第四章 研究結果與討論
第三節 氮氣的供應模式
化氣體。
其中氣氮或液氮容器滿足第一及第三項之定義，所以必須滿足該規範之安全要 求始能取得使用許可。
於國內危險性工作場所審查暨檢查辦法中第 2 條第三項第(二)款之規定，每日處 理能力在五千立方公尺以上之氮高壓氣體設備必須申請丙類危險工作場所審查，安全 審查合格後始能啟用壓力容器、設備。使用單位必須具備有檢附合格之專責操作人員 專責操作壓力容器。
或對於群聚性用氣廠商或臨近氣體生產工廠者，直接配管輸送至用氣客戶廠區使用。
對於氮氣供應者而言，大流量、不間斷和穩定輸送，滿足大規模科技產業的用氣需 求，確實是一個很大的挑戰但也是未來發展的一個明顯需求方向。
一、使用端供應，現場製氮模式
為了確保獲得充足而穩定的氮氣源，可採使用端供應即氣體供應商與用氣廠商 協商，在用氣廠區特定範圍內直接建立氮氣生產工廠，使用空氣分離裝置設備就近生 產氮氣，並直接供應廠內使用，其結構流程如圖9。
圖 9 使用端(on site)氣體供應流程圖
PG
USE
Tank Vaporizer Regulator Filter
PURIFIER USE
GN2
General Nitrogen Purified Nitrogen
GAS YARD
Air
Filter Compressor
VENT
Generator GN2
PG
Separator
這種供氣模式適用於用氮氣用量較大或是槽車運補條件較困難情況的廠區供應 模式，如運送距離車程遙遠或用氣量大，已使運補車次頻率較高等原因(平均運費約 1 元/公斤)，會造成運輸成本過高之情況者(訪D2，訪D5)。在台灣屬中小型企業居大多 數，各型生產系統規模較小而呈散佈型設立，而氮氣供應廠商在台灣又屬寡占型供應 市場，所以使用端供應模式應用於氮氣的案例不少，但應用於氧氣或氬氣的案例則少 見。其原因在於高科技產業應用氮氣之量較大，生產規模較具經濟性。而氧氣與氬氣 用量明顯較少，即使投入分離設備、增加工序產出也並不經濟。所以氧氣與氬氣都由 氣體生產工廠在大量生產氮氣的同時伴隨產出，液化後大量儲存並使用低溫槽車分別 運輸到各客戶廠區供應使用。
採取使用端供應模式為了確保不中斷氮氣供應而必須在廠內另設置液氮
超低溫 液體儲槽（Cold Evaporator，簡稱 CE）
、蒸發器、調壓閥組、過濾器等相同供氣能率 的備用供氣系統，並自氮氣工廠運來液氮填滿2儲槽備用，以預防氮氣生產設備臨時 意外停機時或年度停機維修情況能夠讓超低溫液體儲槽
自動釋出氮氣供應，保持連續 供應氮氣供生產製程使用。一般設備保養計畫，每年會有約七天的計畫性停機保養維護時間。期間就必須 由備用的液態氮供氣系統進行供氣。蒸發器會因冷凝效應甚至結冰包覆而逐漸減低汽 化能力，所以必須適時予以切換更替使用，以有效快速汽化成為氮氣使用。當臨時停 電或跳機發生時，也將因兩組調壓器的設定壓力差異及優先順序而自動開啟自低溫儲 槽輸出液氮氣化後的氮氣供應輸出，維持連續供應功能。
一般來說物料供應與交付需檢附該批物料檢測數據表單(COA-Certificate of Analysis)，而使用端供應，現場製氮模式因為設備都在用氣廠區內，所以氮氣使用單 位可以基於管理的需要而將生產的氮氣品質成果資訊數據直接傳送到製程供應控制 室並轉換成為曲線圖表管理，融入不同系統之間的協調供應運作。並與自動控制和監 測警報系統連結，十分方便。
註2 - 液化氣體容器為了安全理由而在部分管理規範中明定必須保留百分之十的容 積供 汽化相存在，使得內壓力超高時能適當的自動由安全閥排放以保護容器 安全。
- 高壓工業氣體工廠安全衛生管理稽核實務手冊之4.1.4 儲槽設施中規定，液化 氣體之儲液化氣體之儲存不得超過該液化氣體之容量於常用溫度下該容積之 百分之九十。
- 高壓氣體勞工安全規則中第二章製造安全設施第71條，將液化氣體灌注於儲槽 時，應控制該液化氣體之容量不得超過在常用溫度下該槽內容積之百分之九 十。
- 高壓氣體勞工安全規則中第四章儲存安全設施第113條之規定，液化氣體之儲 液化氣體之儲存不得超過該液化氣體之容量於常用溫度下該容積之百分之九 十。
二、生產端供應模式
大型氣體生產已趨向專業化、大型化，並朝向區域性供應中心發展。生產端供 應是由氮氣生產工廠大量生產氮氣後，分別供應附近區域的客戶氮氣需求，屬於基地 型據點，自主性高，但是必須建置完整的氮氣生產、儲存、分裝、運輸和經銷等完整 結構體系，所以需要廣大的廠區作業運轉。面對不同型態需要或不同純度需求的氮氣 消費族群，分別依廠商用量選擇高壓氣體鋼瓶、小液罐、移動式低溫液體容器、低 溫儲存罐或直接配管方式輸送至客戶廠區使用。其結構如圖10：
圖 10 生產端(off site)氣體供應模式
大型氮氣生產工廠為了有效降低營運成本而選用大型空氣分設籬設備(A.S.U) 及多台製氮機 (Generator) 來配合生產氮、氧、氬氣，並分別設置大型液化氣體儲存 桶槽儲存，使用液態槽車(Lorry)拖運至客戶端再填充於客戶罐，漸次釋出汽化供應 使用。
若是氮氣生產工廠有使用管道供應輸出氮氣到附近廠商使用，則特別需要在氮 氣生產工廠內裝置大量的蒸發器及過濾系統以備製氮設備停機時候仍能持續輸出氮 氣，維持管網供氣系統的氮氣連續供應效能。
一、鋼瓶供應模式
對於氮氣使用量較小之實驗室性質需求或個別設備氮氣需求供應時，可以使用高壓 (150 kg/cm2)氣體鋼瓶(容積約 1 公升至 47 公升不等)作為氣源。由氣體生產供應廠
商的下游銷售商供應服務，安裝及運送便捷容易(訪 B3)，裝置後釋出減壓即可使用，
非常具靈活性，如圖 11。一般以隨叫隨送的方式處理，如家用的液化瓦斯般供應型 態。
圖 11 鋼瓶供應模式
對於用量稍大者，也有將散裝的 16 或 20 支鋼瓶組裝成為一個框架，出口相連 通以擴充一次更換容量，稱為管束(Bundle)或集裝格(MCP)，如圖 12。這是一種充裝 匯流裝置，可以使用推高機直接移動定位。
圖 12 集裝格供應模式
管束可以有效地降低更換氣源鋼瓶的頻率，一般使用潔淨氣體系統最大的汙染 風險在於更換氣源時候的拆裝曝露，或是拆裝後的接合是否完善。更換鋼瓶前後必須 要做管路沖吹的潔淨程序，而動作是否落實則為預防管路污染的最大風險，所以集裝 格的使用可以大幅度的改善供氣管理人員頻於更換鋼瓶的困擾問題及操作風險。一般 情況以一天更換兩次以下為原則，每天更換次數多了就應考慮更換使用更大容量氣 源。
氣態鋼瓶氣源可依理想氣體方程式來討論鋼瓶可用氣量：
PV = nRT P--氣體壓力--atm V--體積---Liter P1V1 = P2 V2 = nRT n --莫爾數
R--氣體常數 --- 0.082
V2 = P1V1 /P2 T--絕對溫度--- oK，(0oC=273oK) P1為鋼瓶中壓力，V1為鋼瓶體積 P2為使用壓力，V2為使用體積
其次再稍大的常用氮氣供應氣源是小液罐，直徑約 50 公分、高度約 1.5 米，為 雙層鋼瓶結構，內裝 175 公升的液態氮，空瓶重約為 120 公斤，填滿液氮後總重約 226 公斤，如圖 13 所示。
圖 13 小液罐結構圖
資料來源 台灣區高壓氣體工業同業公會。
雙層結構之間有管路盤繞提供液氮自然蒸發汽化之用，所以小液罐可選擇氣氮 或液氮輸出供使用，氣氮最大輸出量為 7 立方米/小時，一缸小液罐可用氣量相當於 25 支 40 公升鋼瓶氣量，常被運用於小型製程生產需要或工程施工場合使用。
對於鋼瓶集中式供應場合非常有利，可以減少鋼瓶使用空間及大量降低鋼瓶管 理問題，也減低了供應商的管理及運送成本。但這種供應方式的缺點為小液罐的絕 熱效果不好，液態氣體保存不易，使用小液罐儲存供應若未連續有效使用將會因自 然吸收環境周邊熱量而產生微量汽化脹壓現象，壓力超越安全閥設定值將造成自動 噴洩排放。每天自動宣洩量約小液罐內存液態氣體的 1.3% 重量(聯華氣體工業，
2006) 。
氣 體 使 用 閥
安 全 釋 放 閥
昇壓閥 液相閥 液位計
排 放 閥
為避免鋼瓶啟用後，內壓力逐漸遞減而有機會造成其他氣體倒灌進入鋼瓶，造 成混合或污染問題，所以鋼瓶內氣體不得用盡，必須維持正壓力以用於管路脫離時 候和再次罐裝前的潔淨吹掃用氣，並且應在管路上適當位置安裝逆止閥防止逆流其 他氣體進入鋼瓶造成汙染。
由於小液罐的內裝結構關係，不論是在載運過程或使用期間都不適合將它傾倒 使用，當自貨車上下搬運時必須使用帆布帶緩慢吊掛，保持垂直狀態被移動，勿橫 躺或滾動，更不可使用軟墊置於地上而直接於貨車上滑下方式卸貨，以免損壞結構 造成不安全工作狀態。
二、桶槽供應模式
一般典型的大宗氣體氮氣(Nutrogen-N2)、氧氣(Oxygen-O2)、氬氣(Argon-Ar)的 供應模式都是以固定式的大型低溫液體儲槽(CE 或 Tank)、一個或多個氣化用蒸發器 (Evaporator)、減壓調壓和過濾閥組(Regulator & Filter)等系統所共同組成，如圖 14 所示。
儲存桶槽的水容積各級規格有自 1000 公升至 300000 公升不等，液氮以低溫槽車 (Lorry)自氮氣生產基地載運液氮前來進行填灌補充。在運輸的過程中，液態氣體必須 保持在零下一百九十六度以下的低溫以維持液態相並減少蒸發脹壓後被迫排放掉的 氮氣。液氮低溫儲槽為一雙層真空結構容器，其間填充真珠岩粉末並抽真空以形成良 好杜絕熱量傳遞功能，減低造成液體膨脹而汽化情形發生。
圖 14 桶槽供應模式結構圖
供氣系統中蒸發器把液態氮汽化成氣氮供使用，所以蒸發器 (Evaporizer) 之規 格則須配置兩組並且每組蒸發能率都大於用氣量，才能滿足切換使用的目的。因為液 氮在蒸發汽化成為氣體過程中會吸收周邊的熱量以促成相的變化，於是蒸發器液體端 側會有結冰現象，並且蒸發能力因為結冰累積而不能吸收充足的熱量而使得氣化功能 遞減，所以必須要配置兩組蒸發器進行輪流切換使用汽化而達到持續足量供氣的運行 要求。
調壓控制是為了使得供出的氮氣能夠維持穩定的設定輸出壓力到製程區，一般 是 8.5kg/cm2。若使用液氮供應就可以直接以液氮重量計價而不需在供氣站另設流量 計了。供氣站過濾器閥組之設置目的是為了將供應端的粉塵顆粒完全攔阻以保護廣大 製程用氣區域的粉塵疑慮，過濾粉塵顆粒徑自 0.5µm 至 0.01µm 不等，可依不同的製 程需求安裝適合的濾心規格。
低溫桶槽供應機制係半自動操作，因為都配備有加壓器3，只要保持液態氮的液 位高度高於加壓器高度，即可自動維持內部穩定的壓力迫出液氮，蒸發後持續供氣；
後段亦有壓力控制器(Regulator)及過濾器(Filter)的維持供氣條件，若有純化的需求則 需透過氣體純化設備(Purifier)將氣體精製成生產線需求的規格使用。低溫桶槽供應是 最典型的液化氣體供應模式。
PG
USE
Lorry Tank Evaporizer Regulator Filter
Purifier USE LN
GN2
General Nitrogen Purified Nitrogen
GAS YARD