于利群

(內(nèi)蒙古消防總隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

●火災(zāi)預(yù)防

某電子工業(yè)潔凈廠房火災(zāi)危險性及防控措施

于利群

(內(nèi)蒙古消防總隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

由于液晶顯示屏生產(chǎn)工藝流程的要求，在其潔凈生產(chǎn)廠房內(nèi)需使用氫氣、三氟化氮、氨氣等特種氣體及異丙醇、丙酮等危險化學(xué)品，存在可燃有毒氣體、液體泄漏引發(fā)火災(zāi)、爆炸和中毒事故的危險。應(yīng)用ALOHA軟件來模擬這些事故后果，分析特種氣體及危險化學(xué)品的火災(zāi)危險性，分析結(jié)果顯示，特種氣體、危險化學(xué)品泄漏所造成的后果較嚴(yán)重。為了保證人員及財產(chǎn)的安全，在加強建筑、工藝、消防設(shè)施方面的安全設(shè)計和消防安全管理方面提出了安全防范措施。

潔凈廠房；特種氣體；危險化學(xué)品；火災(zāi)

0 引言

電子工業(yè)所用氣體的品種多、質(zhì)量要求高，為有別于其他領(lǐng)域應(yīng)用的氣體，人們把這類在電子工業(yè)中用的氣體統(tǒng)稱為電子特種氣體(簡稱特種氣體)，主要應(yīng)用在半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)制造、非晶硅太陽能電池、液晶顯示器件、光導(dǎo)纖維生產(chǎn)四大領(lǐng)域。某液晶顯示屏的生產(chǎn)項目，由于工藝流程需要，在項目生產(chǎn)廠房核心區(qū)需使用硅烷、磷化氫、氫氣、氯氣、三氟化氮、三氯化硼、一氧化二氮、氨氣等特種氣體，主要用作顯示屏清洗劑。核心生產(chǎn)區(qū)除特種氣體外，還存在刻蝕液、光刻膠、稀釋劑、顯影液、正膠剝離液、反膠剝離液、清洗劑、氫氟酸、異丙醇、丙酮等危險化學(xué)品，其中異丙醇和丙酮用量較大。由于丙酮、異丙醇等多種可燃液體及氫氣、氨氣等特種氣體存在泄漏的可能性，可能產(chǎn)生噴射火、蒸氣云爆炸、閃火和中毒等多種事故情景，本文以某電子工業(yè)潔凈廠房為研究對象，利用ALOHA軟件來模擬這些事故后果，分析特種氣體及危險化學(xué)品的火災(zāi)危險性，并根據(jù)分析結(jié)果提出有效的防范措施。

某電子工業(yè)潔凈廠房為我國主要平板顯示產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)基地之一，主要生產(chǎn)中小尺寸LTPS-LCD和中小尺寸基于LTPS背板的AM-OLED。項目生產(chǎn)廠房總建筑面積340 000 m2，建筑高度34.97 m，建筑主體4層，局部5層，建筑耐火等級為一級。生產(chǎn)廠房主要包括辦公區(qū)、核心生產(chǎn)區(qū)、切割生產(chǎn)區(qū)三部分，其中辦公區(qū)為5層、核心區(qū)及其技術(shù)支持區(qū)為4層，切割生產(chǎn)區(qū)及其支持區(qū)為5層。生產(chǎn)廠房核心區(qū)為潔凈廠房，由于電子產(chǎn)品工藝的連續(xù)性以及生產(chǎn)過程的自動化傳輸設(shè)備的需要，生產(chǎn)廠房核心區(qū)潔凈廠房防火分區(qū)的最大允許建筑面積按生產(chǎn)工藝要求確定，共劃分為兩個防火分區(qū)，核心區(qū)一、二層為一個防火分區(qū)，面積為55 438 m2；核心區(qū)三、四層為一個防火分區(qū)，面積為56 030 m2。由于生產(chǎn)工藝的要求，核心區(qū)內(nèi)儲存、輸送、使用丙酮、異丙醇等危險化學(xué)品及氫氣、氨氣等特種氣體，存在發(fā)生火災(zāi)、爆炸及中毒的危險。如何控制危險化學(xué)品及特種氣體的儲存、使用量，最大限度地防止可燃、有毒氣體、液體泄漏事故的發(fā)生，是保證人員安全及安全生產(chǎn)的基本條件。

1 特種氣體和危險化學(xué)品火災(zāi)危險性分析

本文將使用ALOHA軟件對危險化學(xué)品事故后果進行模擬計算。ALOHA中采用高斯模型、DEGADIS重氣擴散模型、蒸氣云爆炸、閃火等成熟的大氣擴散、火災(zāi)、爆炸等模型，可以用來計算危險化學(xué)品泄漏后的毒氣擴散、火災(zāi)、爆炸等產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等。核心生產(chǎn)區(qū)使用的主要危險化學(xué)品和特種氣體為丙酮、異丙醇、氫氣，下面對丙酮、異丙醇、氫氣泄漏可能引發(fā)的火災(zāi)、爆炸和中毒的危險性進行分析。

1.1 丙酮的泄漏

1.1.1 事故后果分析

常溫下丙酮是一種無色、具有強烈芳香氣味的透明液體。以環(huán)境溫度23 ℃進行分析，丙酮管道受撞擊破裂，造成丙酮連續(xù)泄漏，泄漏的丙酮會急速揮發(fā)成丙酮蒸氣，隨大氣流動擴散。若丙酮蒸氣隨風(fēng)擴散過程中未遇到點火源，集聚在地表表面形成蒸氣云團，人和動物吸入或皮膚接觸大量丙酮，則會引起急性和慢性丙酮中毒，從而引發(fā)人員中毒事故。若達(dá)到爆炸下限的丙酮蒸氣云團遇點火源點燃，則可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸。

1.1.2 模擬結(jié)果分析

丙酮在核心廠區(qū)內(nèi)并無固定儲存裝置，是通過管線輸送到核心廠區(qū)，發(fā)生連續(xù)泄漏的丙酮量即為管道內(nèi)殘留液體。經(jīng)計算殘存丙酮液體體積為25 L，考慮到系統(tǒng)反應(yīng)時間，取安全系數(shù)為2，即丙酮泄漏體積取50 L。采用ALOHA進行模擬，輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，得到泄漏時間為52 min，最大平均持續(xù)泄漏流速為837 g·min-1，模擬泄漏量為39.5 kg。

1.1.2.1 蒸氣云爆炸。若丙酮泄漏未被立即點燃，則將在空間擴散，形成蒸氣云。蒸氣云若遇到點火源，就可能發(fā)生爆炸事故。丙酮蒸氣云爆炸的傷害區(qū)域如圖1所示。

從圖1中可以看出，輕度區(qū)(沖擊波超壓>6.90 kPa，玻璃大部分破碎)半徑為10 m。所以，玻璃破壞區(qū)域分布在半徑10 m范圍之內(nèi)。

1.1.2.2 中毒。對于丙酮泄漏的中毒區(qū)域，ALOHA采用的閾值為：重度區(qū)14.8 g·m-3，中度區(qū)8.3 g·m-3，輕度區(qū)0.52 g·m-3。丙酮中毒事故的傷害區(qū)域如圖2所示。

圖1 丙酮泄漏蒸氣云爆炸傷害區(qū)域

圖2 丙酮泄漏中毒事故傷害區(qū)域

從圖2中可以看出，輕度區(qū)半徑達(dá)75 m。此外，模擬結(jié)果還顯示，丙酮泄漏后發(fā)生閃火的重度區(qū)半徑小于10 m，輕度區(qū)半徑11 m。由于丙酮蒸氣量相對較小，該情況下周邊環(huán)境對計算結(jié)果影響較大，閃火傷害區(qū)域的計算結(jié)果可能不精確。

1.2 異丙醇的泄漏

1.2.1 事故后果分析

常溫下異丙醇是一種無色、具有強烈芳香氣味的透明液體。以環(huán)境溫度23 ℃進行分析，異丙醇儲罐受撞擊破裂，泄漏的異丙醇會急速揮發(fā)成異丙醇蒸氣隨大氣流動擴散。若異丙醇蒸氣隨風(fēng)擴散過程中未遇到點火源，集聚在地表表面形成蒸氣云團，人和動物吸入或皮膚接觸大量異丙醇，則會引起急性和慢性異丙醇中毒，從而引發(fā)人員中毒事故。若達(dá)到爆炸下限的異丙醇蒸氣云團遇點火源點燃，則可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸。

1.2.2 模擬結(jié)果分析

核心生產(chǎn)區(qū)內(nèi)設(shè)異丙醇儲存間，儲量為100 L。采用ALOHA進行模擬，選擇瞬間泄漏模式，按事故發(fā)生最不利原則，總泄漏量為100 L。

1.2.2.1 蒸氣云爆炸。若異丙醇泄漏未被立即點燃，則將在空間擴散，形成蒸氣云。若遇到點火源，就可能發(fā)生爆炸事故場景。異丙醇蒸氣云爆炸的傷害區(qū)域如圖3所示。

圖3 異丙醇泄漏蒸氣云爆炸傷害區(qū)域

從圖3中可以看出，中度區(qū)(沖擊波超壓>24.13 kPa，極易造成人員傷亡)半徑為35 m；輕度區(qū)(沖擊波超壓>6.90 kPa，玻璃大部分破碎)半徑為58 m。所以，一旦蒸氣云被引燃發(fā)生爆炸，建筑物破壞和人員嚴(yán)重傷害區(qū)域在35 m之內(nèi)，玻璃破壞區(qū)域分布在58 m范圍之內(nèi)。

1.2.2.2 閃火。若異丙醇泄漏未被立即點燃，則在空間擴散形成蒸氣云。若遇到點火源，沒有發(fā)生爆炸，則可能發(fā)生閃火事故。異丙醇蒸氣云閃火的傷害區(qū)域如圖4所示。

圖4 異丙醇泄漏閃火傷害區(qū)域

從圖4中可以看出，輕度區(qū)即閃火區(qū)(爆炸下限10%，即5.6 g·m-3濃度區(qū)域)分布在泄漏方向120 m。一般認(rèn)為，發(fā)生閃火時，火焰區(qū)域內(nèi)的人員將全部死亡，設(shè)備將全部被燒毀。但在模擬計算參數(shù)的設(shè)定中，假設(shè)異丙醇全部揮發(fā)，并且探測報警和緊急通風(fēng)裝置都不起作用，所以預(yù)測的結(jié)果非常保守。

1.2.2.3 中毒。對于異丙醇泄漏的中毒區(qū)域，ALOHA采用的閾值為：重度區(qū)10.7 g·m-3，中度區(qū)0.67 g·m-3。異丙醇中毒事故的傷害區(qū)域如圖5所示。從圖5中可以看出，重度區(qū)在泄漏方向75 m內(nèi)，中度區(qū)在泄漏方向300 m內(nèi)。

圖5 異丙醇泄漏中毒事故傷害區(qū)域

1.3 氫氣的泄漏

1.3.1 事故后果分析

氫氣在核心生產(chǎn)區(qū)只存在于管線中，極端情況下可能存在噴射擴散火焰和爆炸事故。

1.3.2 模擬結(jié)果分析

氫氣是一種無色無味且密度小于空氣的氣體，極易燃燒。以環(huán)境溫度23 ℃進行分析，氫氣管道受撞擊破裂，管道內(nèi)的氫氣泄漏后隨大氣流動擴散。由于氫氣密度低，集聚在空間上部，上部空間氫氣體積分?jǐn)?shù)升高，若達(dá)到爆炸下限，遇點火源點燃，則可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸。由于氫氣在核心生產(chǎn)區(qū)量較小，考慮極端情況下幾種可燃?xì)怏w同時泄漏，按照危險性最大的氫氣考慮。

1.3.2.1 蒸氣云爆炸。采用ALOHA軟件模擬，選擇氣體源關(guān)閉管道泄漏模式，泄漏時間1 min，最大泄漏速率為0.537 g·s-1，總泄漏量為55.2 g。若H2泄漏未被立即點燃，則將在空間擴散，形成蒸氣云。若遇到點火源，就可能發(fā)生爆炸事故場景。通過分析可以看出，蒸氣云的H2濃度低于關(guān)注水平，不會發(fā)生蒸氣云爆炸。

1.3.2.2 閃火。若H2泄漏未被立即點燃，則在空間擴散形成蒸氣云。若遇到點火源，沒有發(fā)生爆炸，則可能發(fā)生閃火事故。通過分析可以看出，重度區(qū)(爆炸下限60%，即2.14 g·m-3濃度區(qū)域)和輕度區(qū)(爆炸下限10%，即0.36 g·m-3濃度區(qū)域)分布在泄漏方向10 m內(nèi)。

1.4 火災(zāi)危險性分析結(jié)果

1.4.1 對丙酮、異丙醇可能存在的蒸氣云爆炸、中毒和閃火事故進行了模擬計算，蒸氣云爆炸的傷害區(qū)域主要在廠區(qū)，不會對廠外產(chǎn)生較大危害。閃火是由于蒸氣云擴散而引起的，傷害區(qū)域較大，有可能超出廠區(qū)。對于中毒事故，丙酮的危害較小，而異丙醇的危害范圍則較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出廠區(qū)，對周邊將產(chǎn)生影響。

1.4.2 以特種氣體氫氣為例進行了模擬計算，ALOHA軟件計算結(jié)果顯示，蒸氣云的氫氣濃度低于關(guān)注水平，不會發(fā)生蒸氣云爆炸，發(fā)生閃火的重度區(qū)和輕度區(qū)分布在泄漏方向10 m內(nèi)。

1.4.3 通過分析可以看出，生產(chǎn)廠房核心區(qū)的特種氣體、危險化學(xué)品一旦泄漏，將會產(chǎn)生火災(zāi)、爆炸和中毒等事故。這些事故不但可能影響廠區(qū)，甚至可能影響到周邊地區(qū)，產(chǎn)生嚴(yán)重人員傷亡和財產(chǎn)損失。

2 安全防控措施

2.1 建筑防火措施

特種氣體和危險化學(xué)品的儲存間應(yīng)獨立設(shè)置，并應(yīng)與生產(chǎn)廠房保持相應(yīng)的防火間距。生產(chǎn)廠房內(nèi)設(shè)置的特種氣體和危險化學(xué)品中間儲罐靠外墻布置，應(yīng)采用防火墻和耐火極限不低于1.50 h的不燃性樓板與其他部位分隔，其儲量不宜超過一晝夜的需要量。

2.2 工藝防火措施

2.2.1 設(shè)置特種氣體、可燃?xì)怏w及揮發(fā)性有機溶劑泄漏報警偵測及安全控制系統(tǒng)。所有特種氣體、危險化學(xué)品的傳送均設(shè)有監(jiān)控，從站房到閥門箱到特種氣體的氣柜到使用機臺都設(shè)置了各種可燃、有毒、惰性氣體偵測器，同時相應(yīng)設(shè)施的附近環(huán)境也設(shè)置了偵測器，一旦發(fā)生報警，立即啟動報警連鎖裝置、排風(fēng)機，快速切斷上級控制閥門。

2.2.2 設(shè)置超溫、燃燒探測保護裝置。在有毒、可燃?xì)怏w閥門箱與設(shè)備接口箱等處設(shè)有溫度傳感器及報警器，當(dāng)溫度在70 ℃以上持續(xù)5 s后自動關(guān)閉閥門。特種氣體氣柜內(nèi)設(shè)有火焰探測器，當(dāng)氣柜內(nèi)有火焰時立即關(guān)閉氣柜閥門，停止氣柜氣體供應(yīng)。

2.2.3 部分管道(SiH4、BF3、20%PH3)采用雙層管，外層管抽真空并對其真空度進行監(jiān)測，閥門箱內(nèi)設(shè)泄漏探頭、緊急切斷閥和報警連鎖裝置，各重要設(shè)備和地點設(shè)有手動緊急按鈕。

2.2.4 設(shè)置過流量關(guān)閉裝置。當(dāng)特種氣體管線斷裂，氣體泄漏時，裝置啟動，關(guān)閉特種氣體氣柜。

2.2.5 設(shè)置排氣裝置。排氣裝置保證特種氣體儲存氣瓶處于負(fù)壓環(huán)境，如出現(xiàn)氣瓶儲存區(qū)有毒(可燃)氣體外泄，能及時將泄漏氣體排到電子廢氣處理裝置。

2.2.6 設(shè)置可燃、有毒氣體焚燒處理裝置。處理裝置將工藝設(shè)備腔體內(nèi)反應(yīng)后的氣體進行焚燒處理，確保其中可燃、有毒氣體燃燒分解成安全氣體后，再經(jīng)過廠務(wù)廢氣處理裝置處理到環(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)排放。發(fā)生火災(zāi)時，氣體配送閥門切斷，工藝設(shè)備中、廠房內(nèi)管路中的特種氣體吸入到電子廢氣處理裝置，在等離子狀態(tài)下將特種氣體焚燒成無毒的氣體排出。

2.2.7 在火災(zāi)危險性較大的氣柜內(nèi)設(shè)自動噴水滅火系統(tǒng)。在NH3、PH3、SiH4氣柜內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)，當(dāng)氣柜內(nèi)部溫度超過68 ℃時，自動噴水系統(tǒng)動作。

2.2.8 對特種氣體管線、閥門設(shè)置安全防護措施。在系統(tǒng)設(shè)計上對特種氣體管線、閥門等采取了有效的防護措施，以免發(fā)生意外碰撞導(dǎo)致管線或閥門破損。管線方面，在有人員可能到達(dá)的區(qū)域?qū)μ胤N氣體管線周邊設(shè)置防護網(wǎng)、警示標(biāo)志等，禁止人員觸碰；閥門方面，所有閥門均設(shè)置在箱體中，只有專業(yè)工程師才有權(quán)限開啟。

2.3 自動消防設(shè)施

2.3.1 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。生產(chǎn)核心區(qū)設(shè)置了VESDA高靈敏度早期煙霧報警探測系統(tǒng)。鑒于該項目防火分區(qū)按照工藝需求確定的基本前提之一是在關(guān)鍵部位設(shè)置靈敏度嚴(yán)于0.01% obs·m-1的極早期報警系統(tǒng)，本著早發(fā)現(xiàn)早處理的原則，加強極早期報警系統(tǒng)的設(shè)置，在主廠房核心區(qū)下夾層梁底，靠近核心區(qū)中間部位增設(shè)極早期報警探測器，并將探測管引入到工藝層，延伸到有發(fā)生火災(zāi)危險的設(shè)備處。系統(tǒng)為控制中心報警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對全廠的火災(zāi)報警信號的接受，消防設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)控及聯(lián)動控制。

2.3.2 室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)。室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)管道呈環(huán)狀布置，均由廠區(qū)設(shè)置的室內(nèi)消火栓環(huán)狀給水管網(wǎng)引入。室內(nèi)消火栓為DN65單栓口型，水帶DN65，長25 m，水槍φ19。室內(nèi)消火栓布置保證有兩支水槍的充實水柱同時到達(dá)室內(nèi)任何部位。

2.3.3 自動噴水滅火系統(tǒng)。生產(chǎn)廠房核心潔凈生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置自動噴水系統(tǒng)，按預(yù)作用系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計用水流量為60 L·s-1。

2.3.4 火災(zāi)應(yīng)急照明和疏散照明系統(tǒng)。生產(chǎn)廠房設(shè)應(yīng)急照明和疏散照明系統(tǒng)，應(yīng)急電源來自廠區(qū)供電線路，由柴油發(fā)電機供電。消防控制室、潔凈區(qū)安全照明等電源，均接自變電所集中設(shè)置的UPS電源裝置。

2.4 消防安全管理

要加強消防安全管理，制定火災(zāi)和事故應(yīng)急預(yù)案，采取嚴(yán)格的消防安全防護措施，并確保各項消防安全措施有效，才能保證廠房生產(chǎn)的安全運行。針對特種氣體和危險化學(xué)品系統(tǒng)的操作必須兩人同時在場，一人操作一人確認(rèn)，嚴(yán)格執(zhí)行操作步驟，操作人員必須經(jīng)過培訓(xùn)，穿戴適合的個人防護裝置。定期對設(shè)備進行保養(yǎng)，例行性巡檢，對安全裝置如探測器等進行測試，確保完好有效。

3 結(jié)論

主廠房核心區(qū)存在的危險化學(xué)品和特種氣體計算結(jié)果顯示，危險化學(xué)品泄漏所造成的后果較嚴(yán)重。為了保證人員及財產(chǎn)的安全，應(yīng)加強建筑、工藝、消防設(shè)施方面的安全設(shè)計，采取嚴(yán)格的防火分隔措施，限制易燃易爆、有毒物品的儲存量，設(shè)置特種氣體、可燃?xì)怏w及揮發(fā)性有機溶劑泄漏報警偵測及安全控制系統(tǒng)、高靈敏度早期煙霧報警探測系統(tǒng)，設(shè)置自動滅火設(shè)施。同時，要采取防火管理措施，定期維護保養(yǎng)消防設(shè)施，制定滅火和應(yīng)急疏散預(yù)案，定期組織員工開展滅火和應(yīng)急疏散演練，加強消防安全培訓(xùn)。

[1] GB 50016-2006,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2] GB 50073-2001,潔凈廠房設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50472-2008,電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 消防重大火災(zāi)隱患評估與判斷方法研究[R].廊坊:中國人民武裝警察部隊學(xué)院,2009.

[5] 吳立志,郭子?xùn)|.以性能為基礎(chǔ)的建筑重大火災(zāi)隱患判定及整改方法研究[J].建筑科學(xué),2009,25(9):77-81.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

On Special Gases and Hazardous Chemicals in a Clean Production LCD Workshop and Preventive Measures

YU Liqun

(FireCropsofInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot010070,China)

Due to the requirements of the production process of the liquid crystal display, a clean production workshop is supplied with hydrogen, trifluoride nitrogen, ammonia and other special gases and isopropanol, acetone and other hazardous chemicals. The flammable gas and toxic gas and liquid leakage tend to inflict the risk of a fire, explosion or poisoning accident. Using ALOHA software to simulate the consequences of the accident, this paper makes an analysis of the fire risk of a special gas and hazardous chemicals. The analysis results show that the special gases, dangerous chemicals leakage caused by the consequence is serious. In order to ensure the safety of personnel and property, the paper offers some suggestions in terms of the construction, technology, and facility fire safety design and fire safety management.

clean room; special gas; hazardous chemical; fire

2015-05-19

于利群(1967— )，男，河北阜平人，高級工程師。

X932

A

1008-2077(2015)08-0050-05