Klasyfikacja obiektów potencjalnie zagrożonych wybuchem atmosfer pyłowych

Właściwości wybuchowe pyłów zależą nie tylko od właściwości materiału, z którego pochodzą, ale także od szeregu innych czynników, np. stopnia rozdrobnienia czy zawartości wilgoci. Pyły tego samego materiału mogą się zasadniczo różnić właściwościami wybuchowymi. W przypadku mieszanin pyłowo-powietrznych ruch drobin pyłu zależy od sił bezwładności. Drobiny pyłu utrzymują się w chmurze pyłowej tylko przez bardzo krótki czas, po czym pod wpływem sił grawitacji opadają tworząc złoża (warstwy) pyłu na powierzchniach poziomych urządzeń technologicznych. Takie nagromadzenia pyłu należy traktować jako potencjalne źródła emisji pyłów, które uniesione (poderwane) mogą tworzyć niebezpieczne obłoki. Warstwy pyłu osiadłego o niewielkiej grubości np. 1 mm mogą poderwane utworzyć w całym pomieszczeniu atmosferę wybuchową. W praktyce najczęściej powstają lokalnie chmury pyłowe o nierównomiernych stężeniach pyłu. Złoża pyłu osiadłego są niebezpieczne również z innych powodów. Często pył osiada na powierzchniach o temperaturach wyższych od temperatur otoczenia, co może doprowadzić do jego tlenia się.

Bezpośrednią konsekwencją tlenia się pyłu zalegającego na nagrzanych powierzchniach może być pożar lub poderwanie pyłu, utworzenie chmury pyłowej i jej zapłon przez rozżarzone drobiny pyłu. Dalszą konsekwencją może być poderwanie kolejnej chmury pyłowej, co może doprowadzić do kolejnego wybuchu. Wybuchom takim towarzyszy gwałtowny wzrost ciśnienia otaczającego powietrza i powstanie fali ciśnieniowej o właściwościach kruszących, za którą przemieszcza się płomień. W sprzyjających warunkach mechanizm ten może powtarzać się aż do czasu, gdy fala ciśnieniowa będzie napotykać na swojej drodze dostateczną ilość pyłu. Zjawisko to nazwano propagacją wybuchu pyłu.

Podstawowe właściwości pyłów palnych

Właściwości pyłów palnych określają ich podstawowe parametry:

• K_st – stała pyłowa,
• P_max – maksymalne ciśnienie wybuchu,
• (d_p/d_t)_max – maksymalny przyrost ciśnienia wybuchu,
• DGW/GGW – granice wybuchowości,
• MEZ – minimalna energia zapłonu obłoku pyłu,
• MTZ_w – minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu,
• MTZ_o – minimalna temperatura zapłonu obłoku pyłu,

Na parametry wybuchowości pyłów mogą mieć wpływ następujące czynniki:

• skład chemiczny,
• rozmiar cząstek – zazwyczaj parametry wybuchowości zmieniają się wraz ze zmianą rozmiarów cząstek pyłu, mniejsze ziarna spalają się szybciej (powstaje konieczność określenia rozkładu sitowego),
• wilgotność – duża zawartość wilgoci w pyle utrudnia jego spalanie,
• stężenie pyłu w mieszaninie z powietrzem,
• stężenie tlenu w mieszaninie z powietrzem – do zainicjowania procesu spalania konieczna jest pewna minimalna zawartość tlenu w mieszaninie, przy zbyt małym stężeniu tlenu zapłon mieszaniny nie będzie możliwy. Zawartość tlenu w powietrzu w warunkach atmosferycznych wynosi 21%. (Warunki atmosferyczne, to temperatura 20oC (293 K) i ciśnienie 101,3 kPa (1013 mbar).

W celu klasyfikacji pyłów i oceny poziomu ich wybuchowości stworzono szereg znormalizowanych metod badawczych, najpopularniejsza z nich polega na określeniu stałej pyłowej K_st. Na podstawie wartości stałej pyłowej K_st utworzono podział pyłów na klasy wybuchowości (tab. 1.).

Stałą pyłową K_st można wyliczyć z zależności:

gdzie (dp/dt)_max – jest maksymalną szybkością narastania ciśnienia w jednostce czasu podczas wybuchu atmosfery wybuchowej, współczynnik 0,271 w przypadku pomiaru maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)_max jest pierwiastkiem trzeciego stopnia z objętości komory sferycznej, w określonych warunkach badania.

Maksymalne ciśnienie wybuchu P_max jest maksymalną wartością ciśnienia powstającego w czasie wybuchu atmosfery pyłowej w zamkniętym naczyniu w określonych warunkach badania.

Kolejnym parametrem charakteryzującym wybuchowość chmur pyłowych jest maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)_max w zamkniętym naczyniu w określonych warunkach badania.

Granice wybuchowości

Dolna granica wybuchowości (DGW) jest to najniższe stężenie palnego pyłu w mieszaninie z powietrzem, w której następuje wybuch w określonych warunkach badania. Poniżej dolnej granicy wybuchowości mieszanina nie jest zapalna. W przypadku większości pyłów wielkość ta mieści się w granicach 20 – 60 g/m³ (tab. 2.).

W przypadku pyłów nie określa się górnej granicy wybuchowości (GGW) ze względu na brak jej stabilności pod wpływem warunków środowiskowych i wartości rzędu kg/m³. DGW zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów ziaren pyłu i zwiększania ilości tlenu w mieszaninie. Wzrost wilgotności pyłu powoduje wzrost dolnej granicy wybuchowości.

Minimalna energia zapłonu (MEZ) chmury pyłowej W_min, jest to najmniejsza energia elektryczna nagromadzona w kondensatorze, która w trakcie jego rozładowania wystarczy do zapłonu najbardziej zapalnej atmosfery w warunkach badania (tab. 3.).

gdzie:

C – pojemność obwodu rozładowania,

U₁ – napięcie na kondensatorze przed rozładowaniem,

U₂ – napięcie na kondensatorze po rozładowaniu.

MEZ jest parametrem bezpieczeństwa wykorzystywanym do identyfikacji źródeł zapłonu i konstrukcji elektrycznych urządzeń iskrobezpiecznych. Minimalna energia zapłonu chmury pyłowej maleje wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek pyłu oraz ograniczaniem jego wilgotności.

W przypadku pyłów temperatura samozapłonu określana jest w stosunku do chmury pyłowej i oddzielnie w stosunku do warstwy pyłu zleżałego, najczęściej w warstwie 5 mm (tab. 4.).

Atmosfera wybuchowa nie jest stałym czynnikiem środowiska pracy. Występuje okresowo z różną częstością i utrzymuje się przez różne okresy. Częstotliwość występowania i czas utrzymywania się atmosfer wybuchowych w połączeniu z rodzajem materiału palnego są podstawą klasyfikacji pomieszczeń do jednego z typów stref potencjalnie zagrożonych wybuchem [1].

Wybuchy atmosfer pyłowych stanowią poważne zagrożenie zdrowia i życia pracowników oraz niebezpieczeństwo znacznych strat finansowych w wszystkich obiektach przemysłowych, w których występują pyły materiałów palnych oraz często materiałów powszechnie uważanych za niepalne. Do pyłów palnych zalicza się pyły materiałów organicznych, np. zbóż, drewna, cukru, mąki kartoflanej, pyły tworzyw sztucznych, pyły substancji chemicznych, np. pigmentów organicznych, pyły metali, które zazwyczaj uważa się za niepalne, zwłaszcza aluminium czy magnezu. Pyłowe atmosfery wybuchowe są rzadziej spotykane w przemyśle niż atmosfery gazowe, ale są bardziej niebezpieczną formą mieszanin wybuchowych. Jako pyły palne traktuje się pyły o wymiarze cząstek 500 µm lub mniejszym. Pyły te mogą utrzymywać się w powietrzu przez pewien czas i powoli opadają pod własnym ciężarem, osiadając na otaczających przedmiotach i powierzchniach. Występują również pyły o rozmiarach ziaren większych od 500 µm i kształtach wydłużonych wykazujące właściwości wybuchowe.

Pyły mogą być przewodzące prąd elektryczny, o przewodności 10³ Ωm lub mniejszej i nieprzewodzące o przewodności większej od 10³ Ωm.

Pyły palne tworzą zagrożenie wybuchem przez:

• powstawanie mieszanin pyłowo-powietrznych w formie chmur pyłowych zawieszonych w powietrzu w wyniku uwolnienia pyłu z jakiegokolwiek źródła emisji, w tym z warstw pyłu zalegającego na powierzchniach,
• powstawanie złóż pyłu (warstw pyłu) na powierzchniach urządzeń technologicznych i wyposażenia pomieszczeń w wyniku osiadania cząstek zawieszonych w powietrzu. Szczególnie niebezpieczne jest osiadanie pyłów na nagrzanych powierzchniach.

Pył osiadły może przyczynić się do powstawania chmur pyłowych przez samozapłon w wyniku samonagrzewania lub pobierania ciepła od podłoża, np. nagrzanych elementów urządzeń technologicznych.

Charakterystyczną cechą pyłowych atmosfer wybuchowych jest ich niejednorodność, która wyraża się różnym stężeniem, różnymi wymiarami ziaren czy różną wilgotnością w różnych miejscach atmosfery.

Procedury klasyfikacji przestrzeni potencjalnie zagrożonych wybuchem atmosfer pyłowych

Procedury klasyfikacji przestrzeni potencjalnie zagrożonych wybuchem atmosfer pyłowych są następujące:

• pierwszym krokiem jest ustalenie, czy pył występujący w rozpatrywanej przestrzeni jest palny i określenie jego parametrów charakterystycznych, takich jak: wymiarów cząstek, wilgotności, temperatur samozapłonu warstwy i chmury, przewodności elektrycznej, grupy wybuchowości wg normy [2]:
  • IIIA – palne cząstki (ang. combustible flying) o wymiarach większych od 500 µm, mające postać mieszaniny wybuchowej przy ciśnieniu atmosferycznym i w normalnej temperaturze, np. sztuczny jedwab, bawełna, juta, konopie,
  • IIIB – pyły nieprzewodzące,
  • IIIC – pyły przewodzące.
• drugim krokiem jest ustalenie, czy w pomieszczeniu znajdują się urządzenia technologiczne zawierające pył lub źródła pylenia zdolne do formowania potencjalnie niebezpiecznych osadów pyłowych oraz potencjalne źródła zapłonu,
• trzecim krokiem jest określenie prawdopodobieństwa przenikania pyłu ze źródła pylenia do otoczenia oraz wybuchu atmosfer pyłowych w różnych miejscach instalacji.

Źródła emisji pyłu

Pyłowe atmosfery wybuchowe są formowane w wyniku emisji pyłu ze źródeł emisji. Źródłami emisji pyłu mogą być nieszczelności w aparaturze technologicznej, miejsca obróbki mechanicznej, instalacje do transportu pyłu, warstwy i złogi pyłu osiadłego itp. Ta definicja obejmuje również tworzenie się warstw pyłu [1]. W zależności od parametrów procesów technologicznych i warunków środowiskowych, nie wszystkie źródła emisji zdolne są do wytwarzania pyłowej atmosfery wybuchowej. Niewielkie źródła emisji ciągłej mogą po dłuższym czasie tworzyć potencjalnie niebezpieczne warstwy pyłu zalegające na otaczających urządzeniach. Wskazane jest, aby oddzielnie rozpatrywać tworzenie się warstw pyłowych wewnątrz i na zewnątrz aparatury technologicznej.

W normalnych warunkach pracy, z wnętrza aparatury technologicznej, pył nie jest emitowany do atmosfery zewnętrznej. Wewnątrz aparatury technologicznej, w której pył jest mieszany lub przerabiany, nie jest możliwe zapobieganie tworzeniu się warstw pyłu, ponieważ jest to integralną częścią procesu technologicznego. Tego rodzaju chmury i złoża pyłowe mogą powstawać w sposób ciągły lub tworzyć się w dłuższym lub krótszym czasie w zależności od cykli technologicznych. Sytuacja powinna być analizowana w warunkach normalnej pracy, w warunkach zakłóceń, podczas startu procesu technologicznego i jego zatrzymania.

Na zewnątrz aparatury grubość powstających warstw pyłu powinna być kontrolowana przez mechaniczne ich usuwanie lub przez wentylację.

Identyfikacja i ocena źródeł emisji

Na klasyfikację pomieszczeń na zewnątrz aparatury technologicznej wpływa szereg specyficznych czynników. Przy ciśnieniu wyższym od atmosferycznego wewnątrz aparatury technologicznej pył z łatwością przenika przez nieszczelności do otaczającej urządzenie przestrzeni. Natomiast przy podciśnieniu w aparaturze technologicznej powstawanie atmosfery pyłowej na zewnątrz urządzeń jest mało prawdopodobne. Wielkość cząstek pyłu, wilgotność, prędkość ruchu cząstek i podobne czynniki mają wpływ na rodzaj emisji. Emisja cząstek pyłu do otaczającej przestrzeni może być:

• ciągła – gdy chmury pyłowe występują ciągle, w długich okresach lub w krótkim czasie ale często,
• pierwotna – gdy emisja pyłu występuje okresowo lub okazjonalnie w czasie normalnej pracy urządzeń, np. w zamkniętej przestrzeni wokół zbiornika w czasie jego napełniania lub opróżniania,
• wtórna – emisja nie oczekiwana w normalnych warunkach pracy urządzeń technologicznych; jeśli wystąpi, to okresowo i w krótkim okresie.

Nie wszystkie urządzenia technologiczne są traktowane jako potencjalne źródła emisji pyłów w czasie normalnej i nienormalnej pracy. Należą do nich m.in.: naczynia ciśnieniowe, rurociągi, kanały i kolumny bez złącz, uszczelnienia dławic zaworów, złącza kołnierzowe.

Klasyfikacja przestrzeni potencjalnie zagrożonych wybuchem atmosfer pyłowych

Bazując na prawdopodobieństwie formowania potencjalnie wybuchowych atmosfer pyłowych i złóż pyłu wprowadzono podział pomieszczeń na strefy potencjalnie zagrożone wybuchem atmosfer pyłowych (tab. 5.).

Strefy zagrożone wybuchem atmosfer pyłowych wyznacza się we wszystkich kierunkach od miejsca emisji substancji niebezpiecznych. Ich wymiary zależą od rodzaju źródła emisji, parametrów fizykochemicznych substancji, rodzaju wykonywanych czynności, rodzaju wentylacji i jej skuteczności, ciśnienia w aparaturze, temperatury procesu itp.

W strefach potencjalnie zagrożonych wybuchem temperatury wszystkich powierzchni powinny być niższe od temperatury samozapłonu pyłu osiadłego. Podobnie wszystkie powierzchnie, które mogą się zetknąć z chmurą pyłową powinny mieć temperatury niższe od temperatury samozapłonu chmury pyłowej.

Jeżeli w pomieszczeniu występują powierzchnie nagrzane do wyższych temperatur z powodów technologicznych, to powinny być zastosowane środki zapobiegające tworzeniu się chmur pyłowych i osiadaniu pyłu, np. odkurzanie centralne.

Atmosfery hybrydowe

Występujące w przemyśle mieszaniny hybrydowe to kombinacja gazów lub par cieczy palnych z pyłem, pyłami lub włóknami materiałów palnych lub często materiałów powszechnie uważanych za niepalne, np. aluminium. Mieszanina hybrydowa zachowuje się zupełnie inaczej niż gaz, para lub pył indywidualnie. Cechą charakterystyczną mieszanin hybrydowych jest ich niejednorodność, podobnie jak wszystkich atmosfer pyłowych i z tego powodu normy nie rekomendują specjalnych rozwiązań. Każdy przypadek powinien być rozpatrywany indywidualnie. Atmosfery hybrydowe uważane są za potencjalnie wybuchowe, jeżeli stężenie gazu lub pary przekracza 25% ich dolnej granicy wybuchowości. W aneksie C do normy [1] podano szereg ogólnych zasad, które powinny być uwzględniane przy analizie zagrożenia i klasyfikacji do stref potencjalnie zagrożonych wybuchem:

• zastosowanie wentylacji,
• granice wybuchowości komponentów,
• możliwość reakcji chemicznych między komponentami,
• parametry komponentów,

Przy klasyfikacji finalnej przestrzeni, w których występują atmosfery hybrydowe wskazana jest osobna klasyfikacja dla każdego komponentu gazowego i pyłowego, np. strefa 21. ze strefą 2. lub strefa 21. ze strefą 1. [1]

Dokumentacja klasyfikacyjna [1]

Klasyfikacja przestrzeni potencjalnie zagrożonych wybuchem atmosfer pyłowych powinna być udokumentowana. Dokumentacja klasyfikacyjna powinna co najmniej zawierać następujące dane wszystkich pyłów występujących w klasyfikowanej przestrzeni:

• wykaz podstawowych norm i przepisów,
• wykaz pomieszczeń i ich klasyfikację do stref potencjalnie zagrożonych wybuchem wraz z szacunkowymi rozmiarami tych stref,
• charakterystykę procesu technologicznego i jego parametry,
• wykaz potencjalnych źródeł emisji pyłów i ich charakterystykę,
• charakterystykę wszystkich pyłów palnych występujących w procesie technologicznym, mogących tworzyć z powietrzem atmosfery wybuchowe, zawierającą co najmniej następujące dane:
  • minimalną energię zapłonu chmury pyłowej,
  • minimalną temperaturę zapłonu chmury pyłowej,
  • minimalną temperaturę zapłonu warstwy pyłu,
  • grupy wybuchowości pyłu [2],
  • dolne granice wybuchowości pyłów,
  • przewodność elektryczną,
  • skład atmosfery,
  • szacunkowe wymiary cząstek pyłu (jeśli możliwe do określenia).

Ponadto dokumentacja klasyfikacyjna powinna zawierać:

• rysunki lokalizacyjne stref potencjalnie zagrożonych wybuchem wraz z ich graficznym oznakowaniem i oznaczeniem źródeł emisji,
• informacje o sposobach usuwania gromadzącego się pyłu i innych działaniach prewencyjnych,
• opis przyczyn klasyfikacji przestrzeni do stref potencjalnie zagrożonych wybuchem.

Wymagania techniczno-budowlane dotyczące przestrzeni potencjalnie zagrożonych wybuchem [4]

W przestrzeniach potencjalnie zagrożonych wybuchem należy bezwzględnie przestrzegać następujących wymagań technicznych:

• pomieszczenia potencjalnie zagrożone wybuchem powinny być lokalizowane na ­najwyższej kondygnacji obiektu budowlanego,
• nad pomieszczeniami potencjalnie zagrożonymi wybuchem powinien być dach lekki wykonany z materiałów co najmniej trudno zapalnych o masie nieprzekraczającej 75 kg/m². Wymaganie to nie dotyczy pomieszczeń, w których łączna powierzchnia elementów odciążających w razie wybuchu: przepon, klap, powierzchni oszklonych szkłem zwykłym jest większa niż 0,065 m2/m³ kubatury pomieszczenia,
• ściany oddzielające pomieszczenie potencjalnie zagrożone wybuchem od innych pomieszczeń powinny być odporne na parcie co najmniej 15 kN/m² (15 kP),
• filtry, komory pyłowe i cyklony do palnych pyłów powinny być umieszczone w pomieszczeniach oddzielonych od innych pomieszczeń elementami oddzielenia przeciwpożarowego lub zlokalizowane na zewnątrz budynków w miejscach bezpiecznych dla otoczenia,
• przewody wentylacyjne wprowadzane do komór pyłowych, filtrów bądź cyklonów powinny być wyposażone w urządzenia zapobiegające przenoszeniu płomienia,
• komory pyłowe i cyklony zawierające pyły mogące tworzyć atmosfery wybuchowe powinny być wyposażone w klapy lub przepony przeciwwybuchowe zabezpieczające konstrukcję tych urządzeń oraz budynku przed skutkami wybuchu,
• długość przejścia ewakuacyjnego w obiekcie potencjalnie zagrożonym wybuchem nie powinna być większa niż 40 m,
• z pomieszczeń potencjalnie zagrożonych wybuchem o powierzchni większej od 100 m² powinny prowadzić co najmniej dwa wyjścia ewakuacyjne oddalone od siebie o co najmniej 5 m,
• wyjścia ewakuacyjne z pomieszczeń potencjalnie zagrożonych wybuchem powinny prowadzić przez przedsionki przeciwpożarowe,
• drzwi wyjść ewakuacyjnych z pomieszczeń potencjalnie zagrożonych wybuchem oraz z pomieszczeń, do których jest możliwe nagłe niespodziewane przedostanie się atmosfer wybuchowych, duszących, trujących lub podobnych, które mogą utrudnić ewakuację, powinny otwierać się na zewnątrz tych pomieszczeń.

Literatura

1. PN-EN 60079-10-2 Atmosfery wybuchowe Część 10-2: Klasyfikacja przestrzeni. Pyłowe atmosfery wybuchowe.
2. PN-EN 60079-0 Atmosfery wybuchowe Część 0: Urządzenia. Podstawowe wymagania.
3. PN-EN 14034 Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75/2002, poz. 690 z późn. zm.; Dz.U. Nr 201/2008, poz. 1238; Dz.U. Nr 228/2008, poz. 1514; Dz.U. Nr 56/2009, poz.461).
5. www.cnbop.pl.
6. www.kierunekchemia.pl.
7. www. m.ciop.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!