Nebezpečí výbuchu v průmyslových provozech

1. Hořlavé prachy

Většina materiálů, běžně používaných v průmyslu, je ve formě prachu hořlavá a v případě rozvíření ve vzduchu schopná tvořit výbušné směsi. Jako typické zástupce těchto materiálů lze uvést uhlí, dřevo, textil, plasty, obilniny, potraviny (cukr, mouka, sušené mléko, kakao, škrob, apod.). Ve formě prachu, kdy za prach se obecně považují částice pevné látky o velikosti menší než 0,5 mm, tvoří výbušné směsi i materiály za normálních podmínek nehořlavé jako je hliník, zinek, či titan.

Hořlavé prachy jsou schopny ve směsi se vzduchem tvořit výbušnou směs od hodnoty tzv. spodní meze výbušnosti (SMV), která se udává v hodnotách g.m-3. U prachů běžných materiálů se hodnota SMV pohybuje v řádu desítek až stovek g.m-3 Tuto hodnotu je u konkrétního materiálu možno dohledat v odborné literatuře, či v bezpečnostních listech práškových materiálů, na druhou stranu je však nutno uvést, že hodnota SMV silně závisí na parametrech prachu, jako je jeho vlhkost, jemnost, a mnoha dalších. Jediným způsobem pro získání objektivní hodnoty SMV a dalších požárně-technických charakteristik materiálů je proto zkouška konkrétního vzorku prachu přímo z hodnocené technologie. Každý požár hořlavého prachu může velmi snadno přejít ve výbuch a naopak každý výbuch prachu může přejít v hoření zbytku nezreagovaného prachu (při výbuchu prachu v optimálním případě shoří nejvýše polovina rozvířené hmoty prachu). Za vrstvu schopnou šířit požár se přitom považuje již vrstva prachu o tloušťce 1 mm.

2. Aspirační systémy

V průmyslu je možné se běžně setkat se systémy odsávání prachu od technologie řezání, broušení, otryskávání, míchání, či plnění sypkých materiálů do zásobníků a sil.

Snížením koncentrace prachu dostatečně pod hodnotu spodní meze výbušnosti vhodným systémem aspirace můžeme dosáhnout odstranění výbušné atmosféry v odsávaném prostoru. Jedná se o princip tzv. primární protivýbuchové ochrany.

Na tomto místě je však nutno si uvědomit, že tímto způsobem sice odstraníme výbušnou atmosféru z odsávané technologie, ale tato zcela nezmizí, pouze se přesune do jiných míst - do samotného systému aspirace.

U filtračních jednotek je nejpravděpodobnějším místem výskytu výbušné atmosféry tzv. špinavá strana filtru, tedy strana filtru před filtračním médiem. U filtračních jednotek, vybavených automatickým čištěním (oklepem) filtračního média např. tlakovým vzduchem, je výskyt výbušné atmosféry možný vždy v době oklepu filtračního média.

V prostoru za filtračním médiem se za běžného provozního stavu prach ve výbušné koncentraci nevyskytuje, může se zde krátkodobě vyskytnout pouze v případě porušení těsnosti filtračního média, např. při protržení filtrační patrony.

Výše zmíněné skutečnosti vedou k zařazení špinavých stran filtračních jednotek jako zóny 20 (dlouhodobá přítomnost) a čisté strany jako zóny 22 (krátkodobá přítomnost výbušné atmosféry) dle ČSN EN 60079-10-2.

Zařazení prostoru jako zóna 20 s sebou nese nutnost odstranění iniciačních zdrojů výbuchu, které se v tomto prostoru mohou vyskytovat nejen při normálním provozu, ale také při očekávaných a výjimečných poruchách. Vzhledem ke skutečnosti, že v technické praxi není vždy možné spolehlivé vyloučení veškerých iniciačních zdrojů, jako jsou horké povrchy, mechanické či elektrické jiskry, výboje statické elektřiny, a dalších, jejichž výčet je možno nalézt v ČSN EN 1127-1 ed.2, je nutno pro adekvátní ochranu aspiračních systémů využít vhodných prvků konstrukční protivýbuchové ochrany.

3. Způsoby protivýbuchové ochrany aspiračních systémů

Pokud z provedené analýzy rizik vyplyne, že ve filtrační jednotce není možné zcela vyloučit přítomnost iniciačního zdroje výbušné atmosféry, je nutno přistoupit k řešení konstrukční protivýbuchové ochrany. V současné době jsou pro ochranu aspiračních systémů k dispozici čtyři řešení konstrukční protivýbuchové ochrany. Jedná se o systémy pro odlehčení výbuchu, systémy pro odlehčení výbuchu s tlumičem plamene, systémy pro potlačení výbuchu a konstrukce odolná výbuchovému tlaku.

a) Konstrukce odolná výbuchovému tlaku

Jedná se o případ, kdy samotná konstrukce zařízení vykazuje takovou tlakovou odolnost, že odolá výbuchovému tlaku, aniž by došlo k jejímu porušení. V tomto směru rozeznáváme konstrukce odolné výbuchovému tlaku a výbuchovému rázu. Toto rozdělení vychází z požadavku, zda se mohou na nádobě vyskytovat trvalé deformace. Nevýhodou tohoto řešení je značná hmotnost takovéhoto zařízení. Požadavky na tento druh ochrany jsou obsahem ČSN EN 14460.

V případě, že zařízení není konstruováno jako nádoba odolná výbuchovému tlaku nebo rázu, musí být přistoupeno k řešení ochrany filtračního jednotky zařízením na potlačení nebo uvolnění výbuchu. Oběma systémy se snižuje maximální výbuchový tlak na tzv. redukovaný výbuchový tlak, který je mnohem nižší než maximální výbuchový tlak.

b) Systémy pro odlehčení výbuchu

Principem tohoto způsobu ochrany je vypuštění tlaku a plamene výbuchu ven z chráněného zařízení dříve, než výbuchový tlak uvnitř zařízení nabude hodnoty, která by mohla chráněné zařízení poškodit. K tomu slouží tzv. odlehčovací membrány, případně odlehčovací klapky, instalované na tzv. špinavé straně filtrační jednotky. V případě výbuchu ve vnitřním prostoru zařízení dojde k protržení této membrány, případně otevření odlehčovací klapky při předem známé hodnotě tlaku (tzv. statickém otevíracím tlaku).

V případě odlehčení výbuchu dojde k uvolnění plamene a zplodin hoření do okolí chráněného zařízení. Z tohoto důvodu je nutno před prvky pro odlehčení výbuchu vždy stanovit bezpečnostní zónu, ve které se nesmějí nacházet žádná trvalá pracovní místa, nebezpečné látky a přípravky, zařízení, jež by mohla svou povahou způsobit požár nebo výbuch, či komunikace pro motorová vozidla a pro pěší. Tato zóna přitom může zasahovat až do vzdálenosti desítek metrů od prvku pro odlehčení výbuchu. Informace o rozsahu bezpečnostní zóny musí být schopen poskytnout dodavatel ochranného systému - prvku odlehčení výbuchu, případně dodavatel filtrační jednotky, pokud tato byla ochranným systémem opatřena již při výrobě.

Je zřejmé, že způsob ochrany zařízení odlehčením výbuchu má pouze omezené využití u filtračních jednotek instalovaných ve vnitřních prostorech výrobních hal. U těchto filtračních jednotek lze v jistých případech vyvést plamen a zplodiny hoření pomocí dostatečně dimenzovaného potrubí (tzv. deflektoru) přes stěnu místnosti do venkovního prostoru, účinnost odlehčení však výrazně klesá s délkou tohoto potrubí. Zpravidla se uvádí maximální délka potrubí 3 - 4 m.

c) Systémy pro odlehčení výbuchu s tlumičem plamene

Tyto systémy jsou navrženy pro ochranu zařízení, instalovaných ve vnitřním prostoru výrobních hal, kdy se kolem chráněného zařízení může pohybovat obsluha. Ochranný systém sestává z odlehčovací membrány, která je navíc doplněna konstrukcí pro zhášení plamene výbuchu a ochlazování zplodin hoření. Tento tlumič plamene výrazně omezuje rozsah bezpečnostní zóny. Požadavky na tato zařízení jsou obsahem normy ČSN EN 16009.

d) Systémy pro potlačení výbuchu

Jedná se o tzv. HRD (High Rate Discharge) systémy. Potlačení výbuchu je technika, při které se ve vnitřním prostoru chráněného zařízení detekuje hoření výbušné atmosféry a potlačí se v počáteční fázi, s cílem zabránit vzniku škodlivých tlaků. Řídící jednotka na základě vyhodnocení údajů z tlakových, či optických detektorů na chráněném zařízení aktivuje HRD - hasicí jednotku a hasící látka se ve velmi krátkém čase (řádově milisekundy) rozpráší do chráněné nádoby. Výbuch se považuje za potlačený, pokud je buď maximální výbuchový tlak omezen na tzv. redukovaný výbuchový tlak, který je nižší než konstrukční pevnost chráněného zařízení. Systémy pro potlačení výbuchu jsou navrhovány a konstruovány podle normy ČSN EN 14373.

Systémy pro zabránění přenosu výbuchu

Samotné odlehčení, popř. potlačení výbuchu v chráněném zařízení není pro zajištění adekvátní ochrany ve většině případů dostačující. Vždy je nutno také posoudit možnost prostupu výbuchu z chráněného zařízení (filtrační jednotky, či cyklónového odlučovače) do navazujících částí technologie, např. odtahovým potrubím zpět k obráběcímu stroji, kde by mohl způsobit vážné zranění jeho obsluhy.

Pro zabránění přenosu výbuchu se používají jak mechanická zařízení (např. rotační podavače, ventily), tak automatická zařízení (např. rychlouzavírací šoupátka), případně hasicí bariéry. Zařízení pro zabránění přenosu výbuchu jsou navrhována dle ČSN EN 15089.

Rotační podavače jsou zařízení, která zajišťují plynulé podávání materiálu, resp. plynulé vyprazdňování jednotlivých zařízení. Aby mohly být použity jako prvky zabraňující přenesení výbuchu, musí splňovat základní požadavek - mezera mezi lopatkami a skříní podavače musí být dostatečně malá, aby nedošlo k přenesení výbuchu. Principem rychlouzavíracích prvků je uzavření průřezu potrubí a tím zabránění šíření výbuchu do následujících zařízení. U rychle uzavíracího prvku dochází k zabránění šíření jak plamene, tak tlakové vlny.

Hasicí bariéry pracují na obdobném principu jako HRD systémy. Hasicí jednotka je v tomto případě umístěna na potrubí v dostatečné vzdálenosti od chráněného zařízení tak, aby zajistila spolehlivé uhašení čela plamene.

Další možnou variantou je využití šnekových dopravníků. U trubkových šnekových dopravníků s profilem písmene „O“ není v jejich vnitřním prostoru ponechán jakýkoliv volný prostor, který by šíření nebo vznik výbuchu dovoloval - dopravník je zcela zaplněn dopravovaným materiálem. U žlabových šnekových dopravníků profilu písmene „U“ se sice malý prostor pro vznik a šíření výbuchu vyskytuje, ale jako preventivní opatření se zde mohou použít ucpávky, které šíření výbuchu zabraňují.

4. Závěr

V případě, že v systému odsávání hořlavých prachů není možné zcela vyloučit přítomnost iniciačního zdroje výbušné atmosféry, je nutno přistoupit k řešení konstrukční protivýbuchové ochrany tohoto systému.

Pro adekvátní návrh konstrukční protivýbuchové ochrany (nejen) systémů pro odsávání hořlavých prachů je vždy nutno vzít v úvahu výbuchové parametry odsávaného materiálu jako je například maximální výbuchový tlak pMax, maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku (dp/dt)Max, či kubická konstanta KSt, Vzít v úvahu je vždy nutno také tlakovou odolnost chráněného zařízení.

Funkčnost ochranných protivýbuchových systémů musí být udržována pravidelnými kontrolami. Kontroly provozuschopnosti požárně bezpečnostních zařízení je vyhlášky č. 246/2001 Sb. o požární ochraně nutno provádět nejméně jednou za rok, pokud výrobce, ověřená projektová dokumentace nebo prováděcí dokumentace anebo posouzení požárního nebezpečí nestanoví lhůty kratší. Funkčnost zařízení pro odlehčení výbuchu nesmí být nijak omezována pevnými překážkami. Ve své praxi se setkáváme s případy, kdy jsou odlehčovací membrány na filtračních jednotkách překrývány mřížemi, případně jsou prvky odlehčení výbuchu nasměřovány přímo do zdi. Takovéto „úpravy“ a nesprávné umístění odlehčovacích prvků zcela vylučuje správnou funkci tohoto systému a v žádném případě nemůže zaručit účinnou ochranu zařízení před výbuchovým přetlakem. V praxi je možno se setkat i se svépomocnými úpravami filtračních jednotek a jejich osazování prvky pro odlehčení výbuchu vlastní výroby. Při dimenzování těchto prvků samozřejmě nebyly vzaty v úvahu výbuchové parametry odsávaného prachu, nebyly provedeny výpočty potřebné odlehčovací plochy a nebyl stanoven rozsah bezpečnostní zóny, účinnost takovýchto systémů je tedy značně sporná.

POUŽITÁ LITERATURA

1. Nařízení vlády č. 406/2004 Sb., o bližších požadavcích na zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu, v platném znění.
2. Zákon č. 133/1985 Sb., o požární ochraně, v platném znění.
3. ČSN EN 60079-10-2 - Výbušné atmosféry - Část 10-2: Určování nebezpečných prostorů - Výbušné atmosféry s hořlavým prachem.
4. ČSN EN 14373 - Systémy pro potlačení výbuchu
5. ČSN EN 14797 - Zařízení pro odlehčení výbuchu
6. ČSN EN 14491 - Ochranné systémy pro odlehčení výbuchu prachu
7. ČSN EN 14460 - Konstrukce odolné výbuchovému tlaku
8. ČSN EN 15089 - Systémy pro oddělení výbuchu
9. ČSN EN 16009 - Bezplamenná zařízení pro odlehčení výbuchu