Flame Jetting

什麼是Flame Jetting?在美國每年造成4千人傷亡,在台灣卻無人提及的燃燒現象

NFPA 在2017年的期刊中發表了一篇名為 The Science of Flame Jetting 的文章,第一次提到了 Flame Jetting 。而在台灣的文獻中,只有108年消防署的一份赴美國參加國際縱火調查協會年會出國報告有提到這個燃燒現象,並翻譯為火焰噴射流

不過很可惜的是,消防署的這份出國報告只用了接近3面的篇幅簡單提到有這個現象而已,沒有做更深入的討論。但事實上 Flame Jetting 在日常生活中非常容易發生,而且會造成非常大的傷害,所以我們有必要好好瞭解這個現象

接下來我會結合 NFPA 的文章和下面這部影片的內容,詳細介紹 Flame Jetting 的燃燒現象、燃燒特性、發生過程、發生條件、預防發生方法

燃燒現象

下面這個影片是美國菸酒槍炮及爆裂物管理局(ATF)的消防研究室(FRL)做的 Flame Jetting 的模擬實驗

左邊是一個2加侖的容器,內部裝有300毫升的汽油,容器下面有持續燃燒的火源。當實驗人員將容器緩慢傾倒,使汽油往下流出而接觸到火源時,會瞬間產生一個巨大的火焰噴射流,這種特殊的燃燒現象就是 Flame Jetting

事實上,任何裝有可燃性液體的容器一旦傾倒,可燃性液體漏出、接觸到火源都有可能發生 Flame Jetting 。所以像下面影片中,調酒師將酒類倒入已點燃的酒杯時, Flame Jetting 就有可能會發生,導致人員傷亡

燃燒特性

根據ATF FRL的實驗,Flame Jetting 現象有下面幾個特性:

  1. Flame Jetting 會在可燃性液體流出容器後的5秒內發生
  2. 火焰噴射的距離可達 3~4.5 公尺(約10~15英尺)
  3. 火焰噴射的持續時間不超過1秒
  4. Flame Jetting 發生前沒有任何徵兆
  5. Flame Jetting 發生後,容器沒有受到熱或壓力的損壞

發生過程

Flame Jetting 的發生過程可以細分為下列幾個階段:

第一階段:可燃性性液體揮發

可燃性液體在容器內逐漸揮發成可燃性氣體,在液體上方的空間中,可燃性氣體與空氣混合達到燃燒範圍。比較特別的是,如果可燃性液體本身揮發速度較快,液體上方的空間會充滿可燃性氣體而沒有空氣,濃度可能會超過燃燒上限

Flame Jetting

延伸學習:火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)

第二階段:可燃性性液體流出容器

將容器傾斜時,可燃性液體和可燃性氣體會流出,而空氣會流進容器內與可燃性氣體混合。如果原本可燃性氣體濃度超過燃燒上限,空氣的進入時會讓可燃性氣體濃度降低、進入燃燒範圍內

Flame Jetting

第三階段:火焰向容器內傳播

流出的可燃性氣體接觸到外部火源後會被點燃,燃燒的火焰會往容器內部傳播

Flame Jetting

第四階段:容器內可燃性氣體燃燒

火焰進入後會將容器內的可燃性氣體點燃,這些可燃性氣體通常是由碳氫化合物所組成,燃燒後會產生二氧化碳、水。燃燒的過程中會釋放能量,容器內部的溫度、壓力因而升高

Flame Jetting

第五階段:發生 Flame Jetting

容器內可燃性氣體燃燒產生的壓力會使剩餘的液體、氣體向外噴出,可燃性液體噴出時會形成細小的霧滴。這些可燃性氣體和霧滴接觸到外部火源後就會發生 Flame Jetting

Flame Jetting

我們可以從下面這個慢動作的鏡頭來看 Flame Jetting的發生過程

發生條件

不是任何液體、任何容器都會造成 Flame Jetting 的發生,必須滿足下列幾個條件:

低閃火點(Flash Point)之可燃性液體

ATF FRL 在進行 Flame Jetting 的實驗時使用三種不同組成成分的可燃性液體(純汽油、汽油與柴油混合、純柴油)。實驗結果顯示,可燃性液體為純柴油時 Flame Jetting 不會發生,而可燃性液體為純汽油、汽油與柴油混合時 Flame Jetting 才會發生

柴油的閃火點比汽油高很多,由此可知,要發生 Flame Jetting 必須使用閃火點低的可燃性液體,例如汽油、甲醇、乙醇、丙酮等,而這些液體都是我們生活中常會用到的,所以得特別小心才行

另外比較值得一提的是汽油,ATF FRL 實驗發現新鮮汽油不會發生 Flame Jetting ,使用不新鮮的汽油才會發生 Flame Jetting

這是因為新鮮汽油的揮發速度非常快,容器內部的可燃性氣體濃度會超過燃燒上限,當容器傾倒時,流入的空氣也無法將可燃性氣體濃度降到燃燒範圍內,所以火焰就無法往容器內部傳播。而不新鮮的汽油揮發速度較慢,使得火焰能傳播到容器內部,才會發生 Flame Jetting

可燃性液體不可充滿整個容器

發生 Flame Jetting 的關鍵是容器內部可燃性氣體發生燃燒,因此如果容器內部裝滿了液體,沒有足夠的空間容納揮發的可燃性氣體,火焰就不會傳播到容器內部,也就不會發生 Flame Jetting

根據 ATF FRL 的實驗結果,當可燃性液體的體積為容器容量的 1/3 時,火焰噴射的距離會最遠

瓶口大小適中的容器

容器的瓶口大小必須能讓可燃性氣體流出,同時讓空氣流入。但是瓶口也不能太大,瓶口過大的容器會使揮發的可燃性氣體無法蓄積在容器內部。通常是像細口瓶一樣的容器才會發生 Flame Jetting

流出的可燃性氣體與火源接觸

流出的可燃性氣體接觸外部火源時會被點燃,燃燒的火焰會往容器內部傳播,而 ATF FRL 實驗發現,無論外部火源是直接接觸瓶口,或與瓶口有數英尺的距離,只要可燃性氣體有跟火源接觸都有可能導致 Flame Jetting 發生

預防發生方法

避免讓可燃性液體接觸到火源

避免發生 Flame Jetting 的最好方法就是避免將可燃性液體從容器內倒出、接觸到火源。在一些類似營火晚會的活動中,常常會有人希望火能燒得更旺盛,因此就直接將汽油倒入火堆中,但這個動作就很容易會發生 Flame Jetting ,應該盡可能避免

使用滅焰器(Flame Arrestor)

在容器瓶口加裝一個像下圖這樣的滅焰器也能防止 Flame Jetting 發生,這是因為滅焰器可以防止火焰往容器內部傳播

滅焰器之所以能防止火焰往容器內部傳播,主要是利用器壁效應。下面這個影片有非常詳細介紹器壁效應是怎麼讓火焰熄滅的,有興趣的話可以再看看

ATF FRL 曾經做過實驗,將可燃性液體從有加裝滅焰器的容器倒出時,沒有發生過任何一次的 Flame Jetting ,顯示滅焰器確實能有效預防 Flame Jetting 的發生

總結

雖然在國內比較少看到 Flame Jetting 造成人員傷亡的案例,但這並不代表危險不存在,或許只是因為我們對它不了解、以為是其他火災現象造成的而已

不知道未來我們的火災學教科書會不會將 Flame Jetting 納入,我認為這個現象非常有機會在日常生活中遇到,應該要有更多人知道才對。希望這篇文章有讓你更瞭解 Flame Jetting 的原理和危害,幫助你遠離危險!

延伸閱讀:
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4 thoughts on “什麼是Flame Jetting?在美國每年造成4千人傷亡,在台灣卻無人提及的燃燒現象”

  1. Flame jetting 跟擴散燃燒的型態:momentum jet flam動量射流火焰是同一種燃燒現象嗎?

    1. Flame Jetting 是一種特殊的燃燒過程。就跟閃燃、爆燃、沸溢、濺溢等是特殊的火災現象,指是一個過程

      擴散燃燒的形式可以分為兩種
      1.動量射流火焰(Momentum Jet Flames):氣流由動量(慣性)主導
      2.浮升火羽流(Buoyant Fire Plume):氣流由浮力主導

      動量射流火焰又可以分為:
      1.層流火焰(Laminar Flames)
      2.紊流火焰(Turbulent Flames)

      簡單來說就是火勢大小、火焰的形狀有所不同而已。你可以參考下面這個影片展示的火焰狀況
      https://www.youtube.com/watch?v=0RdQWyqAUdg

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