火灾爆炸防范对策措施与危害消灭系统之设计.docx
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火灾爆炸防范对策措施与危害消灭系统之设计
火災爆炸防範對策與危害消減系統之設計
2002-12-05
在介紹完火災爆炸危害特性評估技術後,本章節則針對目前業界較為缺乏之火災爆炸危害消減技術中之防範對策、早期預警、災害延阻與抑制設計技術,作進一步研究與探討。
火災爆炸危害消減系統乃是有系統地對於製程中物質之火災爆炸特性進行測試與評估,藉以瞭解其燃燒、爆炸危害與等級,進而針對製程特殊需求設計出火災爆炸早期偵測系統及危害控制、消減設施。
消減系統有許多方法可以達成如:
爆炸阻隔設計(ExplosionIsolation)、設備強度強化設計、爆炸壓力洩放設計、火焰傳播阻隔設計及火點擴散抑制等技術…等。
在消減系統設計初期必須注意的是使用物料之著火及爆炸特性,包括閃火點、自燃溫度、最低著火能量、爆炸上下限、最低限氧濃度…等條件(請參閱表三及表四說明),一般可經由前一章節中所介紹之火災爆炸危害特性評估技術測試後得知;或經由物質安全資料表中獲得相關資訊。
但值得注意的是一般常引用文獻中的資料多數之數據資料多在常溫常壓下(1atm;25℃)測得;而一般製程卻在不同之溫度壓力條件下進行操作,故在引用時必須格外謹慎小心。
防火防爆對策
火災燃燒是物質的氧化反應,而在本文前述第三章節火災爆炸與熱傳遞學中有提到物質燃燒之三要素乃燃料(可燃物或易燃物)、氧氣(氧化劑或氧化物)、火源(明火、電弧或熱能),故欲有效防止火災爆炸之發生;就必須防止前述三個條件同時存在的可能性。
首先針對如何防止可燃物或易燃物外洩管控進行探討。
1.可(易)燃性物質外洩管制
可(易)燃性物質一旦不慎由儲存設備或管路閥件中外洩後,如遇到引火源將有可能引發火災及爆炸。
因此為防止可(易)燃物質外洩而引發之火災爆炸應做好下列有效之防制措施:
(1)裝置防溢堤及洩漏偵測器,一旦可燃性物質外洩時便啟動緊急遮斷閥或設備停機;防止可燃性液體繼續外洩,造成危害發生。
(2)降低儲存設備之壓力,以緩和洩漏之速度。
(3)啟動緊急冷卻系統將洩漏之管線急速冷凍。
(4)以特殊防漏填補劑或阻漏探棒封填洩漏源。
(5)於儲存設備上端裝設水霧(watermist)噴灑系統以限制外洩物質之蒸氣揮發擴散範圍。
(6)裝設隔離設備將外洩物質隔離侷限在某一密閉空間內(如氣瓶櫃)以減少外洩物質與空氣或引火源之接觸後,再進行清除之動作。
(7)以泡沫系統噴灑至外洩可燃物質表面,藉此限制其蒸發表面積。
(8)添加低揮發性抑制劑,以降低物質外洩揮發後爆炸之機率。
(9)以氮氣或其他惰性氣體通入可燃性物質儲存設備中,避免空氣進入。
(10)添加抗靜電劑及設備接地,以防止靜電所造成的危害。
2.降低可燃物質之揮發濃度
降低可燃物質之揮發濃度最佳的方法即是限制可燃物質活動的範圍,避免在爆炸(燃燒)上下限中的環境下出現。
加強空氣的對流及循環換氣,避免著火性物質揮發蒸氣聚積,是一般危險性工作場所常用之方法。
但對粉塵而言,因其粒子有沈積現象,且沈積的粉塵可能受作業環境的影響被吹起,故在侷限空間內達到爆炸上下限之濃度,若遇到引火源可能產生危害。
所以,對粉塵作業場所較難施行粉塵濃度控制,惟可以利用清潔或通風換氣方法來減少粉塵的堆積,或採用不易造成粉塵洩漏或飛散的機械設備。
而設置在高危險區之一級(ClassΙ)工作場所,則更須使用符合其作業環境等級之防爆電器,並通入惰性氣體或空氣加壓封蓋以維持正壓;防止著火性蒸氣進入而發生危害。
或請參閱NFPA469-PurgedandPressurizedEnclosuresforElectricEquipment中說明。
3.降低空氣中的氧濃度
將可燃性物質操作或使用環境中氧氣濃度降至該物質之爆炸(燃燒)最低限度以下,即可防止火災或爆炸之發生。
而最有效的方法為使作業系統中先完成真空抽氣程序;使系統在無空氣的環境下變成負壓,再導入惰性氣體,避免系統內殘存易燃性物質蒸氣與外界空氣接觸形成著火性混合氣體,抑制火災爆炸之發生。
而使用惰性氣體防火或抑爆時仍應注意下列事項:
(1)人員防護裝備之安全考量。
(2)系統或設備是否裝置壓力排放裝置,以防止惰性氣體導入後壓力過壓之狀況發生。
(3)惰性氣體導入系統前應經過除濕及過濾之裝置,避免水分及雜質影響產品品質。
(4)如使用鹵化碳氧化合物時則需考慮其對設備管線之腐蝕性影響。
相關惰性氣體之使用、安裝及設計準則;請參閱NFPA69ExplosionProtectionSystem中詳細說明。
物質名稱
閃火點(℃)
自燃溫度(℃)
爆炸下限(空氣百分比)
爆炸上限(空氣百分比)
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
氫氣
-
400
4.0
75
甲醇
12
464
6.0
36
異丙醇
12
455
2.0
12
甲苯
4
536
1.2
7.1
環氧己烷
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
異丁酮
-4
516
1.4
11.4
甲烷
-188
538
5.0
15
物質名稱
最低限氧濃度(%)
物質名稱
最低限氧濃度(%)
丙酮
15.5
鋁粉
2
煤油
14
鐵
11
丁烷
14.5
咖啡
17
乙醚
13
黃豆粉
15
丙烯
14
澱粉
12
乙醚
13
尼龍
13
天然氣
14
聚乙烯
12
氫氣
6
甲基丙烯酸甲酯
11
甲醇
13.5
環氧樹脂
12
表四常見可燃性物質之最低限氧濃度(MOC)
本實驗係以二氧化碳為惰性氣體之實驗,與一般以氮氣為惰性氣體之實驗結果略有不同
4.引火源管理
一般業界對於火焰源、物理及化學引火源、明火及動火作業之管制均有相當程度之認知與了解,在此則不多加以撰述。
本節則以業界在電能引火源中經常忽略之靜電危害作進一步之探討。
靜電是造成一般作業場所或工廠火災爆炸危害的引火源之一,但卻普遍缺乏相關防制措施。
靜電基本上是由二種不同物質接觸後,所產生之表面效應,如二物體均為導電體,電荷可以自由移動,發生分離時正負電荷會互相抵消,二物體接會恢復原狀。
若其中之一為絕緣體,而另一方為導電體,電荷無法自由移動,物體分離後仍各自維持原有之電荷,則靜電因此而產生。
在一般作業程序中可能會產生靜電之物理方式非常多,舉例如下可能有:
(1)人員穿著絕緣協走過尼龍地板或塑膠地板
(2)不導電液體自儲槽上端金屬管線流出噴灑而下(3)不導電液體或粉末在玻璃或塑膠管線中傳送(4)粉末由塑膠袋中倒出(5)與地面絕緣的儲槽充填後儲槽外殼與地面間,及儲槽內發生放電現象….等。
而靜電能夠引起各種危害之根本原因在於靜電之放電火花具有點燃引火的能量。
其大小可用下列公式表示之:
WH=0.5CV2(焦耳)
靜電火花能量必須大於爆炸性混合物引燃時所需之最小能量(MIE)如表五說明,因此它常常成為引起火災爆炸之能源。
通常要引燃粉塵爆炸所需要的最小能量遠高於引燃氣體爆炸時所需之最小能量。
許多易燃性氣體或蒸氣其最小引火能量約為0.009~7mJ。
一般以放電能量小於最小點火能量之四分之一為較安全的防範基準。
物質名稱MIE
MIE(mJ)
物質名稱
(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
氫氣
0120.
硬脂酸鈣
3-10
硫化氫
007
鋁粉
<1
EN-US;mso-fareast-language:
ZH-TW;mso-bidi-language:
AR-SA">表五
氣體、蒸氣、粉塵之最小點火能量比較表
為防止靜電之產生,其基本消除或抑制靜電危害之方法如下說明:
1.添加抗靜電劑。
2.安裝靜電消除器。
3.靜置。
4.以其他物質取代。
5.降低摩擦速度。
6.接地與等電位連結。
7.作業環境增濕。
8.穿戴導電防護器具。
9.中和電荷減少靜電累積。
10.利用封閉法限制靜電之產生。
火災爆炸危害消減系統之設計
火災爆炸危害消減系統設計之目的,即在於阻隔燃燒爆炸蔓延至其它設備,
圖四物質爆炸危害預防與控制技術發展流程圖
爆炸之擴散關鍵在於火焰之傳播而非壓力波,因此早期係將火焰消滅視為阻爆之重要觀念。
若物質在著火或引爆之前能夠及時偵測、預警、抑制、隔離及緊急排放;則可降低火勢燃燒的蔓延及爆炸破壞的壓力。
另外值得注意的是爆炸危害有時並非僅止於氣體分解產生所形成之過壓,有時亦須防止因熱氣體受壓力波之壓縮而逐漸增加其壓力,使爆炸危害程度加劇。
故對於管線輸送系統或爆炸洩壓設計方面,需作適當之設計以防止爆燃轉化為爆轟之情形發生。
本節重點以爆炸之爆燃焰抑制系統設計技術、管線中爆炸阻隔系統設計技術為主,其探討範圍則包括:
抑焰系統之介紹、爆炸抑制系統設計、爆炸隔離防制設計、洩爆安全設計等。
相關應用措施如下表說明:
防護措施
物質火災爆炸特性
惰化處理
爆炸最小需氧濃度
火源消除
最低分解溫度
放熱起始反應溫度
著火溫度
衝擊敏感度
最小引爆能量
靜電危害特性
濃度控制
爆炸(燃燒)下限
危害物取代
燃燒行為,燃燒熱,爆炸特性
爆炸隔離
最大爆炸壓力
抑爆措施
最大爆炸壓力,最大爆壓上升速率
洩爆措施
最大爆炸壓力,最大爆壓上升速率
表六
物質火災爆炸特性分析應用表
1.抑焰系統之介紹
抑焰系統通常是一種只允許氣體穿透而防止火焰穿透之裝置。
它可以瞬間急速冷卻火焰及可燃物之溫度,而使可然性氣體無法在抑焰系統之出口端重新點燃。
設備通常設置於可燃性氣體或液體輸送管線,溶劑回收系統,儲槽通氣口等以抑制火焰繼續擴大燃燒。
抑焰系統依照其用途及安裝位置可分為二種形式:
∙管線端抑焰系統
∙管線中抑焰系統
任何形式之抑焰系統都裝設有可供氣體穿透之防護裝備,可以有效的隔離火焰的熱能及游離根,這類防護裝置通常是由金屬網所構成,有些則需視用途而定。
由相關實驗得知,抑焰系統中之防護裝置厚度與火焰燃燒速度成正比,若火焰速度及燃燒越快,則防護設備之厚度則需越大。
由於火焰擴散速度無法藉由公式或物質成分計算得知;因此火焰擴散速度必須經由實驗測試之數據,來決定防護設備之厚度。
故抑焰系統規劃需配合製程使用物質特性及其燃燒特性為考量,如火焰來源、走向、危害形式及危害消減程度等,除設備選用安裝規劃及維護保養外,一旦製程設計變更,亦需重新評估抑焰設備規格及安全功能。
相關抑焰設備之規範與測試可參考:
UL525中爆震抑焰設備測試標準,或FMClassNo.6061儲槽管線之抑焰設備標準。
2.爆炸抑制系統之設計
爆炸抑制系統是在爆炸現象發生初期及時偵測並在系統設備中洩放抑制劑,以防止爆炸蔓延及擴大。
在爆炸抑制系統設計前,必須先了解作業環境中可燃物質之特性;例如:
爆炸上下限(LEL/UEL)、最大爆炸壓力(Pmax)、爆炸指數(Kst)、最大爆壓上升速率(dP/dt)max、物質成分等。
爆炸抑制系統一般是由感知器、抑制器及控制器所組成。
一旦當抑制系統之感知器感應到設備中有溫度、壓力的變化時;即可預測出是否有爆炸將要發生。
而感知器的類型一般可分為下列四種:
∙升溫速率感知器
∙升壓速率感知器
∙壓力感應感知器
∙紫外線/紅外線感知器
但由於氣體之傳導係數較低,升溫速率感知器難以在極短之時間內反應及作動;故一般較少人使用。
而普遍較為一般業界使用者,為紫外線或紅外線感知器及升壓速率感知器之爆炸抑制系統。
而抑制器是由多個抑制劑釋放裝置所組成,爆炸抑制主要原理是利用爆炸的初期階段,因壓力的上升較緩和,通常當感知器偵測此階段的微小壓力的變化到爆炸即將發生之間;便作動高速釋放閥,以瞬間高於千分之一秒之時間將抑制劑洩放出來,一個完善的爆炸抑制系統通常於爆炸產生壓力達0.1bar時即可作動抑制劑以達到抑制爆炸之效果。
此種裝置的好處,不只防止裝置破裂損壞,同時也把爆炸侷限於裝置內,可以避免爆炸對設備外部的影響,亦可作為適用於處理具毒性的可燃性物料,或容器上沒有多於空間裝置洩放口的設備上使用。
而一般爆炸抑制劑成分為:
∙多效能乾粉滅火劑(NH4H2PO4)
∙普通乾粉滅火劑(NaHCO3))
∙水
∙海龍(Halons)替代品
∙鹵化烷化合物
圖五爆炸抑制效果圖
3.爆炸隔離防制設計
一般爆炸隔離系統係由感知器、控制閥、與隔離閥所組成。
其感應原理與爆炸抑制系統中之感知器原理相同,在此不再重複說明。
而在阻隔防制設計時須考慮二項因素如下:
∙感知器之位置與隔離閥之距離是否合適?
應避免感知器在爆炸阻隔過程中遭到波及毀損。
∙閥的形式及關閉之速度是否適合欲阻隔之爆炸形式或物質特性?
避免因無效之阻隔造成爆炸之擴散。
在製程設備中若發生爆炸的話,可能連鎖引爆相互連通的鄰近設備,因此在互相連接之管線加裝隔離閥,可防止爆炸發生後產生之火焰傳播至其它設備中,以降低火災爆炸所造成的連鎖效應損失,所以在長度超過一定距離以上的管線可考慮裝設刀型門閥(KnifeGateValves),此裝置為隔離爆震火焰最有效之阻隔閥。
但一般並不適用於粉塵爆炸。
粉體製程中常用的爆炸阻隔設備有旋轉閥、快速遮斷閥、浮動式阻隔閥等設備。
4.洩爆安全設計
洩爆設計乃是利用在密閉容器或設備加裝壓力洩放裝置(PressureReliefDevices),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,防止容器或設備的損壞,此種設計可以比耐爆設計的設備成本降低許多;故在此暫不介紹有關耐爆之本質安全設計,但洩爆設計並不適合裝置於處理毒性或腐蝕性物質的設備上,因為此類物質會於洩爆時排放至大氣中造成環境污染的危害。
洩爆裝置的種類有破裂片、洩爆門等形式。
破裂片(RuptureDisc)是於爆炸發生時,薄膜因壓力而破裂。
形式有很多種,包括拉張型、複合型等,通常安裝在洩放閥件上,適用於小型設備,安裝破裂片時須特別注意凹面的朝向及承受的壓力限制。
洩爆門之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來而造成人員傷亡,故常加裝鏈條或磁鐵式、彈簧式的裝置連接,可適用於較大型混合設備。
圖六爆炸產生之壓力變化圖
洩放之面積估算在洩爆設計是很重要的部分,需利用物質之的最大爆壓及最大爆壓上昇速率。
依“CubicLaw”(三次方定律),下列之關係式可以得知相互關係:
(dp/dt)max‧V1/3=const(bar‧m/sec)
(1)式,(dp/dt)max是最大壓力上昇速度(bar/sec),V為容器之容積是(m3)。
由上式計算出物質的爆炸等級,並依容器體積及所要求洩爆後殘餘之最大壓力與最大壓力上升速率來進行洩放面積的估算,爆炸壓力之時間變化曲線之最大斜率(Slope)稱為最大壓力上昇速度(dp/dt)max,此值是抑制裝置設計中最重要的因子。
壓力上昇速度受到爆炸之容器容積大小之影響。
相關其估算方法可參考NFPA69規範計算而得。
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- 火灾 爆炸 防范 对策 措施 危害 消灭 系统 设计