Jak zabezpieczyć oczyszczalnię ścieków przed wybuchem pyłu? Omówienie z przykładem

Grupa WOLFF
BARTŁOMIEJ BORZDZIŁOWSKI- jestem do Twojej dyspozycji

Odpowiem na pytania odnośnie: oferty, specyfikacji technicznej, dostawy, montażu
Nie odbieram? Kliknij!
Prawdopodobnie w tym momencie jestem na spotkaniu lub w trasie. Proszę wyślij SMS lub e-mail - na pewno odpowiem,
lub zostaw swój numer, abym mógł oddzwonić

    W 2019 roku w jednej z oczyszczalni ścieków w Polsce doszło do wybuchu pyłu wysuszonego osadu ściekowego. Poważnemu uszkodzeniu uległa jedna z trzech linii suszarniczych. Władze oczyszczalni, przerażone sytuacją, zdecydowały o prewencyjnym zamknięciu wszystkich trzech nitek instalacji. Przerwa w pracy trwała wiele miesięcy powodując milionowe straty.

    Bartłomiej Borzdziłowski, to inżynier GRUPY WOLFF, który brał udział w odbudowie uszkodzonej instalacji. Do jego zadań należało wdrożenie zabezpieczeń ograniczających skutki wybuchu, które mają chronić instalację przed podobnymi zdarzeniami w przyszłości. Borzdziłowski tak skomentował sytuację oczyszczalni po wybuchu: najpoważniejszym uszkodzeniom uległ sporej wielkości podnośnik kubełkowy. Wybuch, który spowodował jego rozerwanie, wyrwał fragment poszycia urządzenia, który z dużą siłą wbił się w jedną ze ścian budynku. Szczęśliwie nikt w zdarzeniu nie ucierpiał.

    Borzdziłowki ocenił także wpływ zdarzenia na finanse oczyszczalni: wybuch oraz wielomiesięczne unieruchomienie instalacji suszenia osadu ściekowego spowodowały wielomilionowe straty. Były one związane nie tylko z kosztami jej naprawy (koszt około miliona złotych), ale również kosztami utylizacji osadu ściekowego, poprzez jego transport i sprzedaż zewnętrznej firmie recyklingowej.

    7 wybuchów w oczyszczalniach ścieków

    Dane na temat wybuchów w przemyśle często nie są ewidencjonowane lub klasyfikuje się je jako pożary. Trudno dotrzeć do statystyk na temat ilości tego typu zdarzeń. Nasze doświadczenie pokazuje jednak, że wybuchy pyłów w oczyszczalniach nie są rzadkością. Poniżej wymieniamy tylko kilka z nich:

    • Polska (opisywany przypadek) – wybuch w podnośniku kubełkowym instalacji suszenia odpadów doprowadza do milionowych strat. W obawie przed podobnymi wypadkami trzy linie suszenia osadu zostają zatrzymane na kilka miesięcy.
    • USA — wybuch w oczyszczalni zlokalizowanej w mieście Stanford porównywany był do trzęsienia ziemi. W zdarzeniu, do którego doszło w suszarni osadów, rannych zostało 3 pracowników.

    Fot. 1: Kompilacja zdjęć oczyszczalni ścieków w Stamford prezentująca skutki wybuchu

    • Wielka Brytania – IChemE (The Institution of Chemical Engineers) w swoim materiale nt. zagrożenia wybuchem w oczyszczalniach ścieków, które wykorzystują instalacje suszenia odpadów, opisuje aż 4 wybuchy, do których doszło w zaledwie dwa lata.
    • Hiszpania – wybuch w Barcelonie opisywany przez hiszpańskich naukowców z UPM Technical University of Madrit. W wyniku eksplozji suszonego pyłu z osadu ściekowego zginął jeden pracownik, a dwóch innych odniosło poważne obrażenia.

    Całość procesu przetwarzania osadu w paliwo alternatywne odbywa się w atmosferze zapylenia, która skutkuje ryzykiem wybuchu. Poza przytoczonymi wcześniej przypadkami w oczyszczalniach ścieków, do katastrofalnych wybuchów w ostatnim czasie dochodziło m.in. w elektrowni Turów oraz Dolna Odra. Przytoczenie tych zdarzeń z branży energetycznej nie jest przypadkowe, gdyż jak pokazały badania, pył węgla i biomasy, a także pył suchego osadu ściekowego mają zbliżoną charakterystykę.

    Fot. 2:  Wybuch w elektrowni Turów

    Fot. 3:  Wybuch w elektrowni Dolna Odra

    Parametry wybuchowości pyłu powinny zostać wyznaczone dla konkretnej instalacji, gdyż mogą się one różnić, choćby ze względu na inne rozdrobnienie pyłu czy jego wilgotność. Niemniej, aby pokazać poziom zagrożenia, posłużymy się danymi opracowanymi przez dr inż. Marka Wolińskiego ze Szkoły Głównej Służby Pożarniczej w Warszawie. Dane te uzyskano na podstawie pyłów pochodzących z Białostockiej Oczyszczalni Ścieków:

    ParametrWielkość
    Dolna Granica Wybuchowości DGW, g/m360 – 125
    Minimalna temperatura zapłonu 5mm warstwy pyłu MTZW, st. C230 – 250
    Minimalna temperatura zapłonu obłoku pyłu MTZO, st. C360 – 510
    Minimalna energia zapłonu, mJ420 – 1300
    Stała wybuchowości Kst, bar*m/s88 – 157
    Maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax, bar6,4 – 7,7
    Graniczne stężenie tlenu GST, % obj.5 - 8
    Objaśnienie powyższych parametrów znajdziesz w naszym słowniku pojęć.

    Jak oczyszczalnie ścieków chronią się przed ryzykiem wybuchu pyłu i dlaczego to podejście jest niewystarczające

    W oczyszczalniach, w których doszło do wybuchu, instalacje suszenia nie posiadały zabezpieczeń przeciwwybuchowych — mimo że ich stosowanie jest wymagane prawnie. W niektórych przypadkach próbowano chronić się przed wybuchem stosując prewencję w formie inertyzacji, która polega na wprowadzeniu do wnętrza urządzeń gazu obojętnego. Rozwiązanie to ma na celu obniżyć stężenie tlenu do poziomu, przy którym zapłon atmosfery wybuchowej nie jest możliwy.

    W przypadku instalacji suszenia osadów ściekowych do inertyzacji najczęściej wykorzystywana była para powstająca w procesie suszenia. Liczono, że będzie się ona przemieszczać wraz z produktem, pełniąc skuteczną formę ochrony. Nie mierzono przy tym stężenia tlenu w różnych częściach instalacji, licząc, że w każdym momencie jej pracy będzie ono na wystarczająco niskim poziomie. Tak jednak nie było.

    Inertyzacja gazem obojętnym nie zapobiegła wybuchowi

    W przypadku omawianej oczyszczalni do wybuchu doszło w podnośniku kubełkowym, który był wykorzystywany do transportu gotowego granulatu. Urządzenia te z natury rzeczy nie są w pełni szczelne. Gdy połączymy to z faktem, że ruch kubełków może powodować występowanie lokalnych stref podciśnienia, szybko dojdziemy do wniosku, że inertyzacja nie była w tym przypadku optymalnym rozwiązaniem.

    Dodatkowo w dniu feralnego wypadku podnośnik kubełkowy był rozszczelniony, co praktycznie nie dawało szans inertyzacji na skuteczną ochronę instalacji.

    Inertyzacja jest dobrą i sprawdzoną metodą ograniczającą ryzyko wybuchu, ale biorąc pod uwagę powyższe tylko wtedy gdy:

    • jest stosowana dla instalacji o dużej szczelności, które nie wymagają rozszczelniania w czasie pracy np. poprzez otwieranie włazów rewizyjnych w celu inspekcji lub naprawy urządzeń,
    • wykorzystuje prawidłowo zaprojektowany układ detekcji gazów, który w sposób ciągły bada poziom tlenu w różnych częściach instalacji,
    • wykorzystuje zewnętrzne źródło gazu obojętnego, które pozwoli utrzymać właściwy jego poziom w instalacji w czasie jej rozruchu, normalnej pracy oraz zatrzymania.

    Inertyzacja wpisuje się również w wymogi dyrektywy ATEX, która mówi, że w celu ochrony instalacji przed wybuchem należy:

    1. nie dopuszczać do powstawania atmosfer wybuchowych (inertyzacja obniża stężenie tlenu poniżej którego nie występuje atmosfera wybuchowa),
    2. eliminować potencjalne źródła zapłonu,
    3. minimalizować skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu.

    Z jakimi źródłami zapłonu mamy do czynienia w przypadku podnośnika kubełkowego?

    Skupmy się teraz na drugim punkcie powyższej listy. Dyrektywa ATEX podaje 13 potencjalnych źródeł zapłonu, które mogą wystąpić w instalacjach przemysłowych. Praktyka pokazuje jednak, że w przypadku podnośnika kubełkowego największe zagrożenie generuje 7 z nich.

    Poniżej przedstawiamy realne scenariusze, jakie mogą się zdarzyć w obrębie linii suszenia osadów ściekowych:

    Scenariusz

    Możliwe środki ochronne

    W suszarni dojdzie do lokalnego przegrzania suszonego produktu, w wyniku czego powstaną żarzące się cząstki zdolne do przemieszczania się po instalacji — wybuch może wystąpić zarówno w suszarni, jak i urządzeniach znajdujących się za suszarnią w tym w podnośniku kubełkowym.

    • system wykrywania i gaszenia iskier
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Dojdzie do uszkodzenia łożyska podnośnika kubełkowego, które w wyniku tarcia osiągnie temperaturę zapłonu pyłu.

    • monitoring temperatury łożysk
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Taśma, na której zamontowane są kubełki, w wyniku zsunięcia się z bębna zacznie trzeć o metalowe elementy podnośnika, rozgrzewając je do temperatury przekraczającej temperaturę zapłonu pyłu (ten przypadek szczegółowo opisaliśmy w artykule nt. wybuchu pyłu w podnośniku kubełkowym w jednym z browarów — jak się okazuje, do takiego zdarzenia może dojść pomimo wyposażenia podnośnika w system chroniący przed zsunięciem się taśmy).

    • system monitorujący przesuwanie się taśmy
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Kubełki podnośnika będą uderzać o obudowę, co doprowadzi do powstania iskry mechanicznej.

    • właściwe utrzymanie stanu technicznego urządzenia; dbanie, aby taśma, na której znajdują się kubełki była w dobrym stanie oraz prawidłowo napięta
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Do instalacji przedostaną się ciała obce, które w wyniku uderzenia o ścianki urządzeń mogą doprowadzić do powstania iskry mechanicznej.

    • stosowanie różnego typu separatorów w tym separatorów magnetycznych
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Do zapłonu pyłu dojdzie w wyniku nieprawidłowo prowadzonych prac pożarowo niebezpiecznych — zobacz film będący studium przypadku, które pokazuje, jak zaniedbania proceduralne doprowadziły do wybuchu podczas prac pożarowo niebezpiecznych.

    • opracowanie procedur w zakresie prowadzenia prac pożarowo niebezpiecznych zarówno w czasie postoju jak i normalnej pracy instalacji
    • zastosować zabezpieczenia przeciwwybuchowe, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, gdy środki prewencyjne zawiodą

    Zabezpieczenia przeciwwybuchowe jak poduszka powietrzna w aucie

    Zabezpieczenia przeciwwybuchowe, rozumiane jako odciążanie, tłumienie czy też odsprzęganie wybuchu często porównujemy do poduszek powietrznych w autach. Mimo że samochody posiadają wiele systemów prewencyjnych jak choćby ABS, to w praktyce nie jest możliwe uniknięcie wszystkich wypadków. To dlatego opracowano poduszki powietrzne, które nie tyle zmniejszą ryzyko wypadku, ile ograniczają jego potencjalne skutki.

    Podobnie jest w przypadku bezpieczeństwa wybuchowego. Tu także, pomimo stosowania rozwiązań prewencyjnych, nie jesteśmy w stanie wyeliminować wszystkich wybuchów. W takich sytuacjach naszą poduszką powietrzną są właśnie zabezpieczenia przeciwwybuchowe.

    Pomimo wielu cech wspólnych poduszki powietrzne różnią się od zabezpieczeń przeciwwybuchowych w dwóch bardzo ważnych względach — te ostatnie są wyjątkowo skuteczne, a ich stosowanie jest wymagane prawnie.

    Więcej na temat zabezpieczeń przeciwwybuchowych dowiesz się z artykułu nt. zasady działania, zalet i ograniczeń różnych typów zabezpieczeń przeciwwybuchowych

    Fot. 4:  Zabezpieczona instalacja termicznego przetwarzania osadu ściekowego – widok z góry. Na pierwszym planie butla HRD odcinająca wybuch pomiędzy dwoma aparatami.

    Wybuch w oczyszczalni ścieków i jego konsekwencje

    W 2019 roku w opisywanej oczyszczalni ścieków wybuch rozerwał podnośnik kubełkowy. Jego metalowy fragment został oderwany i z dużą siłą uderzył w ścianę budynku. W tym przypadku oprócz ogromnych kosztów i strachu nikt nie ucierpiał. Nie zawsze jednak można liczyć na tyle szczęścia.

    Wybuch z zasady rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach jednocześnie. Gdy taka sytuacja ma miejsce we wnętrzu instalacji, fala ciśnienia oraz płomienie przemieszczają się kanałami, oraz przesypami do sąsiednich urządzeń i aparatów. Gdy w ich wnętrzu panują sprzyjające warunki, może dojść do wybuchów wtórnych, które z reguły niosą jeszcze większe zagrożenie niż wybuch pierwotny.

    Więcej o wybuchach wtórnych dowiesz się z poniższych artykułów:

    Szczęście w nieszczęściu

    Jak wspomnieliśmy, wybuch w przenośniku doprowadził do jego natychmiastowego rozerwania i wyrzucenia ciśnienia i płomieni do wnętrza budynku. Zdarzenie to stanowiło zagrożenie dla personelu oraz pobliskich urządzeń, jednocześnie jednak obniżyło ciśnienie wewnątrz instalacji do tego stopnia, że nie przedostało się ono wraz z płomieniem do sąsiednich urządzeń. W skrajnym przypadku wybuch mógłby dotrzeć do zapylonego silosu początkując w nim wybuch wtórny.

    Taki wybuch rozchodzący się w instalacji bez żadnej kontroli stanowi zagrożenie dla życia wszystkich pracowników, którzy w tym czasie znajdują się w pobliżu instalacji. Z tego względu omówione niżej sposoby zabezpieczania aparatów przed skutkami wybuchu (odciążanie i tłumienie), muszą zawsze być odpowiednio połączone z odsprzęganiem wybuchu, czyli zabezpieczeniem przed dalszym rozprzestrzenianiem się eksplozji na inne aparaty niż ten, w którym doszło do zdarzenia.

    VIDEO: Unikaj wybuchów wtórnych

    Jak poprawnie zabezpieczyć podnośnik kubełkowy przed skutkami wybuchu pyłu z suszonego osadu ściekowego?

    Jedyna możliwość – system tłumienia i izolacji wybuchu

    Jednym z kluczowych elementów systemu tłumienia wybuchu są czujniki ciśnienia. Ich zadaniem jest wykrycie bardzo wczesnej fazy wybuchu i przekazanie tej informacji do centrali sterującej. Aby system zadziałał prawidłowo, czujnik posiada dwie celki pomiarowe, które muszą wykryć wybuch równocześnie. W ten sposób eliminuje się ryzyko błędnej aktywacji systemu w przypadku, gdy w jedną z celek uderzy np. cząstka produktu. Ryzyko, że uderzenie to zasymuluje charakterystykę wybuchu danego pyłu jest niewielkie, ale mimo to nie możemy go wykluczyć.

    Takie czujniki ciśnienia wybuchu jak popularny MEX porównują dodatkowo zmianę ciśnienia wewnątrz chronionego aparatu z krzywą charakterystyki wybuchu danego pyłu. W ten sposób unikamy sytuacji, w której fluktuacja ciśnienia w chronionym urządzeniu zostałaby rozpoznana jako wybuch.

    W uzasadnionych sytuacjach czujnik ciśnienia wspierany jest dodatkowo czujnikiem podczerwieni. Takie rozwiązanie stosuje się choćby w przypadku właśnie podnośników kubełkowych, które to posiadają stosunkowo skomplikowaną budowę podzieloną na kilka stref (stopa, nogi, głowica). Dzięki czujnikowi podczerwieni mamy pewność, że wybuch zostanie wykryty w możliwie najwcześniejszej fazie.

    Kiedy sygnał informujący o wybuchu trafi z czujników do centrali sterującej następuje aktywacja butli HRD z czynnikiem tłumiącym, który zostaje wstrzyknięty pod ciśnieniem do chronionego aparatu.

    Proszek natychmiast tłumi wybuch na bardzo wczesnym etapie jego rozwoju. W rezultacie nie dochodzi do przekroczenia granicznego ciśnienia w aparacie oraz do rozwoju ognia. Chroni to nie tylko przed rozerwaniem, czy zniekształceniem urządzenia, ale także przed pożarem. Cały proces liczony od wykrycia wybuchu do jego stłumienia trwa mniej więcej tyle, co mrugnięcie okiem. Co ważne, ilość butli HRD oraz ich lokalizacja są dobierane na bazie konstrukcji chronionego urządzenia, oraz parametrów wybuchowych pyłu.

    Fot. 5: Centrala sterująca

    Izolacja wybuchu

    Dodatkowo w celu izolacji wybuchu, czyli niedopuszczenia do rozprzestrzeniania się ciśnienia i płomieni na pozostałe urządzenia, należy odpowiednio zabezpieczyć butlami HRD kanały oraz przesypy łączące podnośnik kubełkowy z sąsiednimi urządzeniami. W tym przypadku rolą systemu nie jest stłumienie wybuchu, a stworzenie bariery dla ciśnienia i płomieni.

    Odpowiednio zabezpieczony podnośnik kubełkowy poprzez system tłumienia i izolacji wybuchu skutkuje tym, że gdyby doszło do zainicjowania wybuchu, zostanie on w mgnieniu oka stłumiony, a naprawa urządzenia ograniczy się jedynie do wymiany butli HRD na nowe, w pełni wypełnione proszkiem tłumiącym. Tego typu zabezpieczenia zastosowaliśmy w trakcie prac modernizacyjnych dla omawianej oczyszczalni ścieków, w której wcześniej doszło do wybuchu.

    Fot. 6, 7: Butle HRD zabezpieczające podnośnik kubełkowy od dołu i góry

    Czy można zastosować panele odciążające wybuch?

    Inną możliwością zabezpieczenia urządzenia przed skutkami wybuchu jest zastosowanie paneli odciążających. To rozwiązanie zakłada wyprowadzenie ciśnienia i płomieni na zewnątrz urządzenia w sposób kontrolowany.

    W tym miejscu należy jednak podkreślić, że w przypadku pyłu, który zawiera substancje szkodliwe lub produkty jego spalania są szkodliwe, zastosowanie tej metody jest niemożliwe. Wynika to z faktu, że potencjalne uwolnienie do środowiska i/lub pomieszczenia substancji toksycznych, a za takie uznaje się produkty powstałe na bazie osadu ściekowego, jest zabronione prawnie.

    Dochodzi tu jeszcze drugi aspekt ograniczający możliwość zastosowania odciążania wybuchu w postaci paneli dekompresyjnych. Rozwiązania tego nie można stosować w pomieszczeniach zamkniętych.

    Panele dekompresyjne montuje się na obudowie chronionego urządzenia i aparatu. Stanowią one jego najsłabszy element, który w chwili wybuchu pęka przy zadanym ciśnieniu i uwalnia ciśnienie oraz płomienie do otoczenia.

    Rozwinięciem zabezpieczenia w postaci paneli dekompresyjnych są układy bezpłomieniowego odciążania wybuchu, które dzięki swojej budowie zatrzymują płomienie oraz redukują ciśnienie wybuchu wyprowadzone na zewnątrz urządzenia do względnie bezpiecznego poziomu.

    Każdorazowo przy zastosowaniu odciążenia wybuchu należy uwzględnić opisane wyżej odsprzęganie wybuchu, które eliminuje ryzyko rozprzestrzenienia się resztkowych skutków wybuchu na sąsiednie aparaty, co mogłoby być przyczyną wybuchów wtórnych. Tu istnieje szereg różnych typów zabezpieczeń, spośród których butle HRD stanowią najbardziej uniwersalne rozwiązanie.

    Niebezpieczeństwo związane z wybuchem nie kończy się na układzie transportu

    Choć układ transportu bliskiego złożony z podnośników kubełkowych (gdzie nastąpił wybuch w omawianej oczyszczalni ścieków) jest wysoce narażony na wybuch pyłu, to nie można zapominać o poprawnym zabezpieczeniu także innych urządzeń, z których składa się linia suszenia osadów ściekowych.

    W przypadku oczyszczalni ścieków do grupy urządzeń poważnie zagrożonych wybuchem należy także zaliczyć suszarnię, cyklony, odpylacze oraz silosy.

    Samozapłon w silosie

    Wybuch pyłu, jak wspomniano wyżej, jest wypadkową zetknięcia się mieszaniny pyłu i powietrza ze źródłem zapłonu. Najczęściej źródłem wybuchu są czynniki zewnętrzne jak np. przegrzane łożysko, iskra mechaniczna czy niewłaściwie prowadzone prace pożarowo niebezpieczne.

    W przypadku suchego osadu ściekowego składowanego w silosie należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden bardzo istotny czynnik, jakim jest możliwość samozapłonu, do którego może dojść w masie pyłu i granulatu. Zjawisko to mogą wywołać drobnoustroje i bakterie, które podczas przemian biochemicznych wydzielają ciepło. Takie zarzewie ognia, to kolejne potencjalne źródło zapłonu atmosfery wybuchowej.

    Fot. 8: Butle HRD różnią się rozmiarem w zależności od ilości potrzebnego do użycia środku tłumiącego

    Luka informacyjna dotycząca wybuchu pyłu w oczyszczalniach

    Przeszukując informacje na temat wybuchów w oczyszczalniach ścieków, można odnaleźć relacje medialne ze zdarzeń spowodowanych zarówno wybuchem biogazu, jak i wybuchem pyłu powstałego w procesie suszenia osadu ściekowego.

    Szukając natomiast informacji o sposobach zabezpieczenia oczyszczalni ścieków przed wybuchem, okazuje się, że przestrzeń ta jest całkowicie zdominowana materiałami na temat zagrożeń wynikających z obecności w procesie biogazu.

    Dlatego niniejszy artykuł miał na celu pokrycie luki informacyjnej w kwestii zagrożenia wybuchowego związanego z pyłami osadu ściekowego. Posłużyliśmy się tutaj wspomnianym wyżej wybuchem w polskiej oczyszczalni. Na tej bazie pokazaliśmy, w których obszarach instalacji przekształcania osadów w paliwo alternatywne, występuje największe zagrożenie wybuchem pyłu oraz jak przed tym zagrożeniem się chronić w myśl obowiązujących przepisów prawa.

    W razie pytań skontaktuj się ze mną

    Grupa WOLFF
    BARTŁOMIEJ BORZDZIŁOWSKI- jestem do Twojej dyspozycji

    Odpowiem na pytania odnośnie: oferty, specyfikacji technicznej, dostawy, montażu
    Nie odbieram? Kliknij!
    Prawdopodobnie w tym momencie jestem na spotkaniu lub w trasie. Proszę wyślij SMS lub e-mail - na pewno odpowiem,
    lub zostaw swój numer, abym mógł oddzwonić

        Imię i nazwisko (wymagane)

        Nazwa firmy (wymagane)

        E-mail firmowy (wymagane)

        Telefon firmowy (wymagane)

        Treść wiadomości

        Załącz plik