เพลิงไหม้ที่เกิดจากการใช้ inert gas blanketing MO Memoir : Thursday 16 July 2563

การใช้ไนโตรเจน (หรือแก๊สเฉื่อยตัวอื่นเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ ในบางกรณี) ในการป้องกันไม่ให้อากาศเข้ามาผสมกับไอเชื้อเพลิงที่อยู่ในระบบ (ที่อาจเป็น pressure vessel, storate tank, ระบบท่อ ฯลฯ) เป็นวิธีการมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการระเบิด (ที่เรียกว่า blanketing) แต่การทำเช่นนี้ก็มีข้อพีงระวังคืออันตรายจากการขาดอากาศหายใจในกรณีที่ต้องทำการซ่อมบำรุงอุปกรณ์ที่มีแก๊สเฉื่อยเหล่านี้อยู่ภายใน ซึ่งมีรายงานออกมาให้เห็นอยู่เสมอ

   

ไฮโดรเจนซัลไฟล์ (H₂S) เป็นแก๊สที่มีความเป็นพิษตัวหนึ่ง ที่ทำให้ผู้สูดดมเข้าไปนั้นเสียชีวิตได้แม้ว่าในบริเวณนั้นจะมีออกซิเจนมากเพียงพอต่อการหายใจก็ตาม แก๊สนี้เป็นแก๊สที่สามารถติดไฟได้ แต่โดยทั่วไปเราจะไม่เห็นอุบัติเหตุการระเบิดหรือเพลิงไหม้ที่เกิดจากแก๊สชนิดนี้ เพราะมักเป็นแก๊สที่มีความเข้มข้นต่ำที่ปนเปื้อนหรือเกิดขึ้นในระบบ

  

ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน ไฮโดรเจนซัลไฟล์สามารถทำปฏิกิริยากับสนิมเหล็ก โดยอะตอม S ของ H₂S จะเข้าไปแทนที่อะตอม O ของสนิมเหล็ก เกิดเป็นสารประกอบ Iron (ii) sulphide (FeS) หรือ Iron (III) sulphide (Fe₂S₃) ได้ แต่ที่อุณหภูมิสูงเกิน 20ºC นั้น Fe₂S₃ จะสลายตัวกลายเป็น FeS และธาตุกำมะถัน (S) สารประกอบระหว่างเหล็กกับกำมะถันที่สำคัญอีกตัวหนึ่งคือแร่ไพไรต์ (Pyrite FeS₂) ที่เป็นแหล่งแร่กำมะถันที่สำคัญตัวหนึ่ง

  

ความแตกต่างที่สำคัญตัวหนึ่งระหว่าง FeS และ FeS₂ คือ ในขณะที่ FeS₂ มีความเสถียรเมื่อต้องสัมผัสกับอากาศ แต่ FeS จะสลายตัวกลายเป็น FeO และ SO₂ และที่สำคัญคือปฏิกิริยาการสลายตัวนี้คายความร้อนมากเสียด้วย

  

รูปที่ ๑ คำเตือนเมื่อต้องเปิดระบบที่อาจมี FeS เกิดสะสมอยู่ภายใน เพราะอากาศที่เข้าไปข้างในจะไปทำให้ FeS สลายตัว คายความร้อนออกมามากจนกระทั่งสามารถลุกติดไฟหรือทำให้ไอเชื้อเพลิง (ที่อาจเกิดขึ้นจากความร้อนที่ปฏิกิริยาการสลายตัวของ FeS คายออกมา) เกิดระเบิดขึ้นได้ (จาก ICI Safety Newsletter ฉบับที่ ๑๔๗ เดือนพฤษภาคม ปีค.ศ. ๑๙๘๑)

  

ปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อมีการสะสมของ FeS จำนวนมากในระบบ และ FeS ที่สะสมนี้เจอกับอากาศที่ไหลเข้าไปในระบบ ถ้าหากในระบบนั้นมีไอสารเชื้อเพลิงอยู่ที่ระดับความเข้มข้นที่เหมาะสม ความร้อนสูงที่เกิดจากการสลายตัวของ FeS ก็จะทำให้ไอสารเชื้อเพลิงนั้นระเบิดได้ แต่ถ้าในระบบนั้นมีอากาศร่วมอยู่ตั้งแต่ต้น FeS ที่เกิดขึ้นก็จะถูกทำลายไปเรื่อย ๆ ตลอดเวลา โอกาสที่จะเกิดการสะสมเป็นปริมาณมากในระบบจึงไม่มี

  

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้เป็นอุบัติเหตุเพลิงไหม้ ๒ เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่น โดยมีสาเหตุเกิดจากการสลายตัวของ FeS ทั้งสองเรื่องนำมาจาก http://shippai.org/fkd/en ซึ่งเป็นเว็บของ Association for the study of failure

เรื่องที่ ๑ ไฟไหม้ในถังเก็บยางมะตอย

การทำให้ถังเก็บน้ำมันปลอดภัยก่อนที่จะเข้าไปปฏิบัติงานข้างในนั้นเริ่มด้วยการถ่ายเอาน้ำมันในถังนั้นออกก่อน จากนั้นก็ใช้การฉีดไอน้ำเพื่อไล่ไอน้ำมันที่ตกค้างอยู่ในถังออก นอกจากนี้ความร้อนจากไอน้ำยังช่วยทำให้น้ำมันหนักที่มีจุดเดือดสูง ที่อาจเกาะติดอยู่บนผนังหรือส่วนต่าง ๆ ภายในถังระเหยออกไปด้วย จากนั้นจึงตามด้วยการป้อนไนโตรเจนเพื่อรักษาความดันในถังเมื่อไอน้ำควบแน่น แล้วจึงแทนที่ไนโตรเจนด้วยอากาศ

  

รูปที่ ๒ เหตุการณ์เพลิงไหม้ถังเก็บยางมะตอย ณ โรงกลั่นแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๕ ตุลาคม พ.ศ. ๒๕๓๕

  

แต่ถ้าเป็นกรณีของน้ำมันหนักเช่นน้ำมันเตา (Fuel oil) หรือยางมะตอย (Asphalt) ความร้อนจากไอน้ำไม่เพียงพอที่จะทำให้น้ำมันหนักพวกนี้ (ที่อาจเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องด้วยซ้ำ) ระเหยออกไป การกำจัดหรือลดปริมาณน้ำมันหนักที่ตกค้างอยู่ทำได้ด้วยการเพิ่มขั้นตอนการล้างด้วยน้ำมันเบา เพื่อเอาน้ำมันเบาเข้าไปละลายน้ำมันหนักที่ตกค้างอยู่ออก ในเหตุการณ์ในรูปที่ ๒ ที่เป็นถังเก็บยางมะตอยความจุ 2000 m³ ใช้ gas oil เข้าไปไหลหมุนเวียนอยู่นานถึง ๓ วัน (gas oil นี้เป็นน้ำมันที่มีจุดเดือดในช่วงปลายของน้ำทมันดีเซลหรือหนักกว่า มีจุดวาบไฟที่สูงกว่าอุณหภูมิห้อง ทำให้การเก็บก็ไม่จำเป็นต้องมีการใช้ nitrogen blanketing เพราะมันไม่ค่อยระเหย)

  

หลังเสร็จสิ้นการล้างด้วย gas oil และถ่ายเอา gas oil ออก ก็ทำการเปิด manhole และ vent รวม ๓ จุดเพื่อให้อากาศไหลเข้าถัง (น่าจะเป็นด้วยวิธี natural convection) ๑๒ ชั่วโมงผ่านไปหลังการถ่ายเอา gas oil ออกพบกลุ่มควันออกมาจาก manhole และ vent ที่เปิดอยู่และหน้าแปลน ใช้เวลากว่า ๒ ชั่วโมงจึงสามารถทำให้เพลิงสงบได้ (รูปที่ ๒)

  

สาเหตุที่ทำให้เกิดเพลิงไหม้คาดว่าเกิดจาก FeS ที่เกิดจากการสลายตัวของ Fe₂S₃ ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างH₂S และสนิมเหล็กดังสมการ

2FeO(OH) + 3H₂S -----> Fe₂S₃ + 4H₂O

ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นที่ผิวด้านในของถัง (ที่ผนังและหลังคา) ดังนั้นเมื่ออากาศเข้าไปข้างใน FeS (ที่เกิดจากการสลายตัวของ Fe₂S₃ ที่มีสะสมอยู่มาก) ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและคายความร้อนออกมา ความร้อนที่คายออกมานั้นมากพอที่จะทำให้ gas oil ที่ตกค้างอยู่ระเหยและลุกติดไฟได้

เรื่องที่ ๒ ไฟไหม้ในถังบำบัดน้ำเสียของโรงกลั่นน้ำมัน

เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับ "ถังบำบัดน้ำเสีย" (รูปที่ ๓ และ ๔)

 ในการซ่อมบำรุงถังบำบัดน้ำเสีย หลังจากที่ระบายน้ำเสียออกไปแล้วก็ทำการเปิด manhole ที่หลังคาถังทิ้งไว้ จากนั้นจึงทำการเปิดฝาที่อยู่ที่ manhole ด้านข้างเพื่อตรวจสอบระดับตะกอนที่ตกค้างอยู่ในถัง หลังจากตรวจเสร็จแล้วก็ทำการปิดฝาไว้ แต่ไม่ได้ปิดแน่นให้สนิทเหมือนเดิม เมื่อเวลาผ่านไปมีเสียงแก๊สพุ่งออกมาเกิดขึ้นและตามด้วยเปลวไฟที่ตามหลังมาเพียงแค่ไม่กี่วินาที

  

รูปที่ ๓ เหตุการณ์เพลิงไหม้ถังบำบัดน้ำเสีย ณ โรงกลั่นแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่น เมื่อวันที่ ๑๕ เมษายน พ.ศ. ๒๕๓๘

สาเหตุที่ทำให้เกิดเพลิงลุกไหม้เกิดจากอากาศที่ไหลเข้าถังด้วย natural convection (เข้าทางฝาปิด manhole ด้านข้างที่ปิดไม่สนิท และออกทาง manhole ด้านบนที่เปิดอยู่) อากาศที่ไหลเข้าไปทำให้ iron sulphide ที่สะสมอยู่ในถังสลายตัว คายความร้อนออก และไปทำให้แก๊ส H₂S ลุกติดไฟตามมา (เพิ่งจะเห็นกรณีนี้เป็นกรณีแรกที่เป็นเพลิงไหม้โดยมี H₂S เป็นเชื้อเพลิง)

 

รูปที่ ๔ แผนผังของถังบำบัดน้ำเสียที่เกิดเหตุเพลิงไหม้

เนื้อหาถัดจากนี้ไม่เกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุ แต่เห็นแผนผังในรูปที่ ๔ มันน่าสนใจดี โดยเฉพาะตรงส่วนวิธีควบคุมความดันในถังไม่ให้สูงเกิน ก็เลยจะขออธิบายเพิ่มเพื่อให้ผู้ที่กำลังศึกษาอยู่หรือไม่มีประสบการณ์มีความรู้เพิ่มขึ้น

  

ความดันในถังถูกรักษาไว้ด้วยการป้อนแก๊สไนโตรเจนเข้าถัง (ท่อที่อยู่ทางด้านซ้ายบน) และมีการปล่อยให้แก๊สไหลออกตลอดเวลาทางท่อ (๑) เส้นทางปรกติที่แก๊สไหลออกคือท่อ (๒) แต่ถ้าเมื่อใดก็ตามที่ความดันในถังสูงเกิน 200 mmH₂O แก๊สก็จะรั่วออกทางปลายท่อ (๓) ที่จุ่มอยู่ใต้ผิวน้ำลึก 200 mm ใน D-6654 H₂S gas seal drum และออกสู่ระบบ flare พึงสังเกตว่าระดับน้ำใน D-6654 นี้ใช้การสร้างกำแพงกั้นภายใน ให้น้ำไหลล้นลงอีกฝั่งหนึ่ง เพื่อรักษาระดับให้คงที่

  

ถังนี้ยังมีระบบระบายความดันสำรองอีกระบบหนึ่งที่มีการทำงานคล้ายกับที่ D-6654 H₂S gas seal drum คือมีท่อที่จุ่มอยู่ในน้ำลึก 1400 mm (๔) กล่าวเมื่อความดันในถังสูงเกิน 200 mmH₂O และแก๊สเริ่มไหลระบายออกสู่ระบบ flare ที่ D-6654 แต่ความดันในระบบยังเพิ่มสูงขึ้นไปอีก และเมื่อความดันในถังเพิ่มสูงถึง 1400 mmH₂O แก๊สก็จะเอาชนะความดันต้านของน้ำได้และระบายออกสู่บรรยากาศทางท่อ (๕) U-loop คว่ำ (๖) เป็นตัวทำหน้าที่รักษาระดับน้ำให้คงที่ที่ระดับ 1400 mm ด้วยการยอมให้น้ำที่ไหลเข้ามากเกินนั้นล้นออกมา ส่วนตัว U-loop คว่ำ (๗) ที่ติดตั้งอยู่ ณ ตำแหน่งสูงสุดของ U-loop คว่ำ (๖) นั้นทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์กาลักน้ำ (syphon)

  

ระบบแบบนี้ถ้าใช้งานในภูมิภาคที่อากาศหนาวจัดจนน้ำเป็นน้ำแข็งได้ ก็ต้องมีระบบให้ความร้อนแก่น้ำที่อยู่ข้างในด้วย (เช่นอุ่นให้ร้อนด้วยไอน้ำ) เพราะถ้าน้ำกลายเป็นน้ำแข็งเมื่อใด ตัว vessel จะไม่ได้รับการป้องกันจากความดันสูงเกิน

ส่วนรูปที่ ๕ ข้างล่างนั้นได้มาจาก WorkSafe Bulletin ที่มีการกล่าวถึงอุบัติเหตุ ๓ เหตุการณ์ที่เกิดจากการสลายตัวของ FeS แต่ไม่ได้ให้รายละเอียดมากนัก มีเพียงแค่ที่จับภาพมาให้ดูแค่นั้นเอง

 

รูปที่ ๕ เพลิงไหม้และการระเบิดที่เกิดจากการสลายตัวของ FeS