粉じん爆発リスクに対して、どのような防爆コンセプト（耐爆圧衝撃構造、不活性化、分離）が一般的ですか。
粉じん爆発リスクに対しては、予防的な対策と構造上の防護対策を組み合わせて講じます。まず、危険な爆発性粉じん雰囲気と有効な着火源の発生を回避すべきです。これが十分な安全性をもって実現できない場合には、構造上の対策により、起こりうる爆発の影響を許容できる範囲に抑えます。TRGS 724は、そのための基本的な対策として、耐爆発構造、爆発圧力開放、爆発抑制、そして火炎と圧力の爆発技術的デカップリングという4つを挙げています。
防護コンセプトの選択は、安全技術上の物質データ、装置の大きさ、接続された配管、設置場所、運転コンセプト、そして万一の事象が引き起こしうる影響によって決まります。特に重要なデータは、KSt値、最大爆発圧力 pmax、最小着火エネルギー、最小着火温度、粒度、水分、電気伝導率、および該当する場合はハイブリッド混合物に関するデータです。
耐爆発構造
耐爆発構造の装置、たとえばミキサー、フィルタ、サイロ、サイクロン、乾燥機、配管などは、想定される内部爆発に対して破裂することなく耐えるように設計します。爆発または爆轟が発生した後は、影響を受けた設備部分について、耐爆発性が引き続き保たれているかを点検しなければなりません。
その際、耐爆発圧力構造と耐爆発圧力衝撃構造とが区別されます。耐爆発圧力部品は、最大爆発圧力または低減された爆発圧力に対して、永久変形を生じることなく耐えます。耐爆発圧力衝撃部品は塑性変形を生じてもかまいませんが、破裂したり危険な漏れを生じたりしてはなりません。耐爆発圧力構造は、同時に耐爆発圧力衝撃構造の要件も満たします。
設計は、最大爆発圧力を基準とすることも、有効な圧力開放または爆発抑制が計画されている場合には、低減された爆発圧力 pred を基準とすることもできます。「8～10 bar」といった一般的な数値は、個々の装置の設計根拠にはなりません。粉じんの種類、ハイブリッド混合物、初期圧力、温度、形状によって大きく異なることがあります。検証済みの物質データと認められた規則に基づく、プロジェクトごとの設計が必要です。
不活性化
不活性化では、適切な不活性ガスによってプロセス空間内の酸素濃度を低減するか、雰囲気の大部分を不活性ガスに置き換えます。これにより、爆発や火災が発生しない、あるいは進展しないようにします。したがって不活性化は予防的な防爆対策であり、構造上の防爆対策ではありません。
窒素は、有機粉じんや多くの化学粉末に対してよく用いられます。二酸化炭素やアルゴンも、特定の場合には適していることがあります。ただし選定には、化学反応性、プロセス温度、腐食の可能性、製品品質、労働安全要求、そして異常時の物質挙動の評価が前提となります。反応性の金属粉末に対しては、不適切な不活性ガス自体が追加のリスクを引き起こすことがあります。
許容される酸素値は、その粉じん・不活性ガス系について定められた酸素限界濃度を下回っていなければなりません。この値は安全マージンを設けて定められ、測定の不確かさ、漏れ、圧力・温度の変動、水分、製品切替、そして酸素放出の可能性を考慮します。残留酸素についての一般的な目標値だけでは不十分です。
代表的な方式は、バッチプロセスにおける真空圧力交番不活性化、連続設備におけるパージないし流通不活性化、そしてわずかな不活性ガス加圧によるオーバーレイです。安全な実施には、十分に気密な設備、適切な不活性ガス供給、代表性のある酸素測定、警報限界値、インターロック、そして異常時やエネルギー喪失時のコンセプトが必要です。
デカップリングと波及防止
爆発技術的デカップリングは、圧力、火炎、燃焼中の粒子が配管や搬送経路を通じて他の設備部分に波及することを防ぎます。これは特に、ミキサー、フィルタ、サイロ、サイクロン、コンベヤ、乾燥機、充填設備の境界部分で重要です。適切なデカップリングがなければ、小さな装置容積で発生した爆発が、接続されたより大きな設備領域へと広がることがあります。
デカップリングの手段としては、たとえば防爆用途に適した逆止弁、急速遮断弁、防爆バルブ、消火剤バリア、あるいは認証されたロータリーバルブなどが考えられます。個々の対策は、粉じん爆発クラス、配管形状、流れ方向、処理量、圧力条件、取付位置に適合していなければなりません。ロータリーバルブがデカップリングとして有効なのは、この防護機能のために明確に設計され、適切に設置され、定期的に検査されている場合に限られます。
圧力開放と爆発抑制は、これまで述べたコンセプトを補完します。圧力開放では、破裂板や開放弁が開くことで、圧力と火炎が安全な領域へ排出されます。屋外への開放が不可能な場合には、無炎排出システムや抑制設備が必要になることがあります。爆発抑制システムは事象の発生初期を検知し、消火剤を注入して圧力上昇を抑えます。いずれの方式も、整合の取れた設計、検査、保守が必要です。
amixon® はこうして粉じん爆発性粉体の防爆を支援します
ATEXに適合した製品空間の設計
粉じん爆発性の粉体を扱う場合、ミキサー、造粒機、乾燥機、反応機の内部は、しばしばゾーン20に区分されます。ゾーン20とは、爆発性粉じん雰囲気が常時、長時間にわたって、あるいは頻繁に存在する区域を指します。ただし設備全体の最終的なゾーン区分は、操業者が危険性評価の枠組みの中で定めます。これはミキサーだけでなく、計量、充填、排出、フィルタ、搬送配管、サイロ、充填設備、設置区域も含みます。
amixon® は、製品空間がゾーン20に区分される用途向けに、ミキサー、造粒機、真空混合乾燥機、混合反応機を設計できます。これは、シリーズ、機種寸法、プロジェクト構成によって異なりますが、単軸ミキサー、縦型・コーンミキサー、コンテナミキサー、連続式ミキサー、そして VMT・AMT シリーズの真空混合乾燥機・混合反応機に及びます。具体的な装置仕様、機器カテゴリー、許容表面温度、電気・非電気機器、そして必要な文書は、物質データとプロセス条件に基づいてプロジェクトごとに定められます。
ATEX製品指令2014/34/EUは、爆発の危険がある区域向けの機器および保護システムに関する要件を定めています。ATEX事業者指令1999/92/EGは、操業者に対して危険性評価、ゾーン区分、防爆文書の作成を義務付けています。ゾーン20に区分される製品空間には、原則として非常に高い保護レベルが必要であり、これは通常カテゴリー1Dの仕様に相当します。
着火源と気密性
低い工具速度は、機械的なエネルギー投入、ならびに摩擦・衝突・摩耗エネルギーを抑えることができます。縦型ミキサー VM および HM について、amixon® は約 0.8～3.5 m/s の調整可能な範囲を挙げています。この運転方式は、繊細な粉体において粒子への負荷をさらに軽減できます。ただし、これはミキサー内に有効な着火源が生じ得ないことの一般的な証明にはなりません。低い回転数の場合でも、軸受、シール、シャフト、工具と壁面の接触、異物、詰まり、表面温度、静電帯電、電気部品などを評価する必要があります。
混合室と混合工具は、継ぎ目の少ない構造とし、研磨仕上げにできます。OmgaSeal® シール付きの Clever-Cut® 点検扉は、amixon® によれば、製品空間をデッドスペースの少ない状態で密閉するように設計されています。これらの特徴は、粉じんの漏出や堆積を減らすことができます。ただし実際の気密性は、圧力差、シール材質、摩耗、組立、保守、そして具体的なプロセス運用によっても左右されます。防じん構造は粉じん堆積のリスクを減らしますが、有効な洗浄コンセプトや、起こりうる二次爆発の評価に代わるものではありません。
ATEXに適合した総合コンセプトのためには、温度・トルク監視、適切な軸受・シールコンセプト、異物管理、接地、電位均等化、予防保全が必要になることがあります。粉じん層については、TRGS 723が、危険性評価で別段の定めがない限り、粉じん層の最小着火温度と表面温度の間に原則として75℃の安全マージンを設けるべきことを定めています。
圧力設計とデカップリング
真空混合乾燥機・混合反応機 VMT および AMT は、ガス密閉、真空密閉、圧力密閉の仕様にできます。これらの特性は、真空、加圧、不活性ガス雰囲気下のプロセスに必要です。ただしこれらは、装置が耐爆発圧力または耐爆発圧力衝撃の設計であることを自動的に意味するものではありません。該当する設計は明確に指定される必要があり、KSt値、pmax、最小着火エネルギー、着火温度、水分、粒度、起こりうるハイブリッド混合物といった安全技術上の物質データに基づきます。
耐爆発圧力または耐爆発圧力衝撃の構造は、構造上の防爆コンセプトの一部となり得ます。防護戦略に応じて、最大爆発圧力を基準に、あるいは圧力開放または爆発抑制によって低減された爆発圧力を基準に設計されます。事象の発生後は、影響を受けた部品について、引き続きの健全性と使用可能性を点検しなければなりません。
爆発技術的デカップリングは、圧力、火炎、燃焼中の粒子が接続配管を通じて他の設備部分に波及する可能性がある場合に必要です。これは特に、ミキサー、フィルタ、サイロ、乾燥機、コンベヤ、充填設備の境界部分に関わります。適切な対策としては、防爆性能が検証された逆止弁、急速遮断弁、防爆バルブ、消火剤バリア、あるいは適切なロータリーバルブが考えられます。選定と設計は、具体的なプロセス系統、粉じん爆発クラス、配管形状、処理量、圧力条件に応じて行われます。
予防的対策としての不活性化
不活性化は、予防的な防爆対策として用いることができます。この場合、適切な不活性ガスによって、プロセス空間内の酸素濃度を、その粉じん・不活性ガス系について定められた酸素限界濃度を下回る安全な値まで低減します。真空装置では、たとえば繰り返しの排気とそれに続く適切な不活性ガスによる充填によって、雰囲気を調整できます。amixon® は、この原理を真空混合乾燥機と合成反応機について説明しています。
前提となるのは、十分に気密な設備、適切な不活性ガス供給、明確に定められた排気・パージ手順、代表性のある酸素測定、警報限界値、そして安全関連のインターロックです。許容される酸素設定値は、具体的なレシピ、不活性ガス、圧力、温度、水分、測定の不確かさに応じて定める必要があります。一般的な酸素設定値だけでは不十分です。
不活性化は爆発性雰囲気が生じる確率を下げますが、他のすべての防護対策に代わるものではありません。自然発火、熱分解、発熱反応、あるいは堆積物内での火災の可能性に対して、自動的に保護するわけではありません。酸化性成分や反応性の粉体については、不活性ガスの適合性と不活性化の効果を特に慎重に確認する必要があります。
試験と設計
設計は、安全技術上の物質データ、操業者のユーザー要求仕様書（URS）、そして設備全体の連関の検討に基づいて行われます。実製品を用いた試験により、混合品質、温度上昇、液体の分布、固着、排出、洗浄性、真空下での挙動といった、プロセス工学上の適合性を評価できます。ただしこれらは、安全技術上の物質試験、圧力開放・抑制・デカップリングの設計、そして防爆の専門資格を持つ担当者による危険性評価に代わるものではありません。
amixon® は、パーダーボルンの拠点でさまざまな機種寸法の試験設備を30台以上運用していると述べています。これを補完するテストセンターが、日本、インド、タイ、中国、韓国、米国にあります。試験結果は、ミキサー、工具、シール、伝熱、計量コンセプト、プロセス運用の選定を支援できます。