Właściwości wybuchowe pyłów przemysłowych

Transkrypt

1 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Zdzisław Dyduch Właściwości wybuchowe pyłów przemysłowych Explosive Properties of Industrial Dusts Streszczenie: W artykule przedstawiono problem wybuchowości pyłów. Krótko omówiono materiały opisywane tym pojęciem i pokazano ich różnorodność. Przedstawiono następnie wynikającą z tej różnorodności klasyfikację pyłów. Wskazano trudności we wprowadzeniu jednoznacznego kryterium wybuchowości pyłów wynikające z ich właściwości zapalnych i wybuchowych i opisano procedurę testu wybuchowości stosowanego obecnie w praktyce. Przedstawiono następnie interpretację wyników testu wybuchowości. Na zakończenie wskazano na niejednoznaczność interpretacji wyników testu w przypadku pewnej szczególnej grupy pyłów. Abstract: The paper deals with the problem of dust explosibility. Materials described by the notion and theirs variety were discussed. Dust classification resulted from that variety was then presented. Difficulties in formulation of explosibility criterion caused by specific ignition/explosion properties were pointed out. The procedure of explosibility test currently used in practice was described together with an interpretation of its results. At the end an ambiguity of explosibility test results for a certain group of dusts was illustrated. 1. WPROWADZENIE W warunkach przemysłowych kwestia właściwości wybuchowych pyłu ma podstawowe znaczenie. U podstaw każdej oceny ryzyka wybuchu leży odpowiedź na pytanie czy materiały, w tym wypadku pyły, wykazują właściwości wybuchowe. Jeżeli odpowiedź jest twierdząca, konieczne jest przeprowadzenie wszystkich kolejnych etapów oceny ryzyka wybuchu. Kiedy pyły nie wykazują właściwości wybuchowych, dalsze działania nie są konieczne. Przypatrując się bliżej właściwościom zapalnym i wybuchowym pyłów, okazuje się, że odpowiedź na to proste pytanie nie jest ani łatwa, ani jednoznaczna. Opracowano więc procedurę tzw. test wybuchowości, która rozstrzyga czy określony pył należy traktować jako wybuchowy. W artykule przedstawiono różne materiały tworzące obłoki o właściwościach wybuchowych i podano wynikającą z tej różnorodności klasyfikację pyłów. Następnie omówiono te właściwości zapalne i wybuchowe pyłów, które powodują wspomniane trudności w sformułowaniu kryterium wybuchowości. W dalszej części przedstawiono procedurę oceny wybuchowości opartą na tzw. teście wybuchowości i omówiono otrzymywane w ten sposób wyniki. 2. KLASYFIKACJA PYŁÓW Rozważania o wybuchowości pyłów warto rozpocząć od zdefiniowania, czym jest pył o właściwościach wybuchowych. Intuicyjnie rozumiemy, że jest to materiał w postaci cząstek o niewielkich rozmiarach, który rozproszony w powietrzu może tworzyć obłoki. W określonych warunkach zainicjowanie spalania w tych obłokach może doprowadzić do wybuchu. Tradycyjna definicja pyłu palnego jest następująca: Pył palny to małe cząstki ciała stałego, o rozmiarze nominalnym 500 µm lub mniejszym, które mogą przez pewien czas pozostać zawieszone w powietrzu, osiadać pod wpływem swojego ciężaru, mogą palić się lub żarzyć w powietrzu i mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe z powietrzem w warunkach atmosferycznych. Praktyka pokazuje jednak, że taka definicja nie obejmuje wszystkich materiałów, które mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe z powietrzem. Na rysunku 1 przedstawiono zdjęcia mikroskopowe trzech materiałów wykazujących właściwości wybuchowe. Rysunek 1a przedstawia cząstki pyłu węglowego. Cząstki te mają kształty regularne, zbliżone do kuli. Taki pył dobrze opisuje zacytowana definicja. Rysunek 1b, przedstawia natomiast cząstki pyłu drzewnego. Tutaj cząstki mają kształt wrzecionowaty lub igiełkowaty. W pyle drzewnym długości igiełek mogą być znacznie większe od 500 μm. Mimo to, jak pokazuje praktyka, pył taki wykazuje właściwości wybuchowe. Wykazuje je też materiał przedstawiony na rysunku 1c. W tym wypadku trudno w ogóle mówić o cząstkach. Mamy tu do czynienia ze splecionymi włóknami.

2 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Problem ten znalazł odzwierciedlenie w normach europejskich zupełnie niedawno. Norma PN-EN [1] wprowadza definicję materiału o angielskiej nazwie combustible flyings, definiując go jako cząstki ciała stałego, także włókna, o rozmiarze nominalnym większym niż 500 µm, które mogą przez pewien czas pozostać zawieszone w powietrzu i osiadać pod wpływem swojego ciężaru. a) Zatem pył jest terminem obejmującym zarówno pył palny jak i combustible flyings. Biorąc pod uwagę opisane właściwości, podobnie jak w przypadku gazów, pyły sklasyfikowano w trzech podgrupach: IIIA combustible flying, IIIB pyły nieprzewodzące, o rezystywności większej niż 1 kω m, IIIC pyły przewodzące o rezystywności mniejszej niż 1 kω m. Wprowadzona klasyfikacja pociąga za sobą zróżnicowanie wymagań, np. wymagań stawianym urządzeniom pracującym w obecności pyłów należących do poszczególnych podgrup. b) c) Rys. 1. Różne postaci pyłu 3. PYŁY I ICH WŁAŚCIWOŚCI ZAPALNE/WYBUCHOWE Poszukując kryterium wybuchowości pyłów należy odpowiedzieć sobie na pytanie: co to znaczy, że pył wykazuje właściwości wybuchowe? Z pozoru odpowiedź wydaje się prosta. Pył wykazuje właściwości wybuchowe, jeżeli zainicjowanie spalania w jego obłoku o odpowiedniej koncentracji prowadzi do szybkiego spalania w całym obszarze obłoku, któremu towarzyszy gwałtowny przyrost ciśnienia. Tak więc kryterium wybuchowości powinno odwoływać się do parametrów pyłu określających skutki wybuchu: maksymalnego ciśnienia wybuchu p max i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia (dp/dt) max lub raczej stałej K St max opisujących dynamikę wybuchu. To jednak nie wystarcza. Wybuch pyłu należy zainicjować dostarczyć do obłoku odpowiednią ilość energii, która umożliwi zapoczątkowanie wybuchu. Jaka ilość energii jest ilością odpowiednią, określa kolejny parametr, tzw. minimalna energia zapłonu obłoku pyłu oznaczana skrótem MIE. I tu pojawia się problem. W przypadku pyłów wartości MIE wykazują bardzo duże zróżnicowanie. Istnieją pyły o wartościach MIE bardzo małych, zbliżonych do wartości charakterystycznych dla gazów. Większość pyłów ma jednak MIE znacznie większe. Dodatkowo, nie ma bezpośredniego związku między łatwością zapalenia pyłu (wartością MIE) i gwałtownością wybuchu określaną parametrami wybuchowości p max i K St max.

3 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Rys. 2. Właściwości zapalne/wybuchowe pyłów Sytuację ilustruje schemat przedstawiony na rys. 2. W układzie współrzędnych K St max MIE zaznaczono na nim niektóre pyły i grupy pyłów występujących w przemyśle. Oczywiście schemat ma znaczenie wyłącznie poglądowe i nie należy traktować go jako źródła wiedzy o właściwościach zapalnych i wybuchowych poszczególnych zaznaczonych na nim materiałów. Najwięcej pyłów znajduje się w obszarze oznaczonym St1, czyli w klasie wybuchowości, w której pyły mają wartości K St max nieprzekraczające 200 m bar/s. Nie jest to przypadek. Do tej klasy należy ponad 80% wszystkich zbadanych pod względem wybuchowości pyłów. W każdej z klas wybuchowości pyły są rozłożone względnie równomiernie, co ilustruje wspomniany brak bezpośredniego związku między łatwością zainicjowania wybuchu i gwałtownością jego przebiegu. Podobny diagram można stworzyć zastępując stałą K St max maksymalnym ciśnieniem wybuch p max, choć w tym wypadku zróżnicowanie byłoby znacznie mniejsze. Oczywiście, przedstawiony schemat nie może obejmować wszystkich pyłów wykazujących właściwości wybuchowe. Istnieją pyły, które należałoby umieścić poza obszarem schematu, tak w kierunku większych wartości K St max, jak i w kierunku większych energii MIE, mimo że zakres tej osi obejmuje ponad cztery rzędy wielkości. Arbitralnie, pyły wykazujące właściwości wybuchowe można podzielić na trzy grupy: Grupa pierwsza to pyły bardzo łatwo zapalne, o wartościach MIE < 10 mj. Dynamika wybuchu tych pyłów może być bardzo zróżnicowana, od niewielkiej, jak w przypadku pyłu siarki, aż do bardzo dużej, wykazywanej przez niektóre pyły aluminium o bardzo dużym rozdrobnieniu. Pyły należące do tej grupy stwarzają bardzo duże zagrożenie i wymagają specjalnych zabiegów. Konieczne jest np. zastosowanie tzw. profilaktyki antyelektrostatycznej, obejmującej przygotowanie posadzki rozpraszającej ładunki elektryczne, obuwia o co najmniej takich samych właściwościach, odpowiednich rękawic itp. Obok już wspomnianych pyłów do grupy tej należą pyły cukru, niektóre surowce stosowane w produkcji chemii gospodarczej, przemyśle farmaceutycznym, także pył drzewny o bardzo dużym rozdrobnieniu i wiele innych. Druga grupa to typowe pyły o właściwościach wybuchowych. Minimalna energia zapłonu obłoku tych pyłów mieści się w przedziale 10 mj < MIE < 1 J. Ich dynamika wybuchu także jest zróżnicowana. W szczególnych przypadkach także w obecności tych pyłów należy stosować profilaktykę antyelektrostatyczną, kiedy MIE < 30 mj i pracownicy używają dużych narzędzi wykonanych z materiałów przewodzących. Do grupy tej należy bardzo wiele pyłów występujących w przemyśle. Wśród nich są typowe pyły drzewne, pyły zbożowe, wiele rodzajów odpadów w przemyśle spo-

4 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) żywczym i paszowym ogólnie określanych jako biomasa, pyły węgli brunatnych i niektóre pyły węgli kamiennych. W końcu trzecia grupa obejmująca pyły trudnozapalne. Do tej grupy należą pyły o wartościach MIE > 1 J, w zasadzie bez ograniczenia energii z góry. Wiele pyłów węgli kamiennych należy do tej grupy. Poza tym niektóre gatunki biomasy, niektóre pigmenty organiczne i wiele innych. To pyły należące do tej grupy są powodem wspomnianych wcześniej trudności w zdefiniowaniu kryterium wybuchowości. Okazuje się bowiem, że zwiększając ilość dostarczanej energii inicjującej wybuch coraz większa grupa pyłów wykazuje właściwości wybuchowe. Podsumowując, w praktyce spotyka się pyły, które wykazują bardzo różną skłonność do zapalenia i dynamikę wybuchu, przy czym nie ma bezpośredniego związku między tymi właściwościami. Są pyły trudnozapalne, charakteryzujące się jednak bardzo dużą dynamiką wybuchu i znacznymi przyrostami ciśnienia, jak również pyły łatwozapalne, o niewielkiej dynamice i ciśnieniu wybuchu. Są też oczywiście pyły o właściwościach pośrednich. 4. KRYTERIUM WYBUCHOWOŚCI PYŁÓW Ten brak związku między łatwością zapalenia z jednej strony i dynamiką wybuchu lub przyrostem ciśnienia podczas wybuchu z drugiej leży u podstaw braku możliwości jednoznacznego stwierdzenia czy pył wykazuje właściwości wybuchowe, czy też nie. Jak już wspomniano, klasa pyłów wykazujących właściwości wybuchowe powiększa się w marę zwiększania energii inicjującej wybuch pyłu. W praktyce sytuacja taka jest nieakceptowalna. Musimy decydować, czy w konkretnych warunkach, w konkretnej instalacji występuje zagrożenie wybuchem pyłu. Konieczne jest zatem sformułowanie kryterium będącego kompromisem pomiędzy ogólnością jego zastosowania i przydatnością praktyczną. Taki kompromis stanowi tzw. test wybuchowości procedura badawcza zawarta w wytycznych VDI 2263 [2] i powtórzona w dokumentacji oprogramowania firmy Kühner AG [3] sterującego standardową aparaturą przeznaczoną do badania właściwości wybuchowych pyłów. Test wybuchowości można przeprowadzać zarówno w komorze o objętości 1 m 3, spełniającej wymagania norm serii PN-EN [4], jak i w dopuszczonej tymi normami komorze o objętości 20 dm 3. Badanie polega na próbach zainicjowania wybuchu w mieszaninach badanego pyłu z powietrzem, w możliwie szerokim zakresie koncentracji pyłu. Do zainicjowania wybuchu stosuje się źródło zapłonu o energii 10 kj (w komorze 1 m 3 ) lub 2 kj (w komorze 20 dm 3 ). Uznaje się, że pył nie wykazuje właściwości wybuchowych, jeżeli przyrosty ciśnienia wybuchu są mniejsze niż 0,2 bar. W teście wybuchowości energia źródeł inicjujących wybuch została dobrana nieprzypadkowo. Energia 2 kj, a zwłaszcza 10 kj, to energia bardzo duża w porównaniu z typowymi źródłami zapłonu, które mogą występować w warunkach przemysłowych. Tak więc, jeżeli opisany test wybuchowości daje negatywny wynik, pył nie wykazuje właściwości wybuchowych, jest mało prawdopodobne, aby w typowych warunkach przemysłowych taki pył stwarzał zagrożenie wybuchowe. Nie oznacza to jednak, że właściwości takie nie mogą objawić się nigdy. Istnieją źródła zapłonu, które zapalają obłok pyłu skuteczniej niż główki zapalcze o energii 2 kj, czy nawet 10 kj. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na pewną szczególną grupę pyłów, której badanie wybuchowości stwarza pewne trudności interpretacyjne. Zdecydowana większość badań wybuchowości pyłów jest prowadzona w sferycznej komorze o objętości 20 dm 3, produkcji firmy Kühner AG, choć podstawową aparaturę do badań wybuchowości pyłów, wskazywaną w normach serii PN-EN [4] jest komora 1 m 3. Dzieje się tak dlatego, bo badania w małej komorze są mniej pracochłonne i wymagają mniejszej ilości pyłu przeznaczonego do badań. Jak już wspomniano, w komorze 20 dm 3 w teście wybuchowości stosuje się główki zapalcze o łącznej energii 2 kj. Natomiast w badaniach mających na celu oznaczenie parametrów wybuchowości w tej samej komorze stosuje się źródło zapłonu (główki zapalcze) o łącznej energii 10 kj. Jeżeli minimalna energia zapłonu obłoku badanego pyłu MIE jest większa od 2 kj i mniejsza od 10 kj, to test wybuchowości da wynik negatywny, podczas kiedy maksymalne ciśnienie wybuchu p max i stała K St max mogą mieć znaczące wartości. 5. WNIOSKI Specyficzne właściwości zapalne i wybuchowe pyłów sprawiają, że nie istnieje jednoznaczna odpowiedź na pytanie: czy pył ma właściwości wybuchowe? Z tego powodu nie można sformułować bezwzględnego kryterium wybuchowości pyłów. Stosowane w badaniach pyłu kryterium wybuchowości, tzw. test wybuchowości, odnosi się do zagrożenia wybuchem w typowych sytuacjach spotykanych w praktyce. Analizując jego wyniki trzeba jednak pamiętać o przyjętych w teście założeniach. Oceniając zagrożenie wybuchem pyłu zawsze należy odnosić się do specyficznych warunków panujących w rozpatrywanym obszarze.

5 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Literatura [1] PN-EN :2013 Atmosfery wybuchowe Część 0: Urządzenia Podstawowe wymagania [2] VDI 2263 Dust fires and dust explosions - Hazards, assessment, protective measures [3] Cesana Ch., Siwek R. KSEP 7.0 Manual, Kühner AG [4] PN-EN Oznaczanie charakterystyk wybuchowości obłoków pyłu Informacje dodatkowe o autorze. dr Zdzisław Dyduch, kierownik Laboratorium Wybuchowości Pyłów Przemysłowych, Kopalnia Doświadczalna BARBARA GIG. zdyduch@gig.eu