Catalog of Catastrophe

Wybuchy gazów i pyłów w

przemyśle

Wykładowca

prof. dr hab. Kazimierz Lebecki

e-mail: kdxkl@gig.katowice.pl

Plan wykładu

1. Zjawisko spalania wybuchowego

2. Pojęcia podstawowe

3. Wybuch gazu; podstawowe

parametry

4. Czynniki ryzyka wybuchu gazu

5. Zjawisko wybuchu pyłu

6. Parametry wybuchowości pyłu

7. Wybuchy przemysłowe – akty

prawne UE

8. Zapobieganie wybuchom

Pierwszy opisany wybuch

pyłu



piekarnia w Turynie,

15.12.1785

(opis Hrabia Morozzo,

1795)

Kopalnia Courrieres,

kwiecień 1906

Ciepło spalania

jest to ciepło wydzielone

podczas

całkowitego

zupełnego

podczas

całkowitego

zupełnego

spalania, przy stałym ciśnieniu i po

sprowadzeniu temperatury produktów do

wartości

początkowej

temperatury

wartości

początkowej

temperatury

substratów.

zastosowaniach

praktycznych

zastosowaniach

praktycznych

funkcjonuje pojęcie

wartości opałowej

paliwa. Jest ona zdefiniowana jako ilość

ciepła wydzielonego podczas całkowitego

i zupełnego spalania w stałej objętości

reakcji

izochorycznej)

pod

reakcji

izochorycznej)

pod

warunkiem, że para wodna powstała

podczas spalania nie uległa skropleniu.

Szczególnym przypadkiem spalania jest

spalanie

stechiometryczne.

reakcji

stechiometrycznego

spalania

zachodzi

stechiometrycznego

spalania

zachodzi

całkowite zużycie paliwa i utleniacza, którym

jest powietrze. Odstępstwo od stechiometrii

charakteryzuje

współczynnik

nadmiaru

charakteryzuje

współczynnik

nadmiaru

powietrza oznaczany literą



. Jest on

zdefiniowany jako iloraz aktualnej ilości

powietrza

(wyrażonej

masowo

lub

powietrza

(wyrażonej

masowo

lub

objętościowo) w spalanej mieszance do ilości

wymaganej w spalaniu stechiometrycznym.

Mieszanka paliwowa powietrzna dla której



>1 jest mieszanką ubogą, gdy



<1 –

mieszanka jest bogata, gdy



=1 mieszanka

jest stechiometryczna. Ubóstwo lub bogactwo

mieszanki określa się więc niedoborem lub

nadmiarem paliwa.

Z teorii wybuchu cieplnego jak i wielkości

temperatury samozapłonu różnych paliw

wynikają praktyczne wnioski:



jeżeli w zbiorniku zachodzi reakcja z

wydzielaniem ciepła to warunki izolacji

zbiornika, lub inaczej odprowadzania ciepła

mają

podstawowe

znaczenie

dla

jej

mają

podstawowe

znaczenie

dla

jej

przebiegu. Pogorszenie izolacyjności, czyli

przesunięcie prostej odprowadzania ciepła

powoduje wzrost szybkości reakcji i wybuch.

Taka sytuacja zachodzi w piecach lub kotłach

gdzie pogorszenie wymiany ciepła z

otoczeniem powoduje wzrost temperatury i

wybuch,



spośród pospolitych paliw, w tym gazów,

metan ma najwyższą temperaturę

samozapłonu, czyli jest najbezpieczniejszy.

Możliwe reakcje spalania pyłu

P + O

= PO



części lotne



spalanie

gazów

wybuch:

Gwałtowna reakcja utleniania lub

rozkładu wywołująca wzrost temperatury i/lub

ciśnienia [ISO 8421-1, 1987-03-01, 1.13].

granice wybuchowości:

Granice zakresu

wybuchowości.

dolna granica wybuchowości (DGW):

Dolna granica zakresu wybuchowości.

górna granica wybuchowości (GGW):

Górna granica zakresu wybuchowości.

Parametry wybuchowości pyłów –

definicje

c.d.

zakres wybuchowości:

Zakres wartości

stężenia w powietrzu substancji palnej,w

granicach którego może dojść do wybuchu

atmosfera

wybuchowa:

atmosfera

wybuchowa:

Mieszanina

substancji palnych w postaci gazów, par, mgieł

lub

pyłów

powietrzem

warunkach

lub

pyłów

powietrzem

warunkach

atmosferycznych, w której po zapaleniu spalanie

rozprzestrzenia się na całą nie spaloną

mieszaninę

temperatura

zapłonu:

temperatura

zapłonu:

Minimalna

temperatura,

przy

której

określonych

temperatura,

przy

której

określonych

warunkach badania z cieczy wydziela się palny

gaz lub para w ilości wystarczającej do

natychmiastowego zapłonu z zastosowaniem

efektywnego źródła zapłonu.

c.d.

niebezpieczna

atmosfera

niebezpieczna

atmosfera

wybuchowa

Atmosfera wybuchowa, która

przypadku

wybuchu

powoduje

przypadku

wybuchu

powoduje

uszkodzenia.

mieszanina hybrydowa:

Mieszanina

substancji palnych z powietrzem, w różnych

stanach skupienia.

UWAGA:

Przykładami mieszanin hybrydowych

są mieszaniny metanu, pyłu węglowego i

powietrza lub mieszaniny pary benzyny i

kropelek benzyny z powietrzem

c.d.

graniczne

stężenie

tlenu

(GST):

graniczne

stężenie

tlenu

(GST):

Maksymalne stężenie tlenu w mieszaninie

substancji palnej, powietrza i gazu obojętnego, w

której nie dojdzie do wybuchu w określonych

warunkach badania.

maksymalne ciśnienie wybuchu (

max

Maksymalne ciśnienie występujące w zamkniętym

naczyniu

podczas

wybuchu

atmosfery

naczyniu

podczas

wybuchu

atmosfery

wybuchowej, oznaczone w określonych warunkach

badania.

c.d.

maksymalna

szybkość

narastania

maksymalna

szybkość

narastania

ciśnienia

wybuchu

(

ciśnienia

wybuchu

(

(dp/dt/

max

Maksymalna wartość przyrostu ciśnienia w

jednostce czasu w trakcie wybuchów wszystkich

atmosfer

wybuchowych

zakresie

atmosfer

wybuchowych

zakresie

wybuchowości substancji palnej w zamkniętym

naczyniu w określonych warunkach badania.

minimalna energia zapłonu (MEZ):

Najmniejsza energia elektryczna nagromadzona

w kondensatorze, która w trakcie jego

rozładowania

jest

wystarczająca

rozładowania

jest

wystarczająca

spowodowania zapłonu najbardziej zapalnej

atmosfery w określonych warunkach badania.

c.d.

minimalna temperatura samozapłonu

atmosfery

wybuchowej:

atmosfery

wybuchowej:

Temperatura

samozapłonu palnego gazu lub pary palnej

cieczy lub minimalna temperatura samozapłonu

obłoku pyłu w określonych warunkach badania.

temperatura samozapłonu (palnego

gazu lub palnej cieczy):

Najniższa

temperatura

ogrzanych

ścianek

naczynia

temperatura

ogrzanych

ścianek

naczynia

oznaczona w określonych warunkach badania, w

której następuje zapalenie palnej substancji w

postaci mieszaniny gazu lub pary z powietrzem.

c.d.

minimalna temperatura samozapłonu

obłoku pyłu:

Najniższa temperatura gorącej

powierzchni,

której

najbardziej

zapalna

powierzchni,

której

najbardziej

zapalna

mieszanina pyłu z powietrzem ulega zapłonowi w

określonych warunkach badania.

minimalna temperatura samozapłonu

warstwy pyłu:

Najniższa temperatura gorącej

powierzchni, przy której warstwa pyłu ulega

zapłonowi w określonych warunkach badania.

Dolna granica wybuchowości

obłoku

pyłu jest zdefiniowana jako najniższe stężenie

pyłu palnego w mieszaninie pyłowo-powietrznej,

w której możliwa jest w temperaturze pokojowej

i przy ciśnieniu atmosferycznym propagacja

płomienia

udokumentowana

określonym

płomienia

udokumentowana

określonym

wzrostem ciśnienia w aparaturze badawczej.

Dolną granicę wybuchowości podaje się w

gramach pyłu na metr sześcienny mieszaniny

(g/m

Dla oceny rzeczywistego zagrożenia opracowano

koncepcję

minimalnej dawki wybuchowej

(MDW).

Dawka ta jest to taka ilość substancji

wybuchowej, której wybuch pomieszczeniu

spowoduje wzrost ciśnienia o

5 kPa

Wskaźnik wybuchowości pyłu

st,max

równy

maksymalnej wartości

dp/dt

, wyznaczonej z

charakterystyki wybuchowości pyłu i przeliczonej

do objętości 1 m

według wzoru:

st,max

= (dp/dt)

max

(dp/dt)

max

0.27144 m

Wskaźnik wybuchowości

st,max

jest stałą

charakterystyczną pyłu i określa maksymalną

gwałtowność wybuchu pyłu w mieszaninie z

powietrzem.

Opisane

wskaźniki

charakteryzowały

Opisane

wskaźniki

charakteryzowały

wybuchowość pyłów to znaczy ich zdolność

do wytworzenia ciśnienia w zamkniętej

przestrzeni.

Istnieje

druga

grupa

przestrzeni.

Istnieje

druga

grupa

wskaźników,

charakteryzująca

zapalność

wskaźników,

charakteryzująca

zapalność

pyłu, czyli ich zdolność do zapoczątkowania

reakcji pod wpływem energii dostarczonej z

zewnątrz. Istnieją trzy podstawowe wskaźniki

zapalności,

minimalna

temperatura

zapalności,

minimalna

temperatura

zapalenia obłoku pyłu i minimalna energia

zapalenia

obłoku,

oraz

minimalna

zapalenia

obłoku,

oraz

minimalna

temperatura zapalenia warstwy pyłu. Ten

ostatni parametr ma podstawowe znaczenie

dla określenia zagrożenia pożarem a dalszej

konsekwencji wybuchem pyłu osiadłego na

gorących

powierzchniach

przykład

gorących

powierzchniach

przykład

urządzeń elektrycznych.

Minimalną

temperaturę

zapłonu

Minimalną

temperaturę

zapłonu

obłoku pyłów (mieszanin pyłowo-

powietrznych)

wyznacza się przy pomocy

standardowego

pieca.

Jej

cechą

standardowego

pieca.

Jej

cechą

charakterystyczną jest krótki czas przebywania

obłoku pyłu w piecu, co sprawia, że metoda nie

jest reprezentatywna dla wszelkich warunków

przemysłowych.

Nie

znajduje

również

przemysłowych.

Nie

znajduje

również

zastosowania do pyłów, które mogą wytwarzać

gazy palne wskutek rozkładu termicznego

trwającego dłużej, niż czas określony przez

przyjętą metodę badania.

Temperatura zapłonu obłoku pyłu T

jest

najniższa

temperatura

gorącej

ścianki

najniższa

temperatura

gorącej

ścianki

wewnętrznej pieca, przy której występuje zapłon

obłoku pyłu wytworzonego wewnątrz pieca.

Do oznaczania minimalnej temperatury zapłonu

obłoku pyłu stosuje się pionowy piec rurowy,

znany

literaturze

jako

piec

znany

literaturze

jako

piec

Godberta-

Greenwalda.

Główną jego częścią jest rura

ceramiczna o średnicy wewnętrznej 35 mm,

ogrzewana elektrycznie przez uzwojenie z drutu

oporowego, nawinięte na jej zewnętrznej ściance.

Innym parametrem zapalności o dużym

praktycznym znaczeniu jest

minimalna

temperatura zapłonu warstwy pyłu.

Metoda jej

oznaczania oparta jest na normie Międzynarodowej

Komisji Elektrotechnicznej IEC 61241-2-1

Ed.1.0

Electrical apparatus for use in the presence of

combustible dust - Part 2: Test methods - Section 1:

Methods for determining the minimum ignition

temperatures of dust layers.

Zapłon

warstwy pyłu

osiadłego na gorącej powierzchni jest jedną z

najczęstszych przyczyn wybuchów pyłu w

przemyśle.

Minimalna energia zapłonu obłoku pyłu jest

parametrem dobrze charakteryzującym zapalność

pyłu. Znajomość minimalnej energii zapłonu

pozwala ocenić, czy badana mieszanina pyłowo-

powietrzna może być traktowana jako podatna na

zapłon od iskier elektrycznych, a tym samym

podjąć decyzję co do wymagań stawianym

urządzeniom

elektrycznym

instalowanym

urządzeniom

elektrycznym

instalowanym

obszarze zawierającym badany pył

Minimalna energia zapłonu od iskry

elektrycznej

Elementy oceny ryzyka

Wiadomości ogólne

Ocena

ryzyka

powinna

być

zawsze

Ocena

ryzyka

powinna

być

zawsze

przeprowadzona dla każdej odrębnej sytuacji

zgodnie z EN 1050.

Ocena ryzyka zawiera następujące elementy:

a) identyfikacja zagrożenia. Badania substancji

są pomocne przy identyfikacji zagrożeń przez

wskazanie czy substancje są palne i czy łatwo

ulegają zapłonowi;

b) określenie prawdopodobieństwa wystąpienia

atmosfery wybuchowej i jej objętości

c) określenie obecności źródeł zapłonu i

prawdopodobieństwa wystąpienia źródeł

zapłonu zdolnych do zapalenia atmosfery

wybuchowej

d) określenie możliwych skutków wybuchu

e) oszacowanie ryzyka

f) rozważenie środków dla minimalizacji ryzyka

c.d.

Powinno się stosować podejście całościowe,

zwłaszcza dla skomplikowanych urządzeń,

systemów ochronnych, części i podzespołów,

zakładów składających się z niezależnych

jednostek i, przede wszystkim, dla rozległych

instalacji.

Ocena

ryzyka

powinna

uwzględniać

Ocena

ryzyka

powinna

uwzględniać

zagrożenie zapłonem i wybuchem z uwagi na:



urządzenia, systemy ochronne, części i

podzespoły;



wzajemne oddziaływanie pomiędzy

urządzeniami, systemami ochronnymi,

częściami i podzespołami oraz stosowanymi

substancjami;

c.d.



charakterystykę procesu przemysłowego

prowadzonego w urządzeniach, systemach

ochronnych, częściach i podzespołach;



wzajemne oddziaływanie pomiędzy

poszczególnymi procesami w różnych

częściach urządzeń, systemów ochronnych,

części i podzespołów;



otoczenie urządzeń, systemów

ochronnych, części i podzespołów i możliwe

wzajemne oddziaływanie z sąsiadującymi

procesami.

Występowanie niebezpiecznej atmosfery

wybuchowej zależy od:



obecności substancji palnej;



stopnia rozproszenia substancji palnej (np.

gazy, pary, mgły, pyły);



stężenia substancji palnej w powietrzu, w

granicach zakresu wybuchowości;



objętości atmosfery wybuchowej

wystarczającej do spowodowania obrażeń lub

zniszczeń w wyniku zapłonu.

Określenie objętości atmosfery

wybuchowej i

prawdopodobieństwa jej

występowania

Stopień rozproszenia substancji

palnych

Ze względu na swą postać, gazy i pary mają

stopień

rozproszenia

wystarczający

stopień

rozproszenia

wystarczający

wytworzenia atmosfery wybuchowej. Dla mgieł i

pyłów stopień rozproszenia wystarczający do

wytworzenia

atmosfery

wybuchowej

może

wytworzenia

atmosfery

wybuchowej

może

zostać osiągnięty, jeżeli rozmiar kropelki lub

cząstki będzie wynosił poniżej 1 mm.

UWAGA:

Liczne

mgły,

aerozole

pyły

UWAGA:

Liczne

mgły,

aerozole

pyły

występujące w praktyce mają rozmiary cząstek

pomiędzy 0,001 mm i 0,1 mm.

Wybuch jest możliwy kiedy stężenie substancji

palnej rozproszonej w powietrzu osiąga wartość

minimalną (dolna granicę wybuchowości). Do

wybuchu nie dojdzie kiedy stężenie przekroczy

wartość

maksymalną

(górną

granicę

wartość

maksymalną

(górną

granicę

wybuchowości).

UWAGA:

Niektóre

niestabilne

substancje

UWAGA:

Niektóre

niestabilne

substancje

chemiczne, np. acetylen i tlenek etylenu, mogą

ulegać reakcjom egzotermicznym nawet w

nieobecności tlenu i mają górną granicę

wybuchowości równą 100%.

Stężenie substancji palnych

Granice wybuchowości zmieniają się ze

zmianą ciśnienia i temperatury. Z reguły

zakres

stężenia

pomiędzy

granicami

zakres

stężenia

pomiędzy

granicami

wybuchowości wzrasta ze wzrostem ciśnienia

temperatury.

W przypadku mieszanin z tlenem, górne

granice wybuchowości są dużo wyższe niż dla

mieszanin z powietrzem.

Jeżeli temperatura powierzchni cieczy palnej

jest wyższa niż dolna temperaturowa granica

wybuchowości, może się wytworzyć atmosfera

wybuchowa. Aerozole i mgły cieczy palnych

mogą tworzyć atmosferę wybuchową w

temperaturze poniżej dolnej temperaturowej

granicy wybuchowości.

Granice wybuchowości dla pyłów nie mają

takiego samego znaczenia jak w przypadku

gazów i par. Obłoki pyłów są zazwyczaj

niejednorodne. Stężenie pyłu może zmieniać się

w dużym stopniu w zależności od sposobu jego

osadzania się i rozproszenia w powietrzu.

Zawsze należy liczyć się z możliwością

tworzenia atmosfer wybuchowych w obecności

osadów palnego pyłu.

Własności gazów palnych w

laminarnym spalaniu (Baker, 1981)

Paliwo

[K]

[m/s]

[mJ]

rów

[mm]

[K]

DGP

[%]

GGP

[%]

wodór

2400

2.70

0.18

0.55

673

4.0

75.0

tlenek

węgla

2370

0.33

826

12.5

74.0

metan

2230

0.34

0.028

2.50

920

5.0

15.0

etylen

2395

0.63

1.25

763

2.7

36.0

etan

2170

0.44

0.260

2.00

788

3.0

12.4

propan

2285

0.39

0.260

2.10

723

2.1

9.5

Zależność granic palności pary cieczy

od temperatury otoczenia



- dolny punkt zapłonu;



- górny punkt zapłonu; (wg

Bakera, 1988)

AIT – temperatura samozapłonu

a) Przebieg w czasie ciśnienia wybuchu

stechiometrycznych mieszanin wodoru

i metanu (wg Bartknechta),

b) wpływ położenia źródła zapłonu na

szybkość narastania ciśnienia wybuchu

metanu

Wartości stałej K

dla gazów przy braku

turbulencji

energia zapłonu E



10 J, p

max



7.4 bar

Długość rury (m), dla której jest możliwe

przejście do detonacji dla różnych gazów dla

różnych średnic rur

Gaz

Średnica 100 mm

Średnica 200 mm

Średnica 400 mm

Metan

12.5

18.5

> 30

Propan

12.5

17.5

22.5

Wodór

7.5

12.5

Objętość

komory

[m]

pł max

[m/s]

pł śr

[m/s]

stat. 20m

[kPa]

stat. 40 m

[kPa]

stat 80m

[kPa]

stat.200m

[kPa]

stat 400m

[kPa]

dyn

[kPa]

0.2

233

164

165

100

471

204

322

110

150

441

197

562

117

182

200

580

203

700

155

207

100

Parametry wybuchu metanu w

stężeniach stechiometrycznych

(badania Kopalni Doświadczalnej

“Barbara (Lebecki, 1989)

Przebieg wybuchu pyłu:

a) w zbiorniku zamkniętym, b) w zbiorniku

zawierającym otwór dekompresyjny

max -

maksymalne ciśnienie wybuchu

d -

ciśnienie dopuszczalne

stat -

ciśnienie dynamicznego otwarcia

red -

ciśnienie zredukowane w zbiorniku

Zasada działania otworów dekompresyjnych

Document Outline