粉じん爆発性の粉体には、常に互いに関連する3つの構成要素から保護コンセプトが構築されます。すなわちゾーン区分、爆発性雰囲気と着火源の回避、そして必要に応じて爆発を抑制するための構造的対策です。どの組み合わせが適切かは、安全上の物質データ、プロセス、装置サイズ、設置場所、そして設備全体の連関によって決まります。

ゾーン区分だけでは、完全な防爆を説明するものではありません。しかしそれは、それぞれの区域でどの機器と保護システムを使用してよいかを定めます。不活性化は爆発性雰囲気の発生を防ぐことができます。これに対し、耐圧、耐爆圧衝撃、あるいは圧力放散された装置は、あらゆる予防策にもかかわらず爆発が発生した場合の影響を制限します。

粉じんのゾーンコンセプト

ゾーン20とは、空気中の可燃性粉じん雲の形での爆発性雰囲気が常時、長時間、あるいは頻繁に存在する区域を指します。典型的な例としては、ミキサー、サイロ、粉砕機、乾燥機、フィルター、サイクロン、粉じんを含む搬送配管の内部が挙げられます。ゾーン21は、通常運転時に危険な爆発性粉じん雰囲気が時折発生しうる場合に該当します。これは多くの場合、投入、排出、充填、サンプリング箇所、そして開放された、あるいは完全に気密ではない受け渡し箇所の直近に関わります。ゾーン22は、危険な粉じん雰囲気が通常運転時に発生しない、あるいは短時間しか発生しない区域を含みます。たとえばまれな漏れ、トラブル、あるいは堆積した粉じんの巻き上げの場合です。実際のゾーン境界は、放出、粉じん特性、気密性、吸引、洗浄、気流、室内形状に基づいて定めなければなりません。

ゾーン20には通常、カテゴリー1Dの機器が必要です。ゾーン21ではカテゴリー1Dまたは2Dの機器が許容されます。ゾーン22ではカテゴリー1D、2D、または3Dの機器を使用できます。これらの要求は、電気機器だけでなく、シャフト、シール、軸受、混合工具、フラップ、ロータリーバルブ、搬送機などの非電気部品にも同様に適用されます。カテゴリー1Dは、粉じん雰囲気に対する非常に高い保護レベルに相当し、まれな運転上のトラブルであっても有効でなければなりません。

不活性化ソリューション

不活性化は予防的な保護対策です。適切な不活性ガスが、プロセス空間内の酸素分を、爆発、あるいは物質系とガスによっては火災も発生・伝播しない値まで下げます。これに関わる酸素限界濃度、国際的にはLimiting Oxygen Concentrationと呼ばれる値は、製品、不活性ガス、条件に依存します。具体的な粉じん・不活性ガス系について、関連する温度・圧力・水分・粒子条件下で定めなければなりません。CEN/TR 15281は、不活性化を爆発と火災を回避するための対策として明確に扱っています。

窒素は、多くの有機粉じんおよび化学粉体にとって最も一般的に使用される不活性ガスです。幅広く利用可能で、多数の物質系に適しています。二酸化炭素は特定の用途では経済的な代替となり得ますが、製品・材料との適合性を確認した上でのみ使用すべきです。アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウムといった反応性の高い金属粉体では、窒素、二酸化炭素、アルゴンについての一般的な推奨は許されません。これらの金属は特定のガスと、あるいは高温で反応する可能性があります。したがって不活性ガスの選定は、実際の反応性、温度、粒度、水分、そして起こりうる消火・分解反応に基づいて行わなければなりません。

バッチプロセスでは、多くの場合、真空・加圧交互不活性化が用いられます。この場合、耐真空容器を排気し、その後不活性ガスでフラッディングします。この工程を、酸素含有量が許容限界を下回るまで繰り返します。耐真空性のない装置や連続プロセスでは、フロー不活性化やパージ不活性化を用いることができます。定められた不活性ガス流が、まず空気を置換し、運転中は漏れ、投入による空気の混入、あるいは排出時のガス交換を補います。わずかな不活性ガスの正圧は空気の混入を減らすことができますが、許容される運転圧力、気密性、安全コンセプトと整合していなければなりません。

酸素測定、アラーム限界値、インターロックは、安全に不活性化された設備の必要な構成要素です。測定箇所は代表的でなければなりません。大型または複雑な装置では、複数の測定点が必要になることがあります。センサーの数、必要な冗長性、機能安全性は、危険性評価に基づいて定められます。常に2つのセンサー、特定のSIL値、あるいは酸素限界濃度から数体積パーセントの一定のマージンといった一律の指定は、具体的な安全性証明なしには十分ではありません。

耐圧・耐爆圧衝撃構造

防爆機器は、内部での爆発に対して破裂することなく、周辺への危険な影響を及ぼすことなく耐えられるように製作されます。EN 14460は、防爆機器への要求を規定しています。設計は想定される爆発圧力に基づき、容器形状、容積、材質、温度、圧力、接続部、シール、起こりうるハイブリッド混合物を考慮します。

耐爆圧仕様では、装置は関連する最大爆発圧力に対して設計されます。これに対し耐爆圧衝撃仕様では、容器が破損せず、外部に危険な影響が生じない限り、永久変形が許容されます。実務ではこれらの用語がしばしば不正確に用いられます。したがって許容される圧力段階、想定される爆発負荷、事象後の継続使用への要求は、プロジェクトごとの安全コンセプトの中で明確に定めなければなりません。

耐爆圧衝撃仕様は、圧力放散を組み合わせた低減爆発圧力向けの仕様と自動的に同じものではありません。圧力放散は低減爆発圧力predを抑えることができますが、その効果は放散面積、開放圧力、容器容積、粉じん特性値、形状、配管長、起こりうる炎の伝播に依存します。圧力放散システムの設計は該当する規則に従って行い、安全な放散区域を考慮しなければなりません。屋内設置の場合、無炎放散やその他の保護コンセプトが必要になることがあります。

爆発抑制システムは、圧力センサーまたは炎センサーを通じて爆発の始まりを検知し、適切な消火剤を装置内に投入します。これにより、圧力上昇を制御可能な水準に抑えることを目的とします。これらのシステムは、屋外への圧力放散が不可能な場合や、炎・圧力・製品の放出が許容できない場合にとりわけ重要です。迅速な検知、適切な消火剤、定期的な点検、そして接続された構成部品の防爆技術的な分離が必要です。

構造にかかわらず、接続された設備部品の分離が必要になることが多いです。分離がなければ、圧力と炎は配管や搬送設備を通じてサイロ、フィルター、他の装置へ伝播する可能性があります。可能なシステムとしては、防爆技術的に適した逆止弁、急速閉鎖弁、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があります。選定した装置は、実際の粉じん爆発クラス、配管形状、処理量、圧力条件、組み込み位置に適していなければなりません。

統合された保護コンセプト

実務的なコンセプトは、まず爆発を防止し、その後で初めてその影響を制限するという原則に従います。第一の保護レベルは、たとえば密閉されたプロセス運用、粉じん回避、あるいは不活性化による爆発性雰囲気の制限または回避です。第二の保護レベルは、適切な機器カテゴリー、温度制限、接地、電位均等化、異物管理、保守による有効な着火源の回避です。第三の保護レベルには、圧力放散、抑制、防爆設計、分離が含まれます。

あらゆる設計の出発点は、安全上の物質データです。これには、KSt、最大爆発圧力pmax、最小着火エネルギー、粉じん雲・粉じん堆積層の最小着火温度、粒度分布、水分、電気伝導率、酸素限界濃度、そして必要に応じてハイブリッド混合物に関するデータが含まれます。保護戦略は、通常運転、起動、停止、投入、排出、洗浄、保守、そして予見可能なトラブルを考慮しなければなりません。