防火防爆安全技術實務
工研院環境與安全衛生技術發展中心經理 林木榮

前言
 
  隨著人類科學文明的蓬勃發展,化學品的使用量也與日劇增,在世界各國不斷的創新研發下,各類新穎的產品,不斷的推陳出新,為人類帶來便利而舒適的生活環境,然而這一切並不如想像中的美好,隨著化學品的大量使用,化學災害事故的發生率,卻也相對的增加。據統計國內工業火災爆炸事件發生頻率每月2∼3件,這些重大的化災事件,除對工廠造成財產嚴重損失外,對人類及環境亦造成許多難以抹滅的社會問題。台灣地狹人綢,環境資源有限,工廠和社區比鄰而居,一旦發生火災爆炸災害,設備損壞、居民圍廠、政府單位要求停工之各種製程中斷損失將是難以估計,因此積極尋求製程安全及危害消減,已成為各企業共同努力的潮流之一。
 
  製程火災爆炸防制的意義,乃是藉由評估物質在製程處理引起火災爆炸的危害機率及影響程度,並提供處理可燃物質時能防止火災爆炸的發生甚或控制火災爆炸影響範圍的工具。所以,進行防火防爆的工作分為兩個大方向,首先利用執行預防火災爆炸的措施避免火災爆炸的發生;並同時配合防護設備的設計與應用,來侷限火災爆炸危害發生的影響,達到可以接受的程度。
 
  在預防的措施中主要依據燃燒現象的構成,需要可燃物、氧氣、火源三要素同時存在,缺一不可的理念來移除任何一要素,使燃燒條件無法達成,便能防止爆炸的發生。在工廠製程中可利用避免可燃源的產生並限制可燃源的濃度不致達到爆炸界限,或利用不活性氣體取代空氣,降低氧氣在製程中的濃度至不能引起火災爆炸的程度,並有效地消除各種著火源。
 
  火災爆炸控制的設計措施乃是依物質的火災爆炸特性在設備結構體上進行改善或加裝防護系統,來達到侷限危害的方法。包括選用能耐受爆炸最大壓力的設備;利用引導爆炸壓力從設計的方向洩放排出,以減低最大爆壓對設備影響;利用抑制劑於爆炸初期發生時的噴灑來防止爆炸的擴大;隔離設計來減弱爆炸傳播的危害。
 

 
一、製程火災爆炸的預防措施:
 
  火災爆炸主要是在可燃物、氧氣、火源三要素同時存在時產生。因此,其預防措施可從三方面著手:
 
1.可燃物的濃度控制
 
  可利用通風設備控制,使可燃物濃度不在爆炸界限內。對粉塵而言,因其粒子會有沈積現象,且沈積的粉塵可能受環境影響被吹揚起,於局部造成達爆炸界限的濃度,所以較難施行粉塵濃度控制,但仍可利用清潔或通風的方法來減少粉塵的堆積,並且採用粉塵洩漏或飛散少的機器設備。
 
2.惰化設計(消除助燃物-氧氣)
 
  當氧的濃度逐漸減低,則物質產生的壓力和壓升速率都逐漸下降,故可利用氮氣(N2)或二氧化碳(CO2)等不活性氣體,將製程中的氧氣濃度減低至限氧濃度(LOC)以下,便可防止火災爆炸的發生,此種設計稱之為惰化設計。有些則利用真空方法來控制氧氣濃度,如真空乾燥設備等,而在進行這類製程的回壓程序時,宜採用不活性氣體進行充填作業,防止爆炸。
 
  進行惰化設計的防護設備,需要氧濃度的偵測器,並宜有自動控制系統,隨著氧濃度的變化控制不活性氣體的充填,維持氧氣濃度在限氧濃度以下。另外,需特別警告作業人員在進入此等設備清潔或維修前,必須先做設備通風和氣體分析,防止人員因氧濃度不足而窒息。
 
3.著火源的預防
 
  工廠著火源一般有電焊、香煙、切割等產生的電氣火花、機械火花、熱表面、赤熱物質、靜電等。於工廠內應嚴禁煙火的,若有明火作業亦應循動火許可制度管理,電氣火花則可應用合適之防爆電器設備防範。
 
a.機械火花
 
   此為一般工廠常見著火源,係經由研磨衝擊或摩擦產生。如設備的金屬零件掉落、研磨設備中經研磨輸送產生火花、或鼓風機葉扇與護罩接觸摩擦。避免機械火花的方法可藉由減低轉動金屬物的速率,選擇合適的機轉設備材料,利用金屬磁性分離器或過濾器,防止其因凹陷與葉扇接觸摩擦產生火源。一般機械火花的產生跟金屬物轉動速率有極密切的關係。轉動的速度愈快摩擦產生的機械火花愈激烈,依經驗,轉動設備之轉動速度(VC)若小於1m/s,一般不會引起物質著火的危害,但若超過10m/s則會有引起著火的危險性,若轉動的速率界於1m/s和10m/s之間則需依處理物質的著火特性,評估是否有引起物質著火的危險性。
 
   當發生局部摩擦的時間過久,致使摩擦部位的面積產生熱量並無法適當地排除,則此摩擦的局部會成一非常高溫的熱表面,形成一個具有較機械火花更強的著火源。
 
b.熱表面
 
   熱表面的能量比機械火花高,一般若物質的最小點火能量小於10mJ則有可能被熱表面與機械火花所引燃,物質的最小點火能只要大於1J即可被引燃,故宜藉由防範設備與檢查,防止因疏忽而造成熱表面。
 
c.粉體蓄熱
 
   粉體處理設備中常因分佈量的不均或物質有黏壁、異常堆積現象,而造成堆積的表面受熱硬化,甚或結痂,內部粉體物質因蓄熱且熱量無法排出,故引起燻煙或自燃起火,成為製程中的火源。故可控制入料或製程處理速率可防止之。
 
d.靜電
 
   靜電火源常易被疏忽,如:製程中於滾輪與輪帶的摩擦;噴嘴或龜裂口等高速噴出液體或氣體;金屬設備被旁邊流體管路所感應;物料卸料等,皆可能產生靜電累積。一般靜電產生的能量與放電形成有電暈放電(Corona discharge),刷狀放電(Brush discharge),大量粉堆放電(Conical Pile discharge),火花放電(Spark discharge),射狀放電(Propagting Brush discharge)。
 
   電暈放電是以放電密度極小的微弱光形成放電,所產生的能量極微弱,並不易引燃物質。刷狀放電主要是由非導體物摩擦產生,為放電密度較大的擴散狀中強光形式放電,最高能量可達數mJ,故可能引燃可燃性氣體或蒸汽及最小點火能量小於3mJ的粉塵,常發生於製程中的過濾介質或塑膠輸送管。大量粉堆放電其放電能量較刷狀放電大,產生的能量可達10mJ,可引燃大部分易燃性氣體或蒸汽及最小點火能量很低的粉體如糖粉、澱粉、玉米澱粉、過氧化物粉塵。可由減低進料速度而避免。射狀放電分離厚度小於8mm在導體層上的橡膠非導體層,其放電能量可達1J。故可引燃大部分氣體、蒸汽與最小點火能量小於1J的粉體。若將設備使用導電材料即可避免。火花放電為放電密度極強的條狀強光,其能量可能產生至1J,故可引燃大部分氣體、蒸汽與最小點火能量小於1J的粉體。
 
   針對靜電危害的防制,工廠可利用設備的接地、操作人員的接地、採用導體設備材料,並儘可能採低速輸送或入料等方式防止。
 
二、製程火災爆炸危害消減
 
  目前化工廠製程中常採用的火災爆炸危害消減設計有:設備耐爆設計、洩爆設計、抑爆設計及爆炸阻隔設備,皆是利用在設備經過火災爆炸防護的設計與改善,於爆炸發生後的短時間內達到控制其火災爆炸危害,以避免人員傷亡與防止設備的損壞,將爆炸危害後果侷限。
 
  一般來說設備的強度有二種界限值,一種為耐壓結構應力,另一種為耐爆結構應力,此耐爆的強度需求是為防止設備因爆壓產生破裂,使危害源洩漏而將危害擴大。一般耐爆的結構強度為耐壓結構強度的1.5倍。
 
1.耐爆設計
 
  耐爆設計即將設備耐壓程度,設計到可耐其運作物質所能產生之最大爆炸壓力。一般粉塵作業製程之耐爆程度,需耐至9bar的壓力,且注意附屬設備容器也應能耐受壓力,否則連接時會發生弱點而破裂。通常此種防護的設備成本高,適用於小型過濾單元、小型流體化床、旋風分離機、旋轉閥和研磨機等。
 
2.洩爆設計
 
  洩爆設計為利用在密閉容器或設備加裝洩放口,可於設備發生高於設定壓力的爆壓時,將壓力及火焰迅速往沒有危害的方向或空間洩放,防止容器或裝置的損壞,此種設計可以比耐壓的設備成本降低許多。但並不適合裝置於處理毒性或腐蝕性物質的設備上。洩爆裝置的種類有破裂片、洩爆門等形式。
 
a.破裂片
 
   是於爆炸發生時,薄膜因壓力而破裂的形成,有圓頂狀拉張型、複合型。安裝破裂片時需特別注意凹面的朝向及承受的壓力限制,有些製程需耐真空的要求。
 
b.洩爆門
 
   這種裝置的洩爆效果可能較破裂片洩放能力弱,所以可藉由加大洩放面積或加強設備強度來改善,另外為防止洩爆門於洩壓時破損或飛射出而造成傷害,常加裝鏈條或磁鐵式、彈簧式的裝置連接。
 
   當設備裝置於密閉室內,常需藉由洩爆導管將爆壓引導,往無危害的大氣中排放。此時需仔細加以考量,容器的耐壓強度應需加大,防止因爆炸於發生後至壓力到洩放口洩放前因聚壓影響使壓力不及洩放口就破壞設備。並且洩爆導管的強度需與設備本體的強度同等,且長度宜短,且不可過分彎曲而成為弱點,若致使爆壓非由排放口洩放便失去洩爆防制設計的功能。
 
   洩放面積的估算在洩爆設計是很重要的部份,需利用物質的最大爆炸壓力(Pmax),最大壓力上升速率(dP/dt)max,依Cubic Law立方定律計算物質的爆炸等級,並依容器體積及所要求洩爆後殘餘的最大壓力(Pred) max與殘餘最大壓力上升速率[(dP/dt)red] max來進行洩放面積的估算。其估算方法可參考NFPA 68規範計算而得。在NFPA 68中己詳細規範氣體、粉體及一般建物所需之洩放面積,故本文不再詳敘。
 
   洩爆雖為爆炸控制消減的一種方法,但不可忽略的是爆炸時其將部分爆壓洩放至設備外,同時物質及燃燒物一併洩放在設備外產生火焰傳播之現象,故不可忽略洩爆火焰的影響。設備洩爆時洩爆口方向附近必受洩放出之壓力及火焰影響。一般洩爆後之火焰長度隨設備體積增加而增加,均勻態粉塵分佈爆炸現象之最長火焰距離估計可達
 
 
   非均勻態粉體分佈爆炸現象則洩爆後火焰長度隨設備體積增加而減少,其最長火焰距離約可達
 
 
   如果設備內為可燃氣體或蒸氣洩爆時,於設備外之最長火焰距離將可達
 
 
   在工廠實際運作配置來參考,很難在其洩爆口方向毫無其他設備或配置。故洩爆後設備外之火焰長度及壓力分佈亦是洩爆安全所需考量的重要項目。(限於篇幅,有關洩放面積及焰長度估算說明請參見本刊網站)
 
3.抑爆設計
 
  爆炸抑制是利用爆炸的初期階段時,緩和壓力的上升,可由檢測器檢出此階段的小壓力,隨後噴射抑制劑抑制爆炸。一個成功的爆炸抑制系統通常於爆炸產生壓力達0.1bar時即可作動抑制劑把最大爆炸壓力減低至設備可耐受的1bar左右(圖1)。此種裝置的好處,不只防止裝置破裂損壞,也把爆炸封閉於裝置內,免除對設備外部的影響,故亦適用於處理具毒性的可燃性物料,或容器上沒有足夠空間裝置洩放口的設備。抑爆系統包括偵測系統、抑制劑與噴灑系統,控制系統三部分。
 
圖1 爆炸抑制系統
 
  偵測系統乃是利用壓力偵測器偵測容器內壓力變化並迅速傳至控制系統由控制系統啟動高速噴灑系統噴出抑制劑,抑制火苗之蔓延與擴大。
 
  目前抑制劑充填有51、201和451三種大小,最大充填壓力為60bar,與容器的連接閥有3/4〞和5〞二種形式。充填之抑制劑有海龍滅火劑、多效能乾粉滅火劑(NH4H2PO4)和普通乾粉滅火劑碳酸氫鈉(NaHCO3),而水的抑制劑較適用於處理殼物和食品粉體的操作設備中。為有效抑制,抑制劑須在極短時間分散於防護設備中,故抑制劑的充填壓力與噴嘴形狀,便是決定其噴灑速率和範圍的因素。抑制劑的數量也是另一個有效抑制的重要因素。抑制劑的數量也是另一個有效抑制的重要因素。如果粉塵分佈為均勻的操作狀態,其所需高速抑制劑裝置的數目(N)需為:
 
  如果粉塵分佈為非均勻的操作狀態,其所需高速抑制劑的數目﹙N﹚約為:
 
  控制系統包括接受偵測器訊號與作動措施的控制命令訊號,通常除了作動抑制噴灑系統外,亦作動其他安全裝置。如隔離設備,緊急應變警報設備和製程自動關斷系統,工廠自動灑水系統。
 
4.爆炸阻隔設計
 
  一般設備內發生爆炸時,可能連鎖引爆以管路連接的相鄰設備,雖然爆炸的擴散是源自火焰的傳播,但可在早期就將火焰消滅、阻隔,防止其傳播至沒有爆炸物質或設備中。所以在長度超過一定距離以上的管線,皆應設有爆炸隔離設備的裝置。至於防止氣體連爆,可在配置中設金屬網、滅焰器,但並不適用於粉體防爆。粉體製程中常用的爆炸阻隔設備有旋轉閥、快速遮斷閥、浮動式阻隔閥與爆炸轉向弱化設備等。
 
  設備容器內有氣體、蒸氣或霧滴存在,可能形成可燃性或可爆性之混合物時,為保護設備安全,應防止容器外的火源進入設備容器內。可在連接設備容器間的管線中間裝設消焰器,來達成阻絕外部火源之效。消焰器是利用熱含量大之材質以細小的區段相互交錯使表面積增加的原理來吸收火焰能量淬熄火焰、以中止熱量傳播至未燃物的安全防護。這種裝置可防止火焰、爆炸或爆轟從外面傳播到設備內部。這些裝置主要是用在儲槽容器的裝設上。亦可應用到設備內部會形成可爆性氣體/空氣、蒸氣/空氣混合物,且設備之間用管線連接的容器。
 
  旋轉閥適用於粉體操作設備,正常操作時粉體旋轉閥轉動而被葉片推送至另一設備中,若其中一設備發生爆炸則旋轉閥可被停止轉動,阻隔火焰的傳播(圖二)。
 
圖2 旋轉閥結構圖
 
  在管路上常藉由滅火阻隔器快速遮斷閥(圖三),浮動式阻隔閥(圖三)的加裝,於感測器感測到火焰產生後50ms內完成立即噴灑滅火劑、作動快速遮斷閥或浮動式阻隔閥,阻隔火焰在管路上的傳播。但浮動式阻隔閥只適用於水平式且粉塵量稀少的管路中,利用爆壓來推動浮球阻隔管路,另有利用偵測訊號來啟動氣瓶推動浮球的阻隔閥,達到阻隔管路的效用。
 
圖3 滅火阻隔器與浮動式阻隔閥
 
  爆炸轉向弱化設備乃利用目前配管方式將爆炸的壓力或火焰方向與物體輸送方向呈相差180的逆向,使得爆炸經轉向後所留下之壓力和火焰變得殘弱而容易控制。
 
結論
 
  火災爆炸災害在每一化工廠之事故中雖非頻繁發生之災害,但此災害發生之後果嚴重性,卻常常是化工廠所難承受的負荷。可燃性物料雖是造成火災或爆炸危害之主角,然此類災害的發生亦須賴作業環境提供不安全之條件,導致易燃性物質發生危害。製程中火災爆炸的發生與物料特性、作業型式以及操作條件有著密切之關係,其危險性亦因製程特性、處理程序與工程設施之相異而不同。火災爆炸防制過程中,首先要對作業環境與製程深入了解,及考量製程操作特性、有無熱量平衡問題、曾發生過之虛驚與意外事件,合理並有效地將該製程可能發生之潛在火源辨識出,以及充分掌握物料之基本火災爆炸特性。同時,亦可應用各種危害防護措施與須求之物質火災爆炸特性對照表(表1)配合製程特性規劃出適當之預防與控制措施。更可藉此進行爆炸防護措施之設定與設計,在災害發生時能將危害度降至最低並將其控制在可預期之範圍內。在本文已探討如何對一具有潛在火災爆炸危害之製程進行預防與控制措施,將災害消弭於無形或控制其嚴重度於可接受之範圍內,以有效達成保障作業人員之安全與避免設備損毀等目的。
 
  期望藉由本文之介紹冀望能對相關學校實驗室、試驗工廠或是業者等在火災爆炸危害預防與控制措施之認知與選用有所助益。
 
表1 物質火災爆炸防護應用表
 
 

  環安ABC:何謂「「LOC」?請上本網站查詢。

  回主目錄回本期報導