第三章 粉塵爆炸

粉末狀之可燃性固體在空氣中以分散(懸浮)之狀態存在時，與爆炸性混合氣體相同，當供給熱能時則起爆炸。以煤炭為例，粒子愈小表面積則大而對單位質量之燃燒速度則增大。

由上例粉末狀之固體與空氣混合物之爆炸稱為粉塵爆炸。木材、澱粉、鋁粉等粉塵以適當之比率使懸浮於空中時則呈易爆炸狀態。不易揮發之液體如重油，倘以霧狀懸浮於空氣中時具有與固體粉塵相同之易爆狀態。通常粉塵之爆炸物與混合氣體之爆炸相比，粉塵爆炸壓力之上升速度較緩，但最大壓力則大約相等，惟爆炸壓力之持續時間較長，是為特徵。因此。粉塵爆炸力之破壞力相當大，倘含有金屬或合金粒子時，其發熱量更大，有時飛散後附著於周圍之可燃物而引起另一場火災。

第一節 粉塵粒子之大小與浮游濃度

粉塵常以大小不同之狀態存在，但能懸浮於空氣中為必要條件。通常可認為在100μm以下時則有爆炸之可能。雖然不像氣體有明確之爆炸界限，但於單位體積中需存有一定量以上之粉塵時始能爆炸。支配懸浮之因素有蓄電性及水分之吸附性等。

各種粉塵之爆炸較氣體，火藥類為難，起爆所需之最小能量對氣體。火藥時為10^-4~10^-6Joul，粉塵則需10^-2~10^-3Joul。粉塵之爆炸界限不易測定，但通常之數字為25-45mg/L~80mg/L。

第二節 易爆炸之粉塵

農產品工廠在磨粉，乾燥、篩選過程中易產生粉塵，其他如煤礦內之碳粉塵，加上礦內之甲烷也能形成爆炸條件。歐美之濕度較其他地區低，且易產生靜電，粉塵爆炸之頻率則高，台灣屬於高溫多濕地帶，所以粉塵爆炸較少發生，依文獻(16，20，21)濕度超過50%時可防止塵爆。

充分乾燥之可燃物只要在空氣中浮游狀態存在時供應適當能量則有爆炸之可能。空氣與粉塵混合物之爆炸難易受下列因素之影響；引燃溫度，最小引燃能量，最低爆炸濃度，昇壓率(Rate of pressure rise)，此等因素可當作粉塵爆炸分析指標(16，17，18)。易爆炸之粉塵例列於表13。

表13 易爆炸之粉塵

類 別	粉 塵 名 稱
農產物	澱粉、棉花、稻穀、豆類
金屬類	鋁、鎂、鐵、錳、矽、鈦、鋅
塑膠系	醋酸纖維、硝酸纖維、木質素樹脂
	酚樹脂、聚乙烯、聚苯乙烯、合成橡皮
其 他	煤炭、硫黃、木屑

可燃性粉塵浮游在空氣中倘有電氣火花或高溫固體存在時則有爆炸之可能。其原因與可燃性瓦斯或引火性液體之蒸氣相同，屬於空氣(氧氣)與粉塵粒子間之燃燒反應及混合氣中有火焰傳播現象所引起。

第三節 影響粉塵爆炸之因素

粉塵爆炸之難易、爆炸之強弱，著火之難易，由粉塵種類而差異甚大。

一、粉塵之化學性質

粉塵之化學結構及反應性與爆炸性有極大關係自不待言。如氧化反應產生之氣體量之大小，燃燒熱之大小，產生熱量或氣體之速度等均與爆炸之強度有關。熱分解瓦斯量較大之有機藥品或塑膠粉塵，其他如具有高燃燒熱之鋁粉塵等爆炸威力則大。揮發成分小之碳粉只能燃燒而威力則小。農產物中灰分多或發熱量少之礦物粉塵有相同之理由爆炸強度較弱。大部分之可燃性粉塵大多數屬於混合組成其純度不高，且化學結構不明者多，所以危險性非經自多方面加以分析否則不易預測。

二、粒徑與粒度之分布

空氣中之粉塵經過一段時間後會自然沈降，常被認為粒徑在10μm至200μm間，但粉塵種類不同時理化性之差別則大，據此原因同一種粉塵依粒徑之不同爆炸性有所差異。通常粒子愈小則易爆炸，強度亦強。因粉塵粒子之燃燒起自於粒子表面，產生之熱量也被粒子本身之升溫所消耗。比面積大之小粒子所消耗之熱量少，所以產生之熱對爆炸系之溫度上升有幫助，於是成為易爆性。圖10表示粉塵粒子大小與數種指標間之關係。

粉塵粒子之大小理之當然與懸浮性有關，粒徑愈小懸浮時間則長，因沈降速度小在空氣中維持爆炸性混合氣之時間則長。

圖10 噴霧狀A1粉之粒子大小與爆炸指標之關係⁽²⁵⁾

三、粒子之形狀與表面之狀態

粒子之形狀及表面狀態亦極為重要。如上述之比面積則含有粒子形狀之因素，通常被稱為形狀係數對球狀粒子而言最小數字為6，偏平狀者其數字在50以上。依圖11所示偏平粉塵之濃度增大時爆炸壓力則增加。但球狀粉塵達到0.5g/l後則壓力有降低之趨勢。某種粉塵在空氣中其表面能被氧化者時間愈久則顯示較難爆炸。

圖11 Al粉塵之形狀與爆炸壓力^(18,25)

第四節 粉塵之爆炸特性

一、粉塵之爆炸界限

爆炸在氣體中無論用何種分散方法也無法達成粒子大小之均一化。因不像瓦斯等能均一化而得明確之實驗結果。對粉塵則用濃度與爆炸可能率之關係以可能率之方式用數字表示其限界濃度，此數字經眾多研究工作者多次實驗而得。圖12、13表示數種化學藥品之粉塵爆炸可能率與下限之關係，自圖中可知濃度低之粉塵較有規則性，濃度大者則相反。聚丙烯粉塵通過300目(mesh)略有篩選過者爆炸可能率相當一致，但通過50~100目之較大粒子爆炸危險性則降低。

圖12 粉塵種類與爆炸下限⁽²²⁾ 圖13粉塵粒度與爆炸下限之關係⁽²⁵⁾

二、加入其他氣體對爆炸界限之影響

粉塵－空氣組合中加入不活性氣體或燃性氣體或氧氣濃度之增減對爆炸界限有極大影響。氧氣濃度增大，爆炸性高，當氧氣濃度降低時爆炸性隨之降低。聚乙烯及聚丙烯粉塵之爆炸界限與氧氣濃度之關係依文獻^(22,23,24)，在圖中顯示只要氧氣濃度低於11%時雖然用能量大之火源也無法引爆。

圖14 粉塵濃度與氧氣濃度之關係

三、粒子形狀，表面狀態與發火之關係

粉塵發火溫度之測定依雲狀粉塵與層狀雲層形態之不同需各別進行研究。雲狀粉產混入空氣後通入一定溫度之圓筒爐內觀察是否起燃。粒子大小仍與發火溫度有關，高濃度時粒子愈小發火溫度愈低，但粒子數少時受輻射熱之關係較易起燃，粒子大者易吸收熱以致發火溫度降低等事實，因此許多研究似難有一致性。

層狀粉塵與高溫物體經長時間接觸時會有蓄熱發火，其過程為先有悶燒再進展為全面燃燒，通常層下之溫度較層面之溫度為高，接觸時間在2小時內能起悶燒時層表面之溫度視為堆積粉塵之發火溫度。

四、爆炸壓力與壓力上升速度

粉塵爆炸之防止可考慮抑制粉塵濃度在下限以下，消除火源，增加濕度，降低氧氣濃度等，但上列各項方法均非容易達成。另一方面防止災害之擴大則較易執行。例如當設計爆炸洩壓裝置時需考慮粉塵種類，粒子濃度、火源、空氣流、氧氣濃度、揮發成分。可燃性瓦斯濃度及灰分含量等因素。具有爆炸壓力大，壓力上升速度快等特性之強爆炸性粉塵及較緩慢爆炸之粉塵在燃燒後瓦斯組成差異則大。在圖15中可知強爆炸性之粉塵產生大量CO為特徵。加入約60%不活性粉塵時能抑制爆炸，用氮氣稀釋空氣中之氧氣時升至最高壓力所需時間變長而成為緩慢燃燒。揮發性物含量與爆炸壓力之關係示於圖16。

圖15 玉米粉塵濃度與燃燒生成 瓦斯量之關係

圖16 揮發性物含量與最大壓力， 平均壓力上升速度，最大壓 力上升速度之關係