Jakie wymagania ATEX obowiązują dla procesów mieszania z proszkami wybuchowymi (strefa 20/21) i jak wdrożyć je w praktyce?
W procesach mieszania z proszkami palnymi w Unii Europejskiej obowiązują zwłaszcza dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE dla użytkowników oraz dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE dla urządzeń i systemów ochronnych. Praktyczne wdrożenie zaczyna się od oceny zagrożenia i dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. Ustala się w nim właściwości pyłu, możliwe miejsca uwalniania, podział na strefy, źródła zapłonu i środki ochronne dla całej instalacji – a więc nie tylko dla mieszalnika, ale również dla dozowników, silosów, filtrów, przenośników, przewodów rurowych, wyładunku i napełniania.
Projektu zgodnego z ATEX nie da się wyprowadzić wyłącznie z nazwy proszku. To, że proszek jest organiczny lub bardzo drobny, nie oznacza automatycznie, że jest zdolny do wybuchu pyłowego; odwrotnie, także substancje nieorganiczne lub ich mieszaniny mogą wykazywać odpowiednie zagrożenie. Podstawą są reprezentatywne badania bezpieczeństwa technicznego konkretnego produktu, uwzględniające możliwe wahania wielkości ziarna, wilgotności, zawartości rozpuszczalnika i receptury.
Strefy i dobór urządzeń
Przy pyłach palnych obszary dzieli się według częstotliwości i czasu trwania występowania niebezpiecznej wybuchowej atmosfery pyłowej. Strefa 20 oznacza obszary, w których wybuchowa chmura pyłu jest obecna stale, przez długi czas lub często. W procesach mieszania dotyczy to zazwyczaj wnętrza zamkniętych zbiorników, przewodów rurowych, filtrów lub silosów. Strefa 21 oznacza obszary, w których niebezpieczna atmosfera pyłowa może wystąpić w normalnej eksploatacji okazjonalnie, na przykład wewnątrz określonych aparatów lub w bezpośrednim otoczeniu miejsc poboru, napełniania i wyładunku. Strefa 22 występuje wtedy, gdy niebezpieczna atmosfera pyłowa w normalnej eksploatacji nie występuje lub tylko krótkotrwale, na przykład w bardziej oddalonych obszarach przy rzadkich emisjach pyłu. Dokładna granica strefy wynika z rzeczywistego uwalniania pyłu, odsysania, czyszczenia i sytuacji przestrzennej – nie z ogólnych wartości odległości.
Dla strefy 20 z reguły wymagane jest urządzenie kategorii 1D. W strefie 21 mogą być stosowane urządzenia kategorii 1D lub 2D; w strefie 22 dopuszczalne są urządzenia kategorii 1D, 2D lub 3D. Oznaczenie musi odpowiadać atmosferze pyłowej, klasie temperaturowej lub dopuszczalnej temperaturze powierzchni, grupie urządzenia i strefie. Istotne są przy tym nie tylko komponenty elektryczne. Także urządzenia nieelektryczne, takie jak wały mieszalnika, łożyska, uszczelnienia, klapy, przenośniki, sprzęgła, hamulce i narzędzia, muszą być ocenione pod względem możliwych mechanicznych źródeł zapłonu.
Dane materiałowe i źródła zapłonu
Techniczne dane bezpieczeństwa rzeczywiście przetwarzanego proszku stanowią podstawę projektu. Należą do nich zwłaszcza KSt, maksymalne ciśnienie wybuchu pmax, minimalna energia zapłonu, minimalna temperatura zapłonu chmury pyłu, minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu, rozkład wielkości ziaren, wilgotność, przewodność elektryczna oraz – przy recepturach zawierających rozpuszczalnik – właściwości możliwych mieszanin hybrydowych par i pyłu. Dolna granica wybuchowości może być dodatkowo istotna, jednak przy pyłach w praktyce eksploatacyjnej jest często trudniejsza do wykorzystania jako wiarygodna wielkość sterująca niż pozostałe parametry.
Najważniejszym poziomem ochrony jest unikanie niebezpiecznych atmosfer wybuchowych i skutecznych źródeł zapłonu. W mieszalniku należy ocenić zwłaszcza gorące powierzchnie, tarcie i przegrzanie łożysk lub uszczelnień, mechaniczne iskry uderzeniowe od ciał obcych, blokujące się narzędzia, urządzenia elektryczne i wyładowania elektrostatyczne. W strefie 20 nawet przy rzadkich zakłóceniach eksploatacyjnych nie mogą występować procesy tarcia, uderzenia czy ścierania mogące prowadzić do skutecznego źródła zapłonu. TRGS 723 podaje ponadto dla warstw pyłu co do zasady margines bezpieczeństwa 75 °C między minimalną temperaturą zapłonu warstwy pyłu a temperaturą powierzchni, o ile ocena zagrożenia nie stanowi inaczej.
Środki praktyczne to nadzorowane termicznie łożyska i uszczelnienia, nadzór obrotów i momentu obrotowego, ochrona przed zablokowaniem, odpowiednia separacja ciał obcych, prewencyjne utrzymanie ruchu oraz bezpieczne uziemienie i ciągłe wyrównanie potencjałów. Przewodzące lub odprowadzające ładunki części instalacji, połączenia elastyczne, materiały filtracyjne, opakowania i personel obsługi muszą być uwzględnione w koncepcji ochrony elektrostatycznej. Pojedyncza wartość graniczna rezystancji, taka jak 106 Ω, nie jest jednak bez ograniczeń stosowalna do każdego komponentu i każdej funkcji uziemienia; wymagania wynikają z materiału, funkcji elementu i konkretnej koncepcji ochrony przeciwwybuchowej.
Przy szczególnie wrażliwych substancjach lub gdy źródeł zapłonu nie można wystarczająco bezpiecznie uniknąć, odpowiednim środkiem może być inertyzacja komory mieszania. Zawartość tlenu jest przy tym utrzymywana azotem lub innym odpowiednim gazem obojętnym poniżej specyficznego dla substancji i procesu granicznego stężenia tlenu. Minimalna energia zapłonu poniżej 10 mJ nie jest ogólnie obowiązującym progiem, od którego inertyzacja byłaby bezwzględnie wymagana. Czy jest ona konieczna, wynika z oceny zagrożenia, danych materiałowych i wykonalności technicznej.
Ochrona konstrukcyjna
Jeśli wybuchu nie da się zapobiec z wystarczającą pewnością, jego skutki muszą zostać ograniczone. Możliwymi środkami są aparaty odporne na wybuch lub na uderzenie ciśnienia wybuchu, odciążenie ciśnienia wybuchu, bezpłomieniowe odciążenie ciśnienia, tłumienie wybuchu i techniczne oddzielenie od wybuchu. Metoda ochrony musi odpowiadać sile wybuchu, objętości zbiornika, ustawieniu wewnętrznemu lub zewnętrznemu, lokalizacji i podłączonej technice instalacyjnej.
Membrany bezpieczeństwa lub klapy wybuchowe mogą odprowadzać ciśnienie do bezpiecznego obszaru. Wymagają one prawidłowo zwymiarowanej powierzchni odciążenia i bezpiecznego obszaru wydmuchu. Dla instalacji ustawionych wewnątrz może być wymagane bezpośrednie odciążenie ciśnienia na zewnątrz lub – jeśli nie jest to możliwe – odpowiedni system bezpłomieniowego odciążenia. Systemy odciążające muszą być projektowane według uznanych zasad; EN 14491 zawiera podstawowe wymagania dotyczące doboru i projektowania systemów ochronnych do odciążenia ciśnienia wybuchu przy wybuchach pyłowych.
Oddzielenie jest wymagane, gdy wybuch mógłby przenieść się przez przewody rurowe na filtry, silosy, odcinki transportowe lub inne aparaty. W grę wchodzą na przykład odpowiednio sprawdzone pod kątem ochrony przeciwwybuchowej śluzy komórkowe, klapy zwrotne, zawory ochrony przeciwwybuchowej, szybkozamykające zasuwy lub bariery środka gaśniczego. Śluza komórkowa zapobiega przeniesieniu płomienia lub ciśnienia tylko wtedy, gdy jest wyraźnie przystosowana do tej funkcji, prawidłowo zwymiarowana, zainstalowana, nadzorowana i eksploatowana. Samo zastosowanie dowolnej śluzy komórkowej nie jest wystarczającym środkiem oddzielającym.
Eksploatacja i dokumentacja
Dokument zabezpieczenia przed wybuchem musi być sporządzony przed rozpoczęciem pracy i aktualizowany przy zmianach. Dokumentuje on między innymi ocenę zagrożenia, podział na strefy, dane materiałowe, wybrane urządzenia i systemy ochronne, ocenę źródeł zapłonu, środki organizacyjne, badania i wymagania konserwacyjne. Zmiany receptury, nowe źródła surowców, odmienne wielkości ziarna, zmieniona wilgotność, nowe rozpuszczalniki lub przebudowy mogą zmieniać właściwości wybuchowe, a tym samym strategię ochrony.
Praktyczna koncepcja obejmuje zamknięte i pyłoszczelne przekazania, skuteczne odsysanie, filtry zaprojektowane zgodnie z ATEX, regularne usuwanie osadów pyłu i udokumentowane inspekcje. Warstw pyłu nie wolno oceniać poprzez ogólną wartość graniczną, taką jak „1 mm”; już niewielkie osady mogą, zależnie od powierzchni, właściwości pyłu i możliwego wzniecenia, sprzyjać wybuchowi wtórnemu. Interwały czyszczenia i dopuszczalne ilości osadów muszą być więc ustalane w oparciu o ryzyko.
Uzupełniająco wymagane są szkolenia, procedury dopuszczenia do prac gorących, zasady dotyczące urządzeń mobilnych, sprawdzanie połączeń uziemiających oraz kontrolowane zarządzanie zmianami. Urządzenia odciążające ciśnienie, systemy tłumienia i oddzielania oraz nadzór temperatury, ciśnienia i obrotów muszą być zgodnie z przewidzianymi terminami badań inspekcjonowane przez osoby uprawnione lub jednostki fachowe i utrzymywane w stanie sprawności.
Tak amixon® wspiera ochronę przeciwwybuchową przy proszkach wybuchowych
Wykonanie aparatu zgodne z ATEX
W procesach mieszania z pyłami palnymi wnętrze mieszalnika trzeba często klasyfikować jako strefę 20. Strefa 20 oznacza obszar, w którym wybuchowa atmosfera pyłowa jest obecna stale, przez długi czas lub często. Ostateczny podział na strefy całej instalacji jest jednak elementem oceny zagrożenia i leży w odpowiedzialności użytkownika. Obejmuje on obok mieszalnika także dozowanie, napełnianie, wyładunek, filtry, przewody transportowe, silosy i obszar ustawienia.
amixon® może wykonywać swoje mieszalniki, suszarko-mieszalniki i reaktory dla zastosowań z komorą produktową sklasyfikowaną jako strefa 20. Dotyczy to – zależnie od wybranej serii i konfiguracji – na przykład mieszalników jednowałowych, mieszalników pionowych i stożkowych, mieszalników kontenerowych, mieszalników ciągłych, próżniowych suszarko-mieszalników i reaktorów mieszających. Konkretna kategoria ATEX, grupa urządzenia, klasa temperaturowa, odpowiednio maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni, wyposażenie elektryczne i nieelektryczne oraz wymagana dokumentacja muszą być ustalone dla każdego projektu na podstawie danych materiałowych i warunków procesowych.
Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE dotyczy urządzeń i systemów ochronnych do stosowania w obszarach zagrożonych wybuchem. Dyrektywa eksploatacyjna ATEX 1999/92/WE zobowiązuje użytkownika do oceny zagrożenia, podziału na strefy, dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem oraz doboru i sprawdzenia odpowiednich środków eksploatacyjnych. Dla wnętrza mieszalnika w strefie 20 zasadniczo wymagane jest wykonanie o bardzo wysokim poziomie ochrony kategorii 1D.
Minimalizacja źródeł zapłonu
Intensywność mieszania i prędkość obwodowa są istotnymi wielkościami wpływającymi na ocenę mechanicznych źródeł zapłonu. Wiele mieszalników pionowych amixon® może być eksploatowanych przy niskich prędkościach obwodowych; dla mieszalników VM i HM amixon® podaje regulowany zakres od około 0,8 do 3,5 m/s. Niska prędkość narzędzia może redukować energię tarcia, uderzenia i ścierania, a jednocześnie chronić strukturę cząstek. Nie stanowi ona jednak pełnego dowodu, że nie może wystąpić skuteczne źródło zapłonu.
Ocena źródeł zapłonu musi obejmować między innymi łożyska, uszczelnienia, narzędzia, wały, możliwe kontakty narzędzie-ściana, ciała obce, blokady, temperatury powierzchni, naładowanie elektrostatyczne, komponenty elektryczne i stan konserwacji. Odpowiednimi środkami ochronnymi mogą być nadzór temperatury i momentu obrotowego, kontrolowane obroty, separacja ciał obcych, odpowiednie koncepcje uszczelnień, wyrównanie potencjałów, uziemienie i prewencyjne utrzymanie ruchu. Zwłaszcza w strefie 20 nawet rzadkie zakłócenia eksploatacyjne nie mogą prowadzić do skutecznych źródeł zapłonu.
Szczelność i ochrona konstrukcyjna
Komory mieszania o niskim udziale spoin, wygładzone, oraz odpowiednie systemy inspekcyjne i uszczelniające mogą wspierać pyłoszczelność i czyszczalność. Drzwi Clever-Cut® z uszczelnieniem OmgaSeal® są według amixon® zaprojektowane do uszczelnienia przestrzeni produktowej o niskim udziale stref martwych. Czy instalacja pozostaje trwale pyłoszczelna, zależy jednak także od różnic ciśnienia, materiału uszczelnienia, zużycia, zabudowy, konserwacji i rzeczywistego sposobu prowadzenia procesu.
Pyłoszczelne prowadzenie procesu może ograniczać emisje pyłu i osady w pomieszczeniu ustawienia. Nie zastępuje ono jednak koncepcji czyszczenia i utrzymania ruchu: nawet niewielkie nieszczelności lub straty produktu mogą prowadzić do pyłu zdolnego do osadzania. Unikanie wybuchów wtórnych wymaga więc zamkniętych przekazań, skutecznego odsysania, odpowiedniej techniki filtracyjnej, czyszczenia opartego na ryzyku i regularnej kontroli obszarów krytycznych.
Dla suszarko-mieszalników i reaktorów serii VMT i AMT możliwe są wykonania gazoszczelne, próżniowo-szczelne i wytrzymałe na ciśnienie. Aparaty mogą być konstruowane do procesów temperaturowych, ciśnieniowych i próżniowych. Możliwa wysokość próżni, dopuszczalny stopień ciśnienia oraz to, czy zbiornik musi być odporny na ciśnienie wybuchu czy na uderzenie ciśnienia wybuchu, są ustalane specyficznie dla projektu. Projekt wymaga zwłaszcza pmax, KSt, minimalnej energii zapłonu, danych temperaturowych, wilgotności produktu, możliwych par rozpuszczalnika i oceny mieszanin hybrydowych. Sama wytrzymałość ciśnieniowa lub próżniowa nie jest równoznaczna z konstrukcją odporną na wybuch według DIN EN 14460.
Inertyzacja i łańcuch procesowy
Inertyzacja może być stosowana jako prewencyjny środek ochrony przeciwwybuchowej. Zawartość tlenu w przestrzeni procesowej jest przy tym obniżana odpowiednimi gazami obojętnymi, na przykład azotem, poniżej bezpiecznej wartości ustalonej dla danego układu substancji. Przy próżniowych suszarko-mieszalnikach lub reaktorach może się to odbywać poprzez wielokrotne ewakuowanie i zalewanie gazem obojętnym. amixon® opisuje tę zasadę dla swoich aparatów mieszających i próżniowo-suszących.
Inertyzacja jest skuteczna tylko wtedy, gdy przestrzeń aparatu jest wystarczająco szczelna, sekwencja inertyzacji jest zdefiniowana, dostępny jest pomiar tlenu i blokady bezpieczeństwa, a dopuszczalna wartość tlenu leży z marginesem bezpieczeństwa poniżej specyficznego dla substancji i procesu granicznego stężenia tlenu. Inertyzacja nie zastępuje automatycznie dalszych środków ochrony przeciwwybuchowej dla podłączonych filtrów, kondensatorów, przenośników czy miejsc wyładunku.
Zamknięte łańcuchy procesowe mogą redukować liczbę otwartych przekazań, a tym samym możliwe uwalnianie pyłu. Mimo to dozowanie, zasilanie, pobieranie próbek, opróżnianie, filtrowanie, czyszczenie i konserwacja muszą być oddzielnie uwzględnione w koncepcji stref. Czy krok procesowy, taki jak mieszanie, granulacja i suszenie, jest sensownie łączony w tym samym aparacie, zależy od produktu, receptury, celu procesu i oceny bezpieczeństwa.
Projektowanie i próby
Projekt specyficzny dla projektu zaczyna się od danych materiałowych bezpieczeństwa technicznego i specyfikacji wymagań użytkownika. Należą do nich co najmniej KSt, pmax, minimalna energia zapłonu, minimalna temperatura zapłonu chmury i warstwy pyłu, przewodność elektryczna, wilgotność, wielkość ziarna oraz przy substancjach lotnych dane możliwych mieszanin hybrydowych pary i pyłu. Na tej podstawie ustala się koncepcję stref, kategorię urządzenia, granice temperatury, koncepcję uziemienia, szczelność, inertyzację, odciążenie ciśnienia, tłumienie lub oddzielenie.
Próby z oryginalnym produktem mogą następnie ocenić zachowanie mieszania, wprowadzanie temperatury, możliwe naklejenia, ścieranie produktu, opróżnianie i czyszczalność. Nie zastępują one jednak zgodnego z normami badania bezpieczeństwa technicznego ani oceny zagrożenia przez wykwalifikowanych specjalistów. Wyniki mogą wspierać projektowanie procesowe i zabezpieczać wybór odpowiedniej serii mieszalnika lub suszarki.