某电子工业洁净厂房火灾危险性及防控措施

于利群

(内蒙古消防总队，内蒙古 呼和浩特 010070)

●火灾预防

某电子工业洁净厂房火灾危险性及防控措施

于利群

(内蒙古消防总队，内蒙古 呼和浩特 010070)

由于液晶显示屏生产工艺流程的要求，在其洁净生产厂房内需使用氢气、三氟化氮、氨气等特种气体及异丙醇、丙酮等危险化学品，存在可燃有毒气体、液体泄漏引发火灾、爆炸和中毒事故的危险。应用ALOHA软件来模拟这些事故后果，分析特种气体及危险化学品的火灾危险性，分析结果显示，特种气体、危险化学品泄漏所造成的后果较严重。为了保证人员及财产的安全，在加强建筑、工艺、消防设施方面的安全设计和消防安全管理方面提出了安全防范措施。

洁净厂房；特种气体；危险化学品；火灾

0 引言

电子工业所用气体的品种多、质量要求高，为有别于其他领域应用的气体，人们把这类在电子工业中用的气体统称为电子特种气体(简称特种气体)，主要应用在半导体集成电路生产制造、非晶硅太阳能电池、液晶显示器件、光导纤维生产四大领域。某液晶显示屏的生产项目，由于工艺流程需要，在项目生产厂房核心区需使用硅烷、磷化氢、氢气、氯气、三氟化氮、三氯化硼、一氧化二氮、氨气等特种气体，主要用作显示屏清洗剂。核心生产区除特种气体外，还存在刻蚀液、光刻胶、稀释剂、显影液、正胶剥离液、反胶剥离液、清洗剂、氢氟酸、异丙醇、丙酮等危险化学品，其中异丙醇和丙酮用量较大。由于丙酮、异丙醇等多种可燃液体及氢气、氨气等特种气体存在泄漏的可能性，可能产生喷射火、蒸气云爆炸、闪火和中毒等多种事故情景，本文以某电子工业洁净厂房为研究对象，利用ALOHA软件来模拟这些事故后果，分析特种气体及危险化学品的火灾危险性，并根据分析结果提出有效的防范措施。

某电子工业洁净厂房为我国主要平板显示产业生产基地之一，主要生产中小尺寸LTPS-LCD和中小尺寸基于LTPS背板的AM-OLED。项目生产厂房总建筑面积340 000 m2，建筑高度34.97 m，建筑主体4层，局部5层，建筑耐火等级为一级。生产厂房主要包括办公区、核心生产区、切割生产区三部分，其中办公区为5层、核心区及其技术支持区为4层，切割生产区及其支持区为5层。生产厂房核心区为洁净厂房，由于电子产品工艺的连续性以及生产过程的自动化传输设备的需要，生产厂房核心区洁净厂房防火分区的最大允许建筑面积按生产工艺要求确定，共划分为两个防火分区，核心区一、二层为一个防火分区，面积为55 438 m2；核心区三、四层为一个防火分区，面积为56 030 m2。由于生产工艺的要求，核心区内储存、输送、使用丙酮、异丙醇等危险化学品及氢气、氨气等特种气体，存在发生火灾、爆炸及中毒的危险。如何控制危险化学品及特种气体的储存、使用量，最大限度地防止可燃、有毒气体、液体泄漏事故的发生，是保证人员安全及安全生产的基本条件。

1 特种气体和危险化学品火灾危险性分析

本文将使用ALOHA软件对危险化学品事故后果进行模拟计算。ALOHA中采用高斯模型、DEGADIS重气扩散模型、蒸气云爆炸、闪火等成熟的大气扩散、火灾、爆炸等模型，可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。核心生产区使用的主要危险化学品和特种气体为丙酮、异丙醇、氢气，下面对丙酮、异丙醇、氢气泄漏可能引发的火灾、爆炸和中毒的危险性进行分析。

1.1 丙酮的泄漏

1.1.1 事故后果分析

常温下丙酮是一种无色、具有强烈芳香气味的透明液体。以环境温度23 ℃进行分析，丙酮管道受撞击破裂，造成丙酮连续泄漏，泄漏的丙酮会急速挥发成丙酮蒸气，随大气流动扩散。若丙酮蒸气随风扩散过程中未遇到点火源，集聚在地表表面形成蒸气云团，人和动物吸入或皮肤接触大量丙酮，则会引起急性和慢性丙酮中毒，从而引发人员中毒事故。若达到爆炸下限的丙酮蒸气云团遇点火源点燃，则可能引发闪火或蒸气云爆炸。

1.1.2 模拟结果分析

丙酮在核心厂区内并无固定储存装置，是通过管线输送到核心厂区，发生连续泄漏的丙酮量即为管道内残留液体。经计算残存丙酮液体体积为25 L，考虑到系统反应时间，取安全系数为2，即丙酮泄漏体积取50 L。采用ALOHA进行模拟，输入参数数据，得到泄漏时间为52 min，最大平均持续泄漏流速为837 g·min-1，模拟泄漏量为39.5 kg。

1.1.2.1 蒸气云爆炸。若丙酮泄漏未被立即点燃，则将在空间扩散，形成蒸气云。蒸气云若遇到点火源，就可能发生爆炸事故。丙酮蒸气云爆炸的伤害区域如图1所示。

从图1中可以看出，轻度区(冲击波超压>6.90 kPa，玻璃大部分破碎)半径为10 m。所以，玻璃破坏区域分布在半径10 m范围之内。

1.1.2.2 中毒。对于丙酮泄漏的中毒区域，ALOHA采用的阈值为：重度区14.8 g·m-3，中度区8.3 g·m-3，轻度区0.52 g·m-3。丙酮中毒事故的伤害区域如图2所示。

图1 丙酮泄漏蒸气云爆炸伤害区域

图2 丙酮泄漏中毒事故伤害区域

从图2中可以看出，轻度区半径达75 m。此外，模拟结果还显示，丙酮泄漏后发生闪火的重度区半径小于10 m，轻度区半径11 m。由于丙酮蒸气量相对较小，该情况下周边环境对计算结果影响较大，闪火伤害区域的计算结果可能不精确。

1.2 异丙醇的泄漏

1.2.1 事故后果分析

常温下异丙醇是一种无色、具有强烈芳香气味的透明液体。以环境温度23 ℃进行分析，异丙醇储罐受撞击破裂，泄漏的异丙醇会急速挥发成异丙醇蒸气随大气流动扩散。若异丙醇蒸气随风扩散过程中未遇到点火源，集聚在地表表面形成蒸气云团，人和动物吸入或皮肤接触大量异丙醇，则会引起急性和慢性异丙醇中毒，从而引发人员中毒事故。若达到爆炸下限的异丙醇蒸气云团遇点火源点燃，则可能引发闪火或蒸气云爆炸。

1.2.2 模拟结果分析

核心生产区内设异丙醇储存间，储量为100 L。采用ALOHA进行模拟，选择瞬间泄漏模式，按事故发生最不利原则，总泄漏量为100 L。

1.2.2.1 蒸气云爆炸。若异丙醇泄漏未被立即点燃，则将在空间扩散，形成蒸气云。若遇到点火源，就可能发生爆炸事故场景。异丙醇蒸气云爆炸的伤害区域如图3所示。

图3 异丙醇泄漏蒸气云爆炸伤害区域

从图3中可以看出，中度区(冲击波超压>24.13 kPa，极易造成人员伤亡)半径为35 m；轻度区(冲击波超压>6.90 kPa，玻璃大部分破碎)半径为58 m。所以，一旦蒸气云被引燃发生爆炸，建筑物破坏和人员严重伤害区域在35 m之内，玻璃破坏区域分布在58 m范围之内。

1.2.2.2 闪火。若异丙醇泄漏未被立即点燃，则在空间扩散形成蒸气云。若遇到点火源，没有发生爆炸，则可能发生闪火事故。异丙醇蒸气云闪火的伤害区域如图4所示。

图4 异丙醇泄漏闪火伤害区域

从图4中可以看出，轻度区即闪火区(爆炸下限10%，即5.6 g·m-3浓度区域)分布在泄漏方向120 m。一般认为，发生闪火时，火焰区域内的人员将全部死亡，设备将全部被烧毁。但在模拟计算参数的设定中，假设异丙醇全部挥发，并且探测报警和紧急通风装置都不起作用，所以预测的结果非常保守。

1.2.2.3 中毒。对于异丙醇泄漏的中毒区域，ALOHA采用的阈值为：重度区10.7 g·m-3，中度区0.67 g·m-3。异丙醇中毒事故的伤害区域如图5所示。从图5中可以看出，重度区在泄漏方向75 m内，中度区在泄漏方向300 m内。

图5 异丙醇泄漏中毒事故伤害区域

1.3 氢气的泄漏

1.3.1 事故后果分析

氢气在核心生产区只存在于管线中，极端情况下可能存在喷射扩散火焰和爆炸事故。

1.3.2 模拟结果分析

氢气是一种无色无味且密度小于空气的气体，极易燃烧。以环境温度23 ℃进行分析，氢气管道受撞击破裂，管道内的氢气泄漏后随大气流动扩散。由于氢气密度低，集聚在空间上部，上部空间氢气体积分数升高，若达到爆炸下限，遇点火源点燃，则可能引发闪火或蒸气云爆炸。由于氢气在核心生产区量较小，考虑极端情况下几种可燃气体同时泄漏，按照危险性最大的氢气考虑。

1.3.2.1 蒸气云爆炸。采用ALOHA软件模拟，选择气体源关闭管道泄漏模式，泄漏时间1 min，最大泄漏速率为0.537 g·s-1，总泄漏量为55.2 g。若H2泄漏未被立即点燃，则将在空间扩散，形成蒸气云。若遇到点火源，就可能发生爆炸事故场景。通过分析可以看出，蒸气云的H2浓度低于关注水平，不会发生蒸气云爆炸。

1.3.2.2 闪火。若H2泄漏未被立即点燃，则在空间扩散形成蒸气云。若遇到点火源，没有发生爆炸，则可能发生闪火事故。通过分析可以看出，重度区(爆炸下限60%，即2.14 g·m-3浓度区域)和轻度区(爆炸下限10%，即0.36 g·m-3浓度区域)分布在泄漏方向10 m内。

1.4 火灾危险性分析结果

1.4.1 对丙酮、异丙醇可能存在的蒸气云爆炸、中毒和闪火事故进行了模拟计算，蒸气云爆炸的伤害区域主要在厂区，不会对厂外产生较大危害。闪火是由于蒸气云扩散而引起的，伤害区域较大，有可能超出厂区。对于中毒事故，丙酮的危害较小，而异丙醇的危害范围则较大，远远超出厂区，对周边将产生影响。

1.4.2 以特种气体氢气为例进行了模拟计算，ALOHA软件计算结果显示，蒸气云的氢气浓度低于关注水平，不会发生蒸气云爆炸，发生闪火的重度区和轻度区分布在泄漏方向10 m内。

1.4.3 通过分析可以看出，生产厂房核心区的特种气体、危险化学品一旦泄漏，将会产生火灾、爆炸和中毒等事故。这些事故不但可能影响厂区，甚至可能影响到周边地区，产生严重人员伤亡和财产损失。

2 安全防控措施

2.1 建筑防火措施

特种气体和危险化学品的储存间应独立设置，并应与生产厂房保持相应的防火间距。生产厂房内设置的特种气体和危险化学品中间储罐靠外墙布置，应采用防火墙和耐火极限不低于1.50 h的不燃性楼板与其他部位分隔，其储量不宜超过一昼夜的需要量。

2.2 工艺防火措施

2.2.1 设置特种气体、可燃气体及挥发性有机溶剂泄漏报警侦测及安全控制系统。所有特种气体、危险化学品的传送均设有监控，从站房到阀门箱到特种气体的气柜到使用机台都设置了各种可燃、有毒、惰性气体侦测器，同时相应设施的附近环境也设置了侦测器，一旦发生报警，立即启动报警连锁装置、排风机，快速切断上级控制阀门。

2.2.2 设置超温、燃烧探测保护装置。在有毒、可燃气体阀门箱与设备接口箱等处设有温度传感器及报警器，当温度在70 ℃以上持续5 s后自动关闭阀门。特种气体气柜内设有火焰探测器，当气柜内有火焰时立即关闭气柜阀门，停止气柜气体供应。

2.2.3 部分管道(SiH4、BF3、20%PH3)采用双层管，外层管抽真空并对其真空度进行监测，阀门箱内设泄漏探头、紧急切断阀和报警连锁装置，各重要设备和地点设有手动紧急按钮。

2.2.4 设置过流量关闭装置。当特种气体管线断裂，气体泄漏时，装置启动，关闭特种气体气柜。

2.2.5 设置排气装置。排气装置保证特种气体储存气瓶处于负压环境，如出现气瓶储存区有毒(可燃)气体外泄，能及时将泄漏气体排到电子废气处理装置。

2.2.6 设置可燃、有毒气体焚烧处理装置。处理装置将工艺设备腔体内反应后的气体进行焚烧处理，确保其中可燃、有毒气体燃烧分解成安全气体后，再经过厂务废气处理装置处理到环保要求标准排放。发生火灾时，气体配送阀门切断，工艺设备中、厂房内管路中的特种气体吸入到电子废气处理装置，在等离子状态下将特种气体焚烧成无毒的气体排出。

2.2.7 在火灾危险性较大的气柜内设自动喷水灭火系统。在NH3、PH3、SiH4气柜内设置自动喷水灭火系统，当气柜内部温度超过68 ℃时，自动喷水系统动作。

2.2.8 对特种气体管线、阀门设置安全防护措施。在系统设计上对特种气体管线、阀门等采取了有效的防护措施，以免发生意外碰撞导致管线或阀门破损。管线方面，在有人员可能到达的区域对特种气体管线周边设置防护网、警示标志等，禁止人员触碰；阀门方面，所有阀门均设置在箱体中，只有专业工程师才有权限开启。

2.3 自动消防设施

2.3.1 火灾自动报警系统。生产核心区设置了VESDA高灵敏度早期烟雾报警探测系统。鉴于该项目防火分区按照工艺需求确定的基本前提之一是在关键部位设置灵敏度严于0.01% obs·m-1的极早期报警系统，本着早发现早处理的原则，加强极早期报警系统的设置，在主厂房核心区下夹层梁底，靠近核心区中间部位增设极早期报警探测器，并将探测管引入到工艺层，延伸到有发生火灾危险的设备处。系统为控制中心报警系统，能够实现对全厂的火灾报警信号的接受，消防设施的状态监控及联动控制。

2.3.2 室内消火栓给水系统。室内消火栓给水系统管道呈环状布置，均由厂区设置的室内消火栓环状给水管网引入。室内消火栓为DN65单栓口型，水带DN65，长25 m，水枪φ19。室内消火栓布置保证有两支水枪的充实水柱同时到达室内任何部位。

2.3.3 自动喷水灭火系统。生产厂房核心洁净生产区域设置自动喷水系统，按预作用系统设计，设计用水流量为60 L·s-1。

2.3.4 火灾应急照明和疏散照明系统。生产厂房设应急照明和疏散照明系统，应急电源来自厂区供电线路，由柴油发电机供电。消防控制室、洁净区安全照明等电源，均接自变电所集中设置的UPS电源装置。

2.4 消防安全管理

要加强消防安全管理，制定火灾和事故应急预案，采取严格的消防安全防护措施，并确保各项消防安全措施有效，才能保证厂房生产的安全运行。针对特种气体和危险化学品系统的操作必须两人同时在场，一人操作一人确认，严格执行操作步骤，操作人员必须经过培训，穿戴适合的个人防护装置。定期对设备进行保养，例行性巡检，对安全装置如探测器等进行测试，确保完好有效。

3 结论

主厂房核心区存在的危险化学品和特种气体计算结果显示，危险化学品泄漏所造成的后果较严重。为了保证人员及财产的安全，应加强建筑、工艺、消防设施方面的安全设计，采取严格的防火分隔措施，限制易燃易爆、有毒物品的储存量，设置特种气体、可燃气体及挥发性有机溶剂泄漏报警侦测及安全控制系统、高灵敏度早期烟雾报警探测系统，设置自动灭火设施。同时，要采取防火管理措施，定期维护保养消防设施，制定灭火和应急疏散预案，定期组织员工开展灭火和应急疏散演练，加强消防安全培训。

[1] GB 50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[2] GB 50073-2001,洁净厂房设计规范[S].

[3] GB 50472-2008,电子工业洁净厂房设计规范[S].

[4] 消防重大火灾隐患评估与判断方法研究[R].廊坊:中国人民武装警察部队学院,2009.

[5] 吴立志,郭子东.以性能为基础的建筑重大火灾隐患判定及整改方法研究[J].建筑科学,2009,25(9):77-81.

(责任编辑 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，高级工程师。

X932

A

1008-2077(2015)08-0050-05