前面讨论各种工艺保护设备,它们可以防止紧急情况发生,或减少发生后果对外界的影响。例如发生应急情况时,打开反应器上泄压阀和启动应急减缓系统,可以有效地控制现场情况。如果应急设备运行正常,紧急情况只会对外界有最小影响,或没有影响。不过,仍然存在采取这些措施仍无法阻止事故发生(如火灾或毒气泄漏)的情况,结果就会影响到工厂自身或周围环境的安全。防止这种情况发生的最后一道防线是实行应急计划。事故的后果和实施应急行动,不仅受到应急小队移动应急设备如消防车、个人防护设备或专用工具的影响,也取决于危险源附近的固定应急设备的情况。此应急设备有喷淋系统,储罐周围防止泄漏的堤坝,或吸收有毒气体的水喷雾系统。
本节讨论一些减弱事故影响的常见固定应急设施。当实际危险发生时,如前所述要考虑的因素有:
有毒气体泄漏
危险液体泄漏
火灾
爆炸
1气体泄漏探测系统
许多气体传感器可用于泄漏气体的早期检测。这些传感器一般都是很精密的仪器,可能要求经常校验和维护,以保证有效使用。否则,这些传感器可能会起反作用。由于它们可能给人一种虚假的安全感,可能事故已发生却没有检测出来。应该在每个泄漏点放置足够的传感器,如果每10度放置一个传感器,就需要36个。此外,传感器不应该放得太远,最大间距是10m。如主导风向相对稳定,传感器主要放在下风向。
这些传感器依赖于几种机制来探测气体,光学传感器依赖于某种气体吸收特定波长光的特性。当气体出现在传感器光线发射源与探测器之间,由于探测器接受到光线数量上减少,输出的电信号就会发生变化。这种传感器常用于汞、臭氧、一氧化碳、氯气和其它类型气体。基于其它原理(荧光、激光散射),光学传感器可用于检测其它气体如二氧化氮、硫化氢、二氧化硫和光气。
其它类型的传感器根据气体在传感器之间被吸收或在传感器表面上发生化学反应而被检测到。反应发生被传感器检测到,由于热辐射如反应是放热,因而温度升高,发生反应或吸收使介质的电阻变化或光学特性改变(例如颜色)。例如空气中烃类可由热线式传感器的线电阻变化而检测出来,因为烃类化合物在导线上燃烧(由线温度催化),释放热增加了导线温度,这样的传感器是很有针对性的,另外还有分别针对某气体的传感器。
此外,人鼻子可检测一些气体如硫醇、硫化氢、丙酮或丁二烯,是十分有效的传感器。很明显尽管人不能像传感器一样工作,可是泄漏物质在很低的气味阈值就能首先被工厂员工发觉。这弥补了检测一些气体泄漏的空白。另一方面,一些毒性很大的物质如硫酸二甲酯、一氧化碳是完全无味的。此外即使氯气或硫化氢泄漏可用嗅觉检测到,但暴露一段时间内也可能已经造成伤害(几分钟)。
2气体泄漏的驱散和吸收系统
一旦发生气体泄漏,必须在离泄漏源很近的距离内采取一切有效措施。通常这些措施分为两类:1)驱散气云,并和空气充分混合,使有毒气体浓度降低(很可能达到无毒程度) 2)使用适当溶剂(通常是水,因为它无毒性和可大量使用)吸收泄漏有毒气体。
如果使用第一种方法,驱散剂只能是另一种流体,一般为水蒸气或水,能产生足够动量以卷入空气,使之与泄放气云充分混合。第二种方法要求吸收剂以小液滴形式扩散开,从而有足够的表面积在短时间内得到很好的吸收效果。因此工业实际中驱散或吸收的方法过程包括:
蒸气幕
水幕
水喷淋
2.1蒸气幕
蒸气幕对于气体更合适,它比空气重,因而需要加热以便可以浮在空气中。经常布置在可能发生泄漏设备周围的5米墙。这墙的主要功能是减少地面重气扩散,在与空气充分混合前防止它蔓延。工作在这个区域的临时人员应该穿戴防护装置。
墙的顶部应该有带小孔管道,在应急时人工或自动启动,从这里可以喷出蒸汽。所有这些喷射先形成一个平面蒸汽喷流,它卷入空气与重气混合。因为蒸汽温度高,自然对流运动使水蒸气、空气和泄漏气体进一步冲稀混合,把气体从地面转移掉。
这种装置的主要缺点是蒸汽消耗量很高,蒸气幕比其它系统如水幕需要更多的能量。由蒸汽幕产生的静电也能点燃混合物,可是如果所有设备正确接地,这种危险应该很小。
2.2水幕
水幕的操作与蒸气幕相似。水有几种功能,就是防止气体在地面扩散,把空气卷入混合,在此过程中吸收部分气体(如果气体是水溶性),对易燃气体云的临时限制非常重要,它在稀释前应该与外部点火源隔离。只有水卷入空气速度大于气云速度,才能有效地把泄漏气体限制在水幕包围内。
如果气体是水溶性的,在此过程中水的吸收有重要作用。利用这种性质可以非常有效的做到浓度削减。水幕中水的消耗是气体泄放量的5倍(重量比)。
2.3水喷淋
水喷淋产生水滴扩散可以有效吸收气体,但是这种方法要求泄漏气体是水溶性的。如果不是这样,吸收作用会很低,喷淋也有助于抑制燃烧。
水喷淋应该把喷嘴放置在泄漏点的下风向。例如氨气根据风速,泄漏点与喷淋之间的推荐距离是下风向15~30m。假设喷嘴在10m之外,这系统可以有效降低15000ppm浓度到200ppm。使用水流量大约是氨气泄漏量的7倍(重量比)。
以上例子,水喷淋只有在泄漏后立即启动才有效。基于此原因,由传感器引发的自动系统更适合控制泄漏。
3液体泄漏的存留系统
工艺设备可能发生易燃或危险物质泄漏,但更常见是储罐的泄漏。引发泄漏的原因有很多,如装料过满从法兰、泵、阀或管路系统的泄漏,结构破损后泄漏(例如裂口)或由于火灾或地震等外部因素造成的大规模失效。为减少这种泄漏和随之而来的火灾后果,这些容器周围可以建围墙或以围堤存留泄漏物质,防止火灾蔓延到其它单元。护堤的容积应该能容纳所有泄漏液体。
有毒物质泄漏也可以部分存留,有时可以全部存留(例如,液氯或液氨)。如果几个容器用同一个堤,存留量一般只按最大容器破损进行考虑,原油储罐是个例外。因为火灾可能发生扬沸, 所以要考虑所有容器损失的情况。
设计精良、维护完善的容器完全失效的可能性很小。此外过去经验表明,大多事故容器破损后,大部分液体仍保留在容器内。此外低沸点易燃液体在大气中会部分膨胀蒸发(闪蒸),这会进一步减少堤内泄漏液体量。
堤的建造材料应该与泄漏物质匹配,塑料衬里有时可以起到很大作用。堤墙应该能承受住液体的静压。围堤内应建有坡度,以减少由于泄漏液体进入火场的可能性。如果出现这种情况,会直接影响到容器。消防操作也会由于有围堤得到极大便利,因为需要使用消防剂(如泡沫)覆盖在液体表面。但是,过高的围堤也会妨碍消防操作。
堤的另一个重要作用是存留泄漏危险物质。在进行进一步处理,如中和、稀释或转移之前,首先要把液体存留起来。存留是很有效的方法。据报道,液氨接触大气立即蒸发的量只占总量的2%,剩余的98%如果有围堤存留原则上仍然可回收。采用泡沫覆盖可以减少蒸发率。另外由于蒸发率与表面积成比例,可以把泄漏液体转移到另一个暴露面积很小的容器内(如一个坑内)。在一些情况下封闭建筑体,这样堤与墙之间的液体表面积只是一个小圈,可是这要求堤墙很高。
围堤应该设有排水系统以排走雨水,因为雨水会侵占存留区,减少有效容积。为防止容留系统无法启动,存留系统应该总是保持关闭。除非在放空操作时,包括主动(如泵)或被动(如排水阀)需要关闭。消防操作中排水阀应该小心控制、逐步打开,以排放一些消防水,避免围堤溢流。此区域工作人员应给予保护,通常设有两个相反逃生路线,备有越过堤墙的走梯。
另一个筑堤的方法是将蓄液区通过沟与储罐相连。泄漏时物料会从储罐流到蓄液区,在那里进行处理。这要求蓄液区容量足够大并且与其它设施隔离开,以防止造成其它危险。这种方法只对易燃物质有效,但对有毒易挥发性物质没用。
4火灾探测系统
很明显,如果能在早期探测到火灾,那么后果有很大不同。在火灾发生前检测出有易燃气体出现,可以起到很好的预防作用。这种探测器主要根据气体性质(如辐射吸收)或对气体在控制条件下气体燃烧反应热(例如传感器内催化燃烧)进行检测。传感器不一定放置在现场,可使用采样系统收集各点的泄漏气体,在中心位置检测样品。采样点的位置要根据气体类型:重气应该在大约0.15m,而轻气大约0.9-1.2m。这些系统一般反应很慢,可能由于管线堵塞而不产生响应。
实际火灾检测器可检测:
火焰
热
烟
火焰探测器利用紫外或红外传感装置。它们反应很快,但易于给出假警报,而且价格很昂贵。现在的许多仪器更实用,能在较差环境中使用,它们的假报警发生率也相对较低。
热传感器是使用最久的探测器。热敏装置有许多种,从温度调节型到易熔线和空气线。最后是感烟探测器,它利用一束光线照在光检测仪上,当烟进入光发射器和接收器之间,光检测器的信号减弱到一定程度就会引发警报。离子化型感烟探测器使用能发射α射线的发射物质来离子化两极之间的空气,使空气变成可导电,产生的烟雾会干扰离子化过程,从而引发警报。与其它类型比较,感烟探测器可以监控相当大的封闭区域。因此在居住区、工业区和建筑中使用较多,可是它们在开放空间内的效力很低。
火灾探测系统可以有多种使用方式。现场探测器只能把警报信号传达给设施附近的人员(例如,在屋内发声烟气报警)。更常见的办法是向中央(控制室)发送火灾紧急的报警信号。操作员有责任采取预定的应急反应行动(例如启动消防系统)。某些情况的报警也作为自动中转给当地消防部门的早期警报。
火灾报警系统也可自动启动火灾防护系统或装置,如喷淋系统、蒸汽幕或干灭火剂。这些系统在迅速抑制火情方面极为有效。潜在的缺点是出现假警报信号,可控制、危害极小的小事件也可能启动所有系统和浪费资源(大量蒸汽或消防水)。选择自动系统必须根据具体情况而定。
5火灾控制和抑制系统
这些系统是向火焰上或保护设备上释放灭火剂或制冷剂来控制火灾。建筑和封闭结构常安装自动或手动喷淋系统保护。这些系统利用水作为灭火剂,需用压力至少1.4×105帕,最好是2.8×105帕。每个喷头能覆盖跃10m2的面积,这些系统可以是“湿式”(有自己的提水系统)或“干式”(要求消防泵与水源、喷淋水管道系统连接以启动)。湿式喷淋系统经常自动受热启动。
工业设备和露天易燃物品储罐与毒气泄漏保护一样常采用喷淋系统保护,这些系统也可自动或人工启动。喷淋管道应该隔热以防止它们受到火灾的影响。设计的喷淋系统不需要完全扑灭火灾,但是必须保证能够冷却容器和控制燃烧。要冷却储罐表面的水量大约是
10L/(m2• min)。完全扑灭易挥发物的火灾有时是有害的。物料没有被燃烧消耗时,可能很容易由于蒸发,被风传送走。如果下风向存在点火源,可能发生爆炸和火球。在这种情况把火灾局限在破坏单元,冷却罐体防止大规模罐破裂(BLEVE)是较为可行的方法。只有当易燃物质供给源被切断后,才能扑灭火灾。
也存在其它可用于完全扑灭火灾的系统。泡沫系统释放出含水泡沫,在火表面覆盖一层来熄灭火灾。泡沫要立刻施用,并且要保持一定速率才有效。大约5L泡沫/(m2•min)可以达到完全扑灭火灾。高膨胀的泡沫喷头可安装在工业设施内部,可像喷淋系统一样被启动。由泡沫淹没引发的损坏通常比用水引起的更小。
也可以固定泡沫喷射系统来保护易燃物储罐,悬顶储罐外部火灾可以用固定式或移动式泡沫系统扑灭。可是,如果很大区域(直径60m)需要使用泡沫,使用常规方法可能无效,因为火焰引起燃烧区上方的湍流会扰动泡沫,阻止它覆盖整个着火区。在这种情况下,在燃烧液下面注入泡沫更为有效,可以把储罐的排放管作为泡沫注入口。
固定和移动式喷枪也能用于储罐区的泡沫系统。常用移动式泡沫喷枪的送率大约为23000L/min在60m距离。固定设施需按有关规定与附近消防站和消防泡沫区供应相连接。
固定火灾抑制设施也可使用许多其它灭火剂。二氧化碳通常在加压或冷冻条件下储存,由固定管道系统来泄放。因为它有窒息作用,这些系统要求在封闭环境内使用,以保护贵重设备。可是这些系统如果自动启动设施,可能极大影响此区域人群。由于高浓度二氧化碳的毒性和大量使用会造成缺氧,因此系统启动前要发出30秒警报信号。
应急中也使用干化学灭火系统,如释放灭火剂如硫酸钾,惰性气体如氮气。这些系统不仅有效,而且使用安全。哈龙灭火剂对抑制燃烧过程十分有效,但对人体有毒。这些试剂只能用于扑灭可燃液体。
6减爆系统
当发生非受限性或某些限制性爆炸时,我们能做的很少;当反应器内发生爆炸,如果压力传感器快速启动,引发抑止系统,爆炸可能还能抑止。建筑的泄爆有助于减轻爆炸后果,这可以通过设置泄爆系统来实现。设计泄放系统需要考虑爆炸类型、喷泄口惯性和泄放过程的最大压力这些因素。
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