預防與搶救 (四)
作者：陸維良圖片來源暫無說明
預防與搶救 (四)
火災生成物（煙、熱、火焰）之分析與處理
一、燃燒界限（範圍）與爆炸界限（範圍）
(一) 定義
1. 燃燒界限：
係指引火性液體之蒸氣、可燃性氣體與空氣混合後，遇到火種可以燃燒的最低與最高之體積百分比，其間謂之燃燒界限，可以燃燒之最低百分比稱為燃燒下限，其最高百分比稱為燃燒上限，超過此值表示不能產生燃燒，上限與下限範圍值稱為燃燒界限。
(1) 以不活潑性氣體添入可燃性氣體中，其燃燒界限百分比低於下限值，混合氣體中可燃性氣體濃度太低則不能燃燒。
(2) 若混合氣體中可燃性氣體之濃度高，氧氣不足，也不能燃燒或爆炸。
2. 爆炸界限：
可燃性與助燃性氣體混合時，必需在一恰當濃度範圍內方能燃燒或爆炸，該界限之最高百分比稱爆炸上限，最低百分比稱爆炸下限。當混合濃度在爆炸上限以上或爆炸下限以下時，皆不會燃燒也不會爆炸。
(二) 燃燒下限計算方式
1. 單一碳氫化合物之燃燒下限：
(1) 氣體燃燒下限：
（Jone’s 理論，此公式只適用有機性可燃性氣體）
| 公式 |
L下=0.55×Cst |
|
|
1 Cst= ───── ×100% 1+4.8n
1 或是 ────── n 1+ ──── ×100% 21% |
||
| 項目 | 代號 | 單位 |
| 燃燒下限 |
L下 |
% |
| 可燃性氣體完全燃燒之化學理論濃度（當量濃度） |
Cst |
% |
| 可燃性氣體完全燃燒之氧分子莫耳數 | n |
＼ |
(2) 可燃性液體之蒸氣燃燒下限：
透過可燃性液體表面會因為揮發產生之蒸氣和空氣混合後，在其混合濃度達到燃燒下限濃度的狀態下，可利用其閃火點的蒸氣壓來推估液體燃燒下限。
※ 補充說明
|
蒸氣壓的原理： 蒸氣壓是指具揮發性液體表面的分子容易逸散，不容易穩固保持液態，而容易氣化。而其氣化過程中由液體氣化而成之蒸氣，其所產生的壓力稱為蒸氣壓。由於蒸氣壓會隨溫度環境變動，所以一般蒸氣壓是在密閉空間下測量其液體與蒸氣達平衡時，蒸氣所產生的壓力。 |
| 公式 |
P L下 = ─── P0 |
|
| 項目 | 代號 | 單位 |
| 燃燒下限 | L下 | % |
| 閃火點溫度之液體飽和蒸汽壓 | P | mmHg |
| 混合氣體總壓力（通常以一大氣壓 760mmHg 計算） |
P0 |
mmHg |
(3) 燃燒下限：
依據 Burgess-Wheeler 定理可以得知燃燒下限與燃燒熱的乘積約略等於 1059 這個定值因此可透過燃燒熱來推得燃燒下限。
| 公式 | C×Q=1059 | |
| 項目 | 代號 | 單位 |
| 燃燒下 | C | % |
| 燃燒熱 | Q | kcal/mole |
2. 混合性可燃氣體之燃燒上、下限：
1
LFL（燃燒下限）＝ ──────────
各氣體之濃度
∑ ─────────
上限值
1
UFL（燃燒上限）＝ ──────────
各氣體之濃度
∑ ─────────
下限值
(三) 燃燒上限計算方式
公式：燃燒上限＝6.5 √￣燃燒下限
| 丙烷（C3H8）計算當量濃度及爆炸上下限 |
|
Step1：列出化學式，C3H8+5O2 → 3CO2+4H2 O Step2： 1mole 之 C3H8 需要 5mole 之 O2 反應，因此氧分子 莫耳數為 5 1 Step3：當量濃度 = ────── =4%1+4.8×5 Step4：燃燒下限 =0.55×4%=2.2% Step5：燃燒上限 =6.5√2.2 =9.6% |
※ 補充說明
常用有機氣體之燃燒上限與下限
| 氣體 | 燃燒上限 | 燃燒下限 |
| 一氧化碳（CO） | 12.5% | 74% |
| 甲烷（CH4） | 4.7% | 14.0% |
| 丙烷（C3H8） | 2.1% | 9.5% |
| 乙炔（C2H2） | 2.5% | 81.0% |
| 甲醇（CH3OH） | 7.3% | 36.0% |
| 乙醇（C2H5OH） | 3.3% | 19.0% |
| 苯（C6H6） | 1.4% | 7.1% |
(四) 爆炸界限之危險判別
爆炸界限是透過物質的爆炸下限與爆炸上限建構而成，例如：甲烷在空氣中之爆炸界限約為 4.7% ～ 14%。而爆炸界限若範圍越大，則代表該物質在空氣中要達到爆炸界限的濃度越容易達成，要爆炸的門檻就越低。例如：A 物質的爆炸界限為 7% ～ 80%；B 物質的爆炸界限為 5% ～ 10%，則 A 物質混合空氣濃度的爆炸界限相較 B 物質廣，因此也相對容易爆炸。
1. 爆炸下限數字愈小表示該物質易於爆炸，而危險指數愈高愈危險。
2. 公式：
| 公式 |
UEL–LEL H= ────── LEL |
|
| 項目 | 代稱 | 單位 |
| 危險指數 | H | % |
| 爆炸上限 | UEL | % |
| 爆炸下限 | LEL | % |
※ 補充說明
火災或爆炸危險性之判斷
| 數值越大，危險程度越高 | 數值越小，危險程度越高 |
| 燃燒範圍 | 燃燒下限值 |
| 爆炸範圍 | 爆炸下限值 |
| 蒸氣壓 | 閃火點、著火點 |
| 燃燒速度 | 沸點 |
| 燃燒熱 | 比熱 |
| 火焰傳播速度 | 最小著火能量 |
二、火焰竄升狀態分析
(一) 火焰整體結構
1. 在火場中，火焰開始形成對流，最後形成的火羽流，本身是由火焰與熱流所共同形成一種錐形體熱氣流柱。以火焰本身而言，就其整體結構觀察，可以由起火中心以燃燒狀況分成持續火焰區，與燃燒擴散出去為火焰外延的間歇火焰區兩個部分，兩者比較下，持續火焰區顧名思義即是火焰持續燃燒的地方，因此整體溫度維持穩定；而間歇火焰區則是火焰燃燒較為不穩定的火焰外延部分，整體溫度隨著離火焰中心越遠而下降，也會因為空氣持續加熱而上升，持續接受冷空氣的填補導致間歇火焰區的火焰逐漸被壓制。
2. 火焰平均高度的計算：
目前在計算火焰平均高度時，是以 Heskestad 所提出的實驗公式，針對可燃性液體圓形油池火災燃燒實驗或水平固體表面火災時最為普遍，依該實驗公式可得火焰平均高度與火源直徑、熱釋放率成正相關。
|
Heskestad 公式：H = –1.02×D+0.23×Q2/5 |
||
| 項目 | 代號 | 單位 |
| 火焰平均高度 | H | m |
| 熱釋放率 | Q | kW |
| 火源直徑 | D | m |
※ 補充說明
|
油池火災： 1. 定義：油池起火後，由於原始油氣本身已和空氣混合，因此產生混合燃燒現象，而燃燒一段時間後，又因火焰之熱能又反饋回未蒸發之可燃性液體使其開始蒸發，因而持續燃燒與擴散油氣（可燃性液體之蒸氣），形成擴散燃燒現象。 2. 特徵： (1) 油池火災之放射熱，則受燃燒速度、火焰之形狀與高度、火焰之溫度與距離之影響。 (2) 燃燒速度與油池大小關係： A. 油池直徑小於 0.1 m 時，燃燒速率與直徑成反比。 B. 油池直徑小於 0.1m 時，熱傳導主宰著燃燒速率。 C. 油池直徑遠大於 1 m 時，燃燒速率趨於定值。 (3) 火焰之形狀與高度：火焰高度與容器直徑比約為定值，H/d 約為 1.5~2.0 火焰之形狀愈呈規則，高度愈高則放射熱愈大。 |
(二) 防止火焰向上延燒策略
1. 開口部竄出火焰特色：
建築物發生火災時，由開口向外竄出的火焰將增加其向上延燒的風險。在通風控制燃燒情形下，開口部火焰竄出之特性。
(1) 由於通風控制燃燒狀態下，開口面積愈大能夠引進的空氣越多，所以其火勢得以更為猛烈，造成竄出火焰的強度也愈高。
(2) 火焰向上燃燒軌跡與窗型之垂直高度與寬度之值有關，若窗型呈橫型，火流會靠向建物延燒，而窗型呈縱型，則火流會朝向外側，因此若高度與寬度比值越小，則越偏橫型窗，火流越容易向上延燒，因此若兩兩開口面積相同時，其高度愈小，則窗型面積偏向橫型窗，則竄出之火焰會較為貼近牆面容易向上延燒；反之若採縱型窗，由於火勢受到熱空氣上升影響，容易使火勢竄出時，盡量靠上，而火焰尾端會偏向外側。
2. 防止向上延燒策略：
(1) 儘量降低屋內火載量：降低火載量可有效減少火勢的持續增長，因此也能減少火勢竄燒的可能。
(2) 增加上下樓層窗戶間的側壁長度：由於側壁長度增加，因此火焰若竄出開口部，要向上延燒上一層會因為離上一層距離增加，而降低延燒到上一層的風險。
(3) 窗戶上下加設向外突出之平臺：平台可以增加延燒時的障礙，阻擋部分火勢向上竄燒的可能。
(4) 採用縱型窗：使火勢盡量向外側偏，減少火焰貼上牆面延燒的風險。
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