胡冠華

工業技術研究院

環境與安全衛生技術發展中心 研究員

摘要：

湖口新竹工業區福國化工廠於今年五月十八日下午發生爆炸火災，影響所及廣達一公里，造成一名人員死亡，一百一十二位人員受傷，四十餘家工廠受到波及，損失估計達數億元，此一事件說明了國內中小型化工廠對於失控反應預防認知的不足與可能造成火災爆炸嚴重後果知識的缺乏，為以往化工廠火災爆炸預防工作的盲點。

進行製程危害評估，將可掌握工廠中可能發生危害的重點區域，才能確實的檢討與改善。而進行後果分析與擴散模擬，將可得知在失控情況下，最嚴重的後果情形 ( 火災、爆炸、毒性物質擴散等  )， 如此便可評估是否應加裝防治設備 ( 監測、排放收集、防爆牆、應變替施等 ) ，以增進工廠的安全性。從火災爆炸可能發生的源頭來瞭解與管制，才是確保化工廠製程安全的根本方法。

一、 前言

湖口新竹工業區福國化工廠於今年五月十八日下午一時三十分許發生爆炸火災，引起熊熊大火，消防人員經過三個小時後始完全撲滅。由於爆炸威力強大，震壞方圓一公里內的廠房及商家的玻璃門窗，也造成一名相鄰公司的外勞死亡，一百一十二位人員受傷，四十餘家工廠受到波及，損失估計在數億元間。

   此次福國化工廠災害疑似起因於六噸反應槽操作時  ，  聚合放熱反應溫度夫控，造成大量物質外洩，可燃性蒸汽佈滿整個廠房，遇到火源而起火爆炸，之後又引燃數座反應槽與儲槽而連續發生數度爆炸，此事件突顯出工廠對於失控反應之預防與保護應變措施上之不足。據稱此六噸反應槽內當天所添加的化學品可能有大量之甲醇  (Methanol)與丙烯酸甲脂(MA)，另外加有中量的異丙醇  (IPA)與甲基丙烯酸 (MAA)、丙烯酸(AA)，少量的丙烯晴(AN)及微量的過氧化二苯甲醯 (BPO)等。原本製程反應控制溫度為 60~65 ℃左右，但據稱當天反應失控時，溫度一度上升至80~90℃，隨後即引起爆炸火災。

從以往壓克力樹脂製程的事故案例中可以瞭解到【 1~4 】：反應物中如 MA、AA與 MAA等均為丙烯酸系列物質，相當活潑，當遇到過氧化物、強酸、強鹼、或是鐵離子，均可能引發劇烈聚合，而放出大量熱量 。而 BPO 為過氧化物，加熱到75℃~100℃時會發生熱分解反應，亦可能放出大量熱量。此次反應失控意外的主要原因，可推斷出有下列幾種可能性：

1.  冷卻器失誤，致冷卻能力不足，溶劑不斷被蒸發逸出，致使反應物濃度逐漸增大、加速反應速度造成溫度升高，最終導致劇烈反應而失控。

2. 反應物被污染，加料中或物料中不慎受酸 、鹼或鐵離子等催化性物質影響而未查知，導致丙烯酸等反應物單體進行劇烈的聚合反應導致失控。

3. 進料次序或是加料量錯誤 ， 丙烯酸等反應物單體與 BPO 進行劇烈的聚合反應，放出過多的熱量無法順利移除，使反應器溫度上升，導致失控。

當溫度異常發生時，由於反應製程的安全設計不足且廠方人員對於製程反應失控情境的不夠瞭解，因而未能及時應變，使得原先設計的緊急冷卻措施失效，導致反應容器內之可燃性與毒性物質幾乎完全蒸發外逸，充滿於整個廠房，方才造成蒸汽爆炸的嚴重後果。

二、 製程危害分析與火災爆炸預防

失控反應有時牽涉複雜之放熱反應  ， 必須對於原物料、 中間物、產物、起始劑、觸媒等之放熱量與熱穩定性，透過適當儀器之量測出量化的數據，對於反應時之操作溫度壓力條件、加料量、加料順序與可能之異常狀況亦需進行模擬測試，以獲得確切之溫度與壓力上升狀況。依此方能夠進行有效之預防、控制與應變設計。例如以預防上而言，則應以本質較安全方向來考量，此可根據測試結果設計反應操作溫度上升到最大反應速率之時間 (T_MR )，能夠較長，如此於反應初期失控時將可有足夠之時間進行反應異常控制；控制上，則應確保溫度壓力有效之量測與控制、正確之進料速度、進料量、員工正確操作、警報設計等；消減應變上，則應評估最糟狀況下之措施，如緊急冷卻、緊急終止 、 緊急排放與收集、緊急卸料 、 緊急抑制、安全連鎖、緊急疏散等【 6 】。火災爆炸與毒性物質外洩，常是製程失控所導致的嚴重後果，要做好火災爆炸的預防工作，除了對於火源、可燃環境與消防隔離措施的落實外，失控反應的瞭解與預防也是不可缺少的重要環節。

勞檢單位於爆炸案發生後專案檢查了與福國化工廠類似的『批式製造接著樹脂類化學工廠』， 在受檢的 84家化工廠中 ，有49家『未訂定化學反應器作業安全標準』，同時在工業局舉辦的『樹脂製造廠商雇主座談會』當中亦有業者表示許多中小型業者多僅瞭解『正常操作程序』而缺乏『異常狀況處理能力』。由此可以瞭解到業界對於失控反應的預防、後果分析與管理應變等重要的工廠安全相關知識的不足，亟待加強。

由於福國化工廠規模並不大，所使用的危險物、有害物之數量並未達到中央主管機關規定數量，依據勞動檢查法第二十六條之規定，並不屬於危險性工作場，因此從未做過製程危害分析，或許這就是許多中小型工廠業界對於失控反應的預防、後果分析與管理應變等重要的工廠安全相關知識缺乏的主要原因。

三、 製程改善與應變管理

造成製程反應偏離的因素有許多，一般而言可大致分為：

1. 化學因素─不安定反應物、中間物、產物、原料、不相容物、自催化與化學知識不足。

2. 物理因素─混合不均、多種不互溶相層。

3. 製程條件因素─進料速率及順序 、反應溫度 、儀器誤差 、設計不當 、溫度控制、冷卻容量、批式進料。

4. 人為因素─人為疏失、不按步驟操作、訓練不夠。

簡言之，失控反應發生關鍵主要在於製程的〝熱累積〞。熱累積的形成則可歸因於反應物質本身的特性及系統冷卻設計問題。圖1.為一般的反應性物質危害評估流程。

國外重大危害物質管制之法規已經走向化學物質災害後果影響分析、量化風險評估與風險管理之趨勢 ， 國內則尚停留於製程危害分析階段 ， 內容與深度明顯不足，頗值得進一步探討。後果分析方面以美國環境保護署的風險管理計畫中有關化學品意外洩放之最嚴重排放事件與可能意外排放事件方面之評估資料為最佳參考；量化風險分析則以歐洲國家普遍使用之量化風險矩陣(risk matrix)與『依據工廠實際可行的狀況下，將風險控制在最低可接受的範圍內 』的觀念為參考 ，如圖  2  所示。

進行製程危害評估，將可掌握工廠中可能發生危害的重點區域，才能確實的檢討與改善。而進行後果分析與擴散模擬，將可得知在失控情況下，最嚴重的後果情形 (火災、爆炸、毒性物質擴散等)，如此便可評估是否應加裝防治設備 ( 監測、排放收集、防爆牆、應變措施等  ) ，以增進工廠的安全性  。 因此不論工廠規模的大小 、新舊 ，能夠從火災爆炸可能發生的源頭來瞭解與管制 ，才是做好火災爆炸預防，確保化工廠製程安全的根本方法。

四、 結論

製程反應異常狀況的分析與深入瞭解是維護製程安全的重要關鍵，藉著製程危害評估與失控反應測試分析，才能確實掌握可能發生的危害重點與其嚴重程度，藉以評估目前製程安全設備與緊急應變設計的有效性  ，  從火災爆炸的源頭來進行管制，確保化工廠的製程操作安全，方能避免類似福國化工廠爆炸事件的再次發生。

五、 參考文獻

1. Levy, L. B., and Penrod, J. D.,〝The Anatomy of an Acrylic Acid Runaway Polymerization〞, Plant/Operations Progress, Vol. 8, No. 2, pp.105-108, 1989.

2. Kirch, L. S., Kargol, J. A., Magee, J. W., and Stuper, W. S., 〝Stability of Acrylic Monomers〞, Plant/Operations Progress, Vol. 7, No. 4, pp.270-274, 1988.

3. Kirch, L. S., Magee, J. W., and Stuper, W. S., 〝Application of the DIERS Methodology to the Study of Runaway Polymerization: Validation of the DIERS Methodology Using Blow-Down Tests〞, Plant/Operations Progress, Vol. 9, No. 1, pp.11-15, 1990.

4. MHIDAS UKAEA(U.K.), Occupational Safety and Health on CD-ROM October 1994.

5. Frank, P. Lees, 〞Loss Prevention in the Process Industries: Hazard Identification, Assessment and Control, 2nd ed., Vol.I-III (1996).

6. 反應化學熱危害評估與應用技術手冊，工研院工安衛中心，2000.