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粉塵燃燒

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石松粉（英語：Lycopodium powder）的粉塵燃燒實驗。石松粉是石松門植物（或一些蕨類）之孢子的通稱，易燃的特性使其經常用作劇場或影視的特效道具

粉塵火災（英語：Dust fire），化學上稱為粉塵燃燒（Dust combustion）指懸浮在封閉或侷限空間中，或戶外環境的可燃粉塵顆粒燃燒，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，更劇烈的粉塵爆炸（Dust explosion）就有可能出現。

粉塵爆炸常被特效藝術家、電影工作者和煙火設計師使用。

燃燒構成條件

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粉塵起火燃燒(閃火)(1~4點)或爆炸(1~5點)有下列必備條件：

  1. 可燃粉塵
  2. 粉塵雲或浮塵
  3. 助燃物（一般為大氣中的氧）
  4. 有效引火源
  5. 侷限空間

決定燃燒強弱的物理學因素

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據研究：[1]

  • 粒度：由於燃燒反應發生在粉塵粒子表面，由燃燒所產生壓力上升速率，在很大程度上是依賴於分散粉塵粒子表面區域，一般粒徑越小，所產生爆炸威力越大，粒徑在420 microns以下。
  • 濃度：粉塵在空氣有所謂「最小爆炸濃度」，最常見粉塵粒子濃度是1000 g/m3以下。而控制其反應速率不是由最大濃度，而是粉塵粒子表面積與質量比。濃度過高或過低，則不足以支持燃燒爆炸所需的速率。[2]
  • 紊流：懸浮的粉塵／空氣混合物中處於紊流情況，將大幅提高燃燒率，導致壓力上升速率加快。
  • 水分：增加粉塵粒子水分含量，會造成其起火所需最小能量和起火溫度皆會提高。在水分極限值以上時，懸浮粉塵將無法點燃。但是，一旦起火，周圍空氣中水分含量，對其傳播反應沒有多大的影響。
  • 粉塵最小起火能量：能產生粉塵爆炸之起火源，已經證實有明火、煙蒂、電燈泡燈絲、焊接／切割、電弧、靜電放電、摩擦火花、高溫表面以及自燃。對於大多數粉塵之起火溫度範圍從320℃到590℃之間，而粉塵比大多數易燃氣體有較高之最小起火能量，一般範圍是在10至40 mJ。
  • 多重爆炸：在一定空間內的粉塵爆炸，通常會形成一系列發生。即第一次爆炸時，會把更多粉塵揚起產生懸浮狀態，這會導致更多的爆炸。

原理

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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。如1公斤球狀物質的密度為每立方公分1克，直徑為12.4公分，表面積為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），表面積為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，還使其着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。鋁等傳統意義上不可燃物質或燃燒緩慢的木材，被細碎時也可產生劇烈的爆炸，即便是微小的火花亦能將其引燃。

粉塵爆炸

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二次（繼發性）爆炸

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粉塵爆炸時會釋放大量的能量，即高溫燃燒氣體並使環境空氣升至高溫狀態。這種能量可以點燃附近的可燃物，或導致周圍人員之灼傷。如此形成二次火災，經常發生在相對寬敞分散之區劃空間，其起爆處形成大面積火球，此種熱輻射具有高強度及較短持續時間。[1]

粉塵爆炸有原發性（一次）和繼發性（二次）之分。粉塵爆炸主要發生在工廠或類似建築內，一般可通過專用管道將壓力釋放到大氣。繼發性粉塵爆炸指工廠內的灰塵堆積被揚起，因原發性爆炸起火，導致工作場內的爆炸危險多不受控制。從歷史上看，造成人員傷亡的粉塵爆炸，基本上由繼發性粉塵爆炸導致。

實驗圖

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  • 露天粉塵爆炸示範
  • 實驗配置
    實驗配置
  • 細磨麵粉散開
    細磨麵粉散開
  • 點燃麵粉雲團
    點燃麵粉雲團
  • 火球迅速擴散
    火球迅速擴散
  • 巨大的輻射熱能至此再無可點燃的東西
    巨大的輻射熱能至此再無可點燃的東西
  • 火球和超熱氣體上升
    火球和超熱氣體上升
  • 爆炸的後果；地上散落未燃燒的麵粉
    爆炸的後果；地上散落未燃燒的麵粉

粉塵種類

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基本上，當細粒固體物質分散（懸浮）在空氣中，即有可能起燃。包括糧食（穀物、飼料、麵粉、奶粉、糖）、粉末狀金屬（鋁、鎂、鈦），還有木屑、紙屑、染料、顏料、合成橡膠等[3]。[1]麵粉廠、鋸木廠、糖廠在加工過程中排放的屑，尤其是滾動、展開、被切割成薄片的情況下，並處於封閉的廠區，在世界各地都有爆炸記錄。

若粉塵由具備高表面積與體積比且非常小的顆粒構成，從而使所有的粒子組成比顆粒更大的灰塵還要大的表面積，這就使燃燒更可能發生。粉塵定義為顆粒直徑小於500微米的粉末，但較小的粉末，會比總表面積較大的顆粒組成的粗顆粒更加危險。在特效中，石松粉和脫脂奶粉是安全生產、控制火焰效果的不二之選。

在21世紀流行的彩色粉末娛樂活動中，曾有玉米澱粉做成爆炸意外的記錄。

類別 常見粉塵名稱
金屬 鋁、鎂、鐵、錳、矽、鈦、鋅、鈉
農產品 澱粉、棉花、稻穀、豆類、小麥、煙草、飼料、木屑
塑膠 醋酸纖維、硝酸纖維、木質素樹脂
酚醛樹脂、聚乙烯、聚苯乙烯、染料、合成橡皮
礦物 煤炭、硫黃

火源種類

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2005年德國的粉塵燃燒統計：[4]

  • 30.0 % 機械設備產生電弧
  • 11.5 % 不明
  • 9.0 % 摩擦
  • 9.0 % 靜電放電
  • 9.0 % 悶燒（Smouldering，即沒有明火，只有白煙）
  • 8.0 % 明火（例如煙蒂）
  • 6.5 % 過熱的物體表面（例如軸承過熱）
  • 6.0 % 自燃
  • 5.0 % 焊接工序
  • 3.5 % 電子設備
  • 2.5 % 其他

然而，通常很難在爆炸後確定火的確切來源。當源頭不能發現時，通常被認為是靜電。靜電荷可通過顆粒表面摩擦產生，正負電荷彼此吸引，會導致霎時間的接地放電。

滅火

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可用噴霧法將空氣的相對濕度提高到65%以上，除可減少粉塵飛揚外，還因為水分子能大量吸收粉塵氧化產生的熱量，增加空氣和粉塵的導電性能而減少靜電，並且空氣中水分除了吸熱作用外，水蒸氣佔據空間會稀釋氧含量而降低粉塵的燃燒速度，而且水分增加粉塵的凝聚沉降，使爆炸濃度不易出現。[1]

事前防護

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歐洲等地已展開衆多研究以了解如何控制這些危險，但爆炸仍時有發生。製造工藝和設備安全的替代方案，依賴於整個行業。在煤炭開採業中，甲烷爆炸誘發煤塵爆炸，會殃及整個坑的工作。石粉沿着礦井巷道傳播，或懸浮於盤頂，以衝擊波沖淡煤塵引發的提前燃燒，這種地步不會導致燃燒。礦區可通過噴水抑制起火。一些行業在灰塵升高過程中需排斥空氣，被稱為「惰化（英語：Inerting (gas)）」。通常使用氮氣、二氧化碳、氬氣等不可燃氣體抑制燃燒。同樣的方法也可用於易燃氣體積聚的大型儲罐。但使用無氧氣體會造成工人窒息。工人常使用潛水燈照明的封閉空間，引發粉塵爆炸的風險很高。由於防水，沒有產生開放火花的風險。

美國消防協會（National Fire Protection Association）針對可燃性粉塵的最佳控制措施包括：

  • 增濕除塵
  • 降低氧化劑濃度
  • 爆燃時通風
  • 爆燃壓力容器
  • 抑制爆燃
  • 通過滯塵和火焰墮裝置在爆燃時通風

事故

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相關條目

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腳註

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 盧守謙 2015.
  2. ^ BARTEC 2005，第unknown頁.
  3. ^ Mgz 2017.
  4. ^ BARTEC 2005，第2, 10, 11頁.

引用文獻

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外部連結

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For detailed incidents in France and the USA, see

For information on how to protect a process plants and grain handling facilities from the risk of dust hazard explosions, see

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