觀點投書:八仙樂園粉塵爆炸事件的原因探討

2015-07-12 05:30

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八仙粉塵爆炸的學理分析有助於防範未來類似事件的發生。(圖片來源:Rog01/flickr)

八仙粉塵爆炸的學理分析有助於防範未來類似事件的發生。(圖片來源:Rog01/flickr)

日前八仙樂園發生彩色粉末塵爆炸事件,於活動接近尾聲,現場工作人員使用二氧化碳鋼瓶將舞台上的粉末朝觀眾區噴出,隨即於約五秒內在舞台右前方發生粉塵爆炸。有關粉塵爆炸的研究都指出,可燃性粉末在空氣中以雲狀的懸浮狀態存在時,達到一定濃度,遇到適當熱源,就可能產生爆炸。本文擬就粉末如何達到懸浮狀態以及可能引爆的熱源,以學理進行探討,祈有助於釐清真相。

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下沉粉末的危險性低

地面上的粉末,是由許多顆粒聚集一起,僅最上一層與空氣接觸,玉米粉的發火溫度約攝氏400度,這種情況下不僅不易點燃,更遑論會爆炸。於此次粉塵爆炸後發現,地面上厚達約5公分的粉末並未在爆炸後引燃,因而證實地面上的粉末不是引爆的來源,所以應可排除地面煙蒂是引爆的原因。

在無風的情況下,粉末往下掉落,當重力與空氣阻力和浮力平衡時,粉末的沉降速度等於終端速度。大致上,終端速度與粒徑平方成正比。由於粉末的粒徑分布包括大中小顆粒,當使用互灑方式時,僅有極少部分的粉末可懸浮於空氣中,其餘大都落到地面。下降過程中的粉末,由於彼此會聚集,且顆粒間可容納空氣的地方不多,所以下降中的粉末應該是相對安全的。

氣流是造成粉末懸浮的原因

當氣流吹向粉末時,如果垂直上升的氣流速度大於粉末的沉降速度時,粉末處於懸浮狀態。因此,以揹負式鋼瓶噴出粉末、兩側粉末噴管以鋼瓶驅動噴出粉末以及使用鋼瓶將舞台上粉末噴向觀眾等三種情況都足以使粉末形成懸浮狀態。

當以一特定速度的氣流吹向粉末時,粒徑小的粉末形成更遠和更久的懸浮狀態,粒徑稍大者會產生短時間及近距離懸浮狀態,而粒徑更大者則會下沉。當氣流的速度愈大時,懸浮狀態可持續更久及更遠。揹負式鋼瓶是以機動方式近距離噴向特定民眾,因此噴出速度較小且噴出粉末量較少,且噴在人體上的粉末因撞擊而減速,化解了部分上升速度。兩側粉末噴管以與水平呈ㄧ角度的方式噴出粉末,雖然產生懸浮狀態粉末的效果明顯,但受到管徑限制之故,所以噴出的粉末量可能不足以使懸浮粉末的濃度達到爆炸下限。使用二氧化碳鋼瓶將舞台上粉末噴向觀眾的過程,由於是以高壓二氧化碳為驅動力將舞台地上堆積了大量的粉末噴出,所以粉末分散的程度最明顯,且懸浮粉末的濃度最可能達到爆炸下限。理論上,懸浮區的垂直高度比氣流源為高,所以引爆點應比舞台位置高,此次粉塵爆炸的引爆點在觀眾區右側上方乃是因處於懸浮區之故。

熱源排除是香菸和燈具

從以上分析,引爆點位置應比舞台右側更高,故可能的熱源位於此高度。如果是香菸,那麽當時站在舞台前方右側的觀眾應恰好把手上點燃的菸舉高,或舞台上有人將菸蒂往下丟,但從各方影片似乎未看到此情形。如果是舞台上的燈具產生的高溫,則燈具本身的溫度應比引爆區高許多,且燈具周圍也有懸浮粉末,那麽舞台左邊的燈具應該先引爆才是,所以應排除燈具的高溫為引爆的原因。

引爆的能量可能來自靜電

從影片發現,使用二氧化碳鋼瓶將舞台上粉末噴向觀眾的過程中,大量的粉末處於懸浮的狀態,且粉末被高壓二氧化碳噴到很遠的距離,這時懸浮的粉末濃度已大於爆炸下限(30公克/立方公尺)。由於風勢影響,使得部分粉塵雲往右飄移,工作人員噴射的角度似乎有點往上偏,不慎噴到右上方的粉塵雲而引起爆炸。

許多文獻指出,當二氧化碳鋼瓶釋放氣態二氧化碳時,如果伴隨著產生少量的乾冰,氣態二氧化碳與乾冰的流動混合物會產生大量靜電,因而形成而會產生著火性火花,此火花於10-20kV下的能量為5-15 mJ。由於玉米粉的最小發火能為10mJ,所以此玉米粉的粉末雲極可能因靜電而引爆。許多研究也指出,二氧化碳滅火器不適合直接噴在可燃性氣體雲,使用二氧化碳來撲滅可燃性氣體時所引發靜電火花反而造成可燃性氣體爆炸(例如NFPA 77 14.4.1)。因此,工作人員將二氧化碳噴到右上方的粉塵雲時,可能因噴出大量的靜電而引發粉塵爆炸。

噴射二氧化碳的動作可能產生乾冰

鋼瓶中的二氧化碳是液態的,鋼瓶內部的壓力取決於鋼瓶的溫度,在攝氏20度時約為 57個大氣壓力。當噴口打開時,由於外界是一大氣壓,所以鋼瓶中部分的液態二氧化碳會汽化噴出,在汽化過程吸收外界的熱,所以外界溫度會降低。如果液態二氧化碳沿著內部的汲取管流至噴口,則流出的液態二氧化碳會改變為固態二氧化碳,即乾冰。

使用二氧化碳鋼瓶時,必須讓鋼瓶保持站立。工作人員為了噴出舞台地上的粉末,勢必把鋼瓶上方往前推,使鋼瓶稍微傾斜讓噴口對準色粉,如果鋼瓶內的液態二氧化碳容量還很多,那麽這個傾斜的動作極可能讓液態二氧化碳流至接近噴口處,而形成乾冰。第一次噴完舞台上的粉末後,噴口或汲取管上方可能產生了乾冰,氣態二氧化碳與乾冰的流動混合物會產生大量靜電,因此,後來噴到右上方的粉塵雲而引起爆炸。至於以揹負式鋼瓶噴出粉末以及兩側粉末噴管以鋼瓶驅動噴出粉末的過程中,二氧化碳鋼瓶始終是直立的,故產生的靜電能量不高,且噴出的二氧化碳並未直接對準粉末雲,因此沒有產生爆炸的結果。

結語

 

本文認為,使用高壓二氧化碳噴射舞台上的粉末使粉末分散形成大範圍及高濃度的粉塵雲的行為,製造了不被容許的風險,無論最後鑑定造成引爆的熱源為何,這個行為在法律上是可歸責的。再者,氣態二氧化碳與乾冰的流動混合物所攜帶的靜電噴射於粉塵雲後造成爆炸的結果,使得該風險在具體歷程中實現。國外許多文獻或產品使用手冊都揭櫫二氧化碳鋼瓶使用時產生的靜電可能導致可燃性氣體雲爆炸的風險,但國內相關的法規及教科書並未提到相關規定和知識。「前事不忘,後事之師」,希望大家都能從此案學習到更多安全相關知識。

*作者台大化工系畢業(具有 消防設備師和工安技師證照)

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