Wybuchowość pyłów metali, Analiza i ocena zagrożeń(1)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
BEZPIECZEŃSTWO PRACY 10/2006
WybuchowoϾ
py³ów metali
na przyk³adzie
mgr in¿. DOROTA KONDEJ
dr EWA GAWÊDA
Centralny Instytut Ochrony Pracy
– Pañstwowy Instytut Badawczy
py³ów
Wprowadzenie
Wybuchy py³ów stanowi¹ powa¿ny pro-
blem w ró¿nych ga³êziach przemys³u. Problem
ten dotyczy praktycznie wszystkich zak³a-
dów pracy, w których wystêpuj¹ py³y palne.
Do py³ów palnych zalicza siê zarówno py³y
pochodzenia organicznego, np. py³y drewna,
wêgla, produktów ¿ywnościowych (m¹ki,
W artykule przedstawiono zagadnienia zwi¹zane
z niebezpieczeñstwem wybuchu py³ów palnych,
w szczególności py³ów metali w zak³adach,
w których py³y takie s¹ emitowane podczas
procesów produkcyjnych. Scharakteryzowano
py³ aluminium, który nale¿y do py³ów bardzo
silnie wybuchowych i wystêpuje powszechnie
w procesach produkcji okuæ budowlanych i drob-
nych detali metalowych. Opisano tak¿e czynniki
wp³ywaj¹ce na wybuchowośæ py³ów oraz podano
sposoby zapobiegania wybuchom w zak³adach
przemys³owych.
cukru) czy py³y środków chemicznych (np. pig-
mentów organicznych), jak i py³y metali, które
w powszechnej opinii uwa¿ane s¹ za niepalne.
Do palnych py³ów metali nale¿¹ m.in.
py³y
aluminium i py³y magnezu
[1].
Najwiêcej wybuchów, dotyczy py³ów drew-
na i py³ów zbo¿owych – odpowiednio 34%
i 24% wszystkich wybuchów (rys. 1.). Z udzia-
³em py³ów wêgla ma miejsce 10% wybuchów.
Explosion of metal dusts exemplified with
aluminium dusts
This paper presents issues associated with the
explosion hazard of combustible dusts, especially
metal ones, in plants in which they are emitted
during manufacturing processes. Aluminium
dust, which is highly explosive and common in
the production of building fittings and metal
accessories, is characterized. Factors influencing
dust explosion and means for preventing dust
explosions in plants are discussed.
Rys. 1. Rodzaje py³ów bior¹cych udzia³ w wybuchach [1]
Fig. 1. Types of dusts involved in dust explosions [1]
12
BEZPIECZEŃSTWO PRACY 10/2006
Podobnie jest z py³ami metali, uczestnicz¹ one
w co dziesi¹tym wybuchu py³ów palnych.
Py³y metali, w tym palne py³y metali,
s¹ emitowane w procesach technologicznych,
przede wszystkim w zak³adach przemys³u
metalurgicznego, zak³adach obróbki metali
oraz we wszystkich tych zak³adach, w których
do produkcji określonych wyrobów stosowane
s¹ metale, zwi¹zki metali oraz stopy metali.
Jednym z najwa¿niejszych py³ów, które w okre-
ślonych warunkach mog¹ wybuchaæ, jest py³
aluminium. Py³ ten wystêpuje w wielu zak³adach,
a w szczególności w zak³adach produkuj¹cych
okucia budowlane i meblowe oraz ró¿nego
rodzaju metalowe detale. W produkcji okuæ
budowlanych i galanterii metalowej g³ównymi
surowcami jest bowiem aluminium i jego stopy
(zawartośæ aluminium w stopach przekracza
z regu³y 85%, np. popularny stop AK11 zawiera
oko³o 87% aluminium, oko³o 11% krzemu i nie-
wielkie ilości innych metali) oraz w mniejszym
zakresie stale (obok ¿elaza zawieraj¹ one miedź,
cynk, nikiel, mangan, magnez i in. pierwiastki),
znale (stopy cynku z aluminium), mosi¹dze
(stopy miedzi i cynku z dodatkiem cyny, o³o-
wiu, ¿elaza, manganu itd.), mosi¹dze niklowe,
br¹zy itp. [2, 3]. W procesie wytwarzania okuæ
budowlanych i drobnych detali metalowych
mo¿na wyró¿niæ etapy: odlewania pó³fabry-
katu, obróbki mechanicznej obejmuj¹cej m.in.
toczenie, szlifowanie i polerowanie, nak³adanie
pow³ok malarskich lub galwanicznych oraz
monta¿ gotowych wyrobów z wchodz¹cych
w ich sk³ad elementów. Ze wzglêdu na specyfikê
procesów technologicznych i rodzaje materia-
³ów stosowanych w produkcji ró¿nego rodzaju
wyrobów metalowych, na stanowiskach pracy
w zak³adach je wytwarzaj¹cych wystêpuje m.in.
ryzyko zwi¹zane z nara¿eniem na py³y szko-
dliwych czynników chemicznych (np. metali,
ich zwi¹zków i stopów), py³y zawieraj¹ce woln¹
krystaliczn¹ krzemionkê oraz czynniki fizyczne
(w szczególności ha³as), a tak¿e ryzyko wyst¹-
pienia wybuchu py³ów metali, przede wszystkim
py³u aluminium.
aluminium
Zagro¿enie wybuchem
Zagro¿enie wybuchem definiuje siê jako
mo¿liwośæ tworzenia przez palne gazy, pary pal-
nych cieczy, py³y lub w³ókna palnych cia³ sta³ych,
w ró¿nych warunkach, mieszanin z powietrzem,
które pod wp³ywem czynnika inicjuj¹cego
zap³on (iskra, ³uk elektryczny lub przekroczenie
temperatury samozap³onu) wybuchaj¹, czyli
ulegaj¹ gwa³townemu spalaniu po³¹czonemu
ze wzrostem ciśnienia [4].
13
BEZPIECZEŃSTWO PRACY 10/2006
tworzenie siê mieszanin py³owo-po-
wietrznych (ob³oku) w wyniku uwolnienia
py³ów palnych do powietrza z jakiegokolwiek
źród³a emisji
•
powstanie warstwy py³u (py³ osiad³y),
która mo¿e ulec zap³onowi w wyniku samona-
grzewania lub od gor¹cej powierzchni, powo-
duj¹c zagro¿enie po¿arowe lub przegrzewanie
urz¹dzeñ; zapalony py³ osiad³y mo¿e odgrywaæ
rolê źród³a zap³onu do kolejnych wybuchów.
Wybuchy py³ów palnych mog¹ przebiegaæ
w kilku etapach ze wzglêdu na podnoszenie
siê zalegaj¹cego py³u i tworzenie siê kolejnego
uk³adu wybuchowego.
W³aściwości py³ów palnych
Podstawowymi czynnikami wp³ywaj¹cymi
na wybuchowośæ py³ów palnych s¹: sk³ad
chemiczny cz¹stek py³u, wymiar cz¹stek,
zawartośæ wilgoci, stê¿enie py³u i klasa wybu-
chowości py³ów [1, 5].
Sk³ad chemiczny cz¹stek py³u wp³ywa
na jego zdolności wybuchowe. Obecnośæ
w budowie chemicznej pewnych grup chemicz-
nych, takich jak COOH, OH, NH
2
, NO
2
, C
Rys. 2. Źród³a zap³onu przy wybuchach py³ów [1]
Fig. 2. Ignition sources of dust explosions [1]
N,
C=N, N=N decyduje o wy¿szych parametrach
wybuchowych (wiêksze ryzyko wybuchu). Py³y
czystych metali reaguj¹ z powietrzem tworz¹c
tlenki metali. W tym przypadku przyrost ciśnie-
nia wybuchu zwi¹zany jest z wydzielaniem siê
ciep³a. Aluminium jest jednym z tych metali,
które wchodz¹ z tlenem w siln¹ reakcjê egzo-
termiczn¹. Wytworzona podczas tej reakcji
ilośæ ciep³a wynosi 200100 kcal/kmol i jest dwa
razy wiêksza ni¿ np. przy spalaniu wêgla.
Wybuchowośæ py³ów zale¿y równie¿
od rozk³adu wymiarowego cz¹stek. W przy-
padku py³ów metali (równie¿ py³u alumi-
nium) niebezpieczeñstwo wybuchu wzrasta
wraz ze zmniejszaniem wymiarów cz¹stek,
co jest zwi¹zane ze zwiêkszeniem siê po-
wierzchni w³aściwej. Nawet kilkuprocentowy
udzia³ masowy drobnych cz¹stek w miesza-
ninie powietrzno-py³owej znacz¹co wp³ywa
na wzrost ryzyka wyst¹pienia wybuchu.
Na wybuchowośæ py³ów ma równie¿ wp³yw
zawartośæ wilgoci, chocia¿ prawdopodobieñ-
stwo wyst¹pienia wybuchu przy zawartości
wilgoci powy¿ej 30% jest znikome. Zawartośæ
wilgoci w pyle poni¿ej 10% te¿ nie odgrywa
znacz¹cej roli.
Wybuch py³ów palnych mo¿e wyst¹piæ tylko
przy określonym stê¿eniu, tzn. kiedy zawartośæ
sk³adnika palnego w mieszaninie z powietrzem
mieści siê w zakresie wybuchowości. Minimalne
i maksymalne stê¿enia wybuchowe, przy któ-
rych zap³on ju¿ jest lub jeszcze jest mo¿liwy,
s¹ ró¿ne dla poszczególnych py³ów palnych.
Trzeba jednak pamiêtaæ, ¿e przekroczenie
tych granic nie powoduje znikniêcia zagro¿e-
nia wybuchem. Stê¿enie py³u mo¿e w ka¿dej
chwili ulec zmianie ze wzglêdu na zmianê
warunków lokalnych i znaleźæ siê w zakresie
wybuchowości.
Py³y palne s¹ klasyfikowane pod wzglêdem
ich wybuchowości. Py³y klasyfikuje siê jako
niewybuchowe (
klasa 0),
s³abo wybuchowe,
np. py³y wêgla kamiennego, poliuretanu, m¹ki
(klasa 1.),
silnie wybuchowe
, np. py³y pigmentów
organicznych (klasa 2.) i
bardzo silnie wybucho-
we
, np. py³y aluminium, polietylen (klasa 3.).
W tabeli podano podstawowe w³aściwości
wybuchowe wybranych py³ów palnych.
szkodliwych dla zdrowia na przemys³owych
stanowiskach pracy. Miêdzy innymi prowadzone
s¹ pomiary stê¿eñ py³ów aluminium (obok py³ów
innych metali) w powietrzu środowiska pracy,
w aspekcie wielkości nara¿enia zawodowego
(do porównania z wartościami NDS).
W wyniku pomiarów przeprowadzonych
dotychczas na dwóch „rodzajach” stanowisk:
stanowiska odlewania detali i stanowiska obrób-
ki mechanicznej powierzchni detali (odcinanie
zbêdnych pozosta³ości, szlifowanie, polero-
wanie, frezowanie itp.) stwierdzono niewielkie
ilości aluminium (i innych metali) w badanym
powietrzu. Nie znaczy to jednak, ¿e nie ma
niebezpieczeñstwa wybuchu na stanowiskach
pracy, gdzie stwierdza siê znikome ilości py³u
w strefie oddychania pracownika. Bior¹c pod
uwagê silne w³aściwości wybuchowe py³ów
aluminium, nale¿y zachowaæ daleko id¹c¹
ostro¿nośæ. Znajduj¹ce siê na stanowisku pracy
py³y aluminium (py³ osiad³y), a tak¿e wióry,
okrawki i opi³ki powstaj¹ce np. podczas obróbki
mechanicznej elementów, mog¹ ³atwo ulec
zapaleniu nawet w kontakcie ze stosunkowo
s³abym środkiem zapalaj¹cym, np. iskr¹ czy p³o-
mieniem zapa³ki, przy czym niebezpieczeñstwo
zapalenia wzrasta w obecności smarów (te
znajduj¹ siê w maszynach do obróbki detali).
Ponadto, py³y te s¹ zaliczane do py³ów prze-
wodz¹cych, mog¹ wiêc spowodowaæ zwarcia
w urz¹dzeniach elektrycznych w sytuacji, jeśli
poddane s¹ dzia³aniu odpowiednio wysokiego
napiêcia. £uk elektryczny mo¿e stanowiæ źród³o
zap³onu dla ob³oku py³u lub zapaliæ zalegaj¹ce
warstwy py³u, a w konsekwencji spowodowaæ
wybuch.
Wa¿nym problemem jest gromadzenie
siê warstw py³u osiad³ego. Podobnie jak
w przypadku wszystkich py³ów palnych, poza
mo¿liwości¹ wytworzenia siê z takiej warstwy
ob³oku py³u, np. w wyniku ruchów powietrza,
istnieje zagro¿enie zapalenia siê py³u osia-
d³ego [9]. Taka sytuacja stwarza zagro¿enie
ze wzglêdu na spalanie siê py³u i jednocześnie
Źród³a zap³onu
Do wyst¹pienia wybuchu potrzebne
s¹ zatem nastêpuj¹ce elementy: materia³ palny
wymieszany z powietrzem, stê¿enie materia³u
palnego, które musi mieściæ siê w określonych
granicach oraz źród³o zap³onu. W warunkach
przemys³owych istnieje wiele źróde³, które
mog¹ zapocz¹tkowaæ spalanie i wybuch mie-
szanin py³owo-powietrznych. Najczêstszymi
źród³ami zap³onu w przypadku wybuchów
py³ów wystêpuj¹cych na stanowiskach pracy
s¹ iskry mechaniczne, które maj¹ swój udzia³ a¿
w 30% zdarzeñ (rys. 2.). Do innych znacz¹cych
źróde³ zap³onu nale¿¹ równie¿: elektrycznośæ
statyczna, tarcie oraz tl¹ce siê miejsca.
Czynniki sprzyjaj¹ce
wybuchom py³ów aluminium
Niebezpieczeñstwo wyst¹pienia po¿aru
i wybuchu py³ów aluminium w zak³adach
pracy jest obiektem wielu badañ w ró¿nych
ośrodkach naukowych [6, 7, 8].
W Centralnym Instytucie Ochrony Pracy
– Pañstwowym Instytucie Badawczym reali-
zowany jest projekt, którego celem jest ocena
ryzyka zawodowego zwi¹zanego z nara¿eniem
na szkodliwe czynniki chemiczne i fizyczne wystê-
puj¹ce w procesach produkcji okuæ budowlanych
i galanterii oraz innych akcesoriów metalowych.
W ramach tego projektu prowadzone s¹ po-
miary stê¿eñ i natê¿eñ wybranych czynników
14
Py³y palne stwarzaj¹ zagro¿enie wybuchem
przez:
•
≡
BEZPIECZEŃSTWO PRACY 10/2006
mo¿e byæ źród³em zap³onu dla mieszaniny
py³owo-powietrznej. Poza tym ruchy powie-
trza spowodowane spalaniem siê py³u mog¹
równie¿ wytworzyæ ob³ok py³u w powietrzu,
a nastêpnie zainicjowaæ jego zap³on. Czêsto
pierwotny wybuch ob³oku py³u w powietrzu
powoduje podniesienie siê py³u osiad³ego
i wyst¹pienie wybuchu wtórnego, którego
skutki mog¹ byæ znacznie powa¿niejsze ni¿
skutki wybuchu pierwotnego.
Do wybuchu mo¿e przyczyniæ siê równie¿
źle zaprojektowana instalacja wentylacyjna
lub jej awaria. W literaturze dotycz¹cej tego
zagadnienia [10] opisano wybuch mieszaniny
py³u aluminium z powietrzem w hali zak³adu
przemys³owego, w której dokonywano szlifo-
wania i polerowania, m.in. okuæ budowlanych
odlanych ze stopu aluminium. W hali tej by³o
zainstalowanych ponad 20 polerek i szlifierek
„przy³¹czonych” do dwóch tuneli wyci¹gowych.
Wentylator pierwszego tunelu, zainstalowany
na zewn¹trz budynku, ³¹czy³ siê z tunelem
wyci¹gowym drugiego zespo³u polerek. Drugi
tunel wyci¹gowy z du¿ym wentylatorem, cy-
klonem i zbiornikiem na py³y zainstalowany by³
poza budynkiem. Przed wybuchem wentylator
pierwszego tunelu nie pracowa³. Wybuch by³
prawdopodobnie zainicjowany iskrzeniem
w czasie polerowania b¹dź szlifowania przed-
miotu stalowego. Pracuj¹cy w hali szlifowali
i polerowali ró¿ne przedmioty. Źród³em zap³onu
mog³y byæ tak¿e pal¹ce siê podczas polerowania
cz¹stki filcu ściernego. Czynnikiem, który sprzyja³
wyst¹pieniu wybuchu, by³o nagromadzenie
w pierwszym tunelu wyci¹gowym – z powodu
awarii wentylatora – du¿ych ilości py³u alumi-
nium. Wskutek wybuchu w hali wzniós³ siê py³
osiad³y zalegaj¹cy na urz¹dzeniach. Powsta³a
w ten sposób mieszanina py³owo-powietrzna
uleg³a wtórnemu wybuchowi.
szlifowania na mokro, gdzie cz¹stki py³u alu-
minium mog¹ byæ zbierane w postaci zawiesiny
w wodzie i wówczas problem wybuchu mo¿e
zostaæ ca³kowicie wyeliminowany.
W innych sytuacjach konieczne jest ogra-
niczenie prawdopodobieñstwa wyst¹pienia
czynnika inicjuj¹cego wybuch, np. przez
stosowanie urz¹dzeñ w wykonaniu przeciwwy-
buchowym, zapobieganie powstawaniu iskier
mechanicznych i elektrycznych oraz ³adunków
elektryczności statycznej, rozgrzewania siê
powierzchni i oczywiście unikanie palenia
na stanowiskach pracy.
Jednym ze sposobów unikniêcia zagro¿eñ
zwi¹zanych z wybuchem py³ów palnych, do-
tycz¹cych g³ównie py³ów osiad³ych, jest stoso-
wanie odpowiednich procedur porz¹dkowych.
W przypadku przeprowadzania prac porz¹dko-
wych na dobrym poziomie efektywności, kiedy
utrzymywana jest znikoma grubośæ warstwy
py³u lub py³ jest sukcesywnie ca³kowicie usu-
wany, zagro¿enie powstania mieszaniny wybu-
chowej lub po¿aru py³u zostaje zlikwidowane
u źród³a. Z kolei, gdy poziom efektywności prac
porz¹dkowych jest s³aby i warstwa py³u oraz
grubszych frakcji (opi³ki, wiórki) wystêpuje
d³u¿ej ni¿ jedn¹ zmianê, zagro¿enie wybuchem
mo¿e byæ znacz¹ce, nawet na stanowiskach,
gdzie stê¿enie py³u w powietrzu (w aspekcie
nara¿enia zawodowego) jest ma³e.
Tabela
CHARAKTERYSTYKI ZAPALNOŚCI WYBRANYCH PY£ÓW POCHODZENIA ORGANICZNEGO I PY£ÓW METALI
Flammability characteristics of selected organic and metal dusts
Temperatura zap³onu
Minimalna energia
zap³onu, mJ
Minimalne stê¿enie
wybuchowe
w ob³oku, g/m
3
ob³oku
o
C
Drewno/sosna (trociny) 260 470 40 35
M¹ka /pszenica 440 440 60 50
Cukier 400 370 30 45
Mleko w proszku 200 490 50 50
Aluminium do gruntowania 460÷900 550÷700 50÷120 45÷120
Opi³ki aluminiowe 400÷900 600÷700 10÷100 40÷60
Proszek aluminiowy 490÷700 550÷800 15÷160 40÷140
Aluminium magnezowe (stop) 480 430 80 20
Cyna 430 630 80 190
Cynk 540 690 960 460
Krzem 950 780 96 160
Magnez do gruntowania 430 560 40 30
Mangan 240 460 305 125
Minimalna temperatura samozap³onu ob³oku py³u
– najni¿sza temperatura gor¹cej powierzchni
,
w
której
najbardziej zapalna mieszanina py³u z powietrzem ulega zap³onowi w określonych warunkach badania.
Minimalna temperatura samozap³onu warstwy py³u
– najni¿sza temperatura gor¹cej powierzchni, przy której
warstwa py³u ulega zap³onowi w określonych warunkach badania.
warstwy
o
C
Zapobieganie wybuchom
py³ów palnych
Zapobieganie wybuchom py³ów palnych,
w tym py³ów aluminium, ma na celu, przede
wszystkim, zapobieganie tworzeniu siê mie-
szanin py³owo-powietrznych o stê¿eniach
mieszcz¹cych siê w zakresie wybuchowości
oraz wyeliminowanie źróde³ zap³onu. St¹d
niezmiernie wa¿ne jest zmniejszenie stê¿enia
py³u w miejscach zagro¿onych przez dobrze
zaprojektowan¹, wykonan¹ i eksploatowan¹
instalacjê wentylacyjn¹, zarówno miejscow¹
wywiewn¹, jak i wentylacjê ogóln¹ pomiesz-
czenia produkcyjnego. Wentylacja miejscowa
wywiewna umo¿liwia usuniêcie emitowanych
py³ów bezpośrednio z rejonu ich wydzielania,
co ogranicza rozprzestrzenianie siê py³ów
w pomieszczeniach.
W przypadku py³ów aluminium niebezpie-
czeñstwo wybuchu jest ściśle zwi¹zane z obec-
ności¹ cz¹stek drobnodyspersyjnych i dlatego
korzystniejsze jest (o ile jest to mo¿liwe) inne
rozwi¹zanie technologiczne, np. stosowanie
PIŚMIENNICTWO
[1] Eckhoff R. K.
Dust Explosions in the Process Industries.
Butterworth-Heinemann, Oxford 2002
[2] Gawêda E., Kondej D.
Produkcja okuæ budowlanych i galanterii metalowej
– analiza zagro¿eñ.
„Bezpieczeñstwo Pracy” 10(420), 2005, 12-14
[3] Gawêda E., Kondej D.
Zagro¿enia środowiska pracy w procesach produkcji okuæ
budowlanych i detali metalowych.
„Medycyna Pracy” 57(1), 2006, 1-6
[4] Sawicki T.
Wybuchy przestrzenne.
„Bezpieczeñstwo Pracy” 11(421), 2005, 22-25
[5] Porowski R.
Zabójcze drobiny. Ochrona przed wybuchem. Wybuchy
py³ów palnych.
„Przegl¹d Po¿arniczy” 11, 2005, 17-19
[6] Righetti A., Casati L.
Aluminium dust explosion.
“Alluminio e Leghe”, Vol. 12, no 124, 2000, 103-106
[7] Marmo L., Cavallero D., Debernardi M. L.
Aluminium dust explosion risk analysis in metal
workings.
“Journal of Loss Prevention in the Process Industries”, Vol. 17, no. 6, 2004, 449-465
[8] Wolnarek D.
Significant explosion and fire risks with processing, storage and transport
of combustible substances in dust form.
“Ex-Magazine” 27, 2001, 33-43
[9] Sobecki M.
Py³y pod nadzorem.
„Przegl¹d Po¿arniczy” 12, 2004, 14-16
[10] Sawicki T.
Zagro¿enie wybuchem py³ów aluminium.
„W akcji” 4, 2003, 44-48
Publikacja opracowana na podstawie wyników zadania realizowanego w ramach II etapu
programu wieloletniego pn. „Dostosowywanie warunków pracy w Polsce do standardów
Unii Europejskiej” dofinansowywanego w latach 2005-2007 w zakresie zadañ s³u¿b pañ-
stwowych przez Ministerstwo Pracy i Polityki Spo³ecznej. G³ówny koordynator: Centralny
Instytut Ochrony Pracy – Pañstwowy Instytut Badawczy
15
Py³
[ Pobierz całość w formacie PDF ]