粉塵爆炸

粉塵爆炸是什麼?看完這篇文章你就懂了(你所不知道的八仙塵爆秘密)

最後更新日期: 2022-06-07

2015 年新北市八仙樂園發生舉世震驚的「 粉塵爆炸 」(Dust Explosion)事件,很多人對於當時的場景應該都還歷歷在目。為了讓你瞭解粉塵對我們的生活有哪些危害,我特別幫你整理了粉塵爆炸的相關知識,好好瞭解它的發生原因、爆炸型態、預防措施等,最後我們也來深入探討一下,究竟八仙樂園的案件到底算不算 粉塵爆炸

本篇文章的內容除了整理火災學(陳弘毅)、火災學大補帖(吳喨生、連和吉、潘日南)的內容外,還有補充美國職業安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)的文獻資料,以及Fire Safety Academy 的介紹影片,有興趣的人可以自行參考

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粉塵爆炸基本介紹

陳弘毅火災學針對粉塵爆炸的定義為「可燃性固體之微粒子浮游於空氣中,當與空氣混合到一定可燃性濃度後,若遇到火焰或放電火花而產生爆炸之現象者,稱為粉塵爆炸」。在OSHA的資料中提到,要發生粉塵爆炸必須同時具備5個基本要素, 分別是可燃物(Fuel)、助燃物(Oxygen)、熱能(Heat)、懸浮擴散(Dispersion)、侷限空間(Confinement)

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粉塵爆炸五要素

一般認為「燃燒」必須包含三個要素:可燃物(Fuel)、助燃物(Oxygen)、熱能(Heat),即所謂的「燃燒三角形」(Fire Triangle)。後來許多研究顯示,燃燒除了必須具備此三要素外,還需要第四個要素連鎖反應(Chain Reaction),即所謂的燃燒四面體(Fire Tetrahedron)。OSHA對燃燒的定義採的是燃燒三角形理論,下面繼續介紹OSHA對於粉塵閃火、粉塵爆炸的定義

當可燃性物質的粉塵懸浮在空氣中時,只要一接觸熱源被點燃,就會產生閃火(Flash Fire)。閃火其實是一種大範圍的火球(Fireball)燃燒,通常火焰傳播的速度很快。有些中文資料稱為粉塵閃火,即包含可燃物、助燃物、熱能、懸浮擴散(Dispersion)等四要素

當閃火被侷限在某一空間裡,燃燒反應所造成的壓力會急速上升導致爆炸(Explosion),造成侷限空間被破壞。這裡指的侷限空間包含工廠的加工設備、輸送設備、集塵器、室內空間,甚至密閉式的整棟工廠等。粉塵閃火的四要素再加上侷限空間(Confinement),即粉塵爆炸五要素(Explosion Pentagon)

粉塵爆炸五要素

從上面的影片我們可以瞭解粉塵閃火、粉塵爆炸的區別。首先,1:30處主持人將粉塵倒在桌上,這時使用火柴點火會發現粉塵沒有燃燒。1:47處主持人將火柴拿在手上,把粉塵噴出散佈在空氣中,一接觸到火柴時就會立刻被點燃,這時就是所謂的粉塵閃火

2:40處主持人先在容器內製造一個火源,在2:58處倒入些許粉塵,剛倒入時因為散佈在空氣中,所以會發生粉塵閃火,但大部分粉塵都堆積在底部,沒有被點燃。之後主持人將容器的蓋子蓋上,形成一個侷限空間,3:14處用管子將空氣吹進容器內,讓堆積在底部的粉塵飛起,這時散佈在容器內的粉塵被點燃、壓力上升導致粉塵爆炸,容器的蓋子也因為壓力被炸飛

3:35後主持人又做了一次實驗,這次沒有將容器的蓋子蓋上,因此將堆積在容器底部的粉塵吹起時發生的是粉塵閃火,沒有形成侷限空間就沒有壓力蓄積,就不會有壓力釋放的爆炸現象了

可燃性粉塵的種類

許多物質被分割成粉塵粒子時都會具有可燃性,以下列舉火災學中提到常見的可燃性粉塵,以及有可能發生粉塵爆炸的場所:

  • 碳製品類:煤炭、木炭、活性碳(煤礦坑、燃煤發電廠)
  • 肥料類:魚粉、血粉(食品加工廠)
  • 食品類:澱粉、糖粉玉米粉、奶粉、麵粉穀粉、咖啡粉(穀倉、食品加工廠)
  • 金屬類:鋁、鎂、鋅、鐵、錳(金屬加工廠、廢料回收場)
  • 木質類:木粉、紙粉(木材加工廠)
  • 合成製品類:塑膠粉、橡膠(塑膠工廠、廢料回收廠)
  • 農產品類:胡椒、除蟲粉、煙草(農產品加工廠)

除了上面幾種常見的粉塵外,甚至是藥品、紡織品、硫磺、馬鈴薯等,只要被分割成粉塵粒子都有可燃性,可說是我們日常生活中各種物質的粉塵都可能會發生粉塵爆炸。2014年香港電影「救火英雄」的最後一幕就有演繹粉塵爆炸,我們姑且不論電影中粉塵爆炸發生的過程是否合理,但麵粉確實是有可能在侷限空間中遇到火源而發生粉塵爆炸的

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粉塵爆炸的型態

粉塵爆炸有兩種型態,一種是粉塵受熱後釋放可燃性氣體,這些可燃性氣體與氧氣結合後受熱燃燒、產生火焰,燃燒的熱量透過輻射、對流等方式傳遞,火焰因此向外傳播、擴散出去。火焰傳播的過程中,有更多粉塵受熱分解、產生更多可燃性氣體,燃燒速度加快導致粉塵爆炸。這種型態的粉塵爆炸其實就是氣體爆炸

另一種型態則是粉塵受熱後不會產生可燃性氣體,粉塵粒子本身直接與氧氣結合後受熱燃燒,燃燒的粉塵繼續加熱周圍的其他粉塵粒子和空氣,空氣迅速膨脹導致粉塵爆炸。這類粉塵例如木炭、金屬粉塵等

一次爆炸與二次爆炸

粉塵分為散佈在空氣中的浮游粉塵(也稱粉塵雲)和經過一段時間後堆積在底部的堆積粉塵。通常有浮游粉塵的場所也會有堆積粉塵,因此當浮游粉塵發生粉塵爆炸時(一次爆炸),產生的壓力波和擾動會將堆積粉塵揚起,被揚起的粉塵被點燃而造成第二次粉塵爆炸。一次爆炸會揚起許多堆積粉塵,浮游粉塵的數量變得更多,因此二次爆炸的破壞性通常比一次爆炸強

堆積粉塵通常不會被點燃,但也有些粉塵粒子可能因為本身的特性,容易蓄積熱量而自然發火,但通常這種燃燒的速度都比較慢,因為堆積粉塵內的空氣量可能不足以讓粉塵持續燃燒

影響粉塵爆炸的因素

火災學書中提到影響粉塵爆炸的因素有很多,我整理後分為三個根本影響因素:環境因素粉塵自身條件因素其他因素

粉塵爆炸

環境因素

環境因素包含溫度壓力其他氣體(可燃性氣體或氧氣)。溫度愈高,爆炸下限和最小發火能量都會愈小。壓力愈高,爆炸上限會愈大、最小發火能量會愈小

如果空氣中有其他可燃性氣體共存,爆炸下限會變小。如果空氣中的含氧量愈高,最小發火能量會愈小。以煤炭坑為例,坑內常有可燃的甲烷共存,這時就會降低煤粉的爆炸下限,增加發生粉塵爆炸的可能性,世界各地也已發生多起煤炭坑粉塵爆炸的案例

粉塵自身條件因素

粉塵自身條件包含水分含量粒徑大小。水分含量愈多,爆炸下限和最小發火能量會愈高。粒徑愈小,爆炸下限、最小發火能量、發火溫度都會愈低

另外,如果粉塵的化學成分包含有機過氧化物硝基化合物,因為本身就自帶活性氧,因此就算在沒有氧氣的狀況下也有可能發生爆炸反應

其他因素

其他因素包含熱源溫度粉塵濃度。熱源溫度愈高,粉塵的爆炸下限就可以愈低。粉塵濃度愈大,需要的最小發火能量、發火溫度就可以愈低

粉塵爆炸

粉塵爆炸的危害測定與強度指數

不活潑性氣體添加法

添加氮氣二氧化碳等不活潑性氣體,降低空氣中的氧氣濃度。添加後將使粉塵的最小發火能量上升、爆炸範圍變小、爆炸壓力下降、壓力上升速度下降,粉塵最終不發生爆炸

如果需要添加愈多不活潑性氣體,代表發生粉塵爆炸需要的氧氣濃度愈低,因此就愈危險

不活潑性固體添加法

添加燒過的白土等不活潑性固體可以吸收大量的熱而達到冷卻效果,也能抑制粉塵的浮游性,使粉塵不易發生燃燒爆炸。如果需要添加愈多不活潑性固體,代表粉塵愈容易燃燒爆炸

粉塵爆炸強度指數(Kst)

火災學大補帖書中介紹爆炸強度指數的計算方法為 Kst =( dP / dt )max V1/3。這是在1 m3 的圓桶型容器內形成粉塵雲,以能量10 kJ 的火藥點火,測試粉塵爆炸壓力和壓力上升速度的實驗,Kst 的值愈大代表粉塵爆炸愈激烈、危險性愈高

註:dP / dt 為壓力上升速度,單位為 Pa / s 。V 為試驗容器體積,單位為 m3。公式來源出自 ASTM E1226 – 05 (Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for Combustible Dusts)

粉塵爆炸壓力、爆炸壓力上升速度會隨粉塵的種類、粒徑、濃度、火源、容器大小、氧氣濃度、初始壓力等因素而改變,進而影響 Kst 值。而 OSHA 的文獻資料中又更詳細地將粉塵爆炸分為4級:

  • 爆炸等級 St0 :Kst = 0 ,不爆炸。例如:二氧化矽
  • 爆炸等級 St1 :Kst < 200,弱粉塵爆炸。例如:奶粉、木炭粉、硫粉、糖粉、鋅粉
  • 爆炸等級 St2 :200 < Kst < 300,一般性粉塵爆炸。例如:纖維素、木粉、聚丙烯酸甲酯
  • 爆炸等級 St3 :Kst > 300,激烈粉塵爆炸。例如:鋁粉、鎂粉

粉塵爆炸的防護措施

預防措施

預防粉塵爆炸發生的措施包含落實火源管理、避免粉塵蓄積等,作業場所也應保持通風良好,設置集塵系統避免浮游粉塵散佈在空氣中,平時也應利用吸塵器等設備清理容易堆積粉塵的區域

上面有提到添加氮氣、二氧化碳等不活潑性氣體可以降低空氣中的氧氣濃度,使粉塵最終不會發生爆炸,因此平時也可以在作業場所中可以添加這類氣體,預防粉塵爆炸發生

勞動部在103年6月25日頒布了粉塵危害預防標準,特別針對作業場所的排氣裝置、換氣裝置,以及勞工的作業流程訂定詳細的規範,有興趣的人可以自行參考

侷限措施

火災學大補帖書中提到,當粉塵爆炸不可避免地發生時,也可以透過一些措施將爆炸的影響侷限在特定區域,包含下列幾種方式:

  • 耐爆設計:建築物、設備、機具等使用耐壓材料,加強結構穩定度,使其足以承受爆炸的壓力
  • 洩爆設計:在特定位置(走廊、窗戶、側壁等)安裝爆炸氣道(Explosion Vent)(或稱洩爆孔),爆炸產生的壓力、火焰、粉塵可以從洩爆孔排出,或利用導管引導到其他地方,避免造成其他結構、設備遭到破壞
  • 抑爆設計:利用壓力偵測器監控壓力,一旦偵測到爆炸初期的壓力時,啟動滅火劑或抑制劑,破壞燃燒反應、抑制爆炸發生
  • 阻隔設計:例如在輸送管線中設置爆炸隔離設備(或稱快速遮斷閥、活門等),當爆炸發生時可快速關閉,阻隔火焰擴散及壓力傳遞

粉塵爆炸與瓦斯爆炸的差異

粉塵爆炸

粉塵爆炸與氣體爆炸的差異整理如上圖。粉塵粒子比氣體分子大,因此需要比較大的點火能量和比較長的引火時間,但粉塵爆炸的燃燒時間比較長,釋放的總能量比較多,因此造成的損害會比氣體爆炸還嚴重。另外,粉塵爆炸也容易引起不完全燃燒,產生大量的一氧化碳對人體也是一種危害

八仙案件是不是粉塵爆炸

詳細瞭解粉塵爆炸的相關知識後,最後我們回過頭來重新看一下八仙案件到底算不算粉塵爆炸。我找不到新北市消防局正式的調查報告,但我們可以在新北市政府消防局八仙粉塵暴燃專刊第15頁中看到「士林地檢署偵結八仙粉塵暴燃一案,檢察官會同消防署、刑事局進行火場鑑定後,查出舞台上的 Beam 200 電腦燈高溫釀災,點燃濃度過高的粉塵引發暴燃

首先我們先不看這邊的「暴燃」是指什麼,許多新聞報導、文章常會搞混「閃燃」、「爆燃」、「暴燃」、「複燃」等名詞,而地檢署用「暴燃」這個詞,我們也無法確定他們是把這個案件當成火災還是爆炸,因此我們就用前面 OSHA 的粉塵爆炸五要素來深入討論看看

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可燃物

粉塵爆炸五要素中的可燃物很明顯就是當天彩色派對使用的玉米粉,根據 DUSTWATCH 網站公布的數據,玉米粉的爆炸下限為0.04 oz/ft3 (約為40 g/m3),雖然不確定調查報告中是否有明確寫到當時的玉米粉濃度是多少(自由時報寫說粉塵濃度達45g/m3),但玉米粉有被引燃代表當時的濃度一定有在燃燒範圍內

助燃物

助燃物理所當然就是空氣中的氧氣

熱能

熱能最後認定是「BEAM-200」型電腦燈,根據 IPCS INCHEM 網站公布的數據,玉米粉自燃溫度(Auto-ignition temperature)為410 °C ,BEAM-200型電腦燈使用數小時後確實也能超過400 °C

懸浮擴散

懸浮擴散則因為當時許多民眾走動跳動而將地上的玉米粉揚起,在事故發生前,主辦單位更噴灑二氧化碳鋼瓶,將更多堆積粉塵揚起變成浮游粉塵

侷限空間

侷限空間的要素並未符合,因為現場是在戶外泳池,沒有侷限的空間可以使燃燒反應產生的壓力上升而達到爆炸,因此八仙案件如果純粹以 OSHA 的定義來說,只能算是粉塵閃火

最後我們也可以思考一下,假設這次的案件發生在室內空間,雖然確實達成了粉塵爆炸五要素,有危險的疑慮,但因為主辦單位噴灑的是二氧化碳,前面提到添加二氧化碳這種不活潑性氣體,反而可以降低氧氣含量、減少發生粉塵爆炸的風險

室內空間也能保持二氧化碳在一定的濃度範圍內,不像室外空間可能會讓二氧化碳散掉,因此或許也有一種可能就是,如果八仙案件發生在室內空間,或許反而不會發生粉塵爆炸或粉塵閃火!

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總結

近5年來各種消防考試中有關粉塵爆炸的考題,申論題有7題、選擇題有25題!自從八仙案件發生後,粉塵爆炸的議題又重新浮上檯面,雖然近幾年來已經看不到這種彩色粉塵,但就連麵粉、穀粉、糖粉等常見的民生用品粉塵也都有可能發生爆炸,所以我們平時就應該好好認識粉塵爆炸的危害,避免再次遇到類似的事情

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在〈粉塵爆炸是什麼?看完這篇文章你就懂了(你所不知道的八仙塵爆秘密)〉中有 8 則留言

  1. 張哲維

    哈哈室內的話都二氧化碳,可能先全部缺氧昏倒。好奇的是,高溫條件一樣有,場內那麼嗨又跳又唱,空氣粉塵濃度又高,火燒起來不就點燃整個室內空間,不就全部炸飛嗎@@

    1. 最後的舉例只是把粉塵爆炸五要素套用到室內空間,討論看看有沒有發生粉塵爆炸或粉塵閃火的可能,先不論有沒有人員在室內,有人的話噴灑二氧化碳的確有可能造成缺氧昏倒

      如果在室內空間滿足五要素的條件,確實就有可能會全部點燃、發生爆炸,就像「粉塵爆炸五要素」那個段落的實驗影片,有可能會像3:14處那樣連蓋子都炸飛

      依照OSHA的定義來看,只有在室內才有可能發生「粉塵爆炸」,因為室內是一個侷限空間,室外發生的都只能算是「粉塵閃火」

  2. 粉塵爆炸的危害測定與強度指數中,不活潑性固體添加法:「…。添加愈多不活潑性固體,代表粉塵愈容易燃燒爆炸」…是越不容易嗎?

    1. 我剛剛才看到『火的一生』那篇,所以粉塵爆炸算是固體爆炸…?可是怎麼覺得像是同時大量一起燃燒的懸浮粉塵周圍的空氣因熱體積膨脹,而在局限空間中,壓力短時間內快速上升才導致的爆炸,這樣也算是固體爆炸嗎?歐,您在粉塵爆炸的型態有說到分為兩種,就是是否熱裂解產生可燃氣體…但兩種應該仍是屬於氣體(周遭迅速膨脹的空氣受到容積的局限所造成的)爆炸吧…?本來看這篇看下來沒有問題,但看到火的一生那裡寫塵爆為固體爆炸…就越來越不懂所謂爆炸的清楚意義了,所以,判斷是甚麼爆炸,是看其”可燃物”為何?而非取決於是甚麼造成超壓嗎?(感覺…應該都是”氣體”的超壓造成爆炸…?)…
      越打越搞不懂到底是甚麼跟甚麼,還是本來正常就無從明確的界定這個人為給予的名詞?但…感覺固體爆炸一詞很…具象但又模糊不清哈哈,感覺不管是氣爆、固體爆炸、沸溢或濺溢,都是反應後的氣體因壓力上升將固定容積的容器破壞或是將表層油大量或少許的推出容器…
      到底是甚麼爆炸的這個界定阿,對現場實務有很重要嗎?會說判斷錯誤可能導致選擇的搶救方法失效或是使火災全盛期提前嗎?或是只要朝一個不要造成壓力上升的方法就基本上沒有問題?

      1. 其實每個人的分類方法都不同,同一個現象不同的人可能會用不同的名詞來定義,「固體爆炸」是陳弘毅的火災學寫的

        只要搞懂每個現象發生的原因和影響就好,被界定為什麼種類倒是沒那麼重要

        實務上也很少會講粉塵爆炸是固體爆炸,只是因為考試會考,所以我才在文章中寫出來而已

    2. 添加不燃性固體可以讓可燃物變得較難燃燒,添加愈多代表可燃物本身愈易燃,要加很多才能讓可燃物變成難燃。如果只需要加一點點不燃性固體,代表可燃物本來就比較難燃

      1. 小學生

        剛好看到這裡也產生相同的問題,不過看到版主下面回應就了解!如果前面加一個「需」,感覺比較不容易誤解。

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