St1, St2 i St3 – klasy zagrożenia wybuchem pyłu

Definicja

Oznaczenia St1, St2 i St3 odnoszą się do klas wybuchowości pyłu, według których pyły palne są klasyfikowane pod względem intensywności wybuchu pyłu. Podstawą jest wartość Kst, czyli maksymalny przyrost ciśnienia w czasie mieszaniny pyłu z powietrzem w zamkniętym zbiorniku w znormalizowanych warunkach badawczych, podawana w bar·m/s.

Na podstawie wartości Kst pyły klasyfikuje się w następujący sposób:

Pyły o wartości Kst równej 0 uznaje się za niezdolne do wybuchu pyłowego i przypisuje się je do klasy St 0. Podczas gdy wartość Kst stanowi zmierzoną wielkość charakterystyczną, klasy St grupują te wartości w zakresy projektowe, na których opiera się konstrukcja obiektu i koncepcja zabezpieczeń.

Charakterystyka wartości Kst

• Stała charakterystyczna dla materiału: Wartość Kst jest wskaźnikiem zależnym od materiału. Pozwala ona na ekstrapolację wyników uzyskanych na znormalizowanych urządzeniach badawczych na większe urządzenia i instalacje z wykorzystaniem prawa sześciennego.

• Szybkość wzrostu ciśnienia: Wraz ze wzrostem klasy St – od St1 przez St2 do St3 – wzrasta szybkość wzrostu ciśnienia. W związku z tym skraca się czas reakcji systemów ochronnych.

   

Typowe przykłady

St1 – słaba do średniej siła wybuchu

Kategoria St1 obejmuje zdecydowaną większość pyłów mających znaczenie przemysłowe. Typowymi przykładami są mąka, cukier, mleko w proszku, pyły zbożowe, pył drzewny, wiele proszków i granulatów tworzyw sztucznych, wiele substancji czynnych stosowanych w farmacji oraz pył węglowy.

St2 – wysoka intensywność wybuchu

Pyły typu St2 charakteryzują się znacznie wyższym potencjałem zagrożenia ze względu na znacznie szybszy wzrost ciśnienia. Typowymi przykładami są niektóre pigmenty organiczne, bardzo drobne pyły tworzyw sztucznych, niektóre półprodukty chemiczne i barwniki, a także reaktywna celuloza i proszki specjalne.

St3 – bardzo duża siła wybuchu

Kategoria St3 obejmuje szczególnie niebezpieczne, wysoce reaktywne pyły. Typowymi przykładami są proszki aluminium, magnezu i tytanu, a także inne drobne proszki metalowe, takie jak te stosowane w metalurgii proszkowej, w procesach produkcji addytywnej oraz w produkcji materiałów do akumulatorów.

W przypadku pyłów klasy St3 wzrost ciśnienia następuje tak szybko, że czysto reaktywne systemy zabezpieczające często osiągają granice swoich możliwości. Pyły metalowe stanowią ponadto szczególne wyzwanie, ponieważ w połączeniu z wodą lub niektórymi środkami gaśniczymi mogą wywoływać dodatkowe reakcje. Środki zapobiegawcze – w szczególności inertyzacja oraz zamknięty proces zaprojektowany z uwzględnieniem odporności na uderzenia ciśnieniowe – mają tu zazwyczaj pierwszeństwo przed późniejszym odciążeniem.

Czynniki wpływające na klasyfikację

Rzeczywista klasa St pyłu zależy od kilku parametrów:

• Wielkość i kształt cząstek – im drobniejsze cząstki i im większa powierzchnia właściwa, tym większa reaktywność
• Zawartość wilgoci lub wilgotność resztkowa
• skład chemiczny
• Zawartość tlenu i skład atmosfery
• Właściwości aglomeracyjne i rozkład w mieszaninie pyłu i powietrza

Już niewielkie zmiany tych czynników, takie jak drobniejszy stopień mielenia, inne źródło surowca lub niższa wilgotność, mogą wpłynąć na klasę St.

Znaczenie praktyczne dla mieszalników i procesów związanych z proszkami

Podczas stosowania mieszalników do przetwarzania produktów w postaci proszku w ich wnętrzu praktycznie zawsze powstają mieszaniny pyłu z powietrzem, zwłaszcza podczas napełniania, mieszania i opróżniania. Klasyfikacja produktu ma zatem kluczowe znaczenie dla koncepcji ochrony przeciwwybuchowej i projektu instalacji.

Konstrukcja i budowa mieszalnika

Produkty St1: standardowa konstrukcja o określonej odporności na uderzenia ciśnieniowe, wynoszącej około 10 barów. Możliwe jest zapewnienie konstrukcyjnej ochrony przeciwwybuchowej poprzez odciążenie ciśnieniowe za pomocą płyt bezpieczeństwa lub bezpłomieniowych urządzeń odciążających. Zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości obudowy jest zazwyczaj łatwe do osiągnięcia z ekonomicznego punktu widzenia.

Produkty St2: podwyższone wymagania dotyczące wytrzymałości mechanicznej, często konstrukcja odporna na uderzenia ciśnienia wybuchowego. Konieczne są większe powierzchnie odciążające, aby bezpiecznie odprowadzić znacznie szybszy wzrost ciśnienia. Często odciążanie ciśnieniowe łączy się z tłumieniem wybuchu, np. za pomocą zbiorników środka gaśniczego typu HRD, oraz z odizolowaniem wybuchu za pomocą blokad zaworowych, śluz kołowych lub blokad środka gaśniczego w elementach instalacji znajdujących się przed i za danym urządzeniem.

Produkty St3: zazwyczaj są to zamknięte urządzenia zaprojektowane z myślą o odporności na uderzenia ciśnienia, w połączeniu z inertyzacją i monitorowaniem stężenia tlenu. Samo odciążenie ciśnieniowe często okazuje się niewystarczające ze względu na bardzo krótki czas narastania ciśnienia lub możliwe do zrealizowania jedynie przy zastosowaniu nieproporcjonalnie dużych powierzchni odciążających. Wymagania dotyczące zapobiegania powstawaniu źródeł zapłonu są zaostrzone, urządzenia odłączające są praktycznie zawsze niezbędne, a dobór środków gaśniczych musi być dostosowany do reaktywności pyłu metalowego.

Ponieważ mieszalniki mają zazwyczaj dużą objętość wewnętrzną, siła i całkowity obciążenie wynikające z wybuchu są proporcjonalne do tej objętości. Prawidłowa klasyfikacja ma zatem zasadnicze znaczenie dla bezpiecznego i ekonomicznego doboru wymiarów.

Zapobieganie powstawaniu źródeł zapłonu i zgodność z dyrektywą ATEX

• całkowite uziemienie wszystkich elementów instalacji w celu zminimalizowania wyładowań elektrostatycznych
• Zastosowanie napędów, czujników i urządzeń elektrycznych w wykonaniu przeciwwybuchowym zgodnie z podziałem na strefy
• Monitorowanie temperatury i stanu łożysk, przepustów wałów i elementów uszczelniających
• odpowiednie środki konstrukcyjne mające na celu zapobieganie powstawaniu iskier mechanicznych

Wybór i dobór parametrów środków ochronnych

W zależności od wartości Kst, maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax, minimalnej energii zapłonu (MZE) oraz minimalnej temperatury zapłonu (MZT) dobiera się i wymiaruje konkretne środki ochronne, na przykład:

• Odciążanie ciśnienia wybuchowego za pomocą płyt bezpieczeństwa, rur typu Q lub bezpłomieniowego odciążania
• Ograniczanie wybuchów za pomocą systemów szybkiego gaszenia
• Izolacja przeciwwybuchowa za pomocą barier mechanicznych lub chemicznych między mieszalnikiem a sąsiednimi urządzeniami

• Inertyzacja z monitorowaniem stężenia tlenu

   

Wymagania dotyczące dokumentacji i parametrów znamionowych

Aby można było prawidłowo dobrać mieszalnik lub instalację do przetwarzania proszków, konstruktorzy instalacji potrzebują parametrów bezpieczeństwa produktu, zazwyczaj są to:

• Kst – stała charakterystyczna dla pyłu
• pmax – maksymalne ciśnienie nadciśnieniowe wybuchu
• MZE – minimalna energia zapłonowa
• MZT – minimalna temperatura zapłonu

Wartości te należy odnotować i aktualizować w dokumencie dotyczącym ochrony przeciwwybuchowej zgodnie z dyrektywą 1999/92/WE. W przypadku obecności gazów palnych, oparów lub rozpuszczalników należy dodatkowo określić wartości charakterystyczne mieszaniny hybrydowej.

Wskazówki praktyczne

• Badania laboratoryjne: Pyły powinny być badane w certyfikowanym laboratorium badawczym pod kątem parametrów Kst, pmax, MZE i MZT. Tylko w ten sposób możliwe jest wiarygodne zaklasyfikowanie pyłów do klas od St0 do St3 oraz precyzyjne i ekonomiczne zaprojektowanie mieszalnika.
• Regularna aktualizacja: zmiany w recepturze, nowi dostawcy surowców, zmodyfikowane warunki suszenia lub drobniejsze stopnie zmielenia mogą wpływać na parametry wybuchowości. Regularna weryfikacja gwarantuje, że koncepcja ochrony przeciwwybuchowej nadal jest dostosowana do rzeczywistego produktu.

• Modernizacja i dostosowanie: W przypadku zmiany parametrów, na przykład przy przejściu ze St1 do St2, może zaistnieć konieczność modernizacji urządzeń odciążających i systemów tłumienia lub dostosowania podziału na strefy. Wczesna ocena pozwala uniknąć nieudanych inwestycji i przerw w produkcji.

   

Uwaga dotycząca ewentualnych pomyłek

W innych kontekstach technicznych lub prawnych oznaczenia St1 i St2 mogą odnosić się do zupełnie innych klasyfikacji, na przykład do grup zawodowych w układach zbiorowych lub do stopni przygotowania powierzchni. W inżynierii procesowej, technice mieszania oraz podczas eksploatacji mieszalników terminy te praktycznie zawsze odnoszą się do opisanej tutaj klasy wybuchowości pyłu.