Έκρηξη κονιάματος είναι η ταχεία καύση σωματιδίων χαμηλής κοκκομετρίας, τα οποία αιωρούνται στον αέρα σε περικλειώμενη δεξαμενή ή τοποθεσία.
Ο κίνδυνος έκρηξης τέτοιου τύπου υπάρχει πάντα σε βιομηχανικές διεργασίες που χειρίζονται υλικά σε μορφή εύκολα αναφλέξιμης πούδρας. Αν και δεν δημοσιεύονται όλα τα περιστατικά τέτοιου τύπου, τα περισσότερα από αυτά οδηγούν σε οικονομική ζημιά λόγω α) διακοπής λειτουργίας της μονάδας παραγωγής/επεξεργασίας, β) προσωρινής ή μόνιμης απώλειας δυνατοτήτων παραγωγής, και γ) καταστροφής ή ζημιάς εξειδικευμένου βιομηχανικού εξοπλισμού.
Ορισμένες εκρήξεις κονιαμάτων τραυματίζουν ή προκαλούν τον θάνατο προσωπικού της μονάδας ή ακόμη και άλλων ανθρώπων που απλά παρευρίσκονται στο περιβάλλον του συμβάντος. Οι νομοθετικές απαιτήσεις της NFPA στις Ηνωμένες Πολιτείες και των οδηγιών ATEX στην Ευρωπαϊκή Ένωση επιβάλλουν τη χρήση αντιεκρηκτικής προστασίας. Εάν το εκρηκτικό περιβάλλον δεν μπορεί να αποφευχθεί με την εξάλειψη των εύφλεκτων νεφών σκόνης και άλλων πιθανών πηγών ανάφλεξης, πρέπει να εφαρμόζονται εποικοδομητικές μέθοδοι προστασίας από έκρηξη, για τον μετριασμό των συνεπειών μιας έκρηξης σε μη επικίνδυνο επίπεδο.
Κίνδυνοι
Οι εκρήξεις κονιαμάτων μπορεί να συμβούν όταν μια επαρκής ποσότητα λεπτόκοκκης καύσιμης σκόνης μεταφερθεί στον αέρα και έρθει σε επαφή με ένα θερμό σημείο που αναφλέγει το νέφος σκόνης/αέρα. Τα προϊόντα που συνήθως εμπλέκεται σε εκρήξεις σκόνης είναι ξηρά τρόφιμα, δημητριακά, άνθρακας, ξύλο, φαρμακευτικά προϊόντα και ακόμη και μεταλλικές σκόνες από διεργασίες λείανσης. Τα σωματίδια λεπτόκοκκης σκόνης δρουν ως καύσιμο και όταν συνδυάζονται με τον αέρα μπορούν να διατηρήσουν μια πολύ γρήγορη καύση με ταχύτητες φλόγας έως 5 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, ή και ακόμα υψηλότερες. Όταν αυτό συμβαίνει μέσα σε εξοπλισμό επεξεργασίας κονιαμάτων όπως φίλτρα αποκονίωσης, αναβατόρια, μονάδες ξήρανσης, μύλους άλεσης, κόσκινα, αναμικτήρες ή άλλο εξοπλισμό αποθήκευσης, η καύση θερμαίνει γρήγορα τον αέρα της διαδικασίας και δημιουργεί πιέσεις έως και 10 bar, ή και ακόμα υψηλότερες.
Το περίβλημα του εξοπλισμού επεξεργασίας συνήθως δεν είναι αρκετά ισχυρό ώστε να αντέχει τέτοια επίπεδα πίεσης, και έτσι προκαλείται βίαιη ρήξη του. Η φλόγα, η πίεση και μεταλλικά κομμάτια πετούν αρκετά μέτρα σε όλη την εγκατάσταση προκαλώντας ζημιά και τραυματίζοντας κοντινούς ανθρώπους και εξοπλισμό. Δευτερογενώς, η διατάραξη του περιβάλλοντος από την έκρηξη δημιουργεί νέες εστίες εύφλεκτου καυσίμου: όταν υπάρχουν στρώματα λεπτόκοκκης σκόνης πάνω σε δοκάρια, δομές στήριξης ή δάπεδα, στροβιλίζονται από το εξερχόμενο κύμα πίεσης, γίνονται αερομεταφερόμενα και διατηρούν περαιτέρω την πρωτογενή έκρηξη κονιάματος. Στα πιο δραματικά περιστατικά, ανατινάχθηκαν πλήρεις εγκαταστάσεις επεξεργασίας κονιαμάτων με αποτέλεσμα πολλαπλούς θανάτους και πλήρη καταστροφή της βιομηχανικής μονάδας.
Πρόληψη
Προετοιμασία
Το πρώτο βήμα για την αποτροπή εκρήξεων κονιαμάτων είναι να λύσουμε το πρόβλημα στην πηγή του προσπαθώντας να αποτρέψουμε τη δημιουργία εκρηκτικών σύννεφων αιωρούμενης σκόνης. Η πρόληψη της διαρροής περιττού κονιάματος σε δάπεδα και δομές εγκαταστάσεων που περιβάλλουν τον εξοπλισμό επεξεργασίας είναι πολύ σημαντική, αν και αυτή η πρόληψη συχνά δεν είναι δυνατό στο εσωτερικό του εξοπλισμού διεργασίας, εκτός εάν ο χώρος διεργασίας/αποθήκευσης/μεταγωγής αδρανοποιείται από άζωτο. Τα εξής μέτρα πρόληψης μπορύν να μειώσουν σημαντικά την πιθανότητα να προκληθεί έκρηξη κονιάματος, καθώς και να μειωθεί η επέκταση του συμβάντος σε περίπτωση που προκληθεί έκρηξη παρά ταύτα: α) η επεξεργασία σε αποκλειστικό και περιορισμένο χώρο, β) ο στεγανός σχεδιασμός περιβλήματος και γ) η μέριμνα για τον τακτικό και διεξοδικό καθαρισμό της εγκατάστασης από καύσιμη ύλη σε μορφή πούδρας.
Πηγές ανάφλεξης
Το δεύτερο βήμα είναι η εξάλειψη πιθανών πηγών ανάφλεξης. Οι πιο συχνές πηγές ανάφλεξης που αναφέρονται είναι σημεία σε υψηλή θερμοκρασία και σπινθήρες που προκύπτουν από μηχανική τριβή ή σύγκρουση. Οι πιο εφαρμοσμένες μέθοδοι πρόληψης είναι ο σωστός σχεδιασμός της μηχανικής κίνησης, η αργή κίνηση, ή η χρήση εξοπλισμού εποπτείας θερμοκρασίας σε περιοχές όπου αναμένεται τριβή ανάμεσα σε μεταλλικά εξαρτήματα.
Εκτός από πηγές ανάφλεξης από μηχανική τριβή, υπάρχουν επίσης ηλεκτρικές πηγές ανάφλεξης, όπως σπινθήρες από ηλεκτρικά κυκλώματα και ηλεκτροστατικές εκκενώσεις. Για να αποφευχθεί ανάφλεξη από τέτοια πηγή, ο ηλεκτρικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται σε περιοχές όπου ενδέχεται να προκύψουν εύφλεκτα σύννεφα κονιάματος πρέπει να φέρει τις σωστές εγκρίσεις προστασίας σύμφωνα με τις οδηγίες ATEX. Η ηλεκτροστατική εκφόρτιση μπορεί να αποφευχθεί με σωστή γείωση και συγκόλληση όλων των μεταλλικών τμημάτων του εξοπλισμού επεξεργασίας, καθώς και με την προσεκτική και περιορισμένη χρήση μη αγώγιμων υλικών που έρχονται σε επαφή με καύσιμη και εύφλεκτη σκόνη.
Τέλος, υπήρξαν εκρήξεις που εκκινήθηκαν από αυτοθέρμανση, αυτοανάφλεξη και αυτόματη καύση μεγάλων σωρών αποθηκευμένου προϊόντος, όπως ξύλο ή κόκκοι σιτηρών. Σε αυτές τις περιπτώσεις πρέπει να εφαρμοστεί επίβλεψη της αυτοθέρμανσης με αισθητήρες θερμοκρασίας, υπέρυθρων ή αερίων καύσης.
Μετριασμός
Το τελευταίο βήμα αντιεκρηκτικής προστασίας είναι η εφαρμογή εποικοδομητικών μέτρων μετριασμού της έκρηξης κονιαμάτων, όταν τα μέτρα πρόληψης έχουν ήδη αποτύχει. Τα μέτρα μετριασμού και μείωσης σχεδιάζονται με τον στόχο να περιορίσουν τις συνέπειες εκρήξεων κονιαμάτων σε μη επικίνδυνα επίπεδα, και περιλαμβάνουν α) την εκτόνωση, β) την καταστολή, και γ) την απομόνωση της έκρηξης.
Εκτόνωση και εξαερισμός εκρήξεων κονιάματος
Η παλαιότερη και ευρύτερα χρησιμοποιούμενη μέθοδος προστασίας είναι η εκτόνωση. Η τεχνική είναι απλή: ένα αρκετά μεγάλο άνοιγμα ανακουφίζει τη συσσώρευση καταστροφικής πίεσης που προκαλείται κατά την έκρηξη, επιτρέποντας έτσι στα υποπροϊόντα καύσης να ρέουν προς τα έξω με ρυθμό αρκετά υψηλό ώστε να αποφευχθεί η αύξηση της πίεσης πάνω από την ικανότητα αντοχής του προστατευμένου εξοπλισμού.
Οι συσκευές εκτόνωσης πρέπει να κατασκευάζονται από υλικό ελαφρύ και ταχείας δράσης. Η κατασκευή τους πρέπει επίσης να παρέχει πρόσδεση πάνω στον εξοπλισμό και να μην δημιουργεί κατακερματισμό κατά τη λειτουργία τους, ώστε να αποφεύγεται η επικίνδυνη εκτόξευση τμημάτων τους. Σε ορισμένες εφαρμογές, η ταχύτητα απόκρισης μπορεί να είναι κρίσιμη επειδή η πίεση συνεχίζει να αυξάνεται καθώς ανοίγει ο αεραγωγός εκτόνωσης. Η πίεση μπορεί έτσι να αυξηθεί σημαντικά πάνω από την ονομαστική πίεση ρήξης, ακόμη και αν η πλήρης επιφάνεια εκτόνωσης είναι άμεσα διαθέσιμη κατά την ρήξη της συσκευής από την αυξανόμενη υπερπίεση μέσα στην δεξαμενή της διεργασίας.
Η μέθοδος της εκτόνωσης εκρήξης κονιαμάτων έχει πολλά πλεονεκτήματα: ως παθητική μέθοδος, ο αντίστοιχος εξοπλισμός για την εφαρμογή της είναι σχετικά προσιτός. Ο εξοπλισμός είναι εύκολος στην εγκατάσταση, έχει χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης και μπορεί να αντικατασταθεί γρήγορα.
Ωστόσο, η μέθοδος έχει και κάποια μειονεκτήματα: είναι δύσκολο να προστατευθεί ο εξοπλισμός μέσα σε κτίρια, επειδή τα υποπροϊόντα καύσης πρέπει να απελευθερωθούν ή να εκτονωθούν σε ασφαλή τοποθεσία, δηλαδή κατά προτίμηση προς εξωτερικό χώρο. Επιπροσθέτως, η μέθοδος της εκτόνωσης εκρήξεων απο υλικό σε μορφή πούδρας δεν αποτρέπει ζημιές από πυρκαγιά, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί εάν τοξικά ή περιβαλλοντικά επιβλαβή υλικά θα έπρεπε να εξαεριστούν στην ατμόσφαιρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, για δομές με χαμηλής αντοχή στην πίεσης ενδέχεται να απαιτείται η χρήση εξοπλισμού εκτόνωσης με πολύ μεγάλη επιφάνεια εξαερισμού.
Εκτόνωση και εξαερισμός χωρίς φλόγες
Με εξαερισμό χωρίς φλόγα, ένα κυτίο με υλικό φίλτρου φλόγας είναι τοποθετημένο στο πάνω μέρος του εξοπλισμού εκτόνωσης/εξαερισμού. Το πάνελ εκτόνωσης έτσι μπορεί να ανοίξει μέσα στον κλειστό όγκο του κυτίου, αναγκάζοντας τα υποπροϊόντα καύσης να περάσουν μέσα από το φίλτρο, το οποίο καταθλίβει την φλόγα. Τα φίλτρα φλόγας αποτελούνται συνήθως από πορώδη μεταλλικά "πακέτα" με μέγεθος πόρων αρκετά μικρό και πάχος συσκευασίας αρκετά μεγάλο για να ψύχει τα υποπροϊόντα καύσης σε τέτοιο επίπεδο που να σταματά την περαιτέρω καύση.
Δεδομένου ότι δεν εξαερίζονται φλόγες, η εκτόνωση και εξαερισμός χωρίς φλόγες είναι μια συχνά χρησιμοποιούμενη τεχνική για εσωτερικές εγκαταστάσεις, καθώς δεν υπάρχει κίνδυνος δευτερογενών εκρήξεων. Επίσης, με την μέθοδο αυτή αποτρέπεται ο τραυματισμός ενός κοντινού χειριστή εάν τηρείται μικρή απόσταση ασφαλείας. Όπως και με τον εξοπλισμό εκτόνωσης και εξαερισμού, απαιτούνται πολύ χαμηλή ενασχόληση για την συντήρησή του.
Το αντίθετο αποτέλεσμα ωστόσο είναι ότι η εκροή αερίων καύσης μπορεί να παρεμποδίζεται από το φίλτρο φλόγας, το οποίο δημιουργεί πτώση πίεσης στην διαδρομή των υποπροϊόντων κάυσης λόγω της πορώδους δομής του. Αυτό το φαινόμενο οδηγεί σε υψηλότερες εσωτερικές πιέσεις οι οποίες μπορούν να υπερβούν την ικανότητα του εξοπλισμού που προστατεύεται, μπορεί όμως να αντισταθμιστεί χρησιμοποιώντας εξοπλισμό με πολλαπλές και μεγαλύτερες συνολικά επιφάνειες εκτόνωσης και εξαερισμού.
Καταστολή έκρηξης κονιάματος
Η καταστολή έκρηξης κονιάματος χρησιμοποιεί πυροσβεστικά ή κατασταλτικά μέσα για να σταματήσει η διαδικασία καύσης και να αποφευχθούν καταστροφικές υπερπιέσεις από περαιτέρω αναφλέξεις. Για να επιτύχει η καταστολή, μια μεγάλη ποσότητα κατασταλτικού μείγματος πρέπει να διαχυθεί και να αναμειχθεί πολύ γρήγορα μέσα στον όγκο της διεργασίας που προστατεύεται. Εντός χρονικού διαστήματος χιλιοστών του δευτερολέπτου πρέπει 1) να ανιχνευθεί η ανάφλεξη, 2) να ανοίξει η βαλβίδα καταστολής και 3) το κατασταλτικό να αποφορτιστεί και να αναμιχθεί στον όγκο του δοχείου. Δοχεία με μεγαλύτερο όγκο χρειάζονται αντίσοιχα μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Ένα τυπικό σύστημα καταστολής έκρηξης αποτελείται από έναν ανιχνευτή, ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ελέγχου και ένα δοχείο με μείγμα καταστολής. Η ανίχνευση έκρηξης επιτυγχάνεται με οπτικούς ανιχνευτές ή ανιχνευτές πίεσης. Οι ανιχνευτές πίεσης δεν αποκρίνονται έως ότου η πίεση αυξηθεί σε ανιχνεύσιμο επίπεδο ρύθμισης. Οι οπτικοί ανιχνευτές σηματοδοτούν μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου μόλις η φλόγα είναι ορατή. Το πιο χρονοβόρο βήμα είναι η ροή του μείγματος καταστολής από τον κύλινδρο μέσω της ανοιχτής βαλβίδας, καθώς και η μετέπειτα διασπορά του μέσα στον όγκο υπό προστασία.
Επειδή ο χώρος και ο χρόνος είναι σημαντικοί για την επιτυχία της καταστολής εκρήξεων, ο αριθμός, ο τύπος, τα επίπεδα ενεργοποίησης και η σωστή θέση των ανιχνευτών και των δοχείων με μείγμα καταστολής είναι καθοριστικά στοιχεία σχεδιασμού.
Η καταστολή έκρηξης κονιαμάτων έχει πολλά πλεονεκτήματα: επιτρέπει την πλήρη συγκράτηση των υλικών της διεργασίας μέσα στον χώρο / στην δεξαμενή επεξεργασίας, και βοηθά στον έλεγχο οποιασδήποτε επακόλουθης πυρκαγιάς. Επίσης, μειώνει τη διάδοση της φλόγας σε περαιτέρω εξοπλισμό επεξεργασίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εσωτερικούς χώρους κοντά στο προσωπικό και μπορεί να ενσωματωθεί με άλλες μεθόδους προστασίας και διαδικασίες τερματισμού της βιομηχανικής διεργασίας.
Απομόνωση έκρηξης κονιαμάτων
Όταν εμφανίζονται αναφλέξεις, τα αποτελέσματά τους μεταδίδονται συχνά σε άλλα δοχεία ή τοποθεσίες που συνδέονται με συστήματα σωληνώσεων, αγωγών ή μεταφοράς. Αυτές οι συνδέσεις γίνονται οδοί μετάδοσης της ανάφλεξης.
Η ικανότητα της φλόγας να διαδίδεται μακριά από το σημείο ανάφλεξης μπορεί να την αναγκάσει να ταξιδέψει στην αντίθετη κατεύθυνση της ροής σε συστήματα με ροές. Η διάδοση της φλόγας μπορεί επίσης να οδηγήσει σε διαδοχική συσσώρευση πίεσης, όπου η πίεση συσσωρεύεται σε παρακείμενα δοχεία πριν από την άφιξη της φλόγας. Ως αποτέλεσμα, η επακόλουθη ανάφλεξη σε συνδεδεμένα δοχεία ξεκινά με αυξημένη πίεση και στροβιλισμό ροής με πιο σοβαρές συνέπειες - τόσο όσον αφορά τον ρυθμό καύσης όσο και την τελική πίεση. Ακόμα και αν το συνδεδεμένο δοχείο είναι προστατευμένο, η μέθοδος προστασίας μπορεί να είναι αναποτελεσματική επειδή σχεδιάστηκε για λιγότερο σοβαρές αρχικές συνθήκες.
Αυτή είναι η περίπτωση στην οποία χρησιμοποιείται η μέθοδος απομόνωση της έκρηξης. Τα συστήματα απομόνωσης έκρηξης χρησιμοποιούν χημικά εμπόδια και φραγμούς με σκόνη πυρόσβεσης ή άλλα φυσικά εμπόδια, όπως ενεργές και παθητικές βαλβίδες ταχείας δράσης. Αυτά παρεμβάλλονται σε γραμμές που οδηγούν προς και από τις δεξαμενές της διεργασίας. Ο στόχος αυτών των φραγμών είναι να αποτραπεί η διάδοση της πίεσης και της φλόγας σε πρόσθετο εξοπλισμό ή θέσεις λειτουργίας μέσα στην μονάδα. Το ζήτημα του επιτυχημένου μηχανολογικού σχεδιασμού του συστήματος προστασίας είναι να προσδιοριστεί η σωστή θέση του φράγματος, όχι πολύ κοντά στη δεξαμενή, οπότε το φράγμα είναι σε θέση πριν η έκρηξη φτάσει στη θέση του, αλλά και όχι πολύ μακριά από τη δεξαμενή, έτσι ώστε η βία της έκρηξης και η σχετική συσσώρευση πίεσης να μην φτάσει σε σημείο όπου θα μπορούσε να καταστρέψει τις λειτουργία αγωγών μεταφοράς ή φραγμών προστασίας.
Εφαρμογή αποτελεσματικών συστημάτων προστασίας από εκρήξεις κονιαμάτων
Η εφαρμογή αποτελεσματικών συστημάτων προστασίας από εκρήξεις για διαδικασίες χειρισμού κονιαμάτων και γενικά υλικών σε μορφή πούδρας απαιτεί μια ολιστική προσέγγιση. Κάθε εξοπλισμός ή μέρος της διεργασίας που υπόκειται σε κίνδυνο ανάφλεξης απαιτεί βασική προστασία, που αποτελείται από α) εκτόνωση/εξαερισμό, β) εκτόνωση/εξαερισμό χωρίς φλόγες, γ) καταστολή, ή (σπανιότερα) συνδυασμό αυτών. Από την άλλη, οι διασυνδέσεις ανάμεσα σε δοχεία και στάδια της βιομηχανικής διεργασίας απαιτούν την εφαρμογή της μεθόδου της απομόνωσης της έκρηξης.
Ωστόσο, η βασική προστασία απο έκρηξη και η απομόνωση της έκρηξης είναι δύο μέθοδοι που αλληλεξαρτώνται. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η πρωταρχική προστασία μπορεί να εφαρμοστεί έτσι ώστε η διάδοση της έκρηξης να καταστεί αδύνατη και να μην απαιτείται απομόνωση. Σε άλλες περιπτώσεις, μια συσκευή επεξεργασίας αποτελεί αναπόσπαστο μέρος μιας διασύνδεσης μεταξύ δοχείων/χώρων της διεργασίας. Επίσης, ορισμένες επιλογές βασικής προστασίας από έκρηξη μπορούν να κάνουν την απομόνωση έκρηξης ανέφικτη ή αδύνατη. Η πρόκληση για τον ορθό και επιτυχεί σχεδιασμό της εγκατάστασης έγκειται έτσι στην σωστή κατανόηση 1) του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί η διεργασία, 2) στο να προβλεφθεί πού θα υπάρχει το νέφος σκόνης και η πιθανή πηγή (οι πηγές) πιθανής ανάφλεξής του, και 3) στο πώς θα εξελιχθεί μια ενδεχόμενη έκρηξη. Ως αποτέλεσμα, οι μέθοδοι προστασίας από εκρήξεις θα πρέπει να επιλέγονται με προσοχή και να συνδυάζονται με τις πιο κατάλληλες τεχνικές για την εκάστοτε εφαρμογή και διεργασία. Έτσι, για τον στον σχεδιασμό αντιεκρηκτικών εγκαταστάσεων για προστασία από εκρήξεις κονιαμάτων, θα πρέπει να υιοθετούμε μια ολιστική, συστηματική προσέγγιση με σωστή επιλογή του ταιριαστού εξοπλισμού προστασίας και των συνδυασμό αυτών, αντί να εξετάζουμε κάθε μέθοδο ξεχωριστά.
Το παρόν αποτελεί μετάφραση και επέκταση με διευκρινήσεις του άρθρου του Jim Vingerhoets, Global Product Manager Explosion Protection της Fike Europe.
