火灾爆炸防范对策与危害消减系统之设计

火灾爆炸防范对策与危害消减系统之设计
        2002-12-05
        在介绍完火灾爆炸危害特性评估技术后，本章节则针对目前业界较为缺乏之火灾爆炸危害消减技术中之防范对策、早期预警、灾害延阻与抑制设计技术，作进一步研究与探讨。火灾爆炸危害消减系统乃是有系统地对于製程中物质之火灾爆炸特性进行测试与评估，藉以瞭解其燃烧、爆炸危害与等级，进而针对製程特殊需求设计出火灾爆炸早期侦测系统及危害控制、消减设施。消减系统有许多方法可以达成如：爆炸阻隔设计（Explosion Isolation）、设备强度强化设计、爆炸压力洩放设计、火焰传播阻隔设计及火点扩散抑制等技术…等。在消减系统设计初期必须注意的是使用物料之著火及爆炸特性，包括闪火点、自燃温度、最低著火能量、爆炸上下限、最低限氧浓度…等条件 （请参阅表三及表四说明），一般可经由前一章节中所介绍之火灾爆炸危害特性评估技术测试后得知；或经由物质安全资料表中获得相关资讯。但值得注意的是一般常引用文献中的资料多数之数据资料多在常温常压下（1 atm ; 25℃）测得；而一般製程却在不同之温度压力条件下进行操作，故在引用时必须格外谨慎小心。
        防火防爆对策
        火灾燃烧是物质的氧化反应，而在本文前述第三章节火灾爆炸与热传递学中有提到物质燃烧之三要素乃燃料（可燃物或易燃物）、氧气（氧化剂或氧化物）、火源（明火、电弧或热能），故欲有效防止火灾爆炸之发生；就必须防止前述三个条件同时存在的可能性。首先针对如何防止可燃物或易燃物外洩管控进行探讨。
        1.可（易）燃性物质外洩管制
        可（易）燃性物质一旦不慎由储存设备或管路阀件中外洩后，如遇到引火源将有可能引发火灾及爆炸。因此为防止可（易）燃物质外洩而引发之火灾爆炸应做好下列有效之防制措施：
        (1) 装置防溢堤及洩漏侦测器，一旦可燃性物质外洩时便启动紧急遮断阀或设备停机；防止可燃性液体继续外洩，造成危害发生。
        (2) 降低储存设备之压力，以缓和洩漏之速度。
        (3) 启动紧急冷却系统将洩漏之管线急速冷冻。
        (4) 以特殊防漏填补剂或阻漏探棒封填洩漏源。
        (5) 于储存设备上端装设水雾（water mist）喷洒系统以限制外洩物质之蒸气挥发扩散范围。
        (6) 装设隔离设备将外洩物质隔离侷限在某一密闭空间内（如气瓶柜）以减少外洩物质与空气或引火源之接触后，再进行清除之动作。
        (7) 以泡沫系统喷洒至外洩可燃物质表面，藉此限制其蒸发表面积。
        (8) 添加低挥发性抑制剂，以降低物质外洩挥发后爆炸之机率。
        (9) 以氮气或其他惰性气体通入可燃性物质储存设备中，避免空气进入。
        (10) 添加抗静电剂及设备接地，以防止静电所造成的危害。
        2.降低可燃物质之挥发浓度
        降低可燃物质之挥发浓度最佳的方法即是限制可燃物质活动的范围，避免在爆炸（燃烧）上下限中的环境下出现。加强空气的对流及循环换气，避免著火性物质挥发蒸气聚积，是一般危险性工作场所常用之方法。但对粉尘而言，因其粒子有沉积现象，且沉积的粉尘可能受作业环境的影响被吹起，故在侷限空间内达到爆炸上下限之浓度，若遇到引火源可能产生危害。所以，对粉尘作业场所较难施行粉尘浓度控制，惟可以利用清洁或通风换气方法来减少粉尘的堆积，或採用不易造成粉尘洩漏或飞散的机械设备。而设置在高危险区之一级（Class Ι）工作场所，则更须使用符合其作业环境等级之防爆电器，并通入惰性气体或空气加压封盖以维持正压；防止著火性蒸气进入而发生危害。或请参阅 NFPA 469 -Purged and Pressurized Enclosures for Electric Equipment 中说明。
        3.降低空气中的氧浓度
        将可燃性物质操作或使用环境中氧气浓度降至该物质之爆炸（燃烧）最低限度以下，即可防止火灾或爆炸之发生。而最有效的方法为使作业系统中先完成真空抽气程序；使系统在无空气的环境下变成负压，再导入惰性气体，避免系统内残存易燃性物质蒸气与外界空气接触形成著火性混合气体，抑制火灾爆炸之发生。而使用惰性气体防火或抑爆时仍应注意下列事项：
        (1) 人员防护装备之安全考量。
        (2) 系统或设备是否装置压力排放装置，以防止惰性气体导入后压力过压之状况发生。
        (3) 惰性气体导入系统前应经过除湿及过滤之装置，避免水分及杂质影响产品品质。
        (4) 如使用卤化碳氧化合物时则需考虑其对设备管线之腐蚀性影响。
        相关惰性气体之使用、安装及设计准则；请参阅 NFPA 69 Explosion Protection System 中详细说明。
        物质名称    闪火点（℃）  自燃温度（℃） 爆炸下限（空气百分比） 爆炸上限（空气百分比）
        丙酮  -7   538 2.5  13
        汽油  -43 -   1.4  7.6
        丁烷  -60   405 1.6  8.4
        丙烯睛  0  -  3.0  17
        甲基苯烯酸甲酯  10   421 1.7  8.2
        乙醚  -45  82  1.9  36
        庚烷  -4  223  1.1  6.7
        氢气  -  400  4.0  75
        甲醇  12  464  6.0  36
        异丙醇  12  455  2.0  12
        甲苯  4  536  1.2  7.1
        环氧己烷  12   2.0  22 -
        乙烷 - 135  515  3.0  12.5
        丙烯  -108  497  2.0  11.1
        苯乙烯  31  490  1.1  7.0
        醋酸甲酯  -9  502  3.1  16
        异丁酮  -4  516  1.4  11.4
        甲烷  -188  538  5.0  15
        物质名称   最低限氧浓度（%）  物质名称 最低限氧浓度（%）
        丙酮  15.5  铝粉  2
        煤油  14  铁  11
        丁烷  14.5  咖啡  17
        乙醚  13  黄豆粉  15
        丙烯  14  淀粉  12
        乙醚  13  尼龙  13
        天然气  14  聚乙烯  12
        氢气  6  甲基丙烯酸甲酯  11
        甲醇  13.5  环氧树脂  12
        表四 常见可燃性物质之最低限氧浓度（MOC）
        本实验系以二氧化碳为惰性气体之实验，与一般以氮气为惰性气体之实验结果略有不同
        4.引火源管理
        一般业界对于火焰源、物理及化学引火源、明火及动火作业之管制均有相当程度之认知与了解，在此则不多加以撰述。本节则以业界在电能引火源中经常忽略之静电危害作进一步之探讨。静电是造成一般作业场所或工厂火灾爆炸危害的引火源之一，但却普遍缺乏相关防制措施。静电基本上是由二种不同物质接触后，所产生之表面效应，如二物体均为导电体，电荷可以自由移动，发生分离时正负电荷会互相抵消，二物体接会恢复原状。若其中之一为绝缘体，而另一方为导电体，电荷无法自由移动，物体分离后仍各自维持原有之电荷，则静电因此而产生。在一般作业程序中可能会产生静电之物理方式非常多，举例如下可能有：（1）人员穿著绝缘协走过尼龙地板或塑胶地板（2）不导电液体自储槽上端金属管线流出喷洒而下（3）不导电液体或粉末在玻璃或塑胶管线中传送（4）粉末由塑胶袋中倒出（5）与地面绝缘的储槽充填后储槽外壳与地面间，及储槽内发生放电现象….等。而静电能够引起各种危害之根本原因在于静电之放电火花具有点燃引火的能量。其大小可用下列公式表示之：
        WH =0.5CV2 （焦耳）
        静电火花能量必须大于爆炸性混合物引燃时所需之最小能量（MIE）如表五说明，因此它常常成为引起火灾爆炸之能源。通常要引燃粉尘爆炸所需要的最小能量远高于引燃气体爆炸时所需之最小能量。许多易燃性气体或蒸气其最小引火能量约为0.009~7mJ。一般以放电能量小于最小点火能量之四分之一为较安全的防范基准。