|

Bescherming tegen metaalstofexplosie: wat managers van chemische fabrieken moeten weten

Door Jérôme Taveau, wetenschappelijk adviseur bij Fike Corporation 

Abstract:

Stofexplosies zijn een bekend gevaar bij chemische verwerking, en metaalstof vormt een uniek gevaar. Lees waarom deze zorg steeds urgenter wordt en welke stappen regelgevende instanties in de branche en technologieleiders nemen om risicobeperking te verbeteren.

Industriële explosies zijn misschien relatief zeldzaam, maar de daaraan verbonden menselijke, milieu- en bedrijfskosten zijn onaanvaardbaar. Chemische fabrieken die brandbaar stof verwerken, zijn vatbaar voor explosieve situaties, dus er moeten proactieve maatregelen worden genomen om de risico's te vermijden en te verminderen. Metaalstof is een bron van zorg vanwege hun bijzondere verbrandingseigenschappen.

Veel chemische fabrieken gebruiken metalen vanwege hun uitzonderlijke mechanische, optische en katalytische eigenschappen. Metalen komen in de samenstelling van kunststoffen, rubber, vezels, verven, coatings, inkten, pesticiden, wasmiddelen en zelfs medicijnen; ze worden gebruikt voor de katalyse van belangrijke chemische reacties (Grignard, Claus, Haber en Fisher-Tropsch), en worden onderzocht als een mogelijk schoon alternatief voor fossiele brandstoffen.

Deze installaties zijn vatbaar voor explosiegevaar door het hanteren, verwerken en opslaan van metaalstof dat brandbare stofwolken en stofophoping kan veroorzaken. Mogelijke ontstekingsbronnen zijn onder meer elektrostatische ontladingen, elektrische apparatuur, hete oppervlakken en open vuur. Bij de gevaarlijkste processen zijn de kleinere deeltjes betrokken, die het meest ontvlambaar en reactief zijn.

In dit artikel wordt onderzocht waarom en hoe chemische fabrieken die met metaalstof omgaan, passende voorzorgsmaatregelen moeten nemen om een deflagratie te verminderen. Het zal betrekking hebben op:

  • Speciale gevaren van metaalstof
  • Het groeiend aantal explosies met metaalstof
  • Regelgevende begeleiding en naleving
  • Hoe effectieve oplossingen worden ontwikkeld
  • Een oplossingspartner vinden
  • Toekomstige ontwikkelingen in de beoordeling van explosierisico's

Wat maakt metaalstof uniek?

Metalen verschillen van organische brandstoffen door hun chemische en fysische aard. Metaalstof vereist doorgaans een lagere hoeveelheid energie om te ontsteken (ultrafijne deeltjes kunnen zelfs vatbaar zijn voor spontane verbranding wanneer ze in contact komen met de lucht), en ze hebben een hogere energetische inhoud (dwz er komt meer warmte vrij in het geval van brand). of een deflagratie). Deze twee kenmerken bemoeilijken het voorkomen en verminderen van deflagraties van metaalstof.

Deflagratie van metaalstof gaat doorgaans gepaard met ernstigere gevolgen in termen van menselijk verlies en financiële gevolgen. Vooral aluminiumstofontploffingen veroorzaken hoge temperaturen en verhoogde explosiedrukken die ernstige brandwonden en zware schade kunnen veroorzaken. Metaalstof kan ook reageren met water om waterstof te produceren en een zeer reactief hybride gas-stofmengsel te creëren.

De frequentie en ernst van incidenten baart zorgen

Metaalstof is de afgelopen jaren bij meer explosies betrokken geweest vanwege het toegenomen gebruik ervan en het gebrek aan bewustzijn van hun specifieke gevaren.

“Naarmate de technologie vordert en naarmate verwerkingsapparatuur en procesontwerpen steeds efficiënter worden, zijn fabrikanten in staat om in veel minder tijd een veel ingewikkelder en afgewerkt product te produceren. Dit resulteert er uiteindelijk in dat er meer stof wordt geproduceerd in meer gebieden en dat er extra stof moet worden verzameld ”, legt Rick Seidel, Explosion Systems Sales en Division Manager bij Suppression Systems, uit. "Het toegenomen aantal stofopvanggebieden in combinatie met meer bronnen van fijn stof die worden gegenereerd, vergroot vervolgens het aantal gebieden en vaten dat vatbaar kan zijn voor een verstoorde toestand."

Het is opmerkelijk dat bij de laatste drie van de vier onderzoeken naar brandbaar stof van de Raad voor de Chemische Veiligheid (CSB) metaalstof (ijzer, titanium / zirkonium en aluminium) was betrokken. Deflagraties van metaalstof zijn ook regelmatig gemeld in Europa, Japan en China. De laatste ontploffing van aluminiumstof die plaatsvond in Kunshan, in de provincie Jiangsu, eiste het leven van 146 mensen. Statistisch gezien vinden de meeste explosies plaats in stofcollectoren omdat ze de kleinste deeltjes concentreren.

2 m3 testen met geventileerde vaten uitgevoerd met maïszetmeel, ijzer en aluminium

Test met ontluchting van 2 m3 vat met maizena

2 m3 vat geventileerde test met maïszetmeel

2 m3 tank ontluchte test met ijzer

2 m3 vat geventileerde test met ijzer

2-m3 tankontluchtingstest met aluminium

2 m3 vat geventileerde test met aluminium

Figuur 1: Eigenschappen van geselecteerd metaalstof vergeleken met koolstof (Eckhoff, 2003; NFPA 484, 2015)

ElementOxidatieproductenVerbrandingswarmte (kJ / mol O2)Maximale adiabatische vlamtemperatuur (˚C)Ontploffingsindex
AlAl2O31.1003.790St3
MgMgO1.2403.340St3
SiSiO28302.970St2
ZnZnO7001.800St1
FeFe2O35302.220St1
CCO24001.500St1

Waardevolle veiligheidsrichtlijnen komen beschikbaar

De gevaren van stofexplosies moeten worden beoordeeld en beheerst om personeel, apparatuur en faciliteiten te beschermen. Door de grotere risico's en het groeiend aantal incidenten worden de normen steeds strenger voor installaties die met metaalstof omgaan.

In de VS worden de preventie en bescherming van stofexplosies behandeld in NFPA 68 "Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting" en NFPA 69 "Standard on Explosion Prevention Systems." De NFPA 484 "Standaard voor brandbare metalen" heeft daarentegen specifiek betrekking op processen waarbij metaalstof wordt verwerkt om het optreden van en de daaruit voortvloeiende schade door brand of explosie te minimaliseren.

De NFPA 484-norm vereist dat stofafscheiders worden beschermd tegen ontploffing en dat leidingen worden uitgerust met explosie-isolatieapparatuur om verspreiding van ontploffing tussen verbonden processen te voorkomen. Het beveelt verder aan om het ontwerp van het explosiebeveiligingssysteem te baseren op de geteste stofeigenschappen, procesomstandigheden en apparatuurgrootte, en te rechtvaardigen dat het systeem geschikt is voor de gevaren van metaalstof met experimenteel bewijs.

"Helaas heeft de industrie lang gedacht dat er niets was dat gedaan kon worden om zich tegen een dergelijk scenario te beschermen, dus in plaats daarvan richtten veel fabrieken hun nalevingsbronnen op elders", zegt Seidel. "Ze gaan meestal alleen terug naar problemen met brandbaar stof wanneer ze daartoe gedwongen worden, hetzij vanwege een bijna-ongeval, een audit die de focus hernieuwt, of een gebeurtenis die materiële schade, vernietiging, lichamelijk letsel of de dood veroorzaakt."

Figuur 3: Schade na een ontploffing van aluminiumstof: stofafscheider (linker foto), drop box (midden foto) en interieur van de faciliteit (rechter foto) (Raad voor Chemische Veiligheid, 2005)

Schade na een deflagratie van aluminiumstof: stofafscheider (Raad voor Chemische Veiligheid, 2005)

Schade na een ontploffing van aluminiumstof: stofafscheider

Schade na een deflagratie van aluminiumstof: drop box (Raad voor Chemische Veiligheid, 2005)

Schade na een ontploffing met aluminium stof: Drop Box (Raad voor Chemische Veiligheid, 2005)

Schade na een deflagratie van aluminiumstof: binnenkant van de faciliteit (Raad voor Chemische Veiligheid, 2005)

Schade na een ontploffing met aluminiumstof: interieur van de faciliteit (Raad voor chemische veiligheid, 2005)

Effectieve oplossingen komen voort uit testen op grote schaal

Er is vooruitgang geboekt in onderzoek en technologie op het gebied van explosiebeveiliging, en sommige fabrikanten bieden nu effectieve beschermingssystemen tegen metaalstofrisico's, zegt Seidel. “De sleutel voor een gebruiker is het identificeren van het gevaar zelf, het specifieke stof laten testen om precies te weten waartoe het in staat is en hoe het zich zal gedragen bij een deflagratie, en dan, het allerbelangrijkste, het doorgeven van die informatie aan een deskundige bron om ervoor te zorgen dat de beschikbare technologie correct wordt toegepast op het specifieke gevaar voor metaalstof. "

Het hoge energetische gehalte van metaalstof vormt een belangrijke uitdaging voor conventionele explosiebeveiligingssystemen in termen van robuustheid en reactietijd. Grootschalige testen zijn essentieel om inzicht te krijgen in de gevaren van metaalstof en om explosiebeveiligingsoplossingen aan te passen aan elk specifiek geval. Hieronder volgen de meest gebruikelijke methoden om deflagratie van metaalstof te verminderen.

1. Ontluchting

Ontluchting door explosies is de eenvoudigste en geprefereerde benadering voor de bescherming tegen stofontploffing. Het zorgt ervoor dat de druk die tijdens een deflagratie wordt ontwikkeld, veilig in de omgeving wordt afgegeven, waardoor wordt voorkomen dat de procesomhulling wordt beschadigd of vernietigd.

De belangrijkste kenmerken van een geschikt explosieontluchtingspaneel voor metaalstoftoepassingen zijn:

  • Lage en betrouwbare statische barstdruk, om ervoor te zorgen dat de ventilatieopening in de vroege stadia van de deflagratie wordt geopend
  • Snelle opening, om de overdruk die door de deflagratie ontstaat snel af te voeren
  • Sterk ontwerp om fragmentatie van het paneel tijdens het ontluchtingsproces te voorkomen

Deze kenmerken kunnen alleen volledig worden gevalideerd door grootschalige testen onder realistische deflagratieomstandigheden.

Als onderdeel van een lopend onderzoeksprogramma voerde Fike Corporation onlangs ontluchtingsproeven uit in een 2-m3 vat met organisch en metaalstof (ijzer, silicium, aluminium). Er werden vergelijkingen gemaakt met NFPA 68-voorspellingen voor de ontluchtingsvergelijking en geven aan dat metaalstof een eigenaardig gedrag vertoont in vergelijking met organisch stof.

Terwijl ontluchting de beheersing van de explosiedruk mogelijk maakt, kan het grote vuurballen genereren en secundaire explosiegevaren veroorzaken. Tests uitgevoerd door het Health and Safety Laboratory (HSL, VK) met aluminiumstof toonden aan dat zeer intense thermische stralingsniveaus kunnen worden bereikt buiten de beschermde behuizing. Extra veiligheidsafstand is vereist om personeel te beschermen tegen de secundaire effecten van metaalstofvervuiling.

2. Onderdrukking

Explosieonderdrukking is het proces van het beheersen van deflagraties, voornamelijk door het absorberen van de energie die wordt geproduceerd door de verbrandingsreactie. Een explosieonderdrukkingssysteem bestaat doorgaans uit een druksensor, een bedieningspaneel en een ontladingsonderdrukker met hoge snelheid (HRD). Na detectie van de drukgolven die door de deflagratie worden uitgezonden, wordt een onderdrukkende ontlading geïnitieerd om de vuurbal te doven door de temperatuur van het brandbare stof te verlagen.

Onderdrukking werd over het algemeen als zeer moeilijk beschouwd voor metaalstof. Om de juiste richtlijnen vast te stellen, heeft Fike Corporation specifieke tests uitgevoerd in zijn 1-m3 schip, en gaf ook opdracht aan een extern laboratorium (FSA) in Duitsland om de schaalbaarheid van onderdrukking in grotere schepen te bestuderen. Een lage activeringsdruk, in combinatie met een verhoogde concentratie van het onderdrukkingsmiddel, heeft bewezen de vuurbal in het beginstadium met succes te blussen.

3. Isolatie

Explosie-isolatie wordt gebruikt om te voorkomen dat druk en / of vlamverspreiding van het ene apparaat naar andere delen van het proces. Isolatie is echter moeilijk te bereiken wanneer zowel de vlamsnelheid als de explosiedruk hoog zijn, zoals kenmerkend is voor metaalstof.

Isolatie kan worden bereikt met mechanische systemen die de doorgang van vlammen fysiek onderbreken of blokkeren, en met onderdrukkingsmethoden die de aankomende vlam doven en ontbranding van de onverbrande brandstof voorkomen. De plaatsing van het isolatiesysteem is een belangrijk aspect, aangezien het niet te ver van of te dicht bij de aanvankelijke deflagratie moet worden geplaatst om deze te kunnen stoppen.

Twee isolatietests die in de wetenschappelijke literatuur worden gerapporteerd, onthullen de uitdagingen van metaalstof. Eén studie toonde aan dat vlammen twee keer sneller zijn bij het testen van aluminium in vergelijking met maïszetmeel, terwijl de druk met meer dan een factor 10 wordt verhoogd. Een andere studie concludeerde dat stof (3 organische en 1 metallische) met vergelijkbare deflagratie-indexwaarden of KSt niet wordt weergegeven. soortgelijk gedrag bij voortplanting door kanalen met een veel hogere druk gemeten voor het metaalstof.

Om deze zwaardere omstandigheden aan te pakken, voerde Fike Corporation grootschalige tests uit en ontwikkelde specifieke richtlijnen met mechanische en chemische isolatieapparatuur die in combinatie werden gebruikt. Mechanische blokken kunnen ook alleen worden gebruikt onder minder zware omstandigheden, bijvoorbeeld buizen met een kleinere diameter. Fike Corporation heeft ook het unieke vermogen om op grote schaal de toepassing van explosiebeveiligingsoplossingen op specifieke klantomstandigheden te valideren, door ontluchting of onderdrukking en explosie-isolatieontwerpen te combineren.

Ervaring is belangrijk

Nauwkeurige kennis van de stofexplosibiliteitsparameters is essentieel om het gevaar goed te karakteriseren en om een geschikte oplossing voor explosiebeveiliging voor te stellen. Het is bekend dat het type metaal, de deeltjesgrootte en vorm en de mate van oxidatie een significante invloed hebben op deze eigenschappen.

Door de jaren heen heeft Fike Corporation gewerkt aan vele industriële processen voor het omgaan met metaalstof, en verschillende experimentele campagnes uitgevoerd die waren gericht op de schaalbaarheid van explosie, ontluchting, onderdrukking en isolatie van metaalstof. De resultaten zijn gedeeld met normalisatiecomités en de wetenschappelijke gemeenschap om de specifieke gevaren van metaalstof en de efficiënte manieren om deze risico's te verminderen, te communiceren. Fike Corporation blijft in dit gebied investeren om expertise te ontwikkelen en klanten te helpen hun processen te beschermen tegen catastrofale verliezen.

Figuur 2: Verbranding van maïszetmeel, ijzer en aluminiumstof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

verbranding maïszetmeel in Hartmann buis (Fike Corporation)

Verbranding van maïszetmeelstof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

Verbranding van ijzer, stof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

Verbranding van ijzerstof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

Verbranding van aluminiumstof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

Verbranding van aluminiumstof in een Hartmann-buis (Fike Corporation)

Toekomstige ontwikkelingen op het gebied van risicoanalyse en bescherming van metaalstofexplosies

De extreme ernst van deflagraties van metaalstof en de toenemende prevalentie ervan in de chemische verwerkingsindustrie zal leiden tot verfijningen in de beoordeling, preventie en bescherming van explosierisico's. "Er zijn nieuwe methodologieën nodig om beter rekening te houden met de procesomstandigheden die van invloed kunnen zijn op de ernst van een stofontploffing en dus het ontwerp van explosiepreventie- en beveiligingssystemen kunnen beïnvloeden", zegt Jef Snoeys, directeur Onderzoek en Academie bij Fike Corporation.

Technologische ontwikkelingen zijn aannemelijk, zoals systemen met snellere reactietijden en beter bestand tegen hoge temperaturen en drukken. Ook worden combinaties van verschillende explosiebeveiligingstechnieken overwogen. Er wordt ook gewerkt aan een beter begrip van de relatie tussen stofconcentratie, turbulentie-intensiteit en explosiegevaar.

Dankzij de voortdurende verbetering van de verwerkingskracht van de computer is commerciële software betrouwbaarder geworden in het simuleren van echte procesomstandigheden en het voorspellen van de effecten van stofvervuiling in complexe geometrieën. Dit opent nieuwe deuren voor het ontwerpen van op maat gemaakte explosiepreventie- en beveiligingssystemen.

Ook door managers van chemische fabrieken moet meer aandacht worden besteed aan de risico's. “Hoewel het waar is dat stofexplosies zeer zeldzaam zijn en een precieze mix van ingrediënten vereist is, is een geschiedenis van stilte geen garantie voor een toekomst zonder lawaai - en helaas is dit de 'strategie' die veel faciliteiten gebruiken in veel gevallen onbewust, ”zegt Seidel. Dit is de tijd voor koerscorrectie.

Referenties

  • Raad voor chemische veiligheid, 2005. Onderzoeksrapport, aluminiumstofexplosie, Hayes Lemmerz International, Inc., Huntington, IN. Rapport nr. 2004-01-I-IN: http://www.csb.gov/hayes-lemmerz-dust-explosions-and-fire/
  • Raad voor chemische veiligheid, 2006. Onderzoek naar gevaar voor brandbaar stof. Rapport nr. 2006-H-1: http://www.csb.gov/combustible-dust-hazard-investigation/
  • Raad voor chemische veiligheid, 2012. Hoeganaes Corporation: Gallatin, TN, Metaalstofvlambranden en waterstofexplosie. Rapport nr. 2011-4-I-TN: http://www.csb.gov/hoeganaes-corporation-fatal-flash-fires/
  • Raad voor chemische veiligheid, 2014. AL Solutions, Inc., New Cumberland, WV, Metaalstofexplosie en brand. Rapport nr. 2011-3-I-WV: http://www.csb.gov/al-solutions-fatal-dust-explosion/
  • Going, JE & Snoeys, J., 2002. Explosiebeveiliging met brandstoffen met metaalstof. Procesveiligheidsvooruitgang, Volume 21, 305-312: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/prs.680210407/abstract
  • Taveau, JR, Vingerhoets, J., Snoeys, J., Going, JE, Farrell, TM, 2013. Explosiebeveiliging met metaalstofbrandstoffen: nieuw experimenteel bewijs. In: 7th International Seminar on Fire and Explosion Hazards, 820-829: http://rpsonline.com.sg/proceedings/9789810759360/html/035.xml
  • Taveau, J., 2014. Combustible metal dusts: a particular class. Mary Kay O’Connor Process Safety Center, 17th Annual International Symposium, College Station, USA, 594-606: http://pscfiles.tamu.edu/symposia/2014/abstracts/053_Jerome%20Taveau.pdf
  • Taveau, JR, Vingerhoets, J., Snoeys, J., Going, JE, Farrell, TM, 2015. Onderdrukking van deflagraties van metaalstof. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, jaargang 36, 244-251: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950423015000571

Hulp nodig
0032 14 21 00 31

Dutch
English Portuguese Spanish Dutch