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火灾爆炸防范对策与危害消减系统 之设计之设计 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 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 5382 5 13 汽油 43 1 4 7 6 丁烷 60 4051 6 8 4 丙烯睛 0 3 0 17 甲基苯烯酸甲酯 10 4211 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 物质名称 mie mie mj 物质名称 mj 氨丙 12 00 三聚氰 500 000 乙酸乙酯 460 煤粉 30 甲烷 310 玉米粉 20 丙烯 270 二碳酸 10 烷 270 聚乙烯 5 氢气 0120 硬脂酸钙 3 10 硫化氢 007 铝粉 1 en us mso fareast language zh tw mso bidi language ar sa 表五 气体 蒸气 粉尘之最小点火能量比较表 为防止静电之产生 其基本消除或抑制静电危害之方法如 下说明 1 添加抗静电剂 2 安装静电消除器 3 静置 4 以其他物质取代 5 降低摩擦速度 6 接地与等电位连结 7 作业环境增湿 8 穿戴导电防护器具 9 中和电荷减少静电累积 10 利用封闭法限制静电之产生 火灾爆炸危害消减系统之设计 火灾爆炸危害消减系统设计之目的 即在于阻隔燃烧爆炸 蔓延至其它设备 图四 物质爆炸危害预防与控制技术发展流程图 爆炸之扩散关键在于火焰之传播而非压力波 因此早期系 将火焰消灭视为阻爆之重要观念 若物质在著火或引爆之前能 够及时侦测 预警 抑制 隔离及紧急排放 则可降低火势燃 烧的蔓延及爆炸破坏的压力 另外值得注意的是爆炸危害有时 并非仅止于气体分解产生所形成之过压 有时亦须防止因热气 体受压力波之压缩而逐渐增加其压力 使爆炸危害程度加剧 故对于管线输送系统或爆炸洩压设计方面 需作适当之设计以 防止爆燃转化为爆轰之情形发生 本节重点以爆炸之爆燃焰抑 制系统设计技术 管线中爆炸阻隔系统设计技术为主 其探讨 范围则包括 抑焰系统之介绍 爆炸抑制系统设计 爆炸隔离 防制设计 洩爆安全设计等 相关应用措施如下表说明 防护措施 物质火灾爆炸特性 惰化处理 爆炸最小需氧浓度 火源消除 最低分解温度 放热起始反应温度 著火温度 衝击敏感度 最小引爆能量 静电危害特性 浓度控制 爆炸 燃烧 下限 危害物取代 燃烧行为 燃烧热 爆炸特性 爆炸隔离 最大爆炸压力 抑爆措施 最大爆炸压力 最大爆压上升速率 洩爆措施 最大爆炸压力 最大爆压上升速率 表六 物质火灾爆炸特性分析应用表 1 抑焰系统之介绍 抑焰系统通常是一种只允许气体穿透而防止火焰穿透之装 置 它可以瞬间急速冷却火焰及可燃物之温度 而使可然性气 体无法在抑焰系统之出口端重新点燃 设备通常设置于可燃性 气体或液体输送管线 溶剂回收系统 储槽通气口等以抑制火 焰继续扩大燃烧 抑焰系统依照其用途及安装位置可分为二种 形式 管线端抑焰系统 管线中抑焰系统 任何形式之抑焰系统都装设有可供气体穿透之防护装备 可以有效的隔离火焰的热能及游离根 这类防护装置通常是由 金属网所构成 有些则需视用途而定 由相关实验得知 抑焰 系统中之防护装置厚度与火焰燃烧速度成正比 若火焰速度及 燃烧越快 则防护设备之厚度则需越大 由于火焰扩散速度无 法藉由公式或物质成分计算得知 因此火焰扩散速度必须经由 实验测试之数据 来决定防护设备之厚度 故抑焰系统规划需 配合製程使用物质特性及其燃烧特性为考量 如火焰来源 走 向 危害形式及危害消减程度等 除设备选用安装规划及维护 保养外 一旦製程设计变更 亦需重新评估抑焰设备规格及安 全功能 相关抑焰设备之规范与测试可参考 ul 525 中爆震抑焰 设备测试标准 或 fm class no 6061 储槽管线之抑焰设备标准 2 爆炸抑制系统之设计 爆炸抑制系统是在爆炸现象发生初期及时侦测并在系统设 备中洩放抑制剂 以防止爆炸蔓延及扩大 在爆炸抑制系统设 计前 必须先了解作业环境中可燃物质之特性 例如 爆炸上 下限 lel uel 最大爆炸压力 pmax 爆炸指数 kst 最大爆压上升速率 dp dt max 物质成分等 爆炸抑制系统 一般是由感知器 抑制器及控制器所组成 一旦当抑制系统之 感知器感应到设备中有温度 压力的变化时 即可预测出是否 有爆炸将要发生 而感知器的类型一般可分为下列四种 升温速率感知器 升压速率感知器 压力感应感知器 紫外线 红外线感知器 但由于气体之传导系数较低 升温速率感知器难以在极短 之时间内反应及作动 故一般较少人使用 而普遍较为一般业 界使用者 为紫外线或红外线感知器及升压速率感知器之爆炸 抑制系统 而抑制器是由多个抑制剂释放装置所组成 爆炸抑 制主要原理是利用爆炸的初期阶段 因压力的上升较缓和 通 常当感知器侦测此阶段的微小压力的变化到爆炸即将发生之间 便作动高速释放阀 以瞬间高于千分之一秒之时间将抑制剂洩 放出来 一个完善的爆炸抑制系统通常于爆炸产生压力达 0 1 bar 时即可作动抑制剂以达到抑制爆炸之效果 此种装置的好处 不只防止装置破裂损坏 同时也把爆炸侷限于装置内 可以避 免爆炸对设备外部的影响 亦可作为适用于处理具毒性的可燃 性物料 或容器上没有多于空间装置洩放口的设备上使用 而 一般爆炸抑制剂成分为 多效能乾粉灭火剂 nh4h2po4 普通乾粉灭火剂 nahco3 水 海龙 halons 替代品 卤化烷化合物 图五 爆炸抑制效果图 3 爆炸隔离防制设计 一般爆炸隔离系统系由感知器 控制阀 与隔离阀所组成 其感应原理与爆炸抑制系统中之感知器原理相同 在此不再重 複说明 而在阻隔防制设计时须考虑二项因素如下 感知器之位置与隔离阀之距离是否合适 应避免感知器 在爆炸阻隔过程中遭到波及毁损 阀的形式及关闭之速度是否适合欲阻隔之爆炸形式或物 质特性 避免因无效之阻隔造成爆炸之扩散 在製程设备中若发生爆炸的话 可能连锁引爆相互连通的 邻近设备 因此在互相连接之管线加装隔离阀 可防止爆炸发 生后产生之火焰传播至其它设备中 以降低火灾爆炸所造成的 连锁效应损失 所以在长度超过一定距离以上的管线可考虑装 设刀型门阀 knife gate valves 此装置为隔离爆震火焰最有 效之阻隔阀 但一般并不适用于粉尘爆炸 粉体製程中常用的 爆炸阻隔设备有旋转阀 快速遮断阀 浮动式阻隔阀等设备 4 洩爆安全设计 洩爆设计乃是利用在密闭容器或设备加装压力洩放装置 pressure relief devices 可于设备发生高于设定压力的爆压 时将压力及火焰迅速往没有危害的方向或空间洩放 防止容器 或设备的损坏 此种设计可以比耐爆设计的设备成本降低许多