114 消防設備人員高等考試 消防設備師 火災學 考古題詳解

核心觀念

本題考查燃料元素分析的理論需氧量，以及利用燃燒產物中的 $CO_2$、$CO$ 分配燃料碳的燃燒狀態。

理論需氧量以燃料中的碳完全生成 $CO_2$、氫生成 $H_2O$、硫生成 $SO_2$ 計算；燃料本身所含的氧可折抵需氧量。空氣中的氧以 $21\%$（體積比）計，故：

題目未提供排氣中的剩餘氧濃度，因此計算實際空氣量時，採用常見假設：燃燒氣體中未列出的氧視為零，且 $CO_2$、$CO$ 濃度以同一基準測得。

解題方法

以燃燒 $1\ \mathrm{kg}$ 重油為基準，先將各元素重量換算成莫耳數：

氫原子生成水時，每 $2$ 莫耳氫原子生成 $1$ 莫耳水，因此需 $0.040000\ \mathrm{kmol}$ 的 $H_2O$，耗用 $0.020000\ \mathrm{kmol}$ 的 $O_2$。燃料氧含量折合 $O_2$ 為 $0.001875/2=0.0009375\ \mathrm{kmol}$。

1. 理論空氣量

理論燃燒時，碳完全生成 $CO_2$，每莫耳碳需 $1$ 莫耳氧原子，即 $0.5$ 莫耳 $O_2$。硫生成 $SO_2$，每莫耳硫需 $1$ 莫耳 $O_2$。因此：

空氣需求量為：

核心觀念

本題考查單一垂直開口火災空間的中性帶、浮力壓差與開口質量流率。中性帶處室內、外壓力相等；由於室內熱氣密度較小，開口上部形成熱氣流出，下部形成室外空氣流入。

以下依題意令 $h_u$ 為中性帶至開口上緣的距離，$h_l$ 為中性帶至開口下緣的距離，且 $H=h_u+h_l$。圖中的 $h_F$、$h_0$ 分別對應 $h_u$、$h_l$。

假設室內氣體密度 $\rho_i<\rho_o$，室內、外壓力沿高度方向呈靜水分布，忽略風壓與流動損失以外的效應；開口流速以流通係數 $C_d$ 修正。

解題方法

以中性帶為高度基準，距中性帶垂直距離為 $y$。由靜水壓關係 $dp/dz=-\rho g$，開口上方與下方的壓差大小皆為

依伯努力方程，流速為 $v=\sqrt{2\Delta p/\rho}$；流出時採用室內氣體密度，流入時採用室外空氣密度。

1. 開口上、下方的流速

中性帶上方，熱氣向外流出：

中性帶下方，室外空氣向內流入：

2. 流出與流入質量流率

取開口上一條高度為 $dy$ 的水平小帶，其面積為 $B\,dy$。質量流率由 $\dot m=\rho vA$ 得到。

流出質量流率為

流入質量流率為

核心觀念

本題考查「可燃氣體爆炸」的兩種不同機制：

• 分解爆炸：某些氣體本身具有不穩定結構，受熱、撞擊或火花等能量作用後，會發生放熱分解；不必先與空氣或氧氣混合，也能爆炸。
• 天然氣爆炸：天然氣主要成分為甲烷，須與空氣混合至可燃濃度範圍，遇到火源後發生燃燒反應，產生高溫氣體與壓力上升。反應需要氧氣。

因此，判別重點是：爆炸反應是否需要空氣中的氧氣，以及反應物是否由氣體本身分解而來。

解題方法

先比較反應機制，再列出各氣體的分解反應式，最後針對氣體特性說明防止分解爆炸的方法。

分解爆炸與天然氣爆炸的差異

天然氣中甲烷的完全燃燒反應可表示為：

乙炔與環氧乙烷的分解反應式

乙炔分解成碳與氫氣：

環氧乙烷可用下式表示其分解：

上述兩式均不需氧氣參與；反應放出的熱會助長後續分解，形成快速傳播的放熱反應。

防止分解爆炸的方法

乙炔

核心觀念

本題考查泡沫滅火劑的組成與發泡方式。兩者都是將泡沫覆蓋於可燃液體表面，藉泡沫層隔絕空氣、抑制可燃蒸氣逸散，並利用泡沫中的水分冷卻燃料表面；關鍵差異在於泡沫是靠化學反應產生，還是由泡沫原液與空氣混合形成。

解題方法

依序說明「原料組成、發泡原理、泡沫特性及適用性」，即可完整比較兩類泡沫。化學泡沫要指出兩種藥劑混合後的反應；機械泡沫則要說明泡沫原液、水與空氣如何形成泡沫。

組成與差異