粉塵爆炸危險因子與防範

一、粉塵爆炸危險特性

世上會爆炸的粉塵達三、四百種。較常見的爆炸性粉塵是:煤粉、無機粉塵(如硫磺、碳、矽化鈣等)、金屬粉塵(如鋁、鎂、鈣等)、合成物品的粉塵(如染料中間物、粉末、塑膠粉、合成洗滌劑粉末等)、纖維粉塵(如木粉、紙粉等)、食品粉塵(如小麥、澱粉、玉米澱粉、糖粉、巧克力)、飼料(如血粉、魚粉)、棉花、煙草、過氧化物粉塵……等。固體可燃物等等細粉化後,約420μm以下,成為所謂粉塵的粒子,其較小者浮游在空氣中,比表面積增加後,各粒子和空氣更容易接觸,變成容易被引起燃燒或爆炸;其較大者沈積在附近結構體的表面,可能也會是另外一個爆炸源。浮游在空中者,與氣體、蒸氣一樣,會有引起爆炸之危險性,其與周圍的空氣接觸而生熱分解,如同固體或液體表面燃燒前的狀況,產生更極細小的粒子,散發於粒子的四周。這些細微粒子與空氣混合而成近似爆炸性的混合氣體,此時,如果有著火源存在,就會引起爆炸。
然而粉塵爆炸的最小著火能(MIE)較可燃性物質為高,粉塵的燃燒速度亦不及可燃性物質;但粉塵爆炸產生的能量較大,為可燃性物質的數倍,破壞力較強,溫度可上升至2000~3000℃。
粉塵受熱壓力上升,粉塵爆炸時,先產生壓力波向外擴散前導,0.1或0.2秒之後,火焰隨之而至,火焰的初期速度為2~3m/s溫度上千度,爆炸現象與飛散的破片隨處飛散,對人或機器造成危害。起初爆炸產生的壓力波(即是爆轟波,其壓力可達大氣壓力的4倍)將使附近或沉積的更多粉塵揚起、擴散,火焰或高溫的粉塵再度引燃粉塵雲而發生第二次爆炸,以及接二連三的連續爆炸,造成更大的破壞。而且,由於不完全的粉塵燃燒,在燃燒廢氣中含大量的一氧化碳,很可能產生一氧化碳中毒。

二、粉塵爆炸影響因素

影響粉塵爆炸性質的因素與情境,可歸納為下列:
(一)化學組成:
粉塵的化學性質,對其爆炸性質影響很大,如已氧化的粉塵,反應性較小;但若粉塵為過氧化物或硝化物,則因粉塵本身即含有活化性的氧,不需外界來提供反應所需的氧,故較易起激烈的爆炸。另外水份會抑制粉塵的浮游性質,因此含水份多的粉塵,容易凝集成較大的粒子,較不活潑不易爆炸,即使爆炸亦因水份會吸收部份的熱量,故爆炸亦較不激烈。另外,煤中若含有的灰分成份高,亦不易爆炸。
(二)粒徑:
粉塵爆炸係發生於粉塵表面之燃燒現象,因此,粉體粒子愈小,即比表面積(表面積與質量的比)愈大,愈容易發火,發生爆炸的可能性愈大。
(三)爆炸界限:
粉塵爆炸與一般氣體爆炸一樣,也有爆炸界限,但因粉塵不易獲得均勻之濃度分佈,只能經由統計來分析。粒子愈小爆炸下限愈低,危險性愈大,不過爆炸下限Minimum Explosive Concentration (MEC)也就是Lower Flammable Limit(LFL)與點火源亦有關係,點火源為高熱物之爆炸下限較電氣火花低。
(四)氧氣的濃度:
氧的濃度愈高,粉塵愈容易爆炸,因此降低氧的濃度,可提高粉塵爆炸下限,防止粉塵爆炸。
(五)可燃性氣體:
粉塵中若有可燃性氣體共存,將降低粉塵爆炸的下限,增加粉塵爆炸的危險。
(六)發火溫度:
如果提升粉塵存在空間內之溫度,不久之後粉塵就會發火,此溫度之最低值,稱為該粉塵之發火溫度Tc,該值是表示粉塵容易爆炸程度,是抑制裝置設計中,重要之特性值。粉塵個體的粒徑愈小,濃度愈高,發火溫度愈低,不過發火溫度與火源種類有關,不是該粉體的物理定數。堆積粉塵的發火溫度,與粉塵厚度有關,厚度愈大粉塵係數散熱不易,愈容易發火。
(七)發火能量:
粒子愈小發火能量愈低,在氧氣中的最小發火能量,較在空氣中者低。水份影響亦大,含水量愈多最小發火能量愈高,濃度低時,其值愈高。
(八)壓力、溫度:
壓力愈大、溫度愈高,最小發火能量變低,爆炸界限變廣,危險性愈大。

三、防止粉塵爆炸的對策

防止粉塵爆炸的對策,原則上與其他防爆對策相同,如去除可燃物、隔絕氧氣與熱源等,簡敍如下所示:
1. 減少粉塵飛揚。例如,依據操作量選擇適當設備,以減少粉塵飛揚的自由空間;以濕式混拌取代乾式混拌;經常清除濾網、濾布及作業場所,以避免粉塵的堆積;以數個小的製程取代大的製程,如此可以減少同一時間處理粉塵的數量,降低粉塵爆炸的危險。
2. 製程中以惰性氣體吹洩,以避免新鮮的氧氣進入,如此可以減低氧的分壓,減少爆炸的危險。當氧的濃度逐漸降低,物質產生的壓力和壓力上升速率都呈逐漸下降之現象,將製程中的氧氣濃度減低至限氧濃度(LOC)以下,便可防止爆炸的發生,此種設計稱為惰化設計。
3. 設置洩爆孔 由於粉塵爆炸的誘導期較氣體爆炸長很多,若能適當裝置洩爆孔,可於爆炸初期將壓力、熱量及部分粉塵釋出,降低爆炸產生的危害。洩爆孔的裝置,必須考慮粉塵爆炸的最大壓力、壓力上升速度、容器的耐壓程度、空間體積及洩爆孔的面積。壓力上升速度越快,氣孔比(即洩爆孔面積與容器體積的比)設計越大。

另外在洩爆孔上可安裝壓力檢知器及爆炸抑制設備,如此可於粉塵爆炸初期,壓力一上升即噴灑大量滅火劑,來抑制爆炸產生。

4.可燃物質的濃度控制 在製程中可燃物的使用難以避免,但可利用通風換氣設備控制,使可燃物的濃度不在爆炸範圍內。對粉塵而言,因其粒子有沈積現象,且沈積的粉塵可能受環境的影響被吹揚起,於侷限空間內達到爆炸範圍內之濃度,若遭遇火源可能產生危害。所以,對粉塵作業場所較難施行粉塵濃度控制,惟可以利用清潔或通風換氣方法來減少粉塵的堆積;或採用不易造成粉塵洩漏或飛散的機械設備。
5.粉塵作業場所盡量遠離可能產生火源或靜電的場所 例如:香煙、切割、電焊、電氣火花、機械火花、熱表面、炙熱物質。工廠內應嚴禁煙火,若有明火作業亦應遵循動火許可制度等管理措施;如有產生電氣火花的可能,可選用合適之防爆電氣設備防範;防止靜電要確實執行設備的接地,及採用導體設備材料。

按:宋郁德,中華民國仲裁人。
參考資料
宋郁德,以本質較安全設計探討粉塵爆炸危害預防,第52卷第4期 頁109~121,中華民國一O五年石油季刊。