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火灾爆炸防范对策与危害消减系统之设计

  
评论: 更新日期:2014年01月19日

        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;故在此暂不介绍有关耐爆之本质安全设计,但洩爆设计并不适合装置于处理毒性或腐蚀性物质的设备上,因为此类物质会于洩爆时排放至大气中造成环境污染的危害。洩爆装置的种类有破裂片、洩爆门等形式。破裂片 (Rupture Disc)是于爆炸发生时,薄膜因压力而破裂。形式有很多种,包括拉张型、複合型等,通常安装在洩放阀件上,适用于小型设备,安装破裂片时须特别注意凹面的朝向及承受的压力限制。洩爆门之洩爆效果可能较破裂片洩放能力弱,所以可藉由加大洩放面积或加强设备强度来改善,另外为防止洩爆门于洩压时破损或飞射出来而造成人员伤亡,故常加装链条或磁铁式、弹簧式的装置连接,可适用于较大型混合设备。
        图六 爆炸产生之压力变化图
        洩放之面积估算在洩爆设计是很重要的部分,需利用物质之的最大爆压及最大爆压上昇速率。依“Cubic Law”(三次方定律),下列之关系式可以得知相互关系:
        (dp/dt)max?V1/3=const(bar?m/sec)
        (1)式,(dp/dt)max是最大压力上昇速度(bar/sec),V为容器之容积是(m3)。
        由上式计算出物质的爆炸等级,并依容器体积及所要求洩爆后残馀之最大压力与最大压力上升速率来进行洩放面积的估算,爆炸压力之时间变化曲线之最大斜率(Slope)称为最大压力上昇速度(dp/dt)max,此值是抑制装置设计中最重要的因子。压力上昇速度受到爆炸之容器容积大小之影响。相关其估算方法可参考NFPA 69规范计算而得。
       

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