Industriële processen en preventie van explosie- of brandrisico’s met industriële stofvangers

Veel industriële systemen gebruiken brandbare poederproducten of produceren brandbaar stof. De werking van deze productiesystemen brengt brand- en explosierisico’s met zich mee. Deze risico’s vloeien voort uit de kenmerken van de gebruikte producten en processen. Daarom verplicht de wetgeving inzake de veiligheid van werknemers en de bescherming van het milieu bedrijven om geschikte preventie- en beschermingsmiddelen te installeren. De meest gebruikelijke preventiemaatregel is het controleren van de suspensie van deeltjes en hun concentratie in de omgevingslucht of in apparatuur. Dit wordt bereikt door middel van afzuig- en filtratiesystemen die ontworpen zijn om stof uit processen te verwijderen.

Hoe ontstaat brand of een explosie bij het gebruik van producten in poedervorm of bij het vrijkomen van stof?

Sommige industriële activiteiten, vooral die waarbij poeders worden gebruikt, verspreiden stof in de lucht dat een explosie of brand kan veroorzaken. Ze genereren een wolk brandbaar stof die een explosieve atmosfeer vormt (ATEX). ATEX zal exploderen als aan de juiste voorwaarden wordt voldaan.

Een andere mogelijkheid is dat de stofwolk bezinkt. Het stof hoopt zich dan op in lagen op de apparatuur en de vloer van de werkplaats. Afhankelijk van de hitte van de apparatuur of de chemische samenstelling van de deeltjes, kan deze stofmassa zichzelf verhitten of pyrolyse veroorzaken, wat kan leiden tot brand of een explosie.

Hetoptreden van deze verschijnselen vereist specifieke omstandigheden, die we hieronder samenvatten (zie voor meer informatie de gedetailleerde ATEX-artikelen).

Hoe warmt stof zichzelf op en wat zijn de gevolgen?

De specifieke chemische samenstelling van sommige stofafzettingen kan een spontane exotherme chemische reactie uitlokken. En de omstandigheden van de afzetting kunnen een snellere warmteproductie veroorzaken dan de dissipatie ervan in de omgevingslucht. De temperatuur van de stoflaag stijgt dan, zonder dat er externe warmte aan het reactiesysteem wordt toegevoegd. Dit is zelfverhitting. De temperatuurstijging versnelt de reactiesnelheid en dus ook de warmtetoename. Aanvankelijk trage verwarming kan leiden tot gloeien of zelfontbranding. Afhankelijk van de omstandigheden in de lokale omgeving (aanwezigheid van materiaal dat gevoelig is voor warmtestromen, aanwezigheid van een wolk brandbaar stof, enz. Het fenomeen van zelfverhitting gaat dus vooraf aan brand en explosie.

Hoe werkt stofpyrolyse en wat zijn de gevolgen?

Pyrolyse verwijst naar de chemische ontbinding van een organisch product onder invloed van grote hitte en in de aanwezigheid van een zuurstofarme of zuurstofvrije atmosfeer.

Dezelfverhitting van een stofafzetting of de warmtestroom van een heet oppervlak waarop de stofafzetting zich bevindt, kan pyrolysegassen produceren in het zuurstofarme of zuurstofloze deel van de afzetting.

Deze gassen kunnen zich ophopen in de atmosfeer. Dethermische energie die de pyrolyse in gang heeft gezet, of een andere energiebron, kan deze gassen doen ontbranden. Afhankelijk van hun concentratie zal de ontsteking een brand of een explosie veroorzaken. Net als zelfverhitting is pyrolyse van stof een voorloper van brand of explosie.

Wat zijn de voorwaarden voor een stofbrand?

Een stofbrand ontstaat door de verbranding van brandbare gassen die vrijkomen bij de ontbinding van stof tijdens pyrolyse. Een brand ontstaat bij voldoende aanwezigheid van drie elementen: brandstof (gas), oxidator (zuurstof in de lucht) en activeringsenergie (hitte, vonk, externe vlam, enz.). De geleidelijke verspreiding van brandbare gassen, en vervolgens hun vermenging met de lucht, voedt de vlam van het vuur. De vlam genereert giftige rook en een warmtestroom die de brand helpt verspreiden. Straling van de hittestroom kan drukvaten of andere brandbare materialen doen exploderen.

Wat zijn de voorwaarden voor een stofexplosie?

Een explosie is de ogenblikkelijke verbranding, waarbij intense energie vrijkomt, van een explosieve atmosfeer (ATEX). Dit gaat gepaard met een dramatische toename van het volume, de temperatuur en de druk van de gassen in de ATEX.

Er zijn zes voorwaarden om een stofexplosie te veroorzaken. Drie daarvan zijn dezelfde als die welke een brand veroorzaken: de gelijktijdige aanwezigheid van lucht, stof en een ontstekingsbron. Drie versnellen de verbrandingsreactie: een granulometrische fijnheid waardoor het stof homogeen in de lucht zweeft, een stofconcentratie in de lucht die het explosieve bereik bereikt en voldoende opsluiting zodat de druk als verbrandingsversneller kan werken.

In gebouwen en bedrijfsapparatuur vormen zich stofexplosies (ATEX). De thermische en drukeffecten die door de explosie worden gegenereerd, vormen een bedreiging voor de werkomgeving en de persoonlijke veiligheid.

Wat is het verschil tussen een stofbrand en een stofexplosie?

De context waarin een explosie wordt veroorzaakt verschilt van die van een brand, ook al kan elk fenomeen tot het andere leiden.

Bij een explosie bestaat er al een mengsel van brandbare stof en lucht. De voorgemengde vlam verspreidt zich vanzelf en vormt een verbrandingsgolf.

Bij een brand levert de pyrolyse van stof de brandstof in de vorm van gas. Het is het pyrolysegas/luchtmengsel dat ontbrandt. En de diffusievlam blijft in stand zolang het stof hem voedt.

Omdat de reactanten bij een explosie voorgemengd zijn, is de energieopbrengst veel hoger dan bij een brand. Bij een brand bepaalt de snelheid waarmee brandbare gassen door het stof diffunderen en zich met de lucht vermengen de kinetiek van het fenomeen, die veel trager verloopt dan bij een explosie.

Overzicht van de regelgevende bepalingen die van toepassing zijn op branden en stofexplosies.

Explosies en branden veroorzaakt door stof hebben een impact op de veiligheid van werknemers en vernielen apparatuur op de werklocatie, met mogelijke gevolgen voor het milieu. Daarom bieden het arbeidswetboek en het milieuwetboek een kader voor de preventie van deze fenomenen. In veel gevallen is dit een omzetting van de Europese wetgeving. Dewerkgever moet ervoor zorgen dat de bedrijfsruimten en de preventie- en beschermingssystemen voldoen aan de voorschriften.

Wat brand betreft, regelt de Franse arbeidswetgeving de inrichting van gebouwen (implementatie van evacuatiemiddelen), de bescherming van werknemers (installatie van alarmen en brandblussers, enz.) en de preventie van ongevallen.

Met betrekking tot explosies verplicht de Franse arbeidswetgeving werkgevers om de risico’s in verband met ATEX (Explosieve Omgevingen) te beoordelen en specifieke maatregelen te nemen om explosiepreventie en de veiligheid en bescherming van werknemers in geval van een explosie te garanderen. De richtlijn omvat

• definitie van zones waar ATEX zou kunnen ontstaan (zie ATEX-zonering)
• organisatorische regelingen voor werknemers die blootstaan aan explosiegevaar
• apparatuur selecteren die in ATEX-zones kan werken
• ATEX zone bewegwijzering

Net als bij stofwolken identificeren de voorschriften lagen, afzettingen en hopen stof als bronnen van ATEX.

De milieuwetgeving heeft betrekking op branden en explosies voor wat betreft hun effecten op gebieden die grenzen aan ICPE’s (Installations Classées pour la Protection de l’Environnement). De ICPE-nomenclatuur classificeert deze installaties op basis van de gebruikte of geproduceerde stoffen en op basis van de gevaarlijke aard van de activiteiten. De nomenclatuur verwijst naar maatregelen die worden voorgeschreven door de Franse milieuwetgeving en Europese regelgeving (met name Seveso 3). De rubrieken definiëren ontvlambare stoffen (in het bijzonder ontvlambare vaste stoffen, ontvlambare producten) en explosieve producten die brand of explosies kunnen veroorzaken. Stof dat wordt gegenereerd door producten of activiteiten moet in deze nomenclatuur worden opgenomen.

Industriële processen en het risico op brand of explosie

Industriële processen waarbij brandbare poederproducten worden gebruikt, produceren onvermijdelijk wolken en afzettingen van stof. Er bestaat dus een risico op brand of explosie. De installatie van eenstofafzuigsysteem is een geprefereerde preventieve maatregel.

Processen voor productoverdracht en de risico’s van explosie en brand

De industrie gebruikt verschillende poederoverdrachtprocessen die zijn aangepast aan de bewegingsassen (horizontaal, verticaal, helling): transportbanden, kettingtransporteurs, Archimedes-schroeven, emmerliften, pneumatisch transport.

Bij pneumatisch transport, dat gebaseerd is op productdeeltjes die in lucht zweven, kan ATEX in de pijp ontstaan. Bij andere vormen van transport veroorzaken het storten van het product aan de ene kant van de apparatuur en het lossen aan de andere kant, of de trillingen van het transport, stofwolken. Als de apparatuur omsloten is, kan er ATEX ontstaan in en bij de laad- en lospunten. Als de apparatuur niet is afgesloten, loopt de hele ruimte ATEX-risico.

Door de afzetting van stof in de lucht ontstaat afzetting. Zelfs met een omkasting zal stof zich onder en rond het apparaat ophopen; de afdichting is nooit volledig. De regelgeving beschouwt stofafzetting als potentiële ATEX.

Gebeurtenissen zoals vastlopen en wrijving tussen mechanische onderdelen in verband met storingen in de apparatuur genereren warmte, wat een bron van ATEX-ontsteking kan zijn. Bij pneumatisch transport veroorzaakt snelle wrijving tussen deeltjes en de wanden van pijpen elektrostatische oplading van de deeltjes en de apparatuur. Een elektrostatische ontlading is vaak de oorzaak van een ATEX-explosie in dergelijke apparatuur. Tot slot kunnen schokken veroorzaakt door metalen of minerale elementen die vreemd zijn aan het proces een ATEX-ontsteking veroorzaken.

De ongevallenleer van transportprocessen rapporteert in het bijzonder: branden op transportbanden, explosies in liftbakken en in pneumatische leidingen.

Brand- en explosiepreventiemaatregelen omvatten :

• afzuiging van stofwolken op de valpunten en/of in het lichaam van de apparatuur via een stofafzuigsysteem,
• opzuigen van stofafzetting buiten het apparaat (ATEX stofzuiger),
• geaard om elektrostatische ontladingen te voorkomen,
• controle-instrumenten om abnormale wrijving en oververhitting te detecteren.
• Externe ontstekingsbronnen elimineren (hete plekken, werk, enz.)

Bescherming tegen brand en explosie omvat :

• ontkoppeling van apparatuur om verspreiding van vuur te voorkomen,
• Apparatuur uitrusten met ontluchters of drukverhogers om het explosiegevaar te verkleinen.

Opslagprocessen en de risico’s van explosie of brand

De volumes, de vorm van de containers (silo, big bag, enz.), de opslagtijd en de omstandigheden (temperatuur, vochtigheid, enz.) variëren afhankelijk van de activiteit.

Het vullen van een container met een poedervormig product kan een ATEX veroorzaken door deeltjes in de lucht van de container te laten zweven. Het vullen of vervoeren kan ook elektrostatische ladingen genereren die vrijkomen in het luchtruim van de container. Een elektrostatische ontlading kan vervolgens de ATEX ontsteken.

Wanneer je apparatuur voor productopslag en -transport aan elkaar koppelt, is de doorgang tussen de eenheden nooit helemaal waterdicht. Na verloop van tijd ontstaat er aanslag. De resuspensie van deze afzettingen kan een ATEX vormen.

De massa-opslag van een poeder kan zelfverhitting van de stof veroorzaken. Dit kan leiden tot verbranding in de vorm van een brand of smeulbrand, die op zijn beurt een nabijgelegen ATEX kan ontsteken. Uit de ongevallenleer van opslagprocessen blijkt dat zelfverhitting meer dan 80% van de branden en minder dan 10% van de explosies veroorzaakt.

De preventieve acties zijn :

• Zuig stof af op het moment van vullen, zo dicht mogelijk bij het uitstroompunt, met behulp van een stofafzuigsysteem
• de opslagtemperatuur onder de kritieke temperatuur houden of het opslagvolume aanpassen aan de plaatselijke temperatuursomstandigheden;
• verbieden luchtinlaten op de bodem van de opslag om verbranding te beperken,
• apparatuur gebruiken om CO (indicator van te weinig zuurstof in de verbranding) en temperatuurstijgingen te detecteren (thermische sonde, infraroodcamera).

De beschermingsmaatregelen omvatten :

• de container inert maken om de verbranding te stoppen,
• deinstallatie van ventilatieopeningen om de drukopbouw te stoppen en de opslagstructuur te beschermen.

Versnipperingsprocessen en explosie- of brandgevaar.

Er zijn drie belangrijke maalprocessen:

• Malen comprimeert producten met een grove deeltjesgrootte.
• Luchtstraalmalen en wrijvingsmalen breken de productkorrels in verschillende deeltjes door botsing. De korrelgrootte van het product zorgt ervoor dat het door een luchtstroom kan worden gedragen.

De laatste twee processen verdunnen het poedervormige product zodanig in de lucht dat er geen ATEX-risico is. Aan de andere kant genereert breken fijnstof in de lucht. Er is dus een permanent ATEX-risico in de shredder.

Het malen verhit het product. Soms moet het gekoeld worden om zelfontbranding te voorkomen, vooral als het gemakkelijk oxideerbaar is. Vreemde deeltjes, die beter bestand zijn tegen pletten, kunnen de wrijving en dus de temperatuur van naburige deeltjes verhogen, wat kan leiden tot productbrand. Ze kunnen ook vonken veroorzaken met voldoende energie om de ATEX te ontsteken en een explosie te veroorzaken.

Preventiemiddelen :

• installeer een stofafzuigsysteem om de fijne deeltjes op te vangen;
• Vermalen in een inerte atmosfeer van producten die ontbranden bij lage temperatuur of met lage activeringsenergie (10 tot 100 mJ);
• de verwarming beperken en voorkomen dat vreemde voorwerpen aan de procesingang worden toegevoegd (zeven, metaaldetectie, enz.);
• meet de temperatuur en detecteert gloeiende deeltjes bij de uitlaat van de molen

Beschermingsmaatregelen :

• gebruik een explosieveilige ATEX-hakselaar;
• het stofverwijderingssysteem loskoppelen van de trechter waarin het versnipperde materiaal terechtkomt;

Mengproces: explosie- en brandgevaar

Mengen kan plaatsvinden tussen vaste stoffen (droog mengen) of tussen vaste stoffen en vloeistoffen (mengen in de vloeistoffase). Mengen brengt brand- of explosiegevaar met zich mee als een van de producten ontvlambaar is.

Droog mengen: alle poedervormige stoffen worden ingebracht voordat het proces begint. Door de menger te vullen en vervolgens de producten te mengen, ontstaat een wolk van fijne deeltjes. Bij beide bewerkingen is er kans op ATEX als een stof brandbaar is. Dit is het geval in de vultrechter en in de mengkop.

De productstroom door de menger kan de vaste deeltjes elektrisch opladen. Er kan een elektrostatische ontlading ontstaan, waardoor de poederwolk ontbrandt. Dit fenomeen kan zich voordoen in de mixerkop of in de toevoertrechter.

Bij mengen door homogenisatie in de vloeistoffase worden de vaste producten vóór de vloeistoffen gebracht, of omgekeerd. In beide gevallen brengt het inbrengen van het poeder de hierboven beschreven risico’s met zich mee. De ingebrachte vloeistof kan de eigenschap hebben om te ontbranden bij een temperatuur onder de omgevingstemperatuur (bijv. oplosmiddel). Er ontstaat een ATEX-damp in de menger.

In het geval van een vloeibaar mengsel dat brandbare dampen produceert, is de eerste preventieve maatregel om de menger inert te maken voordat het poedervormige product wordt ingevoerd.

Zelfs bij inertisering, met het luik open, vormt de toevoertrechter een ATEX wanneer het brandbare poeder erin wordt gegoten. Het afvangen van de stofwolk bij de bron (Pouyes-ringtype) is het preventiemiddel dat beide mengprocessen gemeen hebben.

De trechter kan worden vervangen door een inerte luchtsluis voordat het product wordt gevuld en opnieuw daarna, voordat het product in de tank wordt gebracht. Tot slot kan het vullen en inert maken worden geautomatiseerd met een luchtsluis voorzien van automatische kleppen.

Mechanische oppervlaktebehandelingsprocessen: explosie- en industriële risico’s.

Beitsen, stralen, polijsten, zandstralen… ze produceren allemaal een andere oppervlakteafwerking, maar ze zijn allemaal het resultaat van de projectie van schurende korrels, over het algemeen met behulp van een gecomprimeerde straal. Deze korrels scheuren fijne deeltjes van het te behandelen oppervlak af terwijl ze onder de impact splijten. De fijnste deeltjes blijven in de lucht zweven.

Het proces vindt plaats in een afgesloten ruimte. Als het oppervlak of het behandelingsmateriaal brandbaar is, kan de fijnstofwolk ATEX vormen in de omkasting. Vandaar het explosiegevaar. Een trechter verzamelt de zwaarste korrels. Als de hitte van de impact op het oppervlak wordt vastgehouden in de korrels, zal hun ophoping in de trechter leiden tot zelfverhitting, met brandgevaar.

Preventie bestaat uit het installeren van een afzuigsysteem dat is aangesloten op een industriële stofafscheider die de behuizing op een lage druk houdt en de wolk van fijne deeltjes opvangt; het aanbrengen van een vonkdetector op het afzuigsysteem.

Oppervlaktecoatingprocessen en explosie- en brandrisico’s.

Bij sommige coatingprocessen worden vaste poederproducten gebruikt. Hierbij wordt het product in een straal perslucht gesuspendeerd en op het te behandelen oppervlak gespoten. Deze bewerking wordt uitgevoerd in een speciale cabine. De bewerking wordt meestal gevolgd door het uitharden van de coatinglaag.

Afhankelijk van het gespoten product bestaat het proces uit verven (smeltbaar of polymeriseerbaar organisch poeder), flocken (vezelig organisch poeder) of metalliseren door warm spuiten of scheppen (aluminium-, zink- of koperpoeder).

Een deel van de spray komt niet op het oppervlak terecht en verspreidt zich in de lucht. ATEX vormt zich voornamelijk in de spuitkegel. Om de efficiëntie te verbeteren, geeft het spuitpistool de poederkorrels een elektrische lading tegengesteld aan die van het te behandelen oppervlak. De elektrostatische kracht trekt ze aan naar het te coaten oppervlak. Na een storing kan een elektrostatische ontlading optreden tussen de elektroden van het spuitpistool en de apparatuur of het te behandelen oppervlak. Het explosiegevaar is groter naarmate de korrelgrootte fijner is. De explosie kan brand veroorzaken. Bovendien kan het voorverwarmen van het te behandelen oppervlak en de nabijheid van de uithardingsoven leiden tot ontsteking van het product.

De brand- en explosiepreventiemaatregelen voor poedercoating zijn als volgt:

• bronafzuiging met een stofafscheider,
• gebruik van pistolen die zijn aangepast aan de minimale ontstekingsenergie van het kruit,
• detectie van vlammen in de cabine.