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天啊!麵粉、玉米粉竟然會爆炸!

近年來,可食用的玉米粉被拿來做為娛樂使用。但在一次彩趴活動中發生爆燃意外,造成嚴重傷亡。此後,粉塵會爆炸的風險才開始被社會大眾所重視。究竟,粉塵為何爆炸?又如何避免呢?
 
 
 
粉塵爆炸這名詞已沉寂許多年了。這些年來除了在工安及火災爆炸的相關課程會提及外,已幾乎不曾聽到或看到對粉塵爆炸這件事情的討論。直到最近如2014年8月2日,江蘇崑山台資廠中榮金屬發生粉塵爆炸,共有146人死亡,114人受傷。以及2015年6月27日臺灣八仙樂園玉米粉塵爆燃,死傷近500人,震撼了所有人後,才讓人警覺到這粉塵爆炸的威脅。而此類之所謂的粉塵爆炸經媒體報導,大家才注意到有這個東西而且竟然會爆炸,還造成這麼多人的傷亡。每個人的疑問:「為什麼這麼微細的小小的一堆玉米粉粉體,會造成如此重大的傷亡?」
 
那麼到底粉塵爆炸是甚麼

依據維基百科:粉塵爆炸(Dust explosion)指懸浮在封閉或侷限空間中,或戶外環境的可燃粉塵顆粒快速燃燒,如果在封閉環境中,可燃顆粒或侷限在大氣或是氧分子等其他合適的氣體介質中分散濃度足夠高,粉塵爆炸就有可能出現。
 
發生粉塵爆炸有必備條件:

1. 易燃粉塵以高濃度漂浮在空氣中(微細粉末粒徑100微米以下)
2. 有氧化劑(一般為大氣中的氧)
3. 有火源達到此類物質之最小著火能(如:靜電放電、摩擦、機械設備或其他設備產生電弧、過熱表面、明火、菸蒂餘燼等)
 
那些粉塵有風險?

有許多物質被認為氧化後可導致粉塵爆炸,如煤、木屑和鎂。許多粉末狀金屬(如鋁和鈦)可與空氣結合成具爆炸性的懸浮粉塵。然而,也有許多其他普通物質也可引發危險的塵埃雲,如穀物、麵粉、糖、奶粉和花粉。穀物、麵粉類是一種澱粉,屬於碳氫化合物,可算是一種燃料。而且粉塵具有非常大的表面積質量比。燃燒只發生在與氧發生反應的固體或液體表面上,這導致粉塵比散裝物料更易燃。例如,1公斤球狀物質的密度為1公克/立方公分,表面積0.048平方公尺。然而,若將其分解成直徑50微米的球形塵埃顆粒(約麵粉顆粒大小),表面積可達120平方公尺,物質的燃燒速率就會大大增加。每個顆粒的質量非常小,因為熱傳導材料的損失,使其著火時比主體材料用更少的熱量,尤其是倉庫或地窖等壓力顯著增加的密閉空間。所以鋁塊等等傳統意義上不可燃物質或燃燒緩慢的木材,被細化時即可產生劇烈的爆炸,即便是很小的火花,也能將其引燃。生活中常見的可燃性粉塵包括穀物、麵粉、糖、奶粉、花粉,如果不刻意拿來燒,基本上都很安全。但按照接觸面積愈大、反應速率就愈快的原理,粉末愈細,表面積愈大,就愈容易因摩擦起火燃燒,甚至爆燃。一般會有可燃性粉塵的地方如煤礦坑、麵粉廠、穀物廠、飼料廠、鋸木廠都容易發生塵爆,因此更需要謹慎評估相關的粉塵濃度等造成火災爆炸等之工安問題。歷史上知名的粉塵爆炸事故:如於1878年5月2日:美國明尼蘇達州的瓦許本(Washburn)麵粉廠發生穀粉爆炸,造成22死,不但摧毀全球最大穀粉廠,還夷平另5座麵粉廠。台灣較近期的有1991年台中烏日「東陽麵粉廠」也發生塵爆意外,導致20人受傷。
 
如何防止塵爆?

當粉塵之濃度低於爆炸下限(Lower Explosion Limit, LEL)最低定值時,有些灰塵根本不足以支持燃燒爆炸所需的速率。這一數值比爆炸下限低20 % 就是安全的。同樣,若燃料之濃度增加到高於爆炸上限,就不足以使氧化劑以必要速度繼續燃燒。因此要有安全的製造工藝,以及注重安全的設備,才能避免粉塵之濃度達到爆炸範圍之內。

例如於煤炭開採業中,甲烷爆炸誘發煤塵爆炸,會殃及整個坑的工作。此時,他們會以衝擊波來降低煤塵之濃度增加,並使煤塵之濃度減少到爆炸下限以下,就不會導致爆炸,同時礦區亦可通過噴水增加濕度來抑制起火。也有一些行業會在粉塵風險高的地方使用氮氣、二氧化碳、氬氣等不可燃氣體來降低周圍之氧濃度來抑制燃燒。此種添加不可燃氣體來降低氧濃度的方法,也可用於易燃氣體積聚的大型儲槽。其他方法,例如:良好的工地管理、清潔、整頓、整理等,也可以消除可燃粉塵的集聚,以免粉塵爆炸之產生,並導致二次爆炸。
 
美國消防協會(National Fire Protection Association, NFPA)針對可燃性粉塵標準的最佳工程控制措施包括:

1. 增濕除塵
2. 降低氧化劑濃度
3. 爆燃時通風
4. 爆燃壓力容器
5. 抑制爆燃
6. 通過滯塵和火焰裝置在爆燃時通風
 
所以基本上於各類場所能減少相關粉塵之聚集、增加濕度、遠離著火源、加強通風換氣及減少氧之濃度等皆是一些可行的方法。
(本文由科技部補助「工程技術與社會風險之新媒體溝通」執行團隊撰稿)

責任編輯:許藝菊 教授|南台科技大學 機械工程系


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