Rozpatrywanie problematyki wybuchów pyłowych, mechanizmów ich powstawania i skutków oraz prób przeciwdziałania lub choćby niwelowania tychże skutków przysparza wielu trudności. Wiedza w tej dziedzinie często jest domeną wybitnie ekspercką. Na ten temat powstało wiele opracowań i artykułów szczegółowych, m.in. „Magazyn Ex” podejmował te zagadnienia. Fundamentalnym opracowaniem jest angielskojęzyczne Dust Explosions in the Process Industries [1] Rolfa Eckhoffa.

   W Polsce źródłem wiedzy w zakresie ochrony przed zagrożeniem wybuchowym ze strony pyłów są rzecz jasna właściwe normy branżowe – sukcesywnie wraz ze zmianami światowymi aktualizowane. Z punktu widzenia prawa podlegamy dyrektywom ATEXn (dawniej ATEX) i ATEX USERS [12, 2, 3], wprowadzonych odpowiednimi rozporządzeniami [4, 5], a także niektórym regulacjom specjalistycznym, takim jak rozporządzenie ministra rolnictwa [6]. Prawo i normy tworzą spójny system wskazań i wymagań, jaki powinien doświadczonemu inżynierowi i projektantowi wystarczyć dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwwybuchowego. Specyfika wybuchów pyłowych powoduje jednak, iż często pojawiają się na tym polu błędy i niedopowiedzenia lub braki. Ważne jest to, że wiedza w tym zakresie jest dość dobrze opracowana i mamy do dyspozycji szereg norm – np. [7, 8, 9, 10, 11] – z których możemy czerpać dla naszych potrzeb

Lekcje z historii – zawsze aktualne przykłady do nauki

Bardzo znanym i wnoszącym wiele do badań nad zjawiskiem wybuchu pyłów był wybuch pyłu węglowego w kopalni w Irlandii, gdzie zginęło ponad 400 osób. Zagadnienie zapewnienia bezpieczeństwa zostało wyraźnie dostrzeżone z uwagi na wielkie nagłośnienie wypadku w mediach angielskich. Przemysł światowy zaczął rozpoznawać możliwość wybuchu pyłu i proponować rozwiązania zabezpieczające przed nim.
Specyfika wybuchów pyłowych wynika z wielkiego rozpowszechnienia zagrożeń, znacznej możliwości koncentracji ich potencjału i stosunkowo niskiego zainteresowania zabezpieczeniem przed wybuchami pyłowymi. Branże, w których te zagrożenia występują, skupiają się bowiem przed wszystkim na wydajności i efektywności procesów technologicznych. Zagadnienia występujących tylko czasami zdarzeń katastroficznych schodzą, niestety, na plan dalszy. Tymczasem ich skutki są naprawdę destrukcyjne zarówno dla samych obiektów, jak i dla całych biznesów. Ta prawidłowość daje się zauważyć w branży również w obecnych czasach.  

 Wspomniany Eckhoff [1] przytacza liczne przykłady katastrof i omawia ich skutki. Są wśród nich wybuchy pyłów zbożowych w Norwegii (kilka zdarzeń), wybuchy pyłów zbożowych w USA w latach 1980–81, pyłu w fabryce karmy dla ryb w Norwegii (1975), wybuchy od gazów tlewnych w wielkich zbiornikach i silosach: w Norwegii, Związku Sowieckim i Szwecji, wybuchy pyłów węglowych, sylikonowych i aluminiowych.
Oczywiście to zestawienie jest niewielkim wycinkiem ogromnej ilości zdarzeń wybuchowych z udziałem pyłów, mających miejsce w historii światowego przemysłu. Obrazuje to nieuchronność zagrożeń, jakie niosą za sobą substancje palne zdolne do pylenia lub tworzenia pyłów palnych i wybuchowych.

FOT. 1. Zniszczenia spowodowane wybuchem pyłu w cukrowni w Port Wentworth w Stanach Zjednoczonych  [ŹRÓDŁO: WIKIPEDIA]
 

Prosta definicja wybuchowej atmosfery pyłowej mówi, iż jest to mieszanina substancji palnej w formie pyłu lub włókien z powietrzem w warunkach atmosferycznych, w której po zapłonie spalanie rozprzestrzenia się na całą niespaloną mieszaninę. Przyjmuje się, że mieszaniny pyłowo-powietrzne tworzone są przez pyły o rozmiarze ziarna poniżej 500 µm i o odpowiedniej koncentracji.
Ważne jest rozróżnienie ze względu na mechanizmy wybuchu pyłów – które dzielimy na dwa typy. Po pierwsze są to wybuchy spowodowane zapłonem pyłów uniesionych i tworzących atmosferę wybuchową. Zdarzają się one rzadziej i są dość łatwe do zdefiniowania. Miejscami, gdzie występują takie atmosfery, są wszelkie przesypy, miejsca załadunku i rozładunku masowego substancji transportowanych luzem itp.

    Drugi mechanizm, wymagający większej uwagi i doświadczenia w jego przewidywaniu oraz klasyfikacji stref zagrożenia wybuchem, to wybuchy pyłów zalegających. Bardzo często spotykamy sytuację, w której zagrożenie wybuchem pyłów zalegających jest lekceważone lub nawet zupełnie pomijane. Tymczasem z uwagi na znaczną energię chemiczną magazynowaną w pyłach już niewielkie ilości substancji palnych w postaci pyłu potrafią stworzyć znaczne zagrożenie wybuchem. Ponadto trudno dokonać detekcji on-line takiego zagrożenia, dlatego należy podejmować działania uprzedzające. W takim wypadku występuje sekwencja zdarzeń: wzbudzenie, wybuch pierwotny (stosunkowo niewielki) i wybuch wtórny o potencjale katastroficznym.

   Rozpatrując z kolei kwestię, jakie substancje mogą generować zagrożenie pyłem, można wyróżnić niejako cztery kategorie substancji mogących generować pyły wybuchowe:

• naturalne substancje organiczne (zboża, włókna, cukier, mleko w proszku itp.);
• materiały syntetyczne (plastiki, organiczne pigmenty, pestycydy itp.);
• węgiel i torf;
• metale (aluminium, magnez, cynk, żelazo itp.).

   W każdej z tych grup substancje będą zachowywać się w różny sposób – mają zróżnicowane charakterystyki spalania i mechanizmy zapłonu. Dlatego uważny ekspert, analityk w procesach analizy ryzyka, powinien szczegółowo poznać charakterystyki palności i wybuchowości pyłów, jakie są w rozpatrywanej lokalizacji. To wpływa niesłychanie silnie na zaproponowane środki redukcji ryzyka i całość podejścia analitycznego, mającego na celu zapewnienie bezpieczeństwa.
[FOT. 2 Zniszczone wybuchem pyłu silosy cukrowni w Port Wentworth [ŹRÓDŁO: WIKIPEDIA]
 

Właściwości

Pyłowe atmosfery wybuchowe mają charakterystyczne właściwości, opisywane przez parametry wynikające z ilości i własności fizykochemicznych pyłów je tworzących. Parametry te grupujemy według zagadnień, do których się odnoszą.Pierwsza grupa odnosi się do możliwości utworzenia i propagacji atmosfery wybuchowej tworzonej przez pyły. Mamy tu takie parametry, jak uziarnienie, zdolność pylenia, koncentracja i inne.Kolejna grupa parametrów dotyczy zdolności zapłonu i mechanizmów zapłonu atmosfer pyłowych. Mamy tu temperaturę zapłonu warstwy pyłu – T5mm, temperaturę zapłonu atmosfery pyłowej uniesionej – TCL, skłonność do samozapłonu, obrazowaną temperaturą samozapłonu warstwy pyłu – TSI oraz minimalną energię zapłonu – MIE. W praktyce analitycznej można spotkać szereg błędnych danych i podejść prowadzących do błędów w oznaczeniu ryzyka i wskazaniu środków jego redukcji. Przykładowo jeden z instytutów badawczych niewłaściwie wyznaczył temperatury zapłonu pyłu węglowego i minimalną energię zapłonu, dochodząc do wniosku, że jest on niepalny! Inne spotykane błędy to przyjmowanie 5 mm warstwy pyłu jako ilości granicznej pyłu stwarzającego zagrożenie wybuchem, podczas gdy jest to parametr normatywny do badań temperatury zapłonu warstwy o grubości odniesienia właśnie 5 mm.
Następna grupa własności odnosi się do skutków potencjalnego wybuchu pyłu. Mamy tu takie własności, jak maksymalny przyrost ciśnienia wybuchu ∆pmax i wskaźnik Kst, które charakteryzują zjawisko z uwagi na szybkość narastania ciśnienia wybuchu.

Właściwe określenie tych parametrów jest kluczowe przy doborze systemów ograniczających skutki wybuchu, takich jak np. systemy odciążające czy też tłumiące wybuch.W przypadku kiedy spodziewamy się, iż pył uwalniany może stanowić mieszaninę uwalnianych pyłów, warto pokusić się o zebranie reprezentatywnych próbek pyłu dla danej lokalizacji i właśnie te próbki poddawać badaniom charakterystyki pożarowo-wybuchowych własności pyłów.