苏文静，李世友，王秋华，张思玉，周涧青，韩永涛

(1.西南林业大学 消防学院，云南 昆明 650224；2.文登区林业局,山东 威海 264400； 3.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224；4.南京森林警察学院 森林消防学院,江苏 南京 210023)

烟气是由燃烧或热解作用产生的悬浮在气相中的固体和液体微粒，主要由气态成分、未完全燃烧的液态成分和固态成分组成。大气中的烟气主要来源于化石燃料的燃烧、森林火灾、生物质燃料燃烧、汽车尾气排放等人为或自然因素。据统计，每年由于人类原因排放到大气环境的污染物达6亿多t，大气污染较严重的地方患病人口数量明显高于其他地方[1]。可燃物燃烧生成的烟气已经成为火灾中的第一凶手。据不完全统计，火灾烟气导致的死亡人数约占火灾死亡总数的80%以上。如1993年唐山林西百货大楼火灾，造成79人丧生，除了1人跳楼身亡之外，其余均为CO及其他有毒有害气体毒气窒息死亡；辽宁阜新艺苑歌舞厅火灾导致化纤布燃烧释放大量有毒气体，造成200余人中毒窒息死亡；在美国发生的次高层建筑火灾，由于浓烟升腾，21层楼上也有人窒息死亡。随着我国工业经济的高速发展，对煤、石油等化石燃料的需求日益增多，其燃烧成分的危害越来越受到人们关注。林火，特别是重大森林火灾的频繁发生会导致含碳温室气体的大量释放[2]，破坏大气平衡，对全球环境造成巨大影响，实际上森林可燃物燃烧的产物多达数百种。人类活动造成的气候变化和对全球生态环境的影响已经受到国际社会的广泛关注[3]，《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》的签订使政府、科研工作者和社会公众越来越关注全球气候变化的问题[4]。可燃物燃烧生成的烟气，对人们的生命威胁极大，往往先将人呛倒而再被火烧死，同时，它降低了空气中的能见度，造成高速公路、空中及海上航行事故，还会使农作物减产，也会增加空气中水汽凝结的难度，阻碍大气降水。研究烟气成分对于人员安全防护、环境保护、防灾减灾等具有重要的作用。

1 烟气中的气态成分

化石燃料的燃烧、森林火灾、生物质燃料热解和燃烧、汽车尾气排放等主要生成CO、CO2、SO2、NOX、CH4、H2S、COS、O3等气态成分。研究者们对烟气成分进行定性、动态分析，或者是通过排放因子系数等公式进行大尺度的定量估算。英国人E.G.Buthcher和A.C.P arrnell将CO2列为火灾中的有毒气体，他们认为人在充满CO2的环境中短时间暴露的危险体积分数是10%，较长时间的暴露时，所能允许的体积分数是0.5%。就毒性而言，CO的毒性远远大于CO2，但从可燃物充分燃烧的情况下，CO2才是导致人昏迷的主要元凶。

田晓瑞[5-6]等人根据消耗生物量[7]公式对森林火灾排放的气态成分进行估算，1991—2000年中国森林火灾直接释放CO2、CH4分别为(74.2-104.7)Tg、(1.797-2.536)Tg，1991～2000年森林火灾每年平均排放CO2量占我国总排放量的2.7%～3.9%，CH4排放量占总量的3.3%～4.7%。Amiro[8]应用遥感技术估测了加拿大西北部北方森林火灾后的CO2通量。Isave[9]应用多光谱高分辨率卫星图像等技术评价俄罗斯森林火灾碳的释放量。Zhang Y H[10]利用SPOT卫星数据对森林火灾碳释放量进行估算。庄亚辉[11]建立了动态与静态的燃烧室以及CH4、CO、CO2的分析方法。王效科[12]采用排放因子和排放比法对中国森林火灾释放的CO、CO2、CH4等进行估算。胡海清[13-18]根据大兴安岭、小兴安岭火灾数据估算了乔木、灌木、草本和地被可燃物的碳的释放量，测定了22种可燃物在燃烧过程中不同气体的释放因子，他还根据1953-2011年小兴安岭森林调查数据和森林火灾统计资料，估算了1953-2011年森林火灾的碳排放量和含碳气体的排放量。焦燕[19-20]根据黑龙江省森林火灾统计数据和对黑龙江省各森林类型地上生物量的估算，用排放比法计算了平均森林火灾释放的CO2、CO、CH4、NMHC量分别为581 761.6～775 682.25 t、34 892.275～46 523.04 t、14 091.11～18 788.15 t、6 500～9 000 t。田贺忠[21]根据各地区生物质燃料消耗状况和SO2、NOX排放因子，估算了中国生物质能源利用过程中的SO2、NOX排放量。李玉昆[22]以大兴安岭林区兴安落叶松林、樟子松林、杨桦林中的草本、枯枝和半分解层为研究对象，采取外业调查和室内控制环境燃烧试验相结合的方法，分析了不同林型、不同可燃物在燃烧过程中的CO2、SO2、CO、NO、CxHy释放量的差异。曹国良[23]根据2000年各省市生物质的消耗资料，结合排放因子，计算了中国大陆生物质燃烧所排放的SO2、NH3、CH4、CO、CO2等气态成分的总量以及各省市的排放清单。单延龙[24-25]等人根据吉林省1969-2004年森林火灾统计数据，计算了吉林省主要林型森林火灾的释放碳量，用排放比法得出吉林省每年平均森林火灾释放的CO2、CO、CH4量分别为72 614.45～96 819.27 t、5 283.01～7 044.02 t、1784.40～2379.20 t。刘斌[26]等根据卫星遥感影像，分析了2010年6月大兴安岭呼中森林大火后植被的指数变化，结合野外火烧迹地调查和可燃物含碳率，估算出不同火烧等级、不同植被类型林火过火面积、火烧消耗可燃物量和释放碳量。侯静文[27]等人利用热重-红外联用技术对秸秆类生物质进行热解烟气的分析，她得出水稻秸秆和芦苇秸秆的烟气中主要含有H2O、CO2、CO、CH4等气态成分的结论。陈戈萍[28-31]等人也利用了热红联用技术对马尾松林燃烧烟气的成分进行研究，得出了马尾松燃烧所释放的气体主要是CO、CO2和一些气态有机物成分。CO的生成是由于含碳化合物不完全燃烧所引起的。它是唯一被证实能够造成人员死亡的有毒气体[32]。NOX对人体的健康和环境也造成了严重影响，随着汽车尾气的污染趋势加重，NOX变成了大气的主要污染物，根据美国的统计，大约有50%以上的NOX来自于固定燃烧源，其余的主要来自汽车尾气，绝大多数的生物质燃烧颗粒中硫的含量都很低，所以燃烧后排放的SO2浓度也较低，在富氧的条件下，某些木质燃料中的烟气甚至检测不到SO2，如：Jan[33]等通过实验测定了不同条件下木质颗粒和棕榈壳燃烧后的SO2排放量都很小，甚至为0；李运泉[34]对木基和竹基颗粒燃料进行燃烧实验表明：在充分燃烧状态下，SO2对外排放量几乎为0[35]。但是，在煤等化石燃料的燃烧中则会生成大量的SO2。据统计，我国燃煤生成的SO2气体占各类化石燃料污染源总排放的93%以上[5]，严重破坏生态环境。梁云平[36]对型煤、烟煤散煤进行燃烧实验，在可燃物充分燃烧的情况下，蜂窝煤、煤球、烟煤气态成分SO2排放因子分别为1.50、1.91、1.62 kg·t-1；NOX排放因子分别为0.420、0.901、2.2 kg·t-1；CO排放因子分别为22.4、37.3、87.3 kg·t-1。

2 烟气中的液态成分

大气中有毒害作用的化合物对环境所造成的污染已经成为世界各国，尤其是发达国家极为重视的重要环境问题之一。可燃物燃烧时，生成的液态成分种类繁多，就其毒害机理来讲，比气态成分更为复杂，主要是包括直链烷烃、芳香烃、醛类、酮类、醇类、酚类、二噁英类等物质。直链烷烃的分子量增大时，麻醉毒性加大，达到C8中级烃时，能够引起神经系统的障碍，芳香烃类可使皮肤、肺部产生肿瘤，易引起畸变和突变等。液态成分的研究主要是通过利用现代化学仪器等途径对烟气进行分析，如傅里叶红外光谱仪、离子色谱仪、气相色谱仪、气质联用仪、液相色谱仪、液质联用仪、电子探针技术等高端精密仪器。

最早利用FTIR技术来分析烟气的国家是芬兰，VTT研究院利用傅里叶红外光谱仪对烟气的浓度进行测试，奠定了利用FTIR技术研究烟气的基础。在1997年，欧洲的10个科研机构联合提出了利用傅里叶红外光谱分析方法来分析火灾烟气的研究计划，并将该计划命名为SAFIR(Smoke Gas Analysis by Fourier Transform Infrared Spectroscopy)，目的是建立一种可靠的FTIR气体成分分析系统，用于测定火灾烟气中的有毒成分。Andrews[37]等人利用FTIR研究了空气短缺的封闭空间的烟气的毒性，发现了23种毒性液体，其中乙醛、丙烯醛、乙酸等液体的毒性比CO还要大。Miller[38]使用FTIR技术对涡轮燃烧生成的液态成分，如苯，进行定量检测。姜美玲[39]采用热红联用的技术对白皮松热解生成的烟气进行红外光谱分析得出在1 500～600 cm-1存在振动峰，该峰是苯环的振动，1 300～1 200 cm-1为羧酸类分子，1 100～1 000 cm-1是乙醇分子的振动。吴建霞[40]利用热红联用技术对生物质的烟气进行探索，得出红外光谱在3 000～2 750 cm-1、1 850～1 600 cm-1、1 500～1 050 cm-1的波长范围内出现了吸收峰，它们分别是C-H伸缩振动、C=O伸缩振动、C-H面内弯曲振动、C-O和C-C骨架振动，对应于各种烃类、醛类、醇类、羧酸类等大分子物质。1957年，Holmes等首先实现了气相色谱与质谱的联用，GC-MS灵敏度高，数据更可靠，因此，逐步成为痕量物质的检测手段。Dong[41]采用气相色谱技术对烟卷燃烧生成的气体进行醛酮类羰基化合物进行测定。Chi[42]采用气质联用仪对大气中的醛酮类成分进行探测。Conde[43]使用气质联用色谱法在生物质燃料烟气中分离出多环芳烃类物质。吴鸣、李栋等[44]研究了利用气质联用仪分析烟卷中的醛类化合物的方法，鉴定出烟卷中含有12种醛类化合物。20世纪60—70年代，高效液相色谱技术才初步发展起来，全部有机化合物只有20%可以用气质联用，但是有80%的物质可以用液质联用仪，恰恰弥补了气质联用的不足。Possanzini M[45]用1-甲基-1-肼(MDNPH)作衍生试剂，用浸渍有MDNPH的硅胶采样管采样，空气中的醛和其反应生成相应的腙，洗提后用HPLC分离。徐兰琴[46,47]等人用液质联用仪对生物质燃料燃烧烟气中的醛酮类物质进行研究，表明生物质燃料烟气中醛酮类物质主要是甲醛、乙醛、丙酮、苯甲醛、正戊醛、苯丙醛6种。丁时超[48]利用LC-MS法测定了卷烟主流烟气中挥发性的醛酮物质，证明了焦油量高的卷烟主流烟气中的醛酮类成分含量高。谭建伟[49]等人利用高效液相色谱仪测定了甲醇燃料汽车尾气的醛酮物质。王伟[50]采用衍生化法对木制品中的25种醛酮类化合物进行测定。白玉萍[51]等人利用高效液相色谱法测定工作场合空气中的多环芳烃，建立了一套测定多环芳烃的方法。彭希珑[52，53]采用高效液相色谱仪对汽车流量大的地区上空的空气进行检测，发现空气中含有多环芳烃类成分。张月英[54]发现，煤炉燃烧排放的烟气中也含有多环芳烃类物质。朱先磊[55]等人利用气相色谱-质谱联用仪对民用燃煤和工业燃煤中的多环芳烃进行成分谱的对比。可燃物燃烧生成的液体成分在量上虽不及气体成分，但是对生物圈的危害极大，大气中的有害物还可以通过沉降作用，迁移到水体中，继续破坏环境、危害生物。

3 烟气中的固态成分

可燃物燃烧生成的烟气不仅包含气态、液态成分，还包括一些固体颗粒物、无机金属、灰分、炭等固态成分。可燃物燃烧向大气中放出大量炭黑粒子，灰分以及其他燃烧分解产物的颗粒[56]，统称为总悬浮颗粒物(TSP)。这些颗粒物对人体的肺部有一定的伤害作用[57-59]。在一些尸检报告上，发现在气管和支气管中有大量的烟灰沉积物，高浓度的无机金属，但是，目前在这方面的数据非常稀少。颗粒物的主要成分为燃烧过程产生的碳烟，它可以在人的肺泡内存留一年，对人造成极大危害。唐青龙等人[60]对柴油机缸内燃烧产生的碳烟进行定量分析，得出了碳烟生成初期、碳烟峰值和碳烟氧化3个阶段内平均碳烟体积分数的范围分别是：5×10-6-9×10-6、15×10-6-20×10-6、14×10-6-16×10-6。沈言谨[61]发现，柴油的发动机排放物中含有PM，PM被有机溶剂萃取后，馏分中的多环芳烃的一部分物质是致癌的。潘涛[62]建立了民用燃煤大气污染物的排放清单，得出采暖季民用燃煤的PM10、PM2.5日排放强度约为电力行业的8和5倍的结论。杜晓光[63]采集了燃煤电厂的飞灰、炉渣，进行有害元素的分析，实验证明铬、镉、铅、砷均存在于煤燃烧后的固态成分(飞灰和渣)中。石佳[64]、何延青[65]、刘慧萍[66]、丁黄达[67]、杨志文[68]等人均对烟花爆竹的燃烧成分做过研究，他们发现，爆竹烟花的燃放会导致大气中颗粒物浓度急剧攀升，使空气质量在短时间内迅速变差，尤其是PM1.0、PM2.5、PM10等浓度比不燃烧烟花时的浓度高出4-6倍，燃烧烟花爆竹对PM2.5中的Mg2+、K+、Cl-等的影响最大，同时也会导致Ba、Pb、Cu等元素含量上升，集中燃放烟花爆竹对颗粒物小时浓度、日均值和年均值均有一定贡献度。王珊珊[69]对大气中汞的含量进行了探究，得出大气中的颗粒态汞(PBM)主要是来自于燃煤燃烧和交通，还受到生物质燃烧和烟花爆竹排放的影响，我国北方地区是高浓度的汞源，海上气团携带的汞含量较内陆气团低。

4 研究展望

烟气成分、颜色、温度、运动状况受可燃物理化性质、氧供应状况、火环境、燃烧阶段等多种因素影响。在烟气成分定量研究方面，现有研究主要集中在烟气气态成分方面，烟气液体、固体成分研究主要集中在物质种类方面，今后需要开发新的研究手段，加强烟气液体、固体成分定量研究。在可燃物热解和燃烧过程中，烟气的成分及生成量是动态变化的，进行烟气成分的定量、动态研究，对于认识烟气生成规律，减少烟气危害具有重要的意义，是需要加强的研究方向之一。此外，在研究时空维度上，小尺度研究多于大尺度研究，研究大范围、长时间的烟气成分生成和变化规律是预防和减少烟气危害的基础，也是未来重要的研究方向之一。