Jakie koncepcje bezpieczeństwa (np. inertyzacja, odciążenie ciśnieniowe) są aktualnym stanem techniki w ochronie przed wybuchem pyłu?
Aktualny stan techniki nie jest stałym pakietem zawsze tych samych środków. Składa się on z całościowej koncepcji opartej na ryzyku, uwzględniającej rzeczywiste dane materiałowe, aparaty, przewody, warunki ustawienia i stany eksploatacyjne. Strategia ochronna przebiega według jasnej kolejności: unikanie lub ograniczanie wybuchowej atmosfery, unikanie skutecznych źródeł zapłonu oraz – jeżeli nie udaje się to z wystarczającą pewnością – konstrukcyjne ograniczanie skutków ewentualnego wybuchu.
Najważniejszymi danymi charakterystycznymi są między innymi KSt, maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, minimalna energia zapłonu, minimalne temperatury zapłonu chmury pyłu i warstwy pyłu, wielkość ziarna, wilgotność, przewodność elektryczna oraz w razie potrzeby dane mieszanin hybrydowych para–pył. Bez tych danych nie jest możliwy wiarygodny wybór inertyzacji, odciążenia ciśnieniowego, tłumienia ani odsprzężenia.
Środki zapobiegawcze
Inertyzacja jest ważnym środkiem zapobiegawczym dla zamkniętych aparatów, takich jak reaktory, mieszalniki, suszarki, młyny lub instalacje transportowe. Azot, dwutlenek węgla lub inne odpowiednie gazy obniżają zawartość tlenu poniżej granicznego stężenia tlenu wyznaczonego dla konkretnego układu pył–gaz obojętny. Należą do tego wystarczająco szczelna aparatura, odpowiednie zasilanie gazem obojętnym, reprezentatywny pomiar tlenu, marginesy bezpieczeństwa, granice alarmowe i blokady. Gaz musi być dopasowany do produktu, temperatury, chemii i ochrony pracy. Przy reaktywnych proszkach metali lub produktach utleniających przydatność należy sprawdzić szczególnie starannie.
Ograniczanie stężenia poniżej dolnej granicy wybuchowości nadaje się przy proszkach tylko w ograniczonym zakresie jako jedyny środek. TRGS 722 wskazuje, że średnie stężenie pyłu w instalacji może mieć niewielką wartość informacyjną: ze względu na niejednorodny rozkład pyłu mogą mimo to powstawać lokalnie obszary wybuchowe. Ograniczenie stężenia pyłu może być więc stosowane jako środek ochronny tylko wtedy, gdy jest niezawodnie monitorowane i dotrzymywane we wszystkich istotnych stanach eksploatacyjnych.
Do unikania osadów pyłu należą zamknięte przekazywanie materiału, szczelne aparaty, skuteczny odciąg, technika filtracji, gładkie i łatwe do czyszczenia powierzchnie oraz udokumentowane plany czyszczenia i kontroli. Osady pyłu mogą przy zawirowaniu sprzyjać wybuchom wtórnym. Ogólna wartość graniczna dla dopuszczalnej grubości warstwy nie jest jednak wystarczająca; ocena musi uwzględniać właściwości pyłu, powierzchnię, możliwe zawirowanie i źródła zapłonu.
Opanowanie źródeł zapłonu
Jeżeli wybuchowej atmosfery nie można z pewnością wykluczyć, należy systematycznie unikać możliwych źródeł zapłonu. Należą do nich gorące powierzchnie, tarcie, iskry powstające mechanicznie, blokujące się napędy, ciała obce, przegrzanie łożysk i uszczelnień, urządzenia elektryczne, wyładowania elektrostatyczne oraz ogniska tlące.
Stanem techniki są urządzenia elektryczne i nieelektryczne dobrane do strefy, ograniczenie dopuszczalnych temperatur powierzchni, monitorowanie temperatury krytycznych miejsc łożyskowania i uszczelnień, odpowiednie pary materiałowe, separatory ciał obcych, uziemienie, wyrównanie potencjałów i konserwacja zapobiegawcza. Systemy wykrywania i gaszenia iskier mogą być sensowne lub wymagane w odcinkach transportowych i odciągowych, jeżeli gorące cząstki lub iskry zostały zidentyfikowane jako istotne źródło zapłonu. Nie są one jednak ogólnym obowiązkiem dla każdej instalacji prowadzącej pył.
Ochrona konstrukcyjna
Jeżeli wybuchu nie można z wystarczającą pewnością zapobiec, konstrukcyjne środki ochronne ograniczają jego skutki. TRGS 724 wymienia jako kluczowe środki konstrukcję odporną na wybuch, odciążenie ciśnieniowe wybuchu, tłumienie wybuchu oraz odsprzężenie techniczne.
Odciążenie ciśnieniowe wykorzystuje na przykład membrany bezpieczeństwa lub klapy przeciwwybuchowe. Otwierają się one przy zdefiniowanym ciśnieniu zadziałania i ograniczają ciśnienie wewnętrzne do zredukowanego ciśnienia wybuchu dopuszczalnego dla zbiornika. Dobór uwzględnia KSt, pmax, objętość zbiornika, geometrię, ciśnienie otwarcia, powierzchnię odciążenia, możliwe kanały odciążające oraz skutki ciśnieniowe i płomieniowe na zewnątrz aparatu. Norma EN 14491 dotyczy wyboru i doboru systemów odciążenia ciśnieniowego wybuchu dla wybuchów pyłu; EN 14797 dotyczy wymagań wobec samych urządzeń odciążających.
Odciążenie ciśnieniowe musi prowadzić do bezpiecznego obszaru. Przy ustawieniu wewnątrz opcją mogą być bezpłomieniowe systemy odciążające, o ile są odpowiednie dla danego procesu. Zatrzymują one płomienie, wymagają jednak nadal oceny fali ciśnieniowej, ciepła, emisji hałasu, możliwego wydostania się produktu i bezpiecznego otoczenia. Odciążenie bezpłomieniowe nie jest zatem uniwersalnym rozwiązaniem standardowym dla każdego ustawienia wewnątrz.
Tłumienie wybuchu jest aktywnym systemem ochronnym. Szybkie detektory ciśnienia lub płomienia rozpoznają początek wybuchu; środek gaśniczy jest wprowadzany tak, aby ograniczyć wzrost ciśnienia do dopuszczalnej wartości. Wymagany czas reakcji, ilość i rodzaj środka gaśniczego oraz dobór sterowania muszą być dopasowane do substancji, zbiornika i procesu. Metoda ta jest szczególnie sensowna, gdy odprowadzenie na zewnątrz nie jest możliwe albo gdy uwolnienie płomieni i produktu jest niedopuszczalne.
Aparaty odporne na ciśnienie wybuchu i na uderzenie ciśnienia wybuchu projektuje się tak, aby wytrzymały wewnętrzny wybuch bez niebezpiecznego uszkodzenia. Czy wymagany jest dobór na maksymalne ciśnienie wybuchu, czy na zredukowane ciśnienie wybuchu, wynika z koncepcji ochronnej. Odciążenie ciśnieniowe i tłumienie mogą ograniczać obciążenie, nie zastępują jednak wymaganej wytrzymałości chronionego zbiornika.
Odsprzężenie techniczne zapobiega przenoszeniu się płomieni, ciśnienia i płonących cząstek przez rurociągi i drogi transportu. Odpowiednimi rozwiązaniami są na przykład klapy zwrotne, zasuwy szybkozamykające, bariery gaśnicze, zawory przeciwwybuchowe lub zakwalifikowane do tego celu śluzy celkowe. Odsprzężenie musi uwzględniać styki między mieszalnikiem, filtrem, silosem, suszarką, przenośnikiem i stacją napełniania. Jego przydatność zależy między innymi od geometrii rurociągu, klasy pyłu, wydajności, kierunku przepływu, ciśnienia i sytuacji montażowej.
Organizacja i dowody
Do stanu techniki należą aktualny dokument zabezpieczenia przed wybuchem, plany stref, dane materiałowe, instrukcje eksploatacji, plany czyszczenia i konserwacji, regularne kontrole systemów ochronnych, szkolenia oraz uregulowane procedury zezwoleń na prace gorące. Dokument zabezpieczenia przed wybuchem musi w sposób zrozumiały przedstawiać całościową strategię techniczną i organizacyjną.
Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe musi zostać sprawdzone przed pierwszym uruchomieniem i po zmianach podlegających obowiązkowi kontroli. Ocenie podlegają przy tym nie tylko pojedyncze komponenty, lecz także wzajemne oddziaływanie aparatów, systemów ochronnych, sterowania, inertyzacji, odsprzężenia i środków organizacyjnych.
W ten sposób amixon® wspiera nowoczesną ochronę przed wybuchem pyłu
Wykonanie aparatu zgodne ze strefą 20
Przy proszkach zagrożonych wybuchem pyłu wnętrze mieszalników, suszarek, reaktorów lub granulatorów często należy oceniać jako strefę 20. Strefa 20 oznacza obszar, w którym wybuchowa atmosfera pyłowa występuje stale, przez długi czas lub często. Podział na strefy dla całej instalacji dokonywany jest przez użytkownika na podstawie oceny ryzyka i obejmuje także dozowanie, napełnianie, wyładunek, filtry, odcinki transportowe, silosy, stację napełniania i pomieszczenie ustawienia.
amixon® może wykonywać mieszalniki, granulatory, próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające do zastosowań z komorą produktową sklasyfikowaną jako strefa 20. Dotyczy to – zależnie od serii, wielkości i konfiguracji projektu – mieszalników jednowałowych, mieszalników pionowych i stożkowych, mieszalników kontenerowych, mieszalników ciągłych oraz próżniowych suszarko-mieszalników i reaktorów mieszających serii VMT i AMT. Dla komory produktowej strefy 20 zasadniczo wymagany jest bardzo wysoki poziom ochrony, odpowiadający w klasycznej kategoryzacji ATEX zwykle kategorii 1D. Konkretne wykonanie, łącznie z maksymalnymi temperaturami powierzchni, komponentami elektrycznymi i nieelektrycznymi, uszczelnieniami, czujnikami i dokumentacją, wyprowadza się z danych materiałowych i warunków procesowych.
Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE dotyczy urządzeń i systemów ochronnych dla obszarów zagrożonych wybuchem. Dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE zobowiązuje użytkownika do oceny ryzyka, podziału na strefy i sporządzenia dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. amixon® może dostarczyć dokumentację dla dostarczonego wykonania aparatu; ocena całej instalacji i wybór nadrzędnej koncepcji ochronnej pozostają zadaniem użytkownika.
Źródła zapłonu i emisja pyłu
Ograniczanie źródeł zapłonu jest kluczowym elementem ochrony przeciwwybuchowej. Wiele mieszalników pionowych amixon® może pracować przy niskich prędkościach obwodowych. Dla serii VM i HM amixon® podaje zakres około 0,8 do 3,5 m/s. Niskie prędkości narzędzia mogą ograniczać energię tarcia, uderzenia i ścierania oraz zmniejszać obciążenie cząstek. Nie są one jednak samodzielnym dowodem na to, że nie może powstać skuteczne źródło zapłonu. Dodatkowo należy ocenić łożyska, uszczelnienia, wały, kontakty narzędzie–ściana, ciała obce, blokady, temperatury powierzchni, ładunki elektrostatyczne i komponenty elektryczne.
Odpowiednie funkcje bezpieczeństwa mogą obejmować monitorowanie temperatury i momentu obrotowego, kontrolowane obroty, odpowiednie pary materiałowe, separację ciał obcych, uziemienie, wyrównanie potencjałów i konserwację zapobiegawczą. Dla warstw pyłu TRGS 723 podaje zasadniczo margines bezpieczeństwa 75°C między minimalną temperaturą zapłonu warstwy pyłu a temperaturą powierzchni, o ile ocena ryzyka nie dopuszcza innego ustalenia.
Wykonane z niewielką liczbą szczelin, wypolerowane obszary produktowe oraz odpowiednie uszczelnienia mogą zmniejszać emisję pyłu. Drzwi inspekcyjne Clever-Cut® z uszczelnieniem OmgaSeal® są według amixon® zaprojektowane do uszczelnienia komory produktowej z minimalną liczbą stref martwych. Rzeczywista szczelność zależy jednak od materiału uszczelnienia, różnic ciśnień, zużycia, montażu, konserwacji i prowadzenia procesu. Szczelne wykonanie aparatu może ograniczać osady pyłu, nie zastępuje jednak ani skutecznego odciągu, ani opartej na ryzyku koncepcji czyszczenia i konserwacji.
Inertyzacja i ochrona konstrukcyjna
Inertyzacja może być stosowana jako zapobiegawczy środek ochrony przeciwwybuchowej. Próżniowe suszarko-mieszalniki i reaktory mieszające serii VMT i AMT mogą być wykonane w wersji gazoszczelnej, próżnioszczelnej i ciśnieniowoszczelnej. Przy odpowiednim doborze przestrzeń procesową można odpompować, a następnie napełnić odpowiednim gazem obojętnym. Przez wielokrotną zmianę ciśnienia zawartość tlenu można dodatkowo obniżyć.
Bezpieczna inertyzacja zakłada wystarczająco szczelną instalację, odpowiednie zasilanie gazem obojętnym, dopasowaną do produktu sekwencję przepłukiwania, reprezentatywny pomiar tlenu, wartości alarmowe i wyłączające oraz blokady bezpieczeństwa. Dopuszczalna wartość tlenu musi znajdować się z zapasem bezpieczeństwa poniżej granicznego stężenia tlenu wyznaczonego dla konkretnego układu pył–gaz obojętny. Ogólne wartości zadane tlenu nie są wiarygodne. Inertyzacja nie chroni ponadto automatycznie przed samozapłonem, rozkładem termicznym, reakcjami egzotermicznymi ani pożarami w osadach pyłu.
Sama wytrzymałość na ciśnienie i próżnię nie jest równoznaczna z konstrukcją odporną na ciśnienie wybuchu lub na uderzenie ciśnienia wybuchu. Jeżeli aparat ma wytrzymać w razie wybuchu określone obciążenie ciśnieniowe, musi to zostać wyraźnie określone i dobrane na podstawie KSt, pmax, minimalnej energii zapłonu, temperatur zapłonu, wilgotności, wielkości ziarna i możliwych mieszanin hybrydowych.
Jeżeli wybuchu nie można z wystarczającą pewnością zapobiec, stosuje się środki konstrukcyjne, takie jak odciążenie ciśnieniowe, odciążenie bezpłomieniowe, tłumienie wybuchu, konstrukcję odporną na ciśnienie wybuchu lub na uderzenie ciśnienia wybuchu oraz odsprzężenie techniczne. Odsprzężenie jest wymagane szczególnie na stykach z filtrami, silosami, przenośnikami i innymi aparatami, jeżeli płomienie lub ciśnienie mogłyby rozprzestrzeniać się przez rurociągi. Odpowiedni środek musi zostać dobrany dla danego układu instalacji, danych charakterystycznych pyłu, geometrii rurociągu, wydajności i miejsca ustawienia.
Dobór dzięki próbom
Dobór rozpoczyna się od danych materiałowych istotnych dla bezpieczeństwa oraz specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification). Próby z produktem oryginalnym mogą dodatkowo badać właściwości procesowe, na przykład jakość mieszania, nagrzewanie produktu, ścieranie cząstek, rozprowadzenie cieczy, narosty, opróżnianie i zdolność do czyszczenia. Próby te wspierają wybór wykonania aparatu i parametrów eksploatacyjnych, nie zastępują jednak zgodnego z normami badania pyłu ani oceny ochrony przeciwwybuchowej całej instalacji.
amixon® podaje, że w siedzibie w Paderborn eksploatuje ponad 30 instalacji próbnych oraz utrzymuje dodatkowe centra prób w Japonii, Indiach, Tajlandii, Chinach, Korei Południowej i USA. Wyniki mogą być wykorzystane do doboru typu mieszalnika, narzędzi, uszczelnień, koncepcji dozowania, przenoszenia ciepła i prowadzenia procesu.