Jak duże ryzyko wybuchu wiąże się z operacjami przyjęcia, mielenia i magazynowania pyłu węglowego w zakładach produkcyjnych? Na to pytanie postaramy się odpowiedzieć na przykładzie modernizacji młynowni węgla, jaką zrealizowaliśmy w cementowni Dyckerhoff Polska. Pokażemy przy tym, jak zapewnić właściwą ochronę w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego i dostosować zakład do wymogów dyrektywy ATEX.
Jak mówi Zbigniew Wolff, ekspert w GRUPIE WOLFF ds. bezpieczeństwa wybuchowego według statystyk, do największej liczby zdarzeń z udziałem palnych pyłów dochodzi w instalacjach odpylających (filtry odpylające i cyklony) oraz w silosach magazynowych (sumarycznie 39% wszystkich zdarzeń). Uwzględniając tu inne formy magazynowania okaże się, że do łącznie 51% wszystkich zdarzeń dochodzi podczas magazynowania lub odpylania. Kolejną istotną grupą urządzeń są rożnego typu podnośniki oraz przenośniki (10% wszystkich zdarzeń). W tej grupie szczególną uwagę należy poświęcić podnośnikom kubełkowym oraz przenośnikom taśmowym1. Jeśli weźmiemy pod uwagę pył węglowy, to w 2017 roku stanowił on przyczynę 7% wszystkich wybuchów na terenie Stanów Zjednoczonych i aż 35% w zakładach przemysłowych w Chinach2.
Niestety w chwili obecnej nie są nam znane statystyki odnoszące się do Polski. W tym miejscu należy jednak wspomnieć o dwóch najgłośniejszych zdarzeniach, do jakich doszło w ostatnich latach – chodzi o potężne wybuchy atmosfery pyłowej, które miały miejsce w Elektrowni Turów oraz Dolna Odra. Ponadto według naszej wiedzy w ciągu ostatnich lat doszło do co najmniej kilku wybuchów w cementowniach zlokalizowanych na terenie Polski.
Wspomniana modernizacja młynowni była następstwem przeprowadzonej wcześniej oceny ryzyka wybuchu. Opracowany dokument wykazał, w których elementach instalacji i w jaki sposób można zwiększyć bezpieczeństwo. Za kompleksowy przebieg prac odpowiedzialna była GRUPA WOLFF, która na przestrzeni ostatnich 25 lat zabezpieczyła setki instalacji w zakładach przemysłowych na terenie Polski, jak również za jej granicami, m.in. w Holandii, Zjednoczonych Emiratach Arabskich oraz Brazylii.
Zanim omówimy przebieg wykonanych prac, zatrzymajmy się na moment na kilku ważnych aspektach związanych z tematyką bezpieczeństwa wybuchowego.
Parametry wybuchowości i ich znaczenie w praktyce
Jedynymi z fundamentalnych parametrów pozwalających zaprojektować skuteczny system przeciwwybuchowy są maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax oraz stała wybuchowości Kst. Warto zaznaczyć, że zależą one m.in. od rodzaju danego produktu/surowca lub stopnia jego rozdrobnienia. Dlatego też w większości przypadków dane literaturowe nie pozwalają w sposób jednoznaczny określić ich wartości.
Decyzja co do tego, czy w projekcie instalacji zabezpieczającej oprzemy się na danych literaturowych, czy też pochodzących z badania laboratoryjnego, spoczywa na właścicielu instalacji. W tym miejscu należy wspomnieć, że decydując się na literaturę, jesteśmy zmuszeni wybrać najbardziej niekorzystne dane, co może mieć wpływ na przewymiarowanie układu. Musimy się także liczyć z odwrotną sytuacją, w której, pomimo wyboru najgorszych parametrów, są one niższe niż parametry rzeczywistego pyłu w przedmiotowej instalacji. W takim wypadku układ zabezpieczający może być nieskuteczny.
Poza wspomnianymi wcześniej parametrami do zaprojektowania systemu ochronnego konieczna jest również znajomość podstawowych wymiarów chronionego aparatu oraz jego wytrzymałość konstrukcyjna (w przypadku braku takiej informacji można ją wyznaczyć na podstawie analizy MES). Jej wartość powinna być zawsze większa niż gwarantowana wartość Pred, czyli zredukowanego ciśnienia wybuchu, jakie może się pojawić w aparacie po wybuchu, którego skutki zostały ograniczone do bezpiecznego poziomu poprzez układ zabezpieczający.
W procesie oceny ryzyka wybuchu dużą rolę odgrywa minimalna energia zapłonu (MEZ, ang. MIE). Jest to parametr określający minimalną energię, jaką należy dostarczyć (np. w postaci iskry), aby doszło – w określonych warunkach – do zapłonu atmosfery wybuchowej.
Warto w tym miejscu wspomnieć o maksymalnej dopuszczalnej temperaturze powierzchni. Jej znajomość jest kluczowa przy doborze urządzeń, które nie będą stanowiły potencjalnego źródła zapłonu w wyniku nagrzewania się.
Jakie wartości przyjmują wspomniane parametry wybuchowości w przypadku pyłu węgla kamiennego?
Generalizując, wybuch pyłu węgla kamiennego charakteryzuje się wysokim maksymalnym ciśnieniem Pmax oraz stosunkowo niską dynamiką Kst (klasy wybuchowości St1).
Jeśli chodzi o minimalną energię zapłonu, jest ona w większości przypadków większa niż 1000 mJ. Praktyka pokazuje jednak, że bywają odmiany paliw, w tym węgla, o niższych wartościach MEZ (np. dla węgla brunatnego czy biomasy MEZ może mieć wartości nawet na poziomie 10–100 mJ).
Przykładowe parametry pyłu węgla kamiennego wykorzystane w przedmiotowej cementowni zostały przedstawione w tab. 1.
Atmosfery wybuchowe w pomieszczeniach produkcyjnych
Podczas procesów technologicznych dochodzi do emisji pyłu, który przez jakiś czas pozostaje zawieszony w powietrzu, a następnie opada, osiadając na posadzkach, konstrukcjach urządzeń oraz innych elementach instalacji. Dopóki pył zalega, nie stwarza bezpośredniego zagrożenia wybuchowego, natomiast może powodować zagrożenie pożarowe (przykładowo w wyniku zapalenia się od gorących powierzchni czy reakcji egzotermicznej). Często zdarza się, że zapoczątkowany pożar staje się przyczyną wybuchu i odwrotnie – lokalny wybuch może przyczynić się do powstania pożaru. Należy mieć na uwadze, że w razie wzniecenia zalegającego pyłu będziemy mieli do czynienia z zagrożeniem wybuchowym.
W przypadku tzw. zewnętrznych stref zagrożenia wybuchem, czyli tych, które są zlokalizowane na zewnątrz obudów urządzeń i instalacji (np. otwarte składowiska materiałów sypkich, otwarte przesypy, zapylenie przestrzeni roboczej wynikające z nieszczelności instalacji i/lub obecności pyłów osiadłych), w pierwszej kolejności powinniśmy dążyć do ograniczania emisji pyłu. Można tego dokonać poprzez zabudowę/uszczelnienie układów otwartych (przesypy) w celu ograniczenia pylenia, stosowanie centralnego odkurzania lub regularne sprzątanie osiadłych warstw pyłu.
