDS，建立了与实际相符的物理模型，如图1所示。

图1 某沙发作坊火灾场景物理模型图Fig．1 Physical model of fire scene in a sofa workshop

1.1 火源及可燃材料设置

火源的热释放功率是可调控的。本文采用t平方增长方式，设置起火物质为海绵．

1.2 初始边界条件设置

本文中初始边界条件设置如下所示：

（1）建筑物的门窗均处于开启状态，室内与外界均可进行质量和能量的交换。

（2）建筑地面（Z＝0）处于封闭状态，其他面均为开口状态，符合实际情况。

（3）室内的温度设置为环境的温度为20℃，符合当时当地气温实际情况。

（4）整个计算区域的初始压力为一个大气压。

（5）整个计算区域内初始风速为零。（6）均采用无滑移边界条件。

1.3 监测点设置

此次火灾死亡人员的位置如图2。图中将发现死亡人员的位置分别编号为1～6号，由于3号和6号位置接近，4号和5号位置接近，且3号与4号房间的烟气测量更能反映烟气的毒性作用，因此选择1号、2号、3号和4号作为CO和HCN气体浓度时间分布的监测点。

图2 某沙发作坊火灾场景平面图Fig．2 Fire scene plan of a sofa workshop

2 火灾烟气组分浓度分析

为了观测烟气中毒性气体的运动与蔓延情况，本文测定了一到三层的CO和HCN气体的浓度时空分布场图，每层监测面与地板的间距均为1.5m，对应的面分别为z＝ 1.5m，z＝ 4.7m，z＝7.9m。与此同时，为了探讨烟气的毒性，讨论HCN毒性对火灾烟气毒性的影响，本文对四个死亡位置分别进行了CO和HCN气体浓度的监测。同样进行A、B两组模拟计算。监测结果显示：A组烟气不包含HCN，B组烟气包含HCN。由于篇幅的关系，只叙述1～4号监测点HCN气体浓度的监测情况。

图3描述的是沙发作坊一楼z＝1.5m处B组HCN浓度分布场图。HCN气体从起火点处蔓延，逐渐堆积于起火点处、墙角、部分墙面和楼梯口处（图3a），400～730s之间，HCN 浓度的平面分布维持在一个较高的水平，此时整个沙发作坊一层 HCN含量最高（图3d、3e）。HCN浓度最高的位置能达到2000ppm，主要分布在起火点周围、楼梯间和部分墙面和拐角处。730s以后，HCN含量所下降（图3f）。同时可以看出，相比其他房间，整个火灾过程中东南方向的房间只有少量的HCN气体进入；相对而言，北侧发现死亡人员的房间则明显有大量HCN气体涌入和堆积。

图3 沙发作坊z＝2.2m处HCN浓度分布场图Fig．3 The HCN concentration distribution Field of z＝2.2m in a safa workshop

图4描述的是沙发作坊二楼距地板1.5m处（z＝4.7m）B组 HCN 浓度分布场图。 HCN 气体从楼梯口处向房间内扩散，逐渐堆积于楼梯口、墙角以及窗口，弥漫于各个房间（图4a、4b），500～600s之间，HCN浓度的平面分布维持在一个较高的水平，此时沙发作坊二层的HCN含量达到最大。HCN浓度最高的地方能达到900ppm，主要分布楼梯间、部分墙面、拐角处和东侧的房间内。东侧两个房间HCN含量始终高于西侧的两个房间，其中东北侧房间的HCN含量高（图4c、4d）。发现死亡人员的位置（2号）位于东南侧房间，靠近楼梯口。630s以后，二层的HCN含量所下降（图 4e、4f）。

图5给出了沙发作坊三楼距地板1.5m处（z＝7.9m）B两组 HCN 浓度分布场图。 HCN 气体从楼梯口处向房间内扩散（图5a、5b），逐渐堆积于楼梯口、墙角以及窗口，弥漫于各个房间（图5c、5d），500 ～600s之间，HCN 浓度的平面分布维持在一个较高的水平，580s左右整个平面的HCN浓度达到最大（图5e、5f），HCN浓度最高的地方能达到9500ppm，主要分布楼梯间、部分墙面、拐角处和东侧的房间内。东侧两个房间HCN含量始终高于西侧的两个房间。600s以后，HCN浓度所下降（图 5g、5h）。

图6沙发作坊火灾1～4号死亡位置HCN浓度随时间变化曲线图。图7每个监测面点与地板的间距为1.5m。可以看出，4个监测点的HCN浓度随时间变化关系与火灾热释放速率以及温度随时间的变化曲线是比较一致的。B－1曲线显示的是1号监测点HCN浓度随时间变化曲线图，前120s左右的时间里，HCN气体浓度很小，120～220s之间HCN浓度上升非常缓慢，该阶段正好对应了火灾发展的初起阶段；220s之后，随着火势的蔓延和发展HCN浓度迅速上升；460s左右达到最高浓度950ppm，且在460～800s之间中间有一次较大波动。随后，1号监测点的HCN浓度有所下降的趋势。这与火灾中1号位置的CO浓度随时间变化曲线比较接近。2号监测点在前150s左右的时间里，HCN气体浓度很小，150～240s之间HCN浓度缓慢上升，240s之后HCN浓度迅速上升，570s左右达到最高浓度500ppm，随后HCN浓度在450～500ppm范围内波动一段时间后，逐渐有所降低。3号监测点前180秒时，HCN气体浓度相对非常小，180～260s之间HCN浓度上升非常缓慢，260s之后HCN浓度迅速上升，570s左右达到最高浓度约为900ppm，随后HCN浓度在850～900ppm范围内波动一段时间后，逐渐有所降低。4号监测点在前290sHCN气体浓度极小，290s之后经过短暂的缓慢上升后，HCN浓度增加的速度迅速增大，590s左右达到最高浓度760ppm，随后HCN浓度在700～760ppm范围内波动一段时间后，逐渐有所降低。由此可见1～4号监测点HCN浓度都达到了相对较高的水平。且1号监测点的HCN浓度上升速度最快，浓度也相对其他房间较高，3号监测点HCN浓度，甚至部分时间段超过1号监测点，其次，2号监测的HCN浓度低于其他监测点，且差幅较大。而当火势逐渐减小时，800s以后，1号监测点HCN浓度的下降速度最快，远大于另外3个监测点，而且其他3个监测点下降速度相对比较一致，3号监测点略快。

图4 沙发作坊二层z＝4.7m处HCN浓度分布场图Fig．4 The HCN concentration distribution field of z＝4.7m at the second floor in a safa workshop

3 沙发作坊火灾烟气毒性评价

本文所使用的火灾烟气毒性评价方法为美国国家标准技术研究所（NIST）提出的 N⁃GAS模型［4］。通过修改程序源代码，引入涡耗散概念模型（EDC），采用多步反应机理，可以计算出多组分烟气中各气体成分的浓度分布。由于本文的主要目的在于讨论HCN气体对于多组分烟气毒性的影响，采用的 N⁃GAS模型计算公式如下：

其中：当［CO2］≤ 5% 时，m ＝ －18，b＝122000；当［CO2］ ＞ 5% 时，m ＝23，b ＝ －38600；暴露时间 t＝ 30min；LC50（O2） ＝ 5.4%；LC50（HCN）＝150ppm。

3.1 烟气毒性评价

图7a为沙发作坊火灾1号监测点烟气毒性评价曲线图，可以发现，B组 1号监测点的FED值随时间变化的曲线图与该点温度随时间变化的曲线图比较一致。在112s以前A组计算的FED值与B组的计算结果保持一致。112s之后，两组曲线开始有所分离。112～220s之间B组烟气的FED值有着缓慢的上升，而A组FED值变化较小。220s之后B组烟气的FED值迅速上升，远大于A组烟气的FED值，而A组烟气的FED值在220s以后才有明显的上升。由图可见，相对B组而言，A组FED值整体比较平缓；两组烟气均在430s左右达到最大FED值，其中，A组最大值为0.74，B组最大值为6.9。 A 组曲线在上升至最高点后总体曲线比较平缓，虽然有小幅的下降，但FED值上升至最高点后总体波动比较小，在800s之后，有比较明显而且迅速的降低趋势；930s左右，FED值下降致0.17左右，不再明显下降，曲线也较为水平。相对于A组，B组波动相对较大，在FED值达到做大后，有一定的下降，下降到650s左右时，又保持在一定范围内波动，直到800s以后才有非常迅速的下降；930s左右，FED值下降至1.7时就不在下降，曲线也相对水平。这个时间点恰好对应了A组FED值的下降时间。B组烟气在264s时 FED值达到1.0，而 A组烟气的FED 自始至终未达到 1.0，其最高只有 0.74，并未达到NIST的预测致死值。可见B组烟气毒性远高于A组，即含有HCN的火灾烟气毒性远高于不含有HCN的火灾烟气。

图5 沙发作坊z＝7.9m处HCN浓度分布场图Fig．5 The HCN concentration distribution field of z＝7.9m in a safa workshop

图6 沙发作坊火灾1－4号死亡位置HCN浓度随时间变化曲线图Fig．6 The HCN concentration at the death position of the sofa workshop 1－4 was changed over time

图7b为沙发作坊火灾2号监测点烟气毒性评价曲线图，可以发现，B组2号监测点的FED值随时间变化的曲线图与该点温度随时间变化的曲线图比较一致。在118s以前A组计算的FED值与B组的计算结果保持一致。118s之后，两组烟气的FED值开始有所区分。118～240s之间A、B两组烟气的FED值均缓慢上升，A组FED值变化较小。240s之后B组烟气的FED值迅速上升，远大于A组烟气的FED值。两组烟气均在520s左右达到最大的FED值，其中，A组最大值为0.72，B 组最大值为 4.1。 B 组烟气 FED 值在309s时达到1.0，而A组烟气的FED自始至终未达到1.0，其最高只有 0.72，并未达到 NIST 的预测致死值。可见B组烟气毒性远高于A组，即含有HCN的火灾烟气毒性远高于不含有HCN的火灾烟气。

图7 沙发作坊火灾1－4号监测点烟气毒性评价曲线图Fig．7 A graph of smoke toxicity evaluation of the smoke of 1－4 monitoning points of the sofa workshop fire 1－4

图7c为沙发作坊火灾3号监测点烟气毒性评价曲线图，可以看出，B组3号监测点的FED值随时间变化的曲线图与该点温度随时间变化的曲线图比较一致。在167s以前A组计算的FED值与B组的计算结果保持一致。167s之后，两组烟气的FED曲线开始分离。167～240s之间A、B两组烟气的FED值均上升缓慢，增加的加速度相差不大。240s之后B组烟气的FED值迅速上升，远大于A组烟气的FED上升速度。两组FED均在540s左右达到最大值，其中，A组最大值为0.74，B 组最大值为 6.7。 B 组烟气在 325s时FED值达到1.0，而A组烟气的FED自始至终未达到1.0，其最高只有 0.74，并未达到 NIST 的预测致死值。可见B组烟气毒性远高于A组，即含有HCN的火灾烟气毒性远高于不含有HCN的火灾烟气。

图7d为沙发作坊火灾4号监测点烟气毒性评价曲线图，可以看出，B组 4号监测点的FED值随时间变化的曲线图与该点温度随时间变化的曲线图比较一致。在300s以前A组计算的FED值曲线与B组曲线相对一致。300s之后，两组烟气的FED曲线开始分离，B组烟气的FED值迅速上升，而A组烟气FED值的上升速度相对较缓。两组FED均在630s左右达到最大值，其中，A组最大值为 0.64，B 组最大值为 5.8。 B 组烟气在387s时FED值达到1.0，而A组烟气的FED自始至终未达到 1.0，其最高只有 0.64，并未达到NIST的预测致死值。可见B组烟气毒性远高于A组，即含有HCN的火灾烟气毒性远高于不含有HCN的火灾烟气。

3.2 HCN对多组分火灾烟气毒性的影响

通过表1可以看出：

表1 沙发作坊火灾烟气毒性评价分析表Tab．1 Smoke toxicity evaluation analysis table of sofa workshop fire

（1）沙发作坊火灾模拟计算中A组和B组火灾热释放速率、火势蔓延情况、CO浓度时空分布情况以及温度随时间变化情况均比较一致。

（2）火灾烟气中 CO气体和 HCN气体浓度相近，而 B组烟气（含有 HCN）的 FED值却比 A组烟气（不包含HCN）高出将近一个数量级；

（3）烟气中CO和HCN最高浓度为950ppm左右。然而CO浓度达到800ppm时，45 min时人体会出现头晕、恶心；HCN浓度达到270ppm时，会立即死亡；

（4）根据现在死亡情况，A组烟气 FED ＜1.0，始终未达到致死暴露计量，与实际情况不符；B组FED值远高于1.0，已经达到致死暴露计量，符合实际情况。

综上所述，根据火灾烟气毒性评价分析，HCN的毒性对于多组分烟气的耦合毒性的影响不可忽略，并且往往起着至关重要的作用。

5 结论

（1）本文通过修改场模拟软件的源代码，引入EDC模型的模拟计算，采用多步反应机理进行计算，获得的多组分火灾烟气浓度的时空分布，包括CO、CO2、O2、HCN等气体的浓度，这对于多组分烟气耦合毒性研究有一定的帮助。

（2）采用N⁃GAS模型来评价的含有HCN气体的沙发作坊火灾烟气综合毒性评价结果与实际情况相符合。

（3）通过A、B两组火灾模拟结果对比，验证了引入EDC模型、讨论HCN对多组分火灾烟气毒性的影响具有可行性。

（4）通过A、B两组火灾模拟计算结果以及毒性气体综合判定的FED值进行对比与分析，说明了HCN气体对于多组分烟气的耦合毒性的影响不可忽略，有时甚至起着至关重要的作用。

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HCN Distribution and Smoke Toxicity Analysis of Fire Smoke in a Sofa Workshop Based on N⁃GAS Model

Gu Caihong
（Fire Prevention Department of Beijing Shijingshan District Police Fire Brigade，Beijing100043，China）

In this paper， the temporal⁃spatial distribution of concentration of fire effluents with HCN was obtained through the eddy dissipation concept（EDC） model and a case study on a fire in a sofa factory in Kunming．N⁃GAS model was used to assess smoke toxicity， and the impact of HCN HCN on fire smoke toxicity was also discussed．To discuss the impact of HCN on fire effluents toxicity， two sets of simulation—set A and set B were carried out with the former being without HCN and the latter containing HCN．Contrast between the simulation results of sets A and B verifies the feasibility of introducing eddy dissipation concept model in this simulation and of discussing the impact of HCN on fire smoke toxicity．Calculation results based on N⁃GAS model show that HCN has a non⁃negligible and sometimes even an important influence on toxicity of fire smoke toxicity．

assessment of fire smoke toxicity； N⁃GAS model； EDC model； numerical simulation

X928．7 文献标识码：A 文章编号：1673－8047（2017）03－0066－08

2017－05－24

顾彩虹（1978—），女，本科，助理工程师，主要从事防火监督工作。