Badanie parametrów wybuchowości palnych pyłów

Badanie parametrów wybuchowości palnych pyłów

Wprowadzenie

Tekst ma na celu dostarczenie praktycznych wskazówek dla osób, które stoją w obliczu konieczności oceny wymagań bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych, gdzie w dużej ilości przetwarzane są palne cząstki stałe (pyły). Z punktu widzenia bezpieczeństwa procesowego wskazane jest, że pył powinien być przebadany, aby określić rodzaj ryzyka. Jakie pyły należy testować? Jakie testy są potrzebne? Kiedy można korzystać z wartości uzyskanych w opublikowanych źródłach? Są to niektóre z kwestii, które zostaną poruszone w poniższym tekście. Celem jest udzielenie porad, które pozwolą czytelnikowi podejmować świadome decyzje prowadzące do poprawy bezpieczeństwa, jednocześnie minimalizując koszty. Pierwszym krokiem w opracowaniu solidnych podstaw bezpieczeństwa jest zrozumienie charakteru materiałów, które są przetwarzane.

Badanie substancji vs korzystanie z istniejących danych

W przypadku dobrze znanych surowców, opublikowane dane mogą być w wielu przypadkach akceptowalne. Zazwyczaj takie dane mogą być uważane za względnie bezpieczne pod warunkiem, że pochodzą z wiarygodnego źródła takiego jak dokumenty NFPA. Jednakże byłoby błędem akceptować dane opublikowane bez zastrzeżeń i dlatego najbardziej rozsądnym podejściem jest porównanie dostępnych danych opisujących parametry z rzeczywistym materiałem aktualnie analizowanym.

TABELA 1 – PUBLIKOWANE WARTOŚCI PYŁU – NFPA 652 2019

Przykładowo, istotnym parametrem przy ocenie pyłowego zagrożenia wybuchem jest udział wagowej ilości wilgoci. Jeśli nie są one podobne – tzn. poziom wilgoci w źródłach z tym rzeczywistym - oznacza to, że dane są nieprzydatne dla analizowanej sytuacji. Protokoły testowe zazwyczaj określają czy materiały testowane mają zawartość wilgoci poniżej 5% wagowo. Inną charakterystyką przydatną przy porównywaniu materiałów jest rozkład wielkości cząstek. Zachowując te same warunki utleniania, większe cząstki utleniają się wolniej niż cząstki mniejsze. Porównanie rozkładu wielkości cząstek jest przydatne przy korzystaniu z zamieszczonych danych. W przypadkach, gdy opublikowane dane dotyczą materiału, znacząco różniącego się od przetwarzanego może dojść do komplikacji. Nawet jeśli obydwa materiały są podobne do siebie w pozostałych aspektach, może to wywołać problemy. Krótkie studium przypadku ilustruje na czym może polegać trudność.

Przykładowo, istotnym parametrem przy ocenie pyłowego zagrożenia wybuchem jest udział wagowej ilości wilgoci. Jeśli nie są one podobne – tzn. poziom wilgoci w źródłach z tym rzeczywistym - oznacza to, że dane są nieprzydatne dla analizowanej sytuacji. Protokoły testowe zazwyczaj określają czy materiały testowane mają zawartość wilgoci poniżej 5% wagowo. Inną charakterystyką przydatną przy porównywaniu materiałów jest rozkład wielkości cząstek. Zachowując te same warunki utleniania, większe cząstki utleniają się wolniej niż cząstki mniejsze. Porównanie rozkładu wielkości cząstek jest przydatne przy korzystaniu z zamieszczonych danych. W przypadkach, gdy opublikowane dane dotyczą materiału, znacząco różniącego się od przetwarzanego może dojść do komplikacji. Nawet jeśli obydwa materiały są podobne do siebie w pozostałych aspektach, może to wywołać problemy. Krótkie studium przypadku ilustruje na czym może polegać trudność.

Opublikowane dane dotyczą cukru, który był w formie granulowanej. Cukier w końcowym etapie linii produkcyjnej był zbierany w formie pyłu za pośrednictwem jednego z filtrów. Pył okazał się znacznie mniejszą cząsteczką niż przebadany granulat.

Badanie pyłu

Istnieje wiele testów, które można przeprowadzić, aby określić ryzyko oraz zachowanie związane z pyłami palnymi. Niestety eksperci nie zawsze zgadzają się co do tego, kiedy i dlaczego należy przeprowadzić określone testy dla danego przypadku pyłu. Pełna dyskusja na ten temat wykracza poza zakres niniejszej publikacji. Zamiast tego zostanie przedstawiony krótki rzegląd najczęściej wykonywanych testów oraz powodów dla których dany test należy wykonywać. Należy pamiętać: nie każdy test jest konieczny lub wymagany za każdym razem dla każdego pyłu lub dla każdej sytuacji. Warto więc korzystać z pomocy eksperta lub wyspecjalizowanej firmy, którzy będą w stanie ustalić rodzaj testów, jaki należy wykonać i odpowiednio pokierują.

Jakie testy są dostępne?

1. Badanie palności pyłu nazywane jest także „the OSHA Salt lake Citytest” lub „the Go/No-Go test”. Aktualnie jest ten jest częścią ASTEM E1226 (patrz poniżej). Jest to prosty test przesiewowy wykonywany w celu ustalenia, czy kurz może zachowywać się w sposób wybuchowy. Metoda ta nie może być używana do wymiarowania, ale może zminimalizować koszty testowania jeśli wynikiem jest „NO-GO”. Należy pamiętać że test ten powinien być przeprowadzany jako pierwszy, kiedy przewodzenie wybuchowości pyłu jest zgodne z ASTM E-1226.
2. Test wybuchowości pyłu w Ameryce Północnej jest zdefiniowany przez ASTM E-1226, ale podobny protokół istnieje dla Europy (wyniki testów z notyfikowanych laboratoriów w UE mogą być bezpiecznie stosowane). Test ten jest najczęściej przeprowadzany przy użyciu 20 litrowej sfery, ale można go również wykonać za pomocą naczynia badawczego o pojemności 1m 3 (więcej na ten temat w późniejszej części artykułu) i dostarcza K st oraz p max . Wartości te są niezbędne do doboru urządzeń przeciwwybuchowych takich jak np. klapy wentylujące lub aktywne systemy tłumienia. Test ten należy do kategorii podstawowych i powinien by przeprowadzony dla wszystkich pyłów palnych.
3. Minimalne stężenie wybuchowe (MEC). W Ameryce Północnej zdefiniowane jest przez ASTM 1515, ale podobna norma istnieje w Europie. Aby pył zachowywał się w sposób wybuchowy, musi zostać uniesiony w chmurę pyłu (zwaną obłokiem) o wystarczającej koncentracji tak, aby płomień mógł się przenosić przez masę nie spalonego materiału w reakcji łańcuchowej. Test ten jest przydatny w sytuacjach, gdy stężenie pyłu może być niskie i kontrolowane. Przykłady mogą obejmować pewne rodzaje suszarek lub przenośników.
4. Minimalna energia zapłonu (MIE). W Ameryce Północnej jest ona definiowana przez normę ASTM E-2019, ale podobna metoda badawcza istnieje również w Europie. Niektóre pyły łatwiej zapalają się niż inne. Test ten określa, ile energii wyładowania elektrostatycznego jest potrzebne do zapłonu chmury pyłu (obłoku). Palne pyły różnią się między sobą łatwością z jaką ulegają zapaleniu. Oba skrajne przypadki są ważne do zrozumienia przetwarzanych materiałów. Istnieją sytuacje, w których bezpieczna obsługa wymaga, aby personel pracujący z materiałami musiał być uziemiony, aby zapobiec samozapłonowi w wyniku wyładowań elektrostatycznych z ich własnych ciał. Z drugiej strony, są materiały, które są tak trudne do zapłonu, że można je bezpiecznie przetwarzać bez obawy o wyładowania elektrostatyczne.

To rodzi pewne pytanie. Czy pył powinien być testowany w stanie otrzymanym czy powinien być wysuszony oraz zmniejszony/klasyfikowany tak, żeby testować tylko drobne cząstki? Ponownie, przyjęte normy zachęcają do podejmowania wysiłków w celu uwzględnienia najgorszego scenariusza. W przypadkach, gdy zmienne takie jak rozmiar cząstek i zawartość wilgoci są starannie monitorowane i kontrolowane, najlepszą opcją może być testowanie materiałów w stanie otrzymanym. W przeciwnym razie wskazane jest zastosowanie bardziej bezpiecznego podejścia i postępowanie zgodnie z normami reprezentującymi aktualną wiedzę inżynierską.

Kolejnym ważnym czynnikiem jest to czy pył, który jest przetwarzany, składa się z jednego materiału czy jest to mieszanina kilku. Mieszanki stwarzają kilka wyzwań. Po pierwsze, często zawierają one wiele składników. Na przykład jest powszechne, aby wiele witamin składało się z listy materiałowej zawierającej co najmniej 25 różnych składników. Nie jest praktycznym wykonywanie testów wszystkiego. W ogólności składniki, które stanowią większość całkowitej mieszanki wagowo lub objętościowo, będą reprezentatywne dla charakterystyk palności całkowitej mieszanki. Tak więc, w przypadku witaminy wieloskładnikowej, pięć lub sześć najważniejszych składników stanowi największy procent mieszanki i to właśnie one powinny być testowane jako minimum.

Pyły, które mogą zmieniać swoje właściwości lub ulegać degradacji, stanowią szczególne wyzwanie zarówno podczas pobierania próbek, jak i pakowania czy wysyłki. Pyły metalowe stanowią doskonały przykład. Ulegają one łatwo utlenianiu i muszą być pakowane w szczelne pojemniki próżniowe oraz wysyłane najszybciej jak to możliwe. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie próbki pyłów mogą być przewożone drogą lotniczą.

Kontrowersje dotyczące trafności testów

Ostatnio zostało wykonane zlecenie, w którym pewne materiały przetestowano z wynikiem pozytywnym. Wyniki te są kwestionowane. Napisano artykuł i odbyły się zażarte dyskusje, ale finalne wyniki nadal wzbudzają kontrowersje. Sporządzono więc publikację naukową, zorganizowano dalsze dyskusje, ale kontrowersję pozostają nierozwiązane. Aby opisać spór potrzebne jest przedstawienie tła całej historii. Jak zostało wspomniane zestaw testowy, składa się z kuli o pojemności 20 litrów i innego naczynia o objętości 1 m 3 . Sfera o pojemności 20 litrów została specjalnie opracowana jako praktyczny zestaw laboratoryjny, który mógłby dostarczyć wynik wystarczająco zbliżony (tj. +/- 10%) do wyniku, który uzyskano by w kuli o pojemności 1 metra sześciennego. Kula o pojemności 1 metra sześciennego jest kulą badania wzorcowego. Istnieje szereg ustawień i konfiguracji aparatury pomiarowej umożliwiających osiągnięcie akceptowalnego poziomu dokładności i normalną praktyką jest właśnie regulacja tego rodzaju. Została także opracowana wszechstronna metodyka zapewniająca wspomnianą dokładność. W przypadku materiałów, które być może są bardzo trudne do zapalenia, kula o pojemności 20 litrów wykazała pozytywny wynik, ale ponowne przetestowane w kuli o pojemności 1 m 3 nie potwierdziło wyniku. Dlaczego? Co to oznacza? Czy wyniki uzyskane przy użyciu kuli 20 litrowej mogą być uznane za wiarygodne?

Powody takiego stanu rzeczy zdają się wynikać z faktu, że w zależności od sposobu przeprowadzenia testu, 20-litrowa sfera może być nadmiernie pobudzana przez zbyt dużą energię zapłonu. Część klientów płaci więc za kolejne bardzo kosztowne testy w większej sferze o pojemności 1 metra sześciennego i otrzymują wynik negatywny. Co z tego wynika? Wiemy, że w jednym zestawie warunków materiał testowy okazał się pozytywny, a w innym zestawie - negatywny. Organizacje regulacyjne zwykle przyjmują stanowisko, że wynik pozytywny to wynik pozytywny, a fakt uzyskania różnych wyników przy użyciu innego zestawu testowego, jest bez znaczenia. Według OSHA K st = 1 bar*m/s oznacza łatwopalny pył. Ponadto, 20-litrowa sfera jest powszechnie stosowana w Ameryce Północnej od dziesięcioleci. Kwestionowanie danych z 20-litrowej sfery jest trudne. Jednakże, nowsze badania sugerują, że dane z 20-litrowej sfery mogą również nie być dokładne dla pyłów metalowych. Porównawcze testy między 20-litrową sferą, a jednometrową sferą pokazały, że te same pyły metalowe faktycznie zwiększały wartość K st podczas testów w większym aparacie testowym. Wykonywane są dalsze badania, aby wyjaśnić ten fenomen, ponieważ pyły metalowe wykazują inny sposób zachowania się podczas testów w porównaniu z materiałami organicznymi.

Pierwszym krokiem w procesie opracowania solidnej podstawy bezpieczeństwa dla pyłów palnych jest uzyskanie naukowego i kompleksowego zrozumienia materiałów, z którymi się pracuje. Każdy pył jest unikalny, a każda eksplozja z nimi związana jest również wyjątkowa. Im więcej wiemy, tym większe szanse na uniknięcie nieakceptowalnych strat. Dla dobrze znanych towarów, takich jak większość pyłów rolniczych, dane opublikowane przez rzetelne źródła powinny być wystarczająco dokładne. Należy również upewnić się, że wykorzystywane opublikowane dane są reprezentatywne dla materiału podobnego do tego, z którym się pracuje. W przypadku wątpliwości, należy przetestować materiał. Istnieje wiele testów, które pozwalają na określenie cech pyłu. Nie każdy test jest wymagany w każdej sytuacji. Konieczne jest dogłębne zrozumienie procesu, aby określić, które testy są potrzebne. Chociaż niektóre metody testowania były kwestionowane, faktem jest, że ci, którzy wykorzystali dane i postępowali odpowiednio, poprawili swoje bezpieczeństwo i o ile wiadomo, nie ponieśli żadnych strat.