粉じん爆発の危険がある粉体を扱う際、義務付けられる安全機能は何ですか。
可燃性粉じんを扱う際には、すべての設備に一律に適用される個々の機能のカタログが義務付けられているわけではありません。義務付けられているのは、むしろ文書化されたリスクベースの防爆コンセプトです。これは、具体的なレシピ、物質データ、ゾーン区分、プロセス運用、着火源、設置場所、そして設備全体の連関を考慮しなければなりません。防護対策は、危険性評価と防爆文書から導き出されます。
ドイツでは、TRGS 720からTRGS 724が、この進め方を具体化しています。すなわち、危険な爆発性雰囲気を回避または制限すること、有効な着火源を回避すること、そして必要な場合には構造上の対策によって爆発の影響を制限することです。
危険性の回避
密閉された、できるだけ防じん性の高いプロセス運用、適切な吸引、ろ過、そしてリスクに基づく洗浄が、基本的な対策です。これらは、危険な粉じん雲や広範囲にわたる粉じん堆積の形成を防ぐことを目的とします。「粉じん層が1mm以上になると危険」といった一般的な限界値は、専門的な根拠に乏しいものです。薄い堆積であっても広い面積に積もれば、巻き上げによって二次爆発を招くことがあります。したがって、許容される堆積量と洗浄間隔は、具体的な危険性評価から導き出さなければなりません。
不活性化は、防護コンセプトの中で有効な対策として定められた場合に必要となります。これは、適切な不活性ガスによって酸素濃度を、製品・プロセスごとの酸素限界濃度を下回るまで低減します。そのためには、気密な設備、明確に定められた不活性化手順、必要な酸素測定、警報・遮断値、そして安全インターロックが必要です。粉じん爆発の危険があるすべての設備に不活性化が必要というわけではなく、その要否は物質データ、プロセス、そして代替の防護対策によって決まります。
可燃性粉じんの濃度を爆発下限濃度未満に恒常的に保つことは、実務上、粉体プロセスにおいては信頼できる第一の防護コンセプトとはならないことが多いです。粉じん濃度を連続的かつ代表性をもって検出するのは困難であり、さらに局所的な巻き上げや堆積が生じることもあります。そのため、多くの場合、密閉されたプロセス運用、粉じんの最小化、着火源の回避、そして必要に応じた構造上の防護を組み合わせた方式が選ばれます。
着火源の回避
爆発性雰囲気を確実に排除できない場合には、あらゆる潜在的な着火源を評価し、制御しなければなりません。これには、電気・非電気機器、高温表面、摩擦、機械的火花、詰まった駆動部、軸受・シールの過熱、異物、静電放電、裸火、そして火気使用作業が含まれます。
その際、必ず必要となる機能は設計から導かれます。典型的な対策は、温度監視付きの軸受・シール、回転数またはトルクの監視、表面温度の制限、適切な材料の組み合わせ、異物除去装置、管理された保守、そして定められたゾーンに適合するATEX機器です。関連するすべての導電性部品の接地と電位均等化は、防護コンセプトの中心的な要素です。これらの要件は、配管、フィルタ、フレキシブルホース、ドラム缶、IBC、FIBC、投入ステーション、そして場合によっては操作要員にも適用されます。
106 Ω以下という一律の導電抵抗値は、あらゆる部品・用途に対して正しいとは限りません。導電性材料への要求は、部品、材質、用途によって異なります。たとえばタイプCのFIBCについて、TRGS 727は接地点までの導電抵抗を107 Ω未満とすることを挙げています。タイプDのFIBCは接地を必要としませんが、想定される用途に対する要件が満たされている場合に限り使用できます。
火花検知・消火設備は、一律に義務付けられているわけではありません。高温粒子や火花が重大な危険として特定された場合には、空気搬送配管、吸引経路、木材加工設備、あるいはその他の用途で必要になることがあります。その要否、取付位置、安全機能は、危険性評価から導かれなければなりません。
影響の抑制
爆発性雰囲気と着火源を十分な安全性をもって回避できない場合には、構造上の防護対策を講じなければなりません。TRGS 724は、爆発の影響を無害な範囲に抑えるための対策として、耐爆発構造、爆発圧力開放、爆発抑制、爆発技術的デカップリングを挙げています。
圧力開放は、適切な破裂板、開放弁、あるいは無炎式システムによって行うことができます。爆発抑制には、非常に高速な検知と適切な消火剤が必要です。爆発技術的デカップリングは、圧力と火炎が配管を通じてフィルタ、サイロ、コンベヤ、乾燥機、その他の装置に波及することを防ぎます。適した手段としては、逆止弁、急速遮断弁、消火剤バリア、防爆バルブ、あるいはそのために検証されたロータリーバルブが考えられます。
正しい対策は、KSt値、pmax、最小着火エネルギー、粒度といった物質データ、そして装置容積、配管形状、処理量、屋内・屋外設置、人体への危険の可能性によって決まります。構造上の保護システムは、あらゆる環境ですべての人を自動的に保護するわけではありません。特に圧力開放では、噴出方向、火炎の噴出、圧力波、放出される製品、そして安全な区域を考慮しなければなりません。
組織的対応と検査
危険な爆発性雰囲気が発生しうる場合には、危険性評価と防爆文書の作成が義務付けられます。この文書は、作業開始前に作成し、常に最新の状態に保ち、重要な変更があった場合には改訂しなければなりません。そこには、物質データ、ゾーン区分、防護対策、機器選定、検査、運転限界、組織的な規則などが記載されます。
従業員には、防爆区域、粉じんの放出、接地、洗浄、故障対応、警報、緊急時対応に関する作業手順書と教育訓練が必要です。防爆区域での火気使用作業、研削、溶接、あるいは許可されていない機器の使用については、許可手順を適用しなければなりません。
防爆安全性は、初回立ち上げ前、および検査義務のある変更後に検査しなければなりません。検査の対象は、防爆文書、技術的な防護対策、組織的な措置、そしてそれらの相互作用です。これには、換気、ガス検知、不活性化、機器、保護システム、そして安全・制御・調整装置などが含まれます。
安全関連機能は、リスクに基づく設計を備えていなければなりません。これにIEC 61511によるSIL、EN ISO 13849によるパフォーマンスレベル、あるいは他の手法のいずれが適用されるかは、制御の種類、安全機能、そして適用される規格によって決まります。特定のSILや特定のパフォーマンスレベルが、すべてのO₂測定、抑制システム、火花消火設備に一律に義務付けられているわけではありません。
amixon® はこうして粉じん爆発の危険がある粉体の安全性を支援します
ATEXに適合した製品空間の設計
粉じん爆発の危険がある粉体を扱う場合、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に区分すべきものとなります。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。計量、投入、排出、フィルタ、搬送経路、サイロ、設置区域を含む設備全体のゾーン区分は、危険性評価の一部であり、操業者の責任です。
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。これには、シリーズとプロジェクト構成に応じて、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、そして真空混合乾燥機・混合反応機 VMT・AMT が含まれます。ゾーン20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。装置空間、駆動、センサー技術、シール、温度限界、文書の具体的な構成は、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わります。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・維持、そして設備の検査を義務付けています。amixon® は、納入する装置に関する資料を提供できますが、設備全体の評価と稼働許可は操業者の役割のままです。
着火源と粉じん漏出の抑制
低い周速は、混合物内の摩擦・衝突・摩耗エネルギーを抑えることができます。VMおよびHMの縦型ミキサーについて、amixon® は約0.8～3.5 m/sの調整可能な周速範囲を挙げています。これは、繊細な粉粒体において、同時に粒子への負荷を軽減できます。ただし、低い回転数だけでは、有効な着火源が生じないことの唯一の証明にはなりません。軸受、シール、シャフト、工具と壁面が接触する可能性、異物、詰まり、高温表面、静電帯電、電気設備を追加で評価する必要があります。
適切な安全機能としては、軸受・シールの温度監視、回転数・トルク監視、異物管理、管理された保守、接地・電位均等化が考えられます。実際にどの機能が必要で、どのように設計すべきかは、危険性評価から導かれます。粉じん層については、TRGS 723が、別段の根拠ある定めがない限り、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挙げています。
継ぎ目の少ない構造とし、研磨仕上げにした製品領域、そして適切なシールシステムは、粉じんの漏出を抑えることができます。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。ただし実際の気密性は、シール材質、圧力差、摩耗、組立、保守に左右されます。したがって、気密な装置仕様は、吸引、洗浄、保守に代わるものでも、起こりうる粉じん堆積や二次爆発の評価に代わるものでもありません。
不活性化と加圧プロセス
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。したがって、混合、反応、コンディショニング、乾燥を真空、加圧、不活性ガス雰囲気下で行うプロセスに適しています。ただし耐圧性や耐真空性は、耐爆発圧力構造や耐爆発圧力衝撃構造であることと同義ではありません。これは、プロジェクトごとに明確に合意し、安全技術上の物質データに基づいて設計する必要があります。
不活性化は、予防的な防爆対策となり得ます。真空装置では、たとえば混合室を排気した後、適切な不活性ガスで満たします。繰り返しの圧力交番により、酸素濃度をさらに下げることができます。不活性化には、気密な設備、適切な不活性ガス供給、明確に定められたパージ手順、代表性のある酸素測定、警報・遮断値、そして安全インターロックが前提となります。許容される酸素値は、それぞれの製品・不活性ガス系について定められた酸素限界濃度を、安全マージンを設けて下回っていなければなりません。
不活性化は、自然発火、熱分解、火災、発熱反応を自動的に防ぐものではありません。したがって、これは完全な防爆コンセプトの一要素にすぎません。適切な防護戦略には、さらに耐爆発圧力または耐爆発圧力衝撃の装置、圧力開放、爆発抑制、そして接続された設備部分のデカップリングが必要になることがあります。
テストセンターと設計
プロジェクトごとの設計は、KSt値、pmax、最小着火エネルギー、最小着火温度、水分、粒度、電気伝導率、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から始まります。これらのデータが、ゾーンコンセプト、許容表面温度、機器カテゴリー、気密性要求、接地、不活性化、そして起こりうる構造上の防護対策を決定します。
amixon® は自社の説明によれば、テストセンターにおいて実製品を用いたプロセス試験を提供しています。そこでは、混合品質、熱の投入、液体の分布、固着、排出、洗浄性、そして真空下・不活性ガス下での挙動を調査できます。こうした試験はプロセス工学上の設計を支援できますが、安全技術上の物質試験や、設備全体の危険性評価に代わるものではありません。