Wybuch pyłu w silosie – statystyki, zagrożenia, mity i możliwości zabezpieczenia

Wybuchy pyłów w silosach nie należą do rzadkości. Wręcz przeciwnie – nawet 14% wybuchów pyłów w przemyśle ma swój początek właśnie w silosach. Wybuchy te potrafią zbierać również tragiczne żniwo, tak jak w 1979 roku w niemieckiej Bremie, kiedy to wybuch w kompleksie elewatorów pochłonął 14 ofiar i doprowadził do strat materialnych o wartości 50 milionów Euro (w przeliczeniu z ówczesnych marek niemieckich). Użycie słowa „żniwo” nie jest tu bez znaczenia – otóż najczęściej w silosach wybuchają pyły zbóż.

Urządzenia, w których najczęściej dochodzi do wybuchu

Dane, które zostały opublikowane w raporcie pt. „Combustible Dust Incident Report – Version #1” wskazują, że 14% wszystkich wybuchów pyłów w przemyśle rozpoczyna się w silosach. Szersze omówienie statystyk nt. wybuchów pyłów w przemyśle znajdziesz w tym artykule.

Produkty, które najczęściej ulegają wybuchowi

W przemyśle najczęściej dochodzi do wybuchów pyłów spożywczych – 32% wybuchów – oraz pyłów pochodzenia drzewnego – 30%. Wśród tej pierwszej grupy można przykładowo wymienić mąkę, cukier i pyły zbóż. Ważną grupę stanowią także pyły metali. Dlaczego tak jest? To wytłumaczymy w kolejnym akapicie.

Pyły metali – wyjątkowo niebezpieczne

Pyły metali są przyczyną 8% wybuchów. Zdarzenia z ich udziałem są co prawda rzadsze, jednak przebieg tych wybuchów cechuje się zdecydowanie wyższą dynamiką i siłą. Wynika to głównie z bardzo wysokich parametrów wybuchowości tych pyłów – chodzi tu o:

• Kst, czyli maksymalną szybkość narastania ciśnienia wybuchu w czasie, która w przypadku pyłów metali może przekraczać nawet 500 m*bar/s (większość zabezpieczeń minimalizujących skutki wybuchu ma certyfikat dla do Kst 250 m*bar/s)
• Pmax, czyli maksymalne ciśnienie wybuchu, które dla pyłów metali może osiągać poziom nawet do 12 bar (typowa wytrzymałość konstrukcyjna większości urządzeń jak silos czy odpylacz mieści się w granicach 0,4 – 1 bar).

Jak tłumaczy Zbigniew Wolff – ekspert w GRUPIE WOLFF ds. zabezpieczeń przeciwwybuchowych – wybuchy pyłów metali szybciej osiągają maksymalne ciśnienie, które jest wyższe niż w przypadku innych pyłów nieorganicznych i organicznych, w tym pyłu zbóż czy drewna. Sprawia to, że ochrona przed skutkami wybuchu aluminium, magnezu, ich stopów czy też innych metali, jest bardzo trudna.

Drugi czynnik, który ogranicza możliwość zastosowania niektórych zabezpieczeń przeciwwybuchowych w przypadku obecności pyłów metali (w szczególności pyłu aluminium), to energia cieplna, jaka powstaje przy ich spalaniu. Jest ona tak olbrzymia, że część zabezpieczeń nie jest w stanie jej efektywnie odebrać, przez co stają się one nieskuteczne.

Ochrona przed wybuchami pyłów metali jest trudna, ale ogromnie ważna. Jak wyjaśnia Zbigniew Wolff – możliwe jest zabezpieczenie instalacji zagrożonych wybuchem pyłów aluminium, ale wymaga to bardzo dużego doświadczenia. W przeszłości realizowaliśmy takie zadania. Do wyboru mamy tu specjalne, certyfikowane dla pyłów metali panele dekompresyjne i klapy izolujące wybuch. W pewnych przypadkach można także zastosować system tłumienia wybuchu. Dodatkowo GRUPA WOLFF opracowała system gaszenia pyłów metali w urządzeniach z wykorzystaniem proszków typu D. Ten system działa podobnie do systemów tłumienia wybuchem – kończy Wolff.

Poniżej możesz pobrać studium przypadku nt. wybuchu pyłu aluminium w odpylaczu. Opracowanie będzie wartościowe dla Ciebie jeśli w swoim zakładzie korzystasz z instalacji odpylania (nawet jeśli odpylasz inny pył niż pył aluminium). W poniższej ramce znajdziesz wstęp do opracowania oraz guzik, który umożliwi Ci pobranie studium przypadku.

Wybuchowe pyły często stosowane w przemyśle

W tym miejscu należy wyjaśnić jedną kwestię, aby uniknąć błędnych wniosków. Wśród pyłów, które najczęściej ulegają wybuchom, prym wiodą pyły spożywcze, pochodzenia drzewnego oraz pyły metali (a także ich stopów). Nie oznacza to jednak, że inne pyły są mniej niebezpieczne. Wymienione grupy pyłów w sumie odpowiadają za 70% wybuchów w przemyśle. Zatem nadal zostaje nam 30% zdarzeń, za które odpowiadają dziesiątki mniej oczywistych pyłów. Przykładem może być stosowany w produkcji nawozów azotan amonu. Substancja ta odpowiada m.in. za potężny wybuch w porcie w Bejrucie.

Poniżej przykłady dość powszechnie stosowanych w przemyśle pyłów.

Paliwa stałe i ich pochodne

• biomasa
• koks
• sadza
• węgiel brunatny
• węgiel drzewny
• węgiel kamienny

Tworzywa sztuczne

• formaldehyd mocznikowy
• melamina
• pochodne poliwinylu
• poliakrylamid (PAM)
• poliakrylan metylu
• poliakrylonitryl (PAN)
• polipropylen (PP)
• polietylen (PE)
• żywica epoksydowa
• żywica fenolowa
• żywica melaminowa

Częstotliwość

Informacje o wybuchach w wielu krajach nie są ewidencjonowane, a tym samym nie są dostępne powszechne statystyki. Dlatego, aby pokazać częstotliwość wybuchów pyłu w silosach, na potrzeby tego akapitu posłużymy się danymi pozyskanymi przez Purdue University ze Stanów Zjednoczonych. Na przestrzeni ostatnich 10 lat naukowcy z Purdue University zebrali dane świadczące łącznie o 81 wybuchach, z czego 46 rozpoczęło się w elewatorach zbożowych. Należy podkreślić, że dane te dotyczą tylko pyłu zbożowego.

Wybuch w elewatorze w Tilbury Docks

W grudniu 2020 roku w oczyszczalni ścieków Wessex Water w mieście Avonmouth w Wielkiej Brytanii doszło do wybuchu pyły w silosie. W rezultacie śmierć poniosły 4 osoby w tym 16-letni chłopiec. Oczyszczalnia ścieków jest częścią bardzo dużego centrum recyklingu należącego do firmy Bristol Waste.

Do wybuchu doszło w silosie magazynującym suchy materiał bioorganiczny pochodzący z oczyszczalni. Choć przyczyny wybuchu nie są jeszcze znane to jedna z teorii mówi o zepsutym podajniku, który był połączony z silosem. W związku z awarią na silosie miały być prowadzone prace pożarowo niebezpieczne, które mogły doprowadzić do zapłonu atmosfery wybuchowej w silosie.

Wybuch w elewatorze w Tilbury Docks

Tilbury Docks jest największym terminalem zbożowym w Wielkiej Brytanii. Jego roczna pojemność przeładunkowa wynosi około dwóch milionów ton. Terminal posiada 200 oddzielnych silosów, z których każdy może pomieścić od 60 do 300 ton ziarna.

3 lipca 2020 roku nastąpił gwałtowny wybuch pyłu zbożowego, który spowodował zniszczenie kilku silosów i wyrzut płomieni na wysokość 75 metrów. Wezwana na miejsce straż pożarna pracowała na miejscu zdarzenia aż 20 dni, musząc co chwilę gasić kolejne tlące się pożary zboża ze zniszczonych silosów. Do tej pory nie ustalono bezpośredniej przyczyny wybuchu, który straż pożarna określa mianem „przypadkowego”.

Wybuch w elewatorze w Ag Partners

Do eksplozji z niewyjaśnionych dotąd przyczyn doszło w silosie, w którym składowana była mieszanka kukurydzy z soją. Zniszczyła ona silos wraz z przylegającymi do niego instalacjami.

Co jest interesujące to fakt, że w chwili wybuchu elewator był w większości opróżniony. To sprawiło, że wewnątrz silosu znajdowała sie spora objętość powietrza, która mogła tworzyć atmosferę wybuchową z bezsprzecznie zalegającym wewnątrz pyłem. Sytuację tę można przyrównać do wybuchu baku samochodu. Będzie on tym silniejszy, im mniej paliwa będzie w baku, a więcej unoszących się oparów, które tworzą mieszaninę wybuchową z powietrzem.

Gdzie się kryje źródło zagrożenia?

Atmosfera wybuchowa

Mariusz Balicki – ekspert GRUPY WOLFF w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego tłumaczy, że w silosach zawsze znajduje się powietrze, a tym samym tlen, który jest niezbędny do powstania wybuchu. Dodatkowo wolną przestrzeń może wypełniać swobodnie unoszący się pył. W zależności od charakteru jego cząstek (kształt, ciężar, wielkość) może on pozostać zawieszony w powietrzy nawet kilka godzin. Jeśli dodamy do tego fakt, że silos „pracuje” – np. jest napełniany lub opróżniany, to w wielu przepadkach atmosfera wybuchowa w jego wnętrz występuje w sposób ciągły. Tym samym dużo łatwiej o jednoczesne wystąpienie atmosfery wybuchowej i źródła zapłonu. Balicki podkreśla także, że niezwykle groźna jest sytuacja, gdy mamy do czynienia z opróżnionym silosem, w którym nadal unosi się pył. W takiej sytuacji mamy do czynienia z bardzo duża atmosferą wybuchową, a tym samym możemy spodziewać się adekwatnie dużych konsekwencji. Ryzyko dodatkowo zwiększa złudne przeświadczenie pracowników o tym, że silos jest bezpieczny. Nierzadko do wybuchów dochodziło w czasie np. prac remontowanych, gdzie nieświadomi pracownicy używali narzędzi pożarowo niebezpiecznych.

Rys. 3: Zjawisko segregacji substancji sypkiej podczas zasypu silosu

Przy okazji warto podkreślić, że pylenie podczas załadunku i rozładunku silosu nie ogranicza się tylko do jego wnętrza. Podnośniki kubełkowe, przenośniki taśmowe czy inne urządzenia transportu bliskiego znajdującego się bezpośrednio w pobliżu silosu również mogą być źródłem zagrożenia. Dlatego zabezpieczenie silosu powinno być jedynie jednym z elementów zabezpieczenia całej instalacji przed skutkami wybuchu. Dobierając środki ochronne, powinniśmy zacząć od eliminacji atmosfer wybuchowych (np. stosując odpylanie), w kolejnym kroku ograniczyć możliwość pojawienia się potencjalnych źródeł zapłonu (np. przez odpowiednią eksploatację urządzeń), a kończąc na zabezpieczaniu poszczególnych urządzeń i aparatów oraz stosowaniu systemów izolacji wybuchu.

Źródło zapłonu

Do najczęściej występujących źródeł zapłonu w silosie lub instalacjach przylegających do silosu można wymienić:

• gorące powierzchnie powodowane tarciem wywołanym przez uszkodzone mechaniz­my,
• żarzące się cząstki wprowadzane do silosu z transportowanym materiałem,
• iskry mechaniczne spowodowane uderzeniem metalowych elementów znajdujących się w transportowanym materiale,
• iskry ze spawania i innych prac pożarowo niebezpiecznych wykonywanych w pobliżu,
• niewłaściwie dobrane lub uszkodzone urządzenia elektryczne (np. silniki czy oprawy oświetleniowe),
• ścieranie lub cięcie metali podczas prac naprawczych,
• wyładowania elektryczności statycznej,
• działalność mikroorganizmów.

Silosy – wpływ budowy na możliwe do zastosowania zabezpieczenia

Problem 1: Silosy umieszczone obok siebie na zewnątrz pomieszczeń

Poniższy schemat obrazuje często występującą na terenie zakładów przemysłowych instalację składającą się z:

• przyjęcia surowca (i np. mielenia czy odsiewania),
• transportu surowca do silosów w celu magazynowania,
• pobrania surowca z silosów do dalszej części instalacji.

Rys. 4: Przykładowa instalacja

Przyjmijmy, że magazynowany produkt nie jest toksyczny. Rozważmy więc najpopularniejszy i jednocześnie najtańszy rodzaj zabezpieczeń przed skutkami wybuchu, czyli odciążanie wybuchu przez zastosowanie paneli dekompresyjnych.

Jakie skutki może nieść za sobą wybuch pyłu w niezabezpieczonym silosie lub nawet w silosie teoretycznie chronionym przez panele dekompresyjne umieszczone na cylindrycznej części – pokazuje kolejny schemat. Brak zabezpieczenia lub też zamontowanie paneli dekompresyjnych skierowanych w stronę innych elementów instalacji (co niestety zdarza się bardzo często) zagraża nie tylko innym urządzeniom, ale i życiu oraz zdrowiu pracowników. Jak daleki zasięg może mieć kula ognia wydobywająca się z paneli dekompresyjnych, pokazuje kolejna animacja.

Rys. 5: Zagrożenie wynikające z montażu paneli dekompresyjnych na części cylindrycznej silosu

Animacja 1: Zasięg fali wybuchu

Patrząc na taki schemat instalacji, teoretycznie można by się zastanowić nad umieszczeniem paneli dekompresyjnych na dachu lewego silosu, a w przypadku prawego, na części cylindrycznej z prawej strony. Wówczas kierunek działania sił podczas odciążania wybuchu wyglądałby następująco:

Rys. 6: Teoretycznie możliwe rozmieszczenie paneli dekompresyjnych

Jednak czy takie rozwiązanie jest możliwe, zależy od budowy silosu. Przede wszystkim decydująca będzie jego smukłość (stosunek wysokości do średnicy H/D), która odpowie na pytanie, czy na dachu lewego silosu będzie odpowiednio dużo miejsca, aby zapewnić wystarczającą powierzchnię do zamontowania paneli dekompresyjnych.

Aby to określić, należy wykonać odpowiednie obliczenia. Wyniki takich przykładowych obliczeń pokazujemy poniżej dla silosów o tej samej objętości V = 1000 m3. Wykonano je dla pyłu o Kst = 150 bar m/sek, Pmax = 9 bar. Ważnym parametrem jest w tym wypadku założona odporność konstrukcyjna silosu Pstat = 0,5 bar g.

Tab. 1: Wpływ smukłości silosu na powierzchnię dekompresyjną

Jak widać, smukłość silosu jest kluczowa, gdyż wraz z jej wzrostem rośnie wymagana powierzchnia dekompresji, przy jednoczesnym zmniejszaniu się powierzchni dachu silosu, czyli powierzchni, na której mogą być zamontowane panele.

Dla silosów o smukłości powyżej 3 wymagana powierzchnia dekompresji jest na tyle duża (powyżej 50% powierzchni dachu), że zabezpieczenie silosu panelami dekompresyjnymi zamontowanymi na dachu raczej nie jest możliwe do wykonania. Takie rozwiązanie można zaliczyć do grupy średniego, a nawet w niektórych przypadkach, wysokiego ryzyka, również z powodu zagrożenia dla pracowników podczas okresowych przeglądów czy remontów. Należałoby więc rozważyć inne sposoby zabezpieczenia, jak np. bezpłomieniowe odciążenie wybuchu czy tłumienie wybuchu.

Problem 2: Silos umieszczony wewnątrz pomieszczenia (np. hali produkcyjnej czy magazynu)

Jeśli silos jest umieszczony wewnątrz pomieszczenia, blisko ściany zewnętrznej lub dachu, teoretycznie można się zastanowić nad zastosowaniem paneli dekompresyjnych wraz z kanałem odpowietrzającym.

Rys. 7: Zabudowa paneli dekompresyjnych kanałem odpowietrzającym

Rozwiązanie to jest możliwe tylko wtedy, kiedy wylot kanału odpowietrzającego na zewnątrz budynku nie będzie skierowany w żadne inne części instalacji, inne budynki, czy drogi. Jednak i w takim wypadku należy dokonać odpowiednich obliczeń, które pokażą opłacalność tego typu zabezpieczenia.

Poniżej pokazujemy przykład tego typu obliczeń dla silosów o różnej objętości. Wykonano je dla pyłu o Kst = 150 bar m/sek, Pmax = 9 bar. Założona odporność konstrukcyjna silosu Pstat = 0,4 bar g (odciążenia wybuchu bez kanału).

Tab. 2: Wpływ zabudowy silosu kanałem odciążającym na wytrzymałość konstrukcyjna silosu i wymaganą powierzchnię dekompresji

Aby dobrać odpowiednie zabezpieczenia silosu, wykonując stosowne obliczenia, można operować dwoma zmiennym: wymaganą powierzchnią dekompresji oraz wytrzymałością konstrukcyjną silosu. Wzrost jednego parametru powoduje spadek drugiego. To znaczy, że przykładowo jeśli pozwolimy ujść ciśnieniu z silosu na dużej powierzchni, możemy nie zwiększać wytrzymałości konstrukcyjnej silosu, gdyż zanim ciśnienie to zniszczy silos, to zdąży wydostać się na zewnątrz przez panele dekompresyjne.

Jednak w przypadku silosu znajdującego się wewnątrz pomieszczenia i konieczności stosowania kanałów dekompresyjnych, nie można dowolnie zwiększać powierzchni dekompresyjnej, gdyż musimy pamiętać, że uwolnione ciśnienie musi jeszcze przemieścić się przez odpowiednio długi i wytrzymały kanał, zanim zostanie wyrzucone na zewnątrz. W długich kanałach dekompresyjnych może dochodzić też do powstania wybuchu wtórnego, który byłby spowodowany podążaniem, wraz z ciśnieniem i ogniem, palących się i niespalonych cząstek. Taki wybuch mógłby się wręcz cofnąć do silosu.

Dlatego też wykonując obliczenia potrzebne do dobrania zabezpieczeń, często zdarza się, że przy montażu kanału dekompresyjnego, wymagane jest wręcz zmniejszenie powierzchni dekompresyjnej, a tym samym konieczność zwiększenia wytrzymałości konstrukcyjnej silosu – co zwykle bywa nieopłacalne z punktu widzenia finansowego.

W takim przypadku warto zastanowić się nad zastosowaniem bezpłomieniowego systemu odciążania wybuchu zamiast paneli dekompresyjnych. Różnice pomiędzy tymi systemami oraz zasady stosowania systemów bezpłomieniowego odciążania wybuchu, a także kolejną alternatywę w postaci tłumienia wybuchu, opisaliśmy szczegółowo w osobnym artykule https://www.hazex.eu/panele-dekompresyjne-a-bezplomieniowe-odciazanie-wybuchu-ktore-zabezpieczenie-wybrac/