康洛吉火花探测器-工业中的可燃性粉尘-预防及减缓火灾爆炸的作用
工業中的可燃性粉塵－預防及減緩火災爆炸的作用
勞工**組 歐新榮助理研究員
目的
此篇**衛生資訊快報(Safety and Health Information Bulletin, SHIB)著重於：
l可燃性粉塵的危害。
l降低可燃性粉塵爆炸發生的可能性，或爆炸發生時，降低員工危險性之作業實務及指引。
l訓練員工採取保護，使其遠離上述危害。
背景
有機粉塵火災及爆炸：美國麻薩諸塞州(Massachusetts)3死9傷
1999年2月，麻薩諸塞州的某鑄造場發生一件致命的火災爆炸案。美國職業**衛生署(OSHA)與州及當地政府對此事故進行聯合調查。聯合調查報告指出，火災起因於未知點火源引燃殼模鑄造機(shell molding machine)，再藉由灌入鑄造機而形成大量沉積的酚醛樹酯粉塵原料蔓延至通風系統的導管。小型的初始爆燃(deflagration)先於導管內發生，並使粉塵在導管外開始沉降。接踵而至的粉塵氣雲成為了二次爆炸所需的燃料，而二次爆炸的威力足以掀起屋頂並造成牆壁損毀。
聯合調查報告中所列的事故原因，包括下列缺失項目：
l控制粉塵累積的內部管理；
l通風系統設計；
l火爐的維護；
l設備的**裝置。
有機粉塵火災及爆炸：美國北卡羅來納州(North Carolina)6死38傷
2003年1月，破壞力極大的火災爆炸毀壞一間位於北卡羅來納州以生產合成橡膠製藥物傳遞元件的製藥廠，造成6名員工死亡，38名人員受傷，其中包括2名消防隊員。美國化學**與危害調查委員會(U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board, CSB)，其為獨立的聯邦機構並負責調查化學品事故，公佈*終報告，結論為可燃性聚乙烯粉塵的累積於天花板上而激起爆炸。CSB並沒有確定是何種原因引燃初始火災，或粉塵是如何在隱蔽的天花板空間內散佈而產生爆炸性氣雲。
爆炸嚴重毀損此座工廠，造成附近工廠輕微損害。CSB指出事故原因，包括下列缺失項目：
l危害評估；
l危害通識；
l工程管理。
有機粉塵火災及爆炸：美國肯塔基州(Kentucky)7死37傷
2003年2月，一間位於肯塔基州的隔音棉製造工廠發生另一件致命粉塵爆炸事故。CSB也對此事故進行調查，其報告指出，可能的點火原因為小火自一個未被注意的火爐蔓延開，而引燃了附近生產線**作業所產生的粉塵氣雲，隨後，致死的粉塵爆炸接連發生遍及全廠區。CSB辯識出幾個粉塵控制不當、爆炸預防及減緩措施不當的原因：
l危害評估；
l危害通識；
l維修程序；
l建築物設計；
l過往火災案例的調查。
金屬粉塵火災及爆炸：美國印第安納州(Indiana)1死1傷
在容器或建築物內，散佈於空氣中的金屬粉塵亦可能產生爆炸。2003年10月，一間位於印第安納州的汽車輪胎製造廠發生一件事故，CSB亦對此事故進行調查。雖然調查報告並未發布，但CSB的新聞稿報導其事故歷程類似於先前所述的有機粉塵事故：在碎片鎔融爐附近發生初次爆炸，而鋁粉參與了初次爆炸，隨後，集塵設備發生二次爆炸。
在稻穀產業的相關事故經驗
在1970年後期，在具有貨梯的穀倉內，發生了一連串破壞力強大的稻穀粉塵爆炸事故，共造成59死49傷。為了回應這些悲慘的事故，OSHA發布「稻穀貨梯產業危害警訊(Grain Elevator Industry Hazard Alert)」提供雇主、員工及其他官員了解稻穀儲存及分配的**衛生危害。
1987年OSHA公佈「稻穀作業設施標準(Grain Handling Facilities standard, 29 CFR 1910.272)」，現今仍然有效。此標準、緊急應變計畫(Emergency Action Plan, 29 CFR 1910.38)等其他OSHA標準及新版產業標準等，對降低此產業的爆炸發生及減緩其影響皆扮演了重要角色。藉由稻穀產業案例，可以應用至其他生產或使用可燃性粉塵的產業。
粉塵爆炸的基本要素
火災的基本要素(火災三角形)
1. 可燃性粉塵(燃料)；
2. 點火源(熱能)；及
3. 空氣中的氧(氧化劑)。
可燃性粉塵爆炸額外所需的基本要素
4. 粉塵散佈於氣相中且具足夠量及濃度；及
5. 侷限可燃性粉塵。
於火災三角形加入*後2項基本要素即成為有名的爆炸五邊形，如圖1。若粉塵氣雲在侷限空間或半侷限容器、區域或建築物內被引燃，其將會快速燃燒並可能產生爆炸。員工的生命**將受接踵而至的火災、爆炸、飛出的破片及坍塌的建築物元件所威脅。
圖1 爆炸五邊形
製程設備或區域內累積自由粉塵(fugitive dust)時，當初次爆炸發生後，將可能震鬆更多累積的粉塵、或毀損包圍系統(如導管、容器或集塵器)，如圖2。其將造成額外的粉塵散佈於空氣中，若被引燃，將導致1個或多個二次爆炸發生，也因為其散佈的粉塵量及濃度較高，因此其具有較初次爆炸強的破壞威力。
圖2
若缺少五邊形的任一項要素，爆炸將不會發生。爆炸五邊形中的中2項較難被消除的基本要素為：氧氣(存在於空氣中)，及粉塵氣雲的侷限(於製程或建築物內即可形成)。雖然如此，可以藉由控制五邊形的其他3項基本要素，其將於文後進行說明。
設備粉塵危害評估
可燃性粉塵爆炸危害存在於各種不同的產業，包括食品業(如製糖業、澱粉、麵粉及飼料業)、塑膠業、木材業、合成橡膠業、傢俱業、紡織業、殺蟲劑、製藥業、染料、煤、金屬(如鋁、鉻、鐵、鎂、鋅)及化石燃料能源生成。多數的天然及合成有機物質，及部分金屬皆能成為可燃性粉塵。NFPA的「工業火災危害手冊(Industrial Fire HazardHandbook)」指出，任何工業製程中，若將可燃性物質及部分正常情況下不可燃的物質縮小至細微的分割狀態，皆存有火災或爆炸的潛在可能性。
設備分析要素
為了評估設備發生粉塵爆炸的潛在可能性，應該仔細辯識下列項目：
l物質被細微分割；
l使用、消耗或生產可燃性粉塵的製程；
l可燃性粉塵可能擴散的開放區域；
l可燃性粉塵可能累積的隱蔽區域；
l粉塵可能被散佈於空氣中的方法及
l潛在點火源。
必須認同及遵守適用的聯邦、州及當地法規。美國境內2個主要的防火規範為International Code Council’s International Fire Code及NFPA’s Uniform Fire Code，此2個規範參考許多NFPA關於粉塵爆炸預防及減緩的標準。在缺乏法律命令依從這些標準的情況下，這些標準應被認為為實用的指引。
粉塵可燃性
評估粉塵爆炸危害的主要因子為判斷粉塵是否具可燃性。若某物質的固體型態可於空氣中燃燒，當其成為細微分割狀態時，將可能具有爆炸性。在NFPA 654中對可燃性粉塵的定義為，任何細微分割的固體物質，其粒徑等於或小於420微米(μm)(物質能通過美國編號40的標準篩網)，當散佈於空氣中並點燃，存有火災或爆炸危害者。在NFPA 484亦是採用相同的定義。相同化學物質的不同粉塵將可能具有不同的引燃及爆炸特性，其主要視粒徑大小、形狀及含水率等變數而定，此外，當物質通過製程設備時，這些變數亦可能產生變化。也因此許多情況下，即使粒徑大於NFPA所定義的粉塵，亦將具有可燃性，尤其是纖維狀的物質。
電氣分類
因存有(或潛在存有)可燃性粉塵，設備分析必需辯識出需要採取特定電氣設備劃分的區域。OSHA電氣標準(29 CFR 1910 Subpart S)包含了危險區域電氣設備安裝的一般規定。詳細的設備安裝及焊接方法在NFPA 70中有記載。防爆區域劃分則在NFPA 499有記載。對電氣要求而言，所有粉塵的危害皆屬等級II，再依任一時間下粉塵存在的可能性進行細分。此外，依粉塵性質分為E、F及G等3類，其分別代表金屬、含碳物質及其他。E類粉塵具導電性且電流可通過粉塵層，造成短路或電弧。
其他危害分析考量
引發爆炸濃度的所需粉塵累積量差異很大，這是因為有許多變數－粉塵的粒徑、散佈的方法、通風系統、氣流、物理屏障及粉塵氣雲存在或可能存在的區域空間。歸於累積的簡單拇指定律可能過於主觀且容易造成誤解。危害分析應該考量到每個設備的特殊情況，及所有會影響危害的變數範圍。
評估時需要考量許多位置，容易發生粉塵爆炸的地方為粉塵集中處，如集塵器，無論是否有運作，皆可能存有可燃性的混合物。此外，亦要考量其他位置是否有粉塵會沉積，無論是在使用的區域或隱蔽的空間。完整的分析將考量正常操作及潛在失誤情況下，粉塵分佈的所有可能性。
在評定危害及辯識危害區域後，有下列的預防、防護及減緩措施可以採用：
粉塵的控制
NFPA 654內對防止爆炸發生的粉塵控制措施具有完整的指引，下列為其部分建議：
l減少粉塵自製程設備或通風系統逸散出；
l使用集塵系統或濾網；
l採用可降低粉塵累積及容易清潔的表面；
l對所有隱蔽區域提供檢查通道；
l定期檢查開放及隱蔽區域是否有殘留粉塵；
l定期**殘留粉塵；
l若有點火源存在時，使用不會產生粉塵氣雲的清潔方法；
l僅可使用經認可的吸塵器進行粉塵蒐集作業；
l釋壓閥的位置應遠離粉塵危害區域；及
l發展及實行危險性粉塵的檢查、測試、管理及控制計畫(*好以書面記載確切的頻率及方法)。
點火源的控制
NFPA 654內對防止爆炸發生的點火源控制措施具有完整的指引，下列為其部分建議：
l使用適當的電氣設備及焊接方法；
l控制靜電，設備接地；
l控制煙、明火及火花；
l控制機械火花及摩擦；
l使用分離器以移除可能引燃製程物質的外界物質；
l使粉塵遠離熱表面；
l使粉塵遠離加熱系統；
l選用適當的工業推車型式及正確使用；
l正確使用炸藥作動工具(cartridge activated tools)；及
l適當維護所有上述設備。
損失的控制
NFPA 654內對降低爆炸危險及損失具有完整的指引，下列為其部分建議之防護方法：
l分離危害(採用**距離進行隔離)；
l隔離危害(採用屏障物進行隔離)；
l裝設建築物、室或區域的爆波排放(venting)；
l設備裝設釋壓閥；
l火花/餘火偵測及消防系統；
l爆炸防護系統(可參考NFPA 69)；
l灑水系統；
l使用其他特殊抑制系統。
訓練
員工
員工為預防及減緩火災爆炸的**線防禦人員。若能訓練*接近危險源的人員，使其具有辨識及預防工廠中可燃性粉塵危害的知識，他們將能辨識不**情況、採取預防措施及/或緊急通報管理者。當OSHA規定，所有的員工應該被訓練具**的工作實務以適任其工作任務，以及整廠的粉塵控制及點火源控制計畫。員工在工作前、定期、重新分配工作及危害或製程變更時，應該接受訓練。
在工作場所中操作危險性化學品的員工，應需要遵守29 CFR 1910.1200的危害通識，其包括危險化學品容器上的標示、物質**資料表(MSDS)的使用及提供員工訓練。
管理
合格的管理團隊應該負責地在引入危害前實施設備分析及依其操作訂定預防及防護計畫。監督者及管理者應該體認及支持工廠粉塵及點火源控制計畫，提供的員工訓練應包括如何鼓勵不**操作及設備衰減(abatement)作動的告知。