107 專技高考高等考試 工礦衛生技師 工業安全概論 考古題詳解

核心觀念

本題評量「火災動力學（Fire Dynamics）」與「工業防爆安全（Explosion Protection & Process Safety）」之核心名詞定義與物理機制。命題內容橫跨五項基本工安物理量與工程防護技術：

1. Flashover time（閃燃時間）：室內區劃火災成長至全面著火的關鍵時間閾值與熱通量臨界條件。
2. Smouldering combustion（燻燃／陰燃）：多孔性固相燃料之無焰燃燒特性、反應機制與潛在轉變。
3. Minimum ignition energy（最小發火能量，MIE）：可燃性氣體或粉塵雲之火花著火敏感度及其電容放電能量計算公式。
4. Explosion suppression system（抑爆系統／防爆抑制系統）：密閉製程設備內部的主動式防爆技術及其毫秒級滅火減壓原理。
5. Normal stack effect（正常煙囪效應／常態煙囪效應）：室內外溫差引起之空氣密度差與浮力驅動垂直流動機制。

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解題方法

本題屬於專技高考經典之「名詞解釋申論題」。作答宜採「定義—物理機制／關鍵參數—工安實務與防災意義」三段式架構切入：

1. 確立核心定義：精準闡述該物理現象、物理量或防護系統之本質。
2. 列出關鍵參數與公式：引入溫度臨界值、熱通量、電容能量公式（$E = \frac{1}{2} C V^2$）或熱浮力壓力差公式（$\Delta P = (\rho_o - \rho_i) g h$），凸顯工程計算與學理依據。
3. 連結工業安全實務：指明該觀念在製程安全、防爆等級選定、避難安全設計或火災鑑識上之具體應用。

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選項分析

本題為專業技術人員高等考試之申論名詞解釋題，非選擇題型，故無選項分析，各小題標準論述內容詳見【答案】。

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解題技巧

1. 善用數據強化論述深度：

• 提到閃燃（Flashover）時，主動寫出熱煙層溫度（$500^\circ\text{C} \sim 600^\circ\text{C}$）與地板熱通量（約 $20\text{ kW/m}^2$）。
• 提到 MIE 時，指出人體典型靜電放電能量約為 $10 \sim 30\text{ mJ}$，藉此凸顯「MIE $< 10\text{ mJ}$」的極高危險性。

2. 辨清易混淆概念：

• 燻燃（Smouldering）是「固相表面的無焰燃燒」，切勿寫成一般火焰燃燒初期的冒煙現象。
• 抑爆系統（Suppression）屬「主動撲滅冷卻」，切勿與被動式「洩爆系統（Explosion venting）」混為一談。
• 正常煙囪效應特指「室溫高於室外」（冬季節氣或室內火災），氣流為「底進頂出」；若室內溫度低於室外則為「逆煙囪效應（Reverse stack effect）」。

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【答案】

(一) Flashover time（F.O.T.，閃燃時間）

1. 定義：指室內（區劃）火災自點火引燃開始，經由局限性燃燒逐步成長，直到空間內所有暴露之可燃物表面瞬間全面著火，即達到「閃燃（Flashover）」狀態所需之經過時間。
2. 物理機制與臨界條件：

• 火災成長期產生的高溫熱煙蓄積於天花板下方形成熱煙層，對下層可燃物產生強烈之熱輻射。
• 當熱煙層溫度達到約 $500^\circ\text{C} \sim 600^\circ\text{C}$，且朝地板照射之輻射熱通量（Heat flux）達約 $20\text{ kW/m}^2$ 時，室內尚未起火之家具與建材表面瞬間熱裂解出可燃性氣體並同時著火，火勢由「燃料控制燃燒」驟變為「通風控制燃燒」。

3. 安全意義：F.O.T. 為評估人員「可用避難逃生時間（Available Safe Egress Time, ASET）」及建築物結構耐火時效的關鍵基準；防護設計旨在利用耐燃耐火裝修材料延緩 F.O.T.，以爭取全員疏散時間。

(二) Smouldering combustion（燻燃／陰燃）

1. 定義：指多孔性固體燃料表面，在沒有可見火焰（無焰）之情況下，由氧氣直接進攻並氧化凝縮相（固相）燃料所維持的緩慢、低溫放熱燃燒現象。
2. 物理特性：

• 屬「異相燃燒（Heterogeneous combustion）」，反應核心溫度通常在 $600^\circ\text{C} \sim 800^\circ\text{C}$，顯著低於明火燃燒（Flaming combustion）。
• 不完全燃燒極為嚴重，會持續釋出高濃度之一氧化碳（$\text{CO}$）、刺激性氣體及濃稠白煙。

核心觀念

本題出自民國 107 年專技高考工礦衛生技師《工業安全概論》，測驗考生對於「特殊氣體滅火設備之理化特性、滅火機構、禁忌限制」以及「全區放射氣體稀釋計算」的掌握程度。

1. 二氧化碳（$\mathrm{CO_2}$）滅火原理：涵蓋主要滅火機制（窒息作用，降氧至 $15\%$ 以下）與次要滅火機制（相轉移急降溫的冷卻作用、可燃物濃度稀釋）。
2. 禁忌火災與化學限制：考查物質之氧化還原反應特性。活潑金屬（D 類火災）具強還原力，會與 $\mathrm{CO_2}$ 劇烈反應奪氧；自反應性物質及有機過氧化物內部自帶氧原子，窒息法完全無效。
3. 氣體稀釋濃度計算：應用氣體體積分率與質量守恆定律，計算使封閉空間氧氣濃度自常態 $21\%$ 稀釋至目標濃度（$12\%$）所需注入之惰性氣體體積。涉及滅火防護區劃容積計算： $V = L \times W \times H$ 以及體積稀釋公式： $\%O_2 = \frac{V_{\mathrm{O_2}}}{V_{\text{total}}} = \frac{C_{\mathrm{O_2, 0}} \times V}{V + V_{\mathrm{CO_2}}}$

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解題方法

(一) 二氧化碳（$\mathrm{CO_2}$）滅火器之滅火原理（9 分）

二氧化碳在常溫常壓下為無色、無臭、不導電且不助燃的惰性氣體，分子量約為 $44$，密度約為空氣的 $1.52$ 倍。其滅火機制主要包含以下三項：

1. 窒息作用（主要滅火機構）：

• 空氣中氧氣體積分率約占 $21\%$，一般固體或液體燃燒通常需要周遭氧氣維持在 $15\% \sim 16\%$ 以上。
• 二氧化碳噴射後迅速沉積並覆蓋於燃燒物表面，阻隔新鮮空氣補給，並稀釋燃燒區周圍的氧氣濃度。當氧氣濃度被降至 $12\% \sim 15\%$ 以下時，氧化連鎖反應即因氧氣不足而中斷熄滅。

2. 冷卻作用（次要輔助機構）：

• 滅火器內的二氧化碳在高壓（約 $5 \sim 6\ \mathrm{MPa}$）下以液態儲存。
• 噴出時壓力瞬間降至大氣壓，產生顯著的焦耳－湯姆森效應（Joule-Thomson effect），液態急遽氣化吸熱（汽化潛熱約 $574\ \mathrm{kJ/kg}$），部分凝結為低溫之乾冰固體顆粒（昇華溫度約 $-78.5\ ^\circ\mathrm{C}$）。大量吸收燃燒區熱量，使可燃物表面溫度降至燃點（著火點）以下。

3. 稀釋與抑制作用：

• 釋放的大量惰性氣體亦同時稀釋燃燒界面的可燃性氣體或蒸氣濃度，使其降低至燃燒下限（LFL）以下，加速火焰熄滅。

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(二) 其不適用於哪些火災？（6 分）

二氧化碳滅火器適用於 B 類（易燃液體／氣體火災）與 C 類（電氣火災），但絕對不適用於下列類型之火災：

1. D 類活潑金屬火災（活性金屬）：

• 物質種類：鉀（$\mathrm{K}$）、鈉（$\mathrm{Na}$）、鎂（$\mathrm{Mg}$）、鋁粉（$\mathrm{Al}$）、鈦（$\mathrm{Ti}$）、鋯（$\mathrm{Zr}$）等。
• 不適用原因：活性金屬在高溫燃燒時具有極強之化學還原能力，能奪取二氧化碳中的氧元素而發生激烈的放熱氧化還原反應（例如：$2\mathrm{Mg} + \mathrm{CO_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO} + \mathrm{C} + \Delta H$），不僅無法滅火，反而會引發爆炸或加速燃燒。

2. 含內在供氧物質火災（自反應性物質、硝化纖維、有機過氧化物及火藥類）：

• 物質種類：硝化纖維素（賽璐珞）、硝化甘油、過氧化苯甲醯、炸藥等。
• 不適用原因：此類物質之分子結構中本身含有充足的氧原子，燃燒為分子內部自我分解之氧化還原反應，毋須仰賴外界空氣中的氧氣即可持續燃燒，因此二氧化碳的窒息稀釋作用對其完全無效。

3. 活潑金屬氫化物及部分有機金屬化合物：

• 物質種類：氫化鋰鋁（$\mathrm{LiAlH_4}$）、烷基鋁等，極易與二氧化碳或微量冷凝水氣反應產生高熱與可燃性氣體。

(註：對於 A 類普通固體纖維火災之內部深層陰燃火災，因二氧化碳滲透力有限且降溫能力弱，易於通風後復燃，亦不推薦單獨作為首選滅火劑。)

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(三) 二氧化碳體積計算（10 分）

1. 基本物理量計算：

• 防護區劃空間體積 $V$： $V = 12\ \mathrm{m} \times 7\ \mathrm{m} \times 4\ \mathrm{m} = 336\ \mathrm{m^3}$
• 空氣中氧氣初始分率 $C_{\mathrm{O_2, 0}} = 21\% = 0.21$
• 初始氧氣體積 $V_{\mathrm{O_2}} = 336\ \mathrm{m^3} \times 0.21 = 70.56\ \mathrm{m^3}$
• 目標滅火氧氣分率 $C_{\mathrm{O_2, t}} = 12\% = 0.12$

2. 氣體稀釋模型計算（標準解答推導）： 設需加入之二氧化碳氣體體積為 $V_{\mathrm{CO_2}}$（$\mathrm{m^3}$）。

核心觀念

本題測驗火災學（Fire Dynamics）與建築防火工程中「火災煙氣流動機制（Smoke Movement Mechanisms）」的核心理論。

在火災現場中，煙氣（含高溫燃燒產物、有毒氣體與懸浮微粒）的流動與擴散，本質上由壓力差（Pressure Differential, $\Delta P$）​所驅動。流體遵循質量守恆、動量守恆及理想氣體狀態方程式（$P=\rho R T$），由高壓處流向低壓處。驅動煙氣流動之動力源可分為兩大範疇：

1. 自然式驅動力（Natural Driving Forces）：由火災本身產生的熱能轉換、流體密度差，或自然界大氣物理現象（氣溫、風場）所引發的被動壓力差。主要涵蓋：浮力效應（Buoyancy Effect）、煙囪效應（Stack Effect）、熱膨脹效應（Thermal Expansion Effect）及外部風力效應（Wind Effect）。
2. 強制式驅動力（Forced / Mechanical Driving Forces）：由建築物內部人為裝設之機械動力設備運轉所建立的主動壓力差與氣流導向。主要涵蓋：一般採暖通風與空調系統（HVAC Systems）、專用機械排煙系統（Mechanical Smoke Exhaust Systems）及機械防煙加壓系統（Mechanical Pressurization Systems）。

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解題方法

本題為標準的火災安全工程申論題，作答策略應採「定義 $\rightarrow$ 物理機制／公式推導 $\rightarrow$ 煙氣流動特徵」之三層結構切入：

1. 分類架構化：開門見山以「自然式」與「強制式」為骨架，各自條列其代表性效應。
2. 原理深度化：針對各項效應，寫出其背後的流體力學與熱力學驅動原理（如流體靜力差壓公式、理想氣體膨脹、柏努利動壓公式等），展示專業實力，絕不可僅條列名詞。
3. 影響實務化：簡要點出該效應在建築空間（如居室、垂直管道間、樓梯間）中對避難安全造成的危害或控制手法。

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選項分析

本題為專技高考之申論題型，無個別選擇題選項。閱卷評分關鍵在於能否完整列舉四大自然效應與機械設備效應，並正確解釋「浮力」與「煙囪效應」之空間尺度差異，切忌將兩者混為一談。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：

• 自然驅動力記「熱、浮、煙、風」（熱膨脹、浮力、煙囪、風力）。
• 強制驅動力記「空調、排煙、加壓」（日常HVAC、火災專用機械排煙、防煙安全梯加壓）。

2. 區分陷阱（浮力 vs. 煙囪效應）：

• 浮力效應：著眼於「起火居室內」局部高溫火羽流與周遭冷空氣之密度差所產生的垂直升力及開口差壓。
• 煙囪效應：著眼於「整棟高樓建築之垂直貫通管道（如電梯井、樓梯間）」內部空氣與建築外部大氣之溫差所形成的系統性垂直對流。

3. 作答增分點：引入流體靜壓差式 $\Delta P = (\rho_o - \rho_f) g h$ 與風壓式 $P_w = \frac{1}{2} C_p \rho_o v^2$，能顯著提升答案的理論深度與閱卷分數。

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【答案】

火災中引起煙氣流動的驅動力，依其產生機制可完整區分為以下各項效應：

一、自然式驅動力（Natural Driving Forces）

自然式驅動力係指非經由人為動力機械，純粹由熱釋放、流體密度梯度或自然氣象條件所引發之壓力差與氣流運動，包含以下四項主要效應：

1. 浮力效應（Buoyancy Effect）

• 原理機制：燃料燃燒釋放高溫，使煙氣溫度 $T_f$ 遠高於周圍冷空氣溫度 $T_o$。依理想氣體定律，高溫煙氣密度 $\rho_f$ 顯著低於周遭空氣密度 $\rho_o$，進而在重力場中形成向上的阿基米德浮力（Buoyancy Force）。
• 壓力差表示：居室垂直高度 $h$ 處因浮力所產生的壓力差為：

核心觀念

本題評量工業安全中「火災爆炸預防」的兩大定量分析工具：混合可燃性氣體爆炸界限計算與燃燒危險指數評估。

1. 勒沙特列定律（Le Chatelier's Law）： 用於估算多種可燃性氣體混合物之爆炸下限（LEL）與爆炸上限（UEL）。公式如下： $L_m = \frac{100}{\sum_{i=1}^n \frac{P_i}{L_i}} = \frac{100}{\frac{P_1}{L_1} + \frac{P_2}{L_2} + \cdots + \frac{P_n}{L_n}}$ $U_m = \frac{100}{\sum_{i=1}^n \frac{P_i}{U_i}} = \frac{100}{\frac{P_1}{U_1} + \frac{P_2}{U_2} + \cdots + \frac{P_n}{U_n}}$ 其中：

• $L_m$、$U_m$ 分別為混合氣體之爆炸下限與上限（$\%$）。
• $P_i$ 為各可燃性氣體在「可燃性氣體總量」中所佔之體積百分比（$\sum P_i = 100\%$）。
• $L_i$、$U_i$ 分別為各成分氣體之爆炸下限與上限（$\%$）。

2. 燃燒危險指數（Hazard Index, $H$）： 衡量單一物質發生火災爆炸之潛在危險程度，與爆炸範圍寬度成正比，與爆炸下限成反比： $H = \frac{U - L}{L} = \frac{\text{UEL} - \text{LEL}}{\text{LEL}}$ $H$ 值愈大，代表在低濃度即可能引燃，且燃燒濃度區間寬廣，其相對危險性愈高。

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解題方法

步驟一：求各可燃性氣體之相對體積百分比

題目給定體積倍數關係：

• 設乙烯（Ethylene）之體積為 $x$
• 甲苯（Toluene）體積為乙烯的 $2$ 倍 $\rightarrow 2x$
• 甲烷（Methane）體積為甲苯的 $2.5$ 倍 $\rightarrow 2.5 \times 2x = 5x$

可燃性氣體總體積為： $V_{\text{total}} = x + 2x + 5x = 8x$

換算各成分佔可燃氣體總量之百分比（$P_i$）：

• 甲苯（Toluene, $P_{\text{T}}$）：$\frac{2x}{8x} \times 100\% = 25.0\%$
• 甲烷（Methane, $P_{\text{M}}$）：$\frac{5x}{8x} \times 100\% = 62.5\%$
• 乙烯（Ethylene, $P_{\text{E}}$）：$\frac{x}{8x} \times 100\% = 12.5\%$

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步驟二：計算可燃性混合氣體之爆炸界限（第 (一) 小題）

將各成分氣體之 $P_i$ 與題幹表列爆炸界限代入勒沙特列公式：

1. 混合氣體爆炸下限（$L_m$）： $\frac{100}{L_m} = \frac{P_{\text{T}}}{L_{\text{T}}} + \frac{P_{\text{M}}}{L_{\text{M}}} + \frac{P_{\text{E}}}{L_{\text{E}}} = \frac{25}{1.4} + \frac{62.5}{5.1} + \frac{12.5}{3.1}$ $\frac{100}{L_m} \approx 17.8571 + 12.2549 + 4.0323 = 34.1443$ $L_m = \frac{100}{34.1443} \approx 2.93\%$