從媒體報導探索粉塵爆炸事故

作者∕劉宗平(元智大學光電系副教授)

2015年6月27日,新北市八仙樂園內舉辦「彩色派對」活動時,發生了嚴重的粉塵爆炸。晚間活動的現場,噴灑了大量的彩色粉末。可能是粉塵濃度過高,引發了閃燃和爆炸。這是臺灣自「921大地震」以來,最嚴重的意外事故,引起國際媒體的高度關注。

粉塵概念
習慣上,灰塵、塵埃、煙塵、礦塵、砂塵、粉末等,皆可稱為粉塵,它們都是懸浮在空氣中的固體微粒。粉塵雖有許多不同的名稱,但它們之間並沒有明顯的界限。根據國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)規定,凡是粒徑小於75微米的固體懸浮微粒,均可定義為粉塵。一般而言,人類頭髮的平均直徑,約為80~100微米。

土壤和岩石風化後分裂成許多細小的顆粒,它們會伴隨著花粉、孢子及其它有機顆粒隨風飄蕩在空中。大氣中的粉塵是維持地球溫度的主因之一,過多或過少,都會對環境產生災難性的影響。此外,許多粉塵是工業生產和交通運輸的副產品。煙囪和內燃機排放的廢氣中,也含有大量的粉塵,它們幾乎是處處可見。日常生活中,生產性粉塵還是誘發多種疾病的主要
原因,是人類健康的天敵。

塵爆實驗
國家地理頻道科學節目《街頭科學實驗室》,有一集〈大自然的力量》。主持人提姆蕭(Tim Shaw)以砂糖、食用油和奶精粉作為實驗對象,探討哪一種日常生活用品可能會引爆。提姆問街頭民眾:「要讓東西燃燒,需要什麼?」當然,民眾皆曰「火」。提姆接著問:「還需要什麼?」民眾說:「氧氣」。提姆先用細管吸取砂糖,再將其噴向有火焰的氧氣噴槍。結果,砂糖沒事。再測試食用油時,也是沒事。然而,當用奶精粉實驗時,卻發現它很容易引燃,而且會出現轟然大火。

2014年5月11日,公共電視播出《流言追追追》節目介紹「粉塵炸裂。主持人用火直接燃燒糖粉和麵粉,其中麵粉偶爾會出現一些小火光,而糖粉則會起泡燃燒。儘管兩種粉料燃燒到漆黑,它們都不會爆炸。然而,若用細管氣吹粉末使其飛揚飄起時,一旦遇到火源,就會立刻產生漫天大火和塵爆。

和在一起的粉末,其總表面積較小,粒子間緊密地靠著。加熱時,因粒子與氧氣間的接觸面積小,以致反應速率慢到幾乎無法引起任何的作用。然而,當粉末散開飄揚於空氣中時,它的總表面積立即加大,使得粒子與氧氣間的接觸面積大幅增加。此時如遇熱,就會加快反應,立刻引發大火,並放出大量的熱。

接著,主持人在緊鎖著瓶蓋的透明塑膠桶內,針對木屑粉、糖粉、奶精粉、胡椒粉、小蘇打粉和細沙粉等進行氣吹粉末的塵爆實驗。當氣吹前四種中的任一種粉末時,遇到燭火(實驗時用的火源)立即引燃大火,並產生塵爆,使得緊鎖容器的瓶蓋震飛了,因為它們都是可燃性物質。小蘇打粉和細沙粉都是不可燃性的,它們都不會燃燒。當然,也不會塵爆。此外,
顆粒的大小也一是個重要因素。若再用砂糖進行實驗,則它僅會燃燒而不會塵爆、不會震飛瓶蓋。雖然糖粉和砂糖都是可燃性的,但是糖粉的顆粒很細,接觸空氣的面積非常大;而砂糖的顆粒很粗,其接觸空氣的面積沒那麼大。故當氣吹起砂糖時,不但沒有引燃火焰,反而粗大的顆粒把燭火撲滅了。

為了瞭解粉塵散佈在空中所引起的效應,主持人準備了一大盆麵粉和高溫(374ºC)烤箱來進行實驗。實驗一:大量的麵粉自高空撒下,經過打開爐門的高溫烤箱時,結果沒事。實驗二:將麵粉吹進高溫烤箱中,結果麵粉引燃。實驗三:用力氣吹,將大量麵粉吹進烤箱內,結果引起大火及塵爆。

在實驗一中,高空撒下的麵粉,因進入烤箱的數量不多,粉塵濃度低於爆炸下限,故不會引燃。在實驗二中,當麵粉直接吹進烤箱時,因進入烤箱的數量很多,粉塵濃度超過爆炸下限,使得懸浮顆粒間的距離夠近。一旦其中幾顆粉塵點燃時,就會迅速而有效地引燃其周圍的粉塵顆粒,造成連環爆。在實驗三中,可燃性粉塵與空氣組成的混合物濃度,已達到遇火
源發生爆炸的下限,因而一發不可收拾,形成了大火。

然而,並非麵粉量越多,爆炸的威力就會越大。麵粉量越多,就越難把它們揚起得很均勻。當把麵粉揚起時,飄散在空中的麵粉濃度必須超過最小爆炸濃度,才可能達到濃度越高爆炸威力越大的結果。在密閉空間或侷限性空間內,可燃性混合物很容易即可達到一定的高濃度。一旦遇到火花、靜電或高溫等火源時,頃刻間會完成劇烈的燃燒反應。燃燒的粉塵,氧化反應十分迅速,釋出的大量熱能,很快便傳遞給鄰近的粉塵,以致引起了連鎖反應。燃燒的反應神速,燃燒氣體的體積猛烈地膨脹,進而引發大火、產生爆炸。

彩色派對
彩色派對夜間活動的音樂舞台,設置在抽乾水的游泳池(八仙樂園的快樂大堡礁)內。由於舞台阻檔了泳池的一方,使得泳池內的搖滾區呈現U字型。這座凹陷的「臨時舞池」,與地面的落差有二公尺,很容易形成所謂的侷限性空間。當人們群聚其內時,一旦意外發生,池壁便成為逃生的障礙。

彩色派對的靈感,源自印度的色彩節。彩色粉末加上音樂祭,彩色派對充分展現了色彩節魅力中的兩大元素——狂歡與捉弄。大約晚間8時30左右,配合著舞動的重低音響,台上的工作人員向凹陷的舞池噴灑大量的彩色粉末。可能是重低音喇叭產生的靜電,或是高熱的燈光(當晚氣溫很高),或是目前尚不能確定的其它火源,瞬間點燃了空氣中飄浮的高濃度
粉塵。

搖滾區內,有人頭頂上冒出了火焰。突然間,有人打開二氧化碳的高壓鋼瓶,企圖將舞台重低音喇叭上方聚集的大量粉塵吹散,結果卻引發了一場熊熊大火。舞台前搖晃的人們,身體上冒出火花,開始自燃。塵爆的大火有如天火紋身,原來舞動的身軀成了四處奔逃的火球,尖叫、哀嚎聲此起彼落,真是慘不忍睹!

前車之鑑
主辦單位宣稱,活動中使用的彩色粉末是無害的,且顧及了安全和環保。然而,卻發生了如此嚴重的閃燃和爆炸,在這次可怕的「八仙塵爆」意外事故中,讓許多人及家庭造成了無法負荷、難以忘懷的傷痛。此外,即使充滿粉塵的地方避開了火源,只要稍有不慎,仍有可能會造成吸入性損傷的問題。粉塵爆炸潛藏的危險性,真是不容小覷。

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