Dla proszków wybuchowych koncepcje ochronne są zawsze opracowywane z trzech powiązanych ze sobą elementów: podziału na strefy, unikania atmosfery wybuchowej i źródeł zapłonu oraz – w razie potrzeby – konstrukcyjnych środków ograniczających skutki wybuchu. Która kombinacja jest odpowiednia, zależy od danych bezpieczeństwa technicznego materiałów, procesu, wielkości aparatu, miejsca ustawienia i całego zespołu instalacji.

Sam podział na strefy nie opisuje jeszcze pełnej ochrony przeciwwybuchowej. Określa on jednak, jakie urządzenia i systemy ochronne mogą być stosowane w danym obszarze. Inertyzacja może zapobiec wystąpieniu atmosfery wybuchowej. Aparaty odporne na ciśnienie, na uderzenie ciśnienia wybuchu czy odciążone ciśnieniowo ograniczają natomiast skutki, jeśli mimo wszystkich środków prewencyjnych dojdzie do wybuchu.

Koncepcje stref dla pyłów

Strefa 20 oznacza obszar, w którym atmosfera wybuchowa w postaci chmury palnego pyłu w powietrzu jest obecna stale, przez długi czas lub często. Typowymi przykładami są wnętrza mieszalników, silosów, młynów, suszarek, filtrów, cyklonów i przewodów transportowych prowadzących pył. Strefa 21 występuje, gdy niebezpieczna wybuchowa atmosfera pyłowa może w normalnej eksploatacji okazjonalnie występować. Dotyczy to często miejsc napełniania, opróżniania, napełniania końcowego i poboru próbek oraz bezpośredniego otoczenia otwartych lub nie w pełni szczelnych przekazań. Strefa 22 obejmuje obszary, w których niebezpieczna atmosfera pyłowa nie występuje w normalnej eksploatacji lub tylko krótkotrwale, na przykład przy rzadkich nieszczelnościach, zakłóceniach lub wzniecaniu osadzonych pyłów. Rzeczywista granica strefy musi być ustalona na podstawie uwalniania, właściwości pyłu, szczelności, odsysania, czyszczenia, przepływu powietrza i geometrii pomieszczenia.

Dla strefy 20 z reguły wymagane jest urządzenie kategorii 1D. W strefie 21 dopuszczalne są urządzenia kategorii 1D lub 2D; w strefie 22 mogą być stosowane urządzenia kategorii 1D, 2D lub 3D. Te wymagania dotyczą nie tylko urządzeń elektrycznych, lecz również komponentów nieelektrycznych, na przykład wałów, uszczelnień, łożysk, narzędzi mieszających, klap, śluz komórkowych i przenośników. Kategoria 1D odpowiada bardzo wysokiemu poziomowi ochrony dla atmosfer pyłowych i musi pozostać skuteczna także przy rzadkich zakłóceniach eksploatacyjnych.

Rozwiązania inertyzacyjne

Inertyzacja jest prewencyjnym środkiem ochronnym. Odpowiedni gaz obojętny obniża udział tlenu w przestrzeni procesowej do wartości, przy której wybuch lub – zależnie od układu substancji i gazu – także pożar nie może już powstać ani się rozprzestrzeniać. Miarodajne dla tego graniczne stężenie tlenu, międzynarodowo nazywane Limiting Oxygen Concentration, zależy od produktu, gazu obojętnego i warunków. Musi być ustalone dla konkretnego systemu pył-gaz obojętny w istotnych warunkach temperatury, ciśnienia, wilgotności i cząstek. CEN/TR 15281 traktuje inertyzację wyraźnie jako środek zapobiegania wybuchom i pożarom.

Azot jest dla wielu pyłów organicznych i chemikaliów najczęściej stosowanym gazem obojętnym. Jest szeroko dostępny i odpowiedni dla licznych układów substancji. Dwutlenek węgla może w określonych zastosowaniach być ekonomiczną alternatywą, może być jednak stosowany dopiero po sprawdzeniu zgodności z produktem i materiałem. Przy reaktywnych proszkach metali, na przykład aluminium, magnezie, tytanie lub cyrkonie, ogólne zalecenie dotyczące azotu, dwutlenku węgla czy argonu jest niedopuszczalne. Te metale mogą reagować z określonymi gazami lub w wysokich temperaturach. Wybór gazu obojętnego musi więc opierać się na konkretnej reaktywności, temperaturze, wielkości ziarna, wilgotności i możliwych reakcjach gaśniczych lub rozkładowych.

W procesach wsadowych często stosowana jest inertyzacja próżniowo-ciśnieniowa zmienna. Zbiornik odporny na próżnię jest przy tym ewakuowany, a następnie zalewany gazem obojętnym. Proces jest powtarzany, aż zawartość tlenu spadnie poniżej dopuszczalnej wartości granicznej. Przy aparatach bez wytrzymałości próżniowej lub przy procesach ciągłych może być stosowana inertyzacja przepływowa lub płucząca. Zdefiniowany strumień gazu obojętnego wypiera najpierw powietrze i kompensuje w eksploatacji nieszczelności, dopływ powietrza przy zasilaniu lub wymianę gazu przy wyładunku. Lekkie nadciśnienie gazu obojętnego może redukować dopływ powietrza, musi jednak być zgodne z dopuszczalnym ciśnieniem roboczym, szczelnością i koncepcją bezpieczeństwa.

Pomiar tlenu, granice alarmowe i blokady są niezbędnymi elementami bezpiecznie inertyzowanej instalacji. Punkty pomiarowe muszą być reprezentatywne; przy dużych lub złożonych aparatach może być wymaganych kilka punktów pomiarowych. Liczba czujników, wymagana nadmiarowość i bezpieczeństwo funkcjonalne są ustalane na podstawie oceny zagrożenia. Ryczałtowe wymagania, takie jak zawsze dwa czujniki, określona wartość SIL czy stały margines kilku procent objętościowych poniżej granicznego stężenia tlenu, nie są wystarczające bez konkretnego dowodu bezpieczeństwa.

Wykonania odporne na ciśnienie i uderzenie ciśnienia wybuchu

Urządzenia odporne na wybuch są budowane tak, aby wytrzymać wewnętrzny wybuch bez rozerwania i bez wywoływania niebezpiecznych skutków dla otoczenia. EN 14460 opisuje wymagania wobec urządzeń odpornych na wybuch. Projekt opiera się na spodziewanym ciśnieniu wybuchu i uwzględnia geometrię zbiornika, objętość, materiał, temperaturę, ciśnienie, przyłącza, uszczelnienia i możliwe mieszaniny hybrydowe.

Przy wykonaniu odpornym na ciśnienie wybuchu aparat jest projektowany na istotne maksymalne ciśnienie wybuchu. W odróżnieniu od tego przy wykonaniu odpornym na uderzenie ciśnienia wybuchu dopuszczalne może być trwałe odkształcenie, o ile zbiornik nie ulega awarii i nie powstają niebezpieczne skutki na zewnątrz. Pojęcia te są w praktyce często stosowane nieprecyzyjnie. Dlatego dopuszczalny stopień ciśnienia, oczekiwane obciążenie wybuchowe i wymagania dotyczące dalszego użytkowania po zdarzeniu muszą być jednoznacznie ustalone w koncepcji bezpieczeństwa specyficznej dla projektu.

Wykonanie odporne na uderzenie ciśnienia wybuchu nie jest automatycznie wykonaniem zaprojektowanym na zredukowane ciśnienie wybuchu w połączeniu z odciążeniem ciśnienia. Odciążenie ciśnienia może wprawdzie ograniczać zredukowane ciśnienie wybuchu pred, jego skuteczność zależy jednak od powierzchni odciążenia, ciśnienia otwarcia, objętości zbiornika, parametrów pyłu, geometrii, długości przewodów i możliwego rozprzestrzeniania się płomienia. Projekt systemów odciążenia ciśnienia musi być wykonany według właściwych zasad i uwzględniać bezpieczny obszar wydmuchu. Przy ustawieniu wewnątrz może być wymagane bezpłomieniowe odciążenie lub inna koncepcja ochronna.

Systemy tłumienia wybuchu wykrywają początek wybuchu za pomocą czujników ciśnienia lub płomienia i wprowadzają do aparatu odpowiedni środek gaśniczy. Ma to na celu ograniczenie wzrostu ciśnienia do możliwego do opanowania poziomu. Systemy te są szczególnie istotne, gdy odciążenie ciśnienia na zewnątrz nie jest możliwe lub gdy uwolnienie płomieni, ciśnienia i produktu byłoby niedopuszczalne. Wymagają szybkiej detekcji, odpowiednich środków gaśniczych, regularnych badań i technicznego oddzielenia podłączonych komponentów.

Niezależnie od sposobu wykonania często wymagane jest oddzielenie połączonych części instalacji. Bez oddzielenia ciśnienie i płomienie mogą przez przewody rurowe lub urządzenia transportowe przenosić się na silosy, filtry i inne aparaty. Możliwymi systemami są odpowiednio przystosowane pod względem ochrony przeciwwybuchowej klapy zwrotne, szybkozamykające zasuwy, zawory ochrony przeciwwybuchowej, bariery środka gaśniczego lub certyfikowane śluzy komórkowe. Wybrane urządzenie musi być odpowiednie dla rzeczywistej klasy wybuchowości pyłu, geometrii przewodu, wydajności, stosunków ciśnienia i pozycji zabudowy.

Zintegrowana koncepcja ochronna

Praktyczna koncepcja kieruje się zasadą, aby najpierw zapobiegać wybuchowi, a dopiero potem ograniczać jego skutki. Pierwszą warstwą ochrony jest ograniczenie lub unikanie atmosfery wybuchowej, na przykład przez zamknięte prowadzenie procesu, unikanie pyłu lub inertyzację. Drugą warstwą ochrony jest unikanie skutecznych źródeł zapłonu poprzez odpowiednie kategorie urządzeń, ograniczenie temperatury, uziemienie, wyrównanie potencjałów, zarządzanie ciałami obcymi i konserwację. Trzecia warstwa ochrony obejmuje odciążenie ciśnienia, tłumienie, konstrukcję odporną na wybuch i oddzielenie.

Punktem wyjścia każdego projektu są dane bezpieczeństwa technicznego materiałów. Należą do nich KSt, maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, minimalna energia zapłonu, minimalna temperatura zapłonu chmury i warstwy pyłu, rozkład wielkości ziaren, wilgotność, przewodność elektryczna, graniczne stężenie tlenu oraz ewentualnie dane dotyczące mieszanin hybrydowych. Strategia ochronna musi uwzględniać normalną eksploatację, rozruch, wyłączanie, napełnianie, opróżnianie, czyszczenie, konserwację i możliwe do przewidzenia zakłócenia.