113 警察特考三等 消防警察人員 火災學與消防化學 考古題詳解

核心觀念

本題考查火焰的熱輻射功率，以及點熱源向四周均勻放射時，熱通量隨距離平方反比衰減的關係。

火焰表面的輻射功率可用 Stefan–Boltzmann 定律計算：

其中 $\varepsilon$ 為輻射度、$\sigma$ 為 Stefan–Boltzmann 常數、$A$ 為火焰面積、$T$ 為絕對溫度。點熱源向四周均勻放射時，距離 $r$ 處的熱通量為：

安全距離的判定條件是該處熱通量不超過皮膚可承受的極限熱通量 $2.8\ \mathrm{kW/m^2}$。

解題方法

先將火焰溫度換算為絕對溫度：

代入 Stefan–Boltzmann 定律，計算火焰總輻射功率：

核心觀念

氣體的燃燒界限，是在指定溫度、壓力及氧化劑條件下，可燃氣體與空氣形成均勻混合物，且遇到火源後能使火焰自行傳播的濃度範圍。

• 燃燒下限（LFL、LFL／LEL）：可燃氣體濃度過低，混合物太稀、熱量不足以維持火焰傳播的最低濃度。
• 燃燒上限（UFL、UFL／UEL）：可燃氣體濃度過高、氧氣不足以維持火焰傳播的最高濃度。
• 低於下限是「過稀」，高於上限是「過濃」；兩者之間才是可燃範圍。界限通常以可燃氣體在混合物中的體積百分比表示，對理想氣體而言亦等於莫耳百分比。

解題方法：燃燒界限受壓力的影響

回答時先說明一般趨勢，再補充壓力降低至極低值時的結果：

1. 壓力上升：多數可燃氣體與空氣的混合物，其燃燒範圍會擴大；燃燒下限通常下降、上限通常上升，其中上限的變化往往較明顯。
2. 壓力下降：燃燒範圍逐漸縮小；降至足夠低的壓力時，火焰無法持續傳播，燃燒界限可能消失。
3. 補充條件：在接近大氣壓的常見範圍內，減壓對界限的影響不一定明顯；極低壓下才會顯著縮窄。個別氣體、混合比例及試驗條件會影響實際變化，因此這是一般趨勢，不能視為所有氣體皆完全相同的定律。

一般估計燃燒下限的方法

1. 依完全燃燒反應式估計化學當量濃度

先寫出可燃氣體的完全燃燒反應式，求出每莫耳燃料所需氧氣，再換算所需空氣量，即可求出化學當量濃度 $C_{\mathrm{st}}$。對許多可燃氣體，可用經驗關係粗估：

$\mathrm{LFL}\approx 0.55\,C_{\mathrm{st}}$

核心觀念

本題考查碳酸氫鉀乾粉（通常稱為 BC 乾粉）的熱分解反應，以及乾粉抑制火焰燃燒的化學作用。碳酸氫鉀受熱分解會產生二氧化碳、水蒸氣與碳酸鉀；在火焰高溫下，鉀化合物進一步參與自由基反應，降低維持燃燒所需的活性自由基濃度。

解題方法

先寫出碳酸氫鉀的熱分解反應，再從產物與火焰反應說明滅火作用。熱分解的配平反應式為：

生成的二氧化碳與水蒸氣可稀釋燃燒區的可燃氣體及氧氣，並吸收部分熱量；但碳酸氫鉀乾粉的主要滅火效能在於鉀化合物對火焰自由基鏈鎖反應的抑制。

燃燒鏈鎖反應中，氫原子自由基 $\mathrm{H\cdot}$、氧原子自由基 $\mathrm{O\cdot}$ 及氫氧自由基 $\mathrm{OH\cdot}$ 是重要的活性中間物。鉀化合物進入火焰後，可與這些活性物種作用，使其轉化為較穩定的物質，降低自由基濃度，減緩鏈鎖反應的分支與延續，因而使燃燒反應中止。可用下式表示其抑制效果：

核心觀念

本題考查兩種常見瓦斯容器的燃料組成、加壓液化特性，以及容器受撞擊、破損或受熱時的事故危害。作答時要分清楚：

• 瓦斯鋼瓶：一般裝液化石油氣（LPG），主要成分為丙烷、丁烷。
• 卡式瓦斯罐：一般裝以丁烷為主的燃料，常見為正丁烷或異丁烷；實際配方依產品而異。

兩者在常溫常壓下均易汽化，洩漏後形成可燃氣體。丙烷與丁烷蒸氣都比空氣重，容易沿地面流動並聚集於低窪、地下或通風不良處；當氣體與空氣混合至可燃範圍，又遇到火源，就可能發生閃燃、火災或爆炸。

解題方法

依「內容物與性質 → 容器散落後的失效情境 → 可能危害」分別作答。內容物須說明主要成分及常溫常壓下的狀態；事故危害則依序分析碰撞造成洩漏、氣體擴散、遇火燃燒，以及容器受熱升壓等情境。

一、瓦斯鋼瓶

內容物及性質

瓦斯鋼瓶通常裝填液化石油氣，主要成分為丙烷 $C_3H_8$、丁烷 $C_4H_{10}$，可能含有少量其他碳氫化合物。內容物在鋼瓶內以加壓液態儲存，鋼瓶閥門開啟或受損洩漏時，液體迅速汽化成氣體。

液化石油氣本身無色，家庭用瓦斯通常添加臭味劑以利察覺洩漏。其蒸氣比空氣重，洩漏後容易沿地面擴散、累積於低處；它具有高度可燃性，遇火源可燃燒，氣體與空氣混合至可燃範圍時則有爆炸風險。

容器散落時的危害風險

• 閥件或瓶體受撞擊而洩漏：鋼瓶翻滾、互撞或撞擊路面及護欄，可能損壞閥件或瓶體，造成液化石油氣逸散。液體汽化後體積迅速膨脹，可能形成大量可燃蒸氣。
• 洩漏氣體遇火燃燒或爆炸：引擎、排氣管、電氣火花、碰撞火花及現場火源都可能引燃瓦斯；若氣體先聚集再被點燃，可能造成閃燃或爆燃。
• 低窪處形成危險氣氛：較重的瓦斯蒸氣會沿路面擴散，進入排水溝、地下空間或其他低窪處，增加延遲引燃及火勢擴大的風險。
• 受熱造成容器破裂：鋼瓶若遭火焰或高溫烘烤，內部壓力會升高；液態瓦斯受熱膨脹，可能造成容器破裂，並伴隨大量可燃氣體瞬間釋出及火焰噴射。若容器在火災中破裂，可能形成沸騰液體膨脹蒸氣爆炸（BLEVE）型態的危害。
• 道路交通與救援風險：散落鋼瓶會造成車輛閃避、追撞及道路阻塞；救援人員須同時面對滾動容器、洩漏瓦斯及潛在火源。

二、卡式瓦斯罐