Palne i wybuchowe pyły w przemyśle [FILM]

Nowoczesny przemysł stosuje dziesiątki tysięcy palnych, a w konsekwencji także wybuchowych substancji, które podlegają obostrzeniom wynikającym m.in. z tzw. dyrektywy ATEX. Parametry gazów i par cieczy w większości przypadków są dobrze rozpoznane i udokumentowane, przez co określenie poziomu zagrożenia wynikającego z ich obecności w procesie produkcji jest stosunkowo łatwe. Sytuacja komplikuje się gdy w procesie produkcyjnym występują materiały sypkie, które w aparatach i urządzeniach tworzą tzw. obłoki pyłu. Wtedy konieczne jest wykonanie badania wybuchowości pyłu.

Aby zrozumieć jednak poziom zagrożenia, w pierwszym kroku zapoznajmy się z poniższym filmem, który przedstawia skutki wybuchu w filtrze powietrza. W tym miejscu należy podkreślić, że testy zostały wykonane w warunkach kontrolowanych, z zastosowaniem zabezpieczeń przeciwwybuchowych, które zapobiegły rozerwaniu konstrukcji filtra. W testach wykorzystano zaledwie 1000 gramów pyłu, co w kontekście ilości pyłów, jakie w praktyce występują w zakładach przemysłowych, pozwala zrozumieć skalę potencjalnego zagrożenia. W kolejnych krokach przedstawimy ważniejsze zasady zwiększające bezpieczeństwo obsługi urządzeń, we wnętrzu których występują atmosfery wybuchowe.

W chwili kontaktu obłoku pyłu z efektywnym źródłem zapłonu dochodzi do inicjacji wybuchu, którego skutki są trudne do przewidzenia. Z tego względu zgodnie ze wspomnianą dyrektywą ATEX w obrębie instalacji zagrożonych wybuchem należy:

1. eliminować lub ograniczać możliwość wystąpienia tzw. atmosfer wybuchowych,
2. eliminować lub ograniczać źródła zapłonu,
3. ograniczać skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu.

W praktyce przemysłowej całkowita eliminacja atmosfery wybuchowej czy źródeł zapłonu jest praktycznie niemożliwa. Dzieje się tak, ponieważ wiele procesów, takich jak mielenie, suszenie czy transport bliski, z natury rzeczy generuje obłoki pyłu. Trudno wyobrazić sobie, aby przykładowo proces mielenia nie generował drobnego pyłu, zdolnego do unoszenia się w powietrzu.

Z kolei wystąpienie źródła zapłonu w dużej mierze jest uzależnione od czynnika ludzkiego oraz stanu i niezawodności urządzeń procesowych i pomiarowych. Tę tezę potwierdzają liczne opracowania. Przykładowo analiza przygotowana przez Joint Research Centre – organizację naukową działającą przy Komisji Europejskiej – za dwie najważniejsze przyczyny awarii przemysłowej uznaje:

• błąd ludzki,
• awarię podzespołu.

Wspomniana analiza uwzględnia dane na temat 550 awarii, do jakich doszło głównie we Francji, Holandii i Wielkiej Brytanii.

Analogiczne wnioski płyną z opracowania Państwowej Straży Pożarnej we Wrocławiu, które z kolei powstało na bazie dokumentu wydanego przez Główny Inspektorat Pracy we współpracy z Krajowym Urzędem ds. Środowiska Pracy w Danii (NWEA). W tym przypadku dwie najważniejsze przyczyny poważnych awarii przemysłowych zostały ujęte nieco bardziej precyzyjnie jako:

• błąd człowieka, w tym w wyniku braku szkolenia oraz niewłaściwego przestrzegania zasad bezpieczeństwa i higieny pracy,
• uszkodzenia instalacji technicznych, w tym brak właściwej konserwacji.

Ze względu na powyższe należy uznać za zasadne podejście prezentowane w dyrektywie ATEX USER, która wymaga, aby poza wymienionymi wyżej działaniami prewencyjnymi wdrażać w obrębie instalacji zagrożonych wybuchem zabezpieczenia minimalizujące skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu. W tym celu należy stosować, we właściwej konfiguracji, poniższe techniki:

• odciążanie wybuchu,
• tłumienie wybuchu,
• konstrukcję aparatu/urządzenia odporną na maksymalne ciśnienie wybuchu,
• odsprzęganie wybuchu.

Eliminacja lub ograniczenie możliwości wystąpienia tzw. atmosfer wybuchowych

Jak wspomniano wcześniej, z praktycznego punktu widzenia nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie możliwości wystąpienia atmosfery wybuchowej. W pewnych sytuacjach jesteśmy jednak w stanie ograniczyć zasięg atmosfery wybuchowej lub częstotliwość jej występowania poprzez stosowanie:

1. instalacji odpylających,
2. instalacji centralnego odkurzania,
3. inertyzacji procesu.

Ograniczanie źródła zapłonu atmosfery wybuchowej

Dyrektywa ATEX specyfikuje trzynaście potencjalnych źródeł zapłonu, które zostały przedstawione poniżej. W przypadku większości zakładów przemysłowych największe zagrożenie zapłonem atmosfer wybuchowych wynika jednak z punktów wyróżnionych pogrubieniem:

1. gorące powietrze
2. płomienie i gorące gazy (w tym gorące cząstki)
3. iskry wytwarzane mechanicznie
4. urządzenia elektryczne
5. prądy błądzące oraz katodowa ochrona przed korozją
6. elektryczność statyczna (wyładowania snopiaste, stożkowe i z obłoku pyłu)
7. uderzenie pioruna
8. fale elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej (od 104 Hz do 3 x 1012 Hz)
9. fale elektromagnetyczne o częstotliwości (od 3 x 1011 Hz do 3 x 1015 Hz)
10. promienie jonizujące
11. ultradźwięki
12. sprężania adiabatyczne i fale uderzeniowe
13. reakcje egzotermiczne, włącznie z samozapaleniem się pyłów

Sposób eliminacji poszczególnych źródeł zapłonu powinien być przedmiotem audytu konkretnej instalacji przemysłowej. Można jednak wskazać kilka ogólnych zasad, które mają wpływ na poprawę bezpieczeństwa wybuchowego na terenie zakładu:

1. stosowanie w obszarach, gdzie występują atmosfery wybuchowe, urządzeń oraz aparatury w tzw. wykonaniu ATEX, których cechy Ex są dostosowane do poziomu zagrożenia (dowiedz się więcej o znakowaniu urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym z artykułu: Znakowanie urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem),
2. prace remontowe, w tym w szczególności tzw. prace gorące, które powinny być realizowane z zastosowaniem procedur ograniczających ryzyko zapłonu atmosfery wybuchowej,
3. stosowanie w procesach produkcyjnych separatorów, w tym separatorów magnetycznych, których zadaniem będzie wyłapanie kamieni, śrub, prętów oraz innych elementów mogących doprowadzić do powstania iskry mechanicznej w urządzeniach i aparatach, w których występuje atmosfera wybuchowa,
4. stosowanie stałych oraz przenośnych uziemień niwelujących możliwość wystąpienia wyładowania elektrostatycznego (dotyczy głównie pyłów o minimalnej energii zapłonu na poziomie poniżej 10 mJ),
5. stosowanie czujników ograniczających ryzyko przegrzania mechanicznych elementów urządzeń, jak np. łożyska przenośników taśmowych.

Ograniczenie skutków wybuchu do bezpiecznego poziomu

Jak wykazano wcześniej, nie ma możliwości całkowitej eliminacji ryzyka wybuchu, podobnie jak zabezpieczenia stosowane w autach nie zapobiegają wszystkim wypadkom na drogach, przez co konieczne jest używanie poduszek powietrznych, w pewnym sensie stanowiących ostatnią deskę ratunku. W warunkach przemysłowych z analogicznego powodu konieczne jest stosowanie systemów, które ograniczą skutki wybuchu do bezpiecznego poziomu, tj.:

1. zredukują ciśnienie wybuchu w urządzeniu/aparacie poniżej odporności konstrukcyjnej tego aparatu, przez co nie dojdzie do jego rozerwania,
2. uniemożliwią propagację (rozprzestrzenienie) wybuchu poprzez kanały i przesypy na sąsiednie urządzenia i aparaty, co zapobiegnie dużo groźniejszym wybuchom wtórnym.

Redukcję ciśnienia wybuchu w aparacie możemy osiągnąć poprzez zastosowanie jednej z poniższych technik:

1. system tłumienia wybuchu, który wykrywa zarzewie wybuchu w jego bardzo wczesnej fazie, a następnie aktywuje butle HRD (ang. High Rate Discharge bottles) wprowadzające do wnętrza chronionego aparatu specjalny proszek tłumiący. Rozwiązanie to gasi wybuch zanim jego ciśnienie osiągnie niebezpieczny poziom. Czas liczony od momentu wykrycia zarzewia wybuchu do chwili gdy zostanie on stłumiony liczony jest w tysięcznych częściach sekundy. Tłumienie wybuchu stanowi najbardziej elastyczny system przeciwwybuchowy, który może być stosowany w większości aplikacji (w tym także w przypadku substancji szkodliwych i toksycznych, produktów spożywczych, w halach zamkniętych czy na otwartej przestrzeni).
2. odciążanie wybuchu, poprzez zastosowanie tzw. paneli dekompresyjnych (nazywanych również klapami rozrywnymi). Wspomniane panele stanowią najsłabsze elementy konstrukcyjne chronionego aparatu, które w chwili wybuchu pękają wyprowadzając skutki wybuchu w postaci ciśnienia i kuli ognia do otoczenia. Panele dekompresyjne posiadają wiele ograniczeń, wśród których najważniejsze to brak możliwości stosowania w pomieszczeniach zamkniętych takich jak budynki czy hale produkcyjne oraz konieczność wytyczenia strefy niebezpiecznej, w obszarze której nie mogą się znajdować inne instalacje, budynki, trakty drogi czy ścieżki piesze. Rozwiązaniem opisanych wyżej problemów może być zastosowanie kanału dekompresyjnego, który wyprowadzi skutki wybuchu poza ścianę hali/budynku. Należy jednak pamiętać, iż kanał dekompresyjny wpływa na wzrost zredukowanego ciśnienia wybuchu, które można wyliczyć na podstawie normy PN-EN 14491. Opcjonalnie można zastosować tzw. bezpłomieniowe odciążanie wybuchu, które łączy panel dekompresyjny z wydajnym, perforowanym wymiennikiem ciepła. W tym przypadku ciśnienie oraz kula ognia zostają “rozproszone” na elementach wymiennika ciepła, co radykalnie zwiększa bezpieczeństwo użytkowania tego typu zabezpieczenia w stosunku do klasycznego panelu dekompresyjnego.

Alternatywnie do powyższych technik możliwe jest zastosowanie aparatów/urządzeń o konstrukcji odpornej na ciśnienie wybuchu. Rozwiązanie to jest równie skuteczne jak odciążanie czy tłumienie wybuchu, jednak ze względu na duży koszt inwestycyjny jest rzadko stosowane w praktyce. Jak można się domyśleć, technika ta polega na takim zaprojektowaniu elementów instalacji, aby były one w stanie przyjąć maksymalne ciśnienie wybuchu. Należy pamiętać, że wspomniany warunek muszą spełniać zarówno same urządzenia i aparaty, jak również wszelkie kanały, rurociągi i przesypy.

W zdecydowanej większości przypadków powyższych technik nie łączy się w obrębie jednego urządzenia. Przykładowo nie stosuje się tłumienia i jednocześnie odciążania wybuchu do zabezpieczenia zbiornika magazynowego. Można natomiast stosować różne techniki przeciwwybuchowe do zabezpieczania różnych urządzeń i aparatów stanowiących jedną instalację.

Odsprzęganie wybuchu

Powyższe techniki nie będą skuteczne, jeśli nie zostaną uzupełnione o tzw. układ odprzęgania wybuchu. Niezależnie zatem, czy dany aparat zabezpieczony zostanie poprzez tłumienie, odciążanie czy konstrukcję odporną na maksymalne ciśnienie wybuchu, konieczne jest zastosowanie także odsprzęgania wybuchu. Jego zadanie polega na fizycznym zamknięciu wszystkich kanałów i przesypów, którymi ciśnienie i kula ognia mogłyby przedostać się do sąsiednich aparatów. W przeciwnym razie może dojść do wybuchu wtórnego, którego siła jest znacznie wyższa niż w przypadku pierwszego wybuchu.

Dzieje się tak, ponieważ wybuch wtórny inicjowany jest w warunkach podwyższonego ciśnienia oraz zwiększonej turbulencji mieszaniny wybuchowej. Tym samym dochodzi do wzrostu niezwykle ważnych z punktu widzenia bezpieczeństwa wybuchowego parametrów, jakimi są maksymalne ciśnienie wybuchu P_max oraz stała wybuchowości K_st, która informuje nas o szybkości narastania ciśnienia w czasie. Oba parametry są kluczowe również z punktu widzenia doboru właściwych zabezpieczeń przeciwwybuchowych. Dlatego też nawet jeśli aparat, w którym doszło do wybuchu wtórnego, został zabezpieczony poprzez tłumienie, odciążanie lub konstrukcję odporną na maksymalne ciśnienie wybuchu, to z dużą pewnością można stwierdzić, że zastosowane zabezpieczenie będzie nieskuteczne – ponieważ było ono zaprojektowane na inne parametry początkowe.

Więcej na temat odsprzęgania wybuchu dowiedz się z artykułu: Zatrzymać wybuch – systemy odsprzęgania wybuchu

Parametry wybuchowości pyłów

Aby móc zaprojektować skuteczny system przeciwwybuchowy wykorzystujący wymienione techniki przeciwwybuchowe, konieczna jest znajomość co najmniej dwóch parametrów charakterystycznych dla danej substancji, tj.:

1. maksymalnego ciśnienia wybuchu P_max,
2. stałej wybuchowości K_st.

Oba parametry zależą m.in. od rozkładu ziarnowego pyłu oraz jego wilgotności. Z tego względu w większości przypadków dane literaturowe nie pozwalają jednoznacznie określić ich wartości. Konieczne są zatem testy z wykorzystaniem konkretnego pyłu. Ważne, aby badania realizowane były przez odpowiednią jednostkę notyfikowaną. Tylko wtedy mogą być one podstawą do dalszych działań.

UWAGA: do opracowania projektu zabezpieczeń przeciwwybuchowych poza wspomnianymi parametrami konieczne są takie informacje jak:

• podstawowe wymiary chronionego aparatu,
• wytrzymałość konstrukcyjna chronionego aparatu (w przypadku braku takiej informacji można ją określić na podstawie analizy MES).

Parametry wybuchowości pyłów – definicje

Poniżej przedstawiono najważniejsze parametry wybuchowości jakie powinny zostać określone podczas badania. Ich wartości są niezbędne do przeprowadzenie oceny ryzyka wybuchu oraz dobrania właściwych systemów ochronnych (w tym przede wszystkim zabezpieczeń przeciwwybuchowych).

STAŁA WYBUCHOWOŚCI (K_st, (d_p/d_t)_max):

maksymalna wartość przyrostu ciśnienia w jednostce czasu w trakcie wybuchów wszystkich atmosfer wybuchowych w zakresie wybuchowości substancji palnej w zamkniętym naczyniu w określonych warunkach badania.

MAKSYMALNE CIŚNIENIE WYBUCHU (P_max):

maksymalne ciśnienie występujące w zamkniętym naczyniu podczas wybuchu atmosfery wybuchowej, oznaczone w określonych warunkach badania.

MINIMALNA ENERGIA ZAPŁONU (pol. MEZ, ang. MIE):

najmniejsza energia, która jest wystarczająca do spowodowania zapłonu najłatwiej zapalnej atmosfery wybuchowej w określonych warunkach badania.

MINIMALNA TEMPERATURA ZAPŁONU OBŁOKU PYŁU:

najniższa temperatura gorącej, wewnętrznej ścianki pieca, w której dochodzi do zapłonu obłoku pyłu w powietrzu zawartym wewnątrz pieca.

MINIMALNA TEMPERATURA WARSTWY PYŁU T_{5 mm}:

najniższa temperatura gorącej powierzchni, w której dochodzi do zapłonu znajdującej się na tej powierzchni warstwy pyłu o określonej grubości 5 mm.

Lista popularnych palnych i wybuchowych pyłów

Poniżej przestawiamy listę kilkudziesięciu powszechnie stosowanych w przemyśle pyłów, których obecność stwarza ryzyko wystąpienia niekontrolowanego wybuchu.

Bezpieczeństwo wybuchowe stanowi jeden z najważniejszych obszarów działalności GRUPY WOLFF.
Doświadczenie zdobyte na przestrzeni ostatnich 20 lat pozwala nam realizować najbardziej złożone projekty, wymagające specjalistycznej wiedzy.

Realizujemy kompleksowe prace związane z dostosowaniem urządzeń, instalacji oraz całych zakładów przemysłowych do wymogów dyrektyw ATEX.