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工業粉塵的爆炸問題

只要能燃燒且粒徑小於100微米的粉體,例如玉米粉塵(平均粒徑約30微米)以高壓二氧化碳噴灑,散布在空氣中並遇到火源,就可能產生粉塵爆炸。
 
 
 
臺灣八仙樂園玉米粉塵爆燃,死傷近500人,震撼了全世界。每個人的疑問:「為什麼小小的一堆粉體,會造成如此重大的傷亡?」其實只要能燃燒且粒徑小於100微米的粉體,散布在空氣中並遇到火源,就可能產生粉塵爆炸。以八仙樂園爆燃案為例,玉米粉塵(平均粒徑約30微米)以高壓二氧化碳噴灑在空中,遇到火源(抽菸或音響喇叭線圈的高溫熱表面等,正調查中,尚未定論)就會發生爆燃。

據筆者研究火災爆炸30年,協助勞動部職安署鑑定工業爆炸案約300件案例:氣爆案約占70%、塵爆案僅占10%、其他占20%(高壓壓力容器破裂、熔融金屬掉入水中的水蒸氣爆炸、爆裂物爆炸、反應器爆炸等)。每種爆炸類型在零亂不堪的現場都呈現不一樣的特徵。

氣爆與粉體爆炸最大的不同,就是氣爆通常僅爆炸1次,在燃料氣體引爆後,爆震波隨後傳遞至全場,爆炸結束後燃料在洩漏口繼續燃燒。例如2014年高雄丙烯管線氣爆,32人死亡,321人受傷案,洩漏丙烯氣體可能因機車排氣管引爆後,爆震波以音速傳遞,導致6公里地下箱涵紛紛爆裂;沿線數千條石化、天然瓦斯、自來水管線斷裂,且數十處繼續燃燒。

這事件由高雄市政府勞檢人員查知丙烯流量大幅減少,以及筆者由爆炸後丙烯管線在洩漏處繼續燃燒4小時的現象,確定洩漏點位置,在事故第2天中午把消息傳遞給中央災害應變中心。

粉體爆炸的特徵是爆炸多次發生,以八仙樂園玉米粉爆燃案為例,第1次爆炸火球發生後,揚起地面上的粉塵,繼續產生爆燃。據事後錄影帶顯示,至少出現7次爆燃現象,因此出事的地點僅在舞臺旁,但地面上累積的粉體都被揚起產生爆燃,才會造成近 500人受傷。

粉體是否容易引燃,是由它的最低發火能量決定,其值小於30毫焦耳(mJ)時,當粉體輸送時就很可能產生靜電爆炸。例如 2001年某公司以太空包包裝MBS(最低發火能量是4 mJ)下料至攪拌槽時,一位勞工拉開包裝袋下方開口繩結後,因MBS粉體摩擦PP材質的太空包而攜帶大量靜電,當MBS碰及鐵質人孔蓋時就放電進而產生塵爆,造成該名勞工死亡。預防之道就是在入料口提高溼度,以及以輸送帶輸送物料,減少入料速度。

而最低發火能量大於30 mJ的粉體發生粉塵爆炸則需引火源,臺灣地區最常出現的是研磨鋁鎂合金或鋁金屬造成的爆炸。這些金屬是用來製造手機或筆記型電腦外殼和高級自行車車架的,因元件中成分除鋁鎂合金外常摻雜鐵雜質,研磨時常出現火花。當火花吸入風罩,再吸進風管,引起黏附的粉體爆炸,爆炸在風管中流竄,因此全廠人員都會受傷,例如臺商大陸廠成都富士康3死15傷、上海和碩4死57傷、中榮金屬公司146死114傷的粉塵爆炸案。

目前高級自行車鋁鎂車架拋光作業採取無風管方式,以風扇收集鋁鎂合金拋光後的粉體,並立刻以水霧收集懸浮粉塵,大大降低塵爆機率。但是因每家工廠研磨拋光時也常產生火花,使累積在機臺、地面的粉體因爆炸而飛揚,所以仍有零星爆炸案發生。因此勞動部今年特別設立研究計畫,輔導廠商新型的防爆設計。

另外一種新興的粉塵爆炸型態是奈米粉塵爆炸,奈米粒子因為有較大的表面積,使得化學活性較高,所以燃燒爆炸的機率也大。筆者在2005年時發現工廠實驗室奈米粉體經常燃燒爆炸造成災害,因此著手這類型的研究,發現奈米金屬最低發火能量小於1 mJ,極易受靜電影響,並發表了世界第1篇奈米燃燒爆炸領域的論文。鋁奈米金屬燃燒敏感度是微米金屬的55倍,因此假如奈米金屬以PE塑膠袋包裝,拿取之間就可能發生靜電燃燒。

以臺灣奈米工廠實際的災害案為例,奈米研磨機研磨35奈米鈦時,在空氣速度大於23.5 m / s時,就可能產生燃燒現象。此外,打開老舊氧氣鋼瓶閥門時,也可能發生奈米鐵粉爆炸,這是因為鋼瓶內剝落的奈米鐵(5~200奈米)在高速氧氣輸送下引起靜電爆炸。

由於勞動及職業安全衛生研究所一連串較新穎的研究,Taylor & Francis Publishing Group(1798年創立)及The Royal Society of Chemistry(1842年創立)因而邀請撰寫世界第1本《奈米物質火災爆炸特性》大學教科書, Science Publishing Group也邀請擔任科學期刊客座編輯。

深度閱讀
  1. Wu, H. C., R. C. Chang, H. C. Hsiao (2009) Research of minimum ignition energy for nano titanium powder and nano iron powder. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 21-24.
  2. Wu, H. C., H. J. Ou, H. C. Hsiao, T. S. Shih (2010) Explosion characteristics of aluminum nanopowders. Aerosol and Air Quality Research, 10(1), 38-42.
  3. Wu, H. C., C. W. Wu, Y. H. Ko (2014) Flame phenomena in nanogrinding process for titanium and iron. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 27, 114-118.
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