Basisbegrippen en de explosievijfhoek - Solids Processing

Dit artikel is afkomstig uit Solids Processing Benelux www.solidsprocessing.nl © Vezor Media
VEILIGHEID
Arnold de Rouw
Explosievoorwaarden
Dit is het eerste artikel in een reeks over stofexplosies waarin u de
huidige kennis op dit terrein verzameld vindt. Randvoorwaarden
voor het ontstaan van explosies en de preventiemogelijkheden
alsmede regelgeving passeren de revue. Bovendien zal de stand
van zaken op het gebied van beveiligingsmethoden worden
besproken.
Waar mogelijk en zinvol leggen we een link naar een praktijksituatie.
We starten hier met de basisbegrippen rond stofexplosies,
waarna in de loop van dit jaar Atex-regelgeving, zone-indeling,
markering en de bespreking van een praktijksituatie aan bod
komen.
Explosiebeveiliging werd tot een aantal
decennia geleden veelal in verband gebracht
met gas- en dampexplosies. Het
beveiligen van installaties tegen stofexplosies
stond toen nog in de kinderschoenen.
En in de zeldzame gevallen dat er sprake
was van stofexplosiegevaar, werden de
bekende technieken van gasexplosiegevaar
gebruikt. Apparatuur, speciaal
ontwikkeld en gekeurd om stofexplosies te
voorkomen, was moeilijk of helemaal niet
te verkrijgen.
Met betrekking tot de explosiebeveiliging
Stofexplosies deel 1
Basisbegrippen en de explosievijfhoek
in het algemeen zijn in de achterliggende
decennia een groot aantal bestaande
technieken verbeterd. Ook zijn er nieuwe
technieken aan toegevoegd. Met de
komst van Atex werden de voorschriften
aangescherpt om bedrijven te dwingen
ook daadwerkelijk maatregelen te treffen
om stofexplosies te voorkomen.
Kleine voorvallen
Op veel plaatsen waar de kans op een
stofexplosie aanwezig is, zijn mensen zich
niet bewust van het aanwezige gevaar.
Iedereen kan
nog wel bedenken
dat hout-
en meelverwerkende
bedrijven
binnen de sector
vallen waar
de kans op een
stofexplosie levensgrootaanwezig
is. Maar
overal waar er
stof met lucht is
vermengd, bestaat
in principe
explosiegevaar.
Tot nu toe
kwamen niet
veel ernstige
incidenten in
de Benelux in
de openbaarheid.
Maar
de legio meer
er plaatsvonden, blijven bewust beperkt
tot een kleine kring direct betrokkenen.
De schade die ontstond was vaak klein en
alleen materieel van aard, zonder persoonlijk
letsel. Toch kan onachtzaamheid
wel degelijk leiden tot ernstige incidenten
met een grote impact. Iedereen ligt de
mijnramp in Chili, met een goede afloop,
nog vers in het geheugen. Ik vraag mij
dan altijd af hoeveel incidenten er aan
vooraf zijn gegaan? Deze zullen onder de
noemer ‘kleine’ incidenten vallen. De ondertoon
hiervan is wel dat we altijd attent
moeten blijven en het gevaar niet mogen
onderschatten. Kleine voorvallen vormen
een goede waarschuwing!
Explosiedriehoek
Met stofexplosies zijn of worden we bewust
of onbewust geconfronteerd. Wie kent
niet de demonstratie met melkpoeder. We
laten in een vlam melkpoeder neerdalen
met als gevolg een flinke steekvlam. Bewust
of misschien ook onbewust veroorzaken
we al een mini-stofexplosie. We voldoen
met deze eenvoudige proef al aan
de drie voorwaarden voor het ontstaan
van een explosie: brandbaar materiaal,
een ontstekingsbron en zuurstof. Voor gassen
zijn deze drie voorwaarden voldoende
om een explosie te veroorzaken.
In het schema van de explosievoorwaarden
worden de drie onderdelen, brandbaar
materiaal in de vorm van een stoflaag,
zuurstof en een ontstekingsbron van
de explosiedriehoek, weergegeven door
rode kaders en verbindingspijlen.
Stof is complexer
In tegenstelling tot gas dat zich gemakkelijk
met lucht vermengt tot een explosief
gas-lucht-mengsel ligt de zaak bij stof
iets complexer. Bij de handeling waar
we het melkpoeder in de vlam strooien
of erin blazen, ontstaat namelijk een niet
onbelangrijke voorwaarde voor een stofexplosie.
We vermengen het poeder met
de aanwezige lucht en zorgen op deze
manier voor voldoende zuurstof tussen de
poederdeeltjes, met een snelle ontbranding
als gevolg.
Als het poeder op een schoteltje ligt en
uit zal het gaan smeulen. Deze smeulende
resten vormen op zichzelf al een ontstekingsbron:
een beetje wind zorgt voor
de juiste stof-lucht-verhouding. We kunnen
wachten op een stofexplosie. Praktisch
gezien kan dit ook de situatie zijn die we
aantreffen in de industrie. Het stof zal zich
verzamelen op horizontale vlakken en hier
een stoflaag vormen. Openen we een
deur dan kan de tocht er toe leiden dat
het stof opdwarrelt en zich vermengt met
de ons omringende lucht. We hebben nu
de situatie zoals bij de beschreven proef.
Een vlam of een vonk van voldoende
energie zal een stofexplosie veroorzaken
met eventueel desastreuze gevolgen.
Opwervelend stof
Hiermee is nog een voorwaarde genoemd
die niet onbelangrijk is. We moeten
er namelijk voor zorgen dat er voldoende
zuurstof tussen de poederdeeltjes
aanwezig is. De juiste verhouding tussen
zuurstof en poederdeeltjes is belangrijk,
we komen hier later nog op terug bij de
behandeling van de explosiegrenzen.
Tussen stof en gas bestaat dus een belangrijk
verschil. Stof slaat neer op horizontale
oppervlakken en blijft liggen. Gas zal
zich afhankelijk van de soortelijke massa
vermengen met lucht en vrij snel niet meer
explosiegevaarlijk zijn. Bij opwervelend
stof ontstaat een explosieve stofwolk. Als
de oorzaak van het opwervelen weg is,
nieuwe luchtstroom
weer een explosieve
stofwolk ontstaan.
Stof kan dus steeds
opnieuw een explosief
stofmengsel
vormen, bij gas is dit
onmogelijk.
De vijfde factor die
van invloed is: opsluiting.
In de buitenlucht
zal nooit een stofexplosie ontstaan.
Het opgewaaide stof zal hooguit verbranden.
Stofexplosies kunnen wel voorkomen
in een gebouw, in een silo of in een mijn.
Dit zijn allemaal gebieden waar een drukopbouw
zal plaatsvinden in het geval van
een explosie. De drukopbouw die ontstaat,
zal binnen korte tijd toenemen tot
circa 10 bar. Normale silo’s of gebouwen
zijn voor deze drukopbouw niet geconstrueerd
en zullen het begeven.
Als we de explosiedriehoek uitbreiden met
deze twee voorwaarden dan ontstaat de
explosievijfhoek, in de figuur ‘Explosievoorwaarden’
weergegeven door de zwarte
kaders en verbindingspijlen. Met deze
explosievijfhoek zijn alle voorwaarden
voor het ontstaan van een stofexplosie
genoemd. Met behulp van deze kennis
kunnen we maatregelen treffen om stofexplosies
te voorkomen. Nemen we een
van deze voorwaarden weg of voldoen
we er niet aan, dan zal er geen stof-
om stofexplosies te voorkomen, zijn gebaseerd
op het elimineren van een van deze
voorwaarden. We komen hier later nog
uitgebreid op terug.
Brandbare stoffen
Welke stoffen komen in aanmerking?
Bijna alle stoffen als ze voldoende fijn zijn.
We denken hierbij aan een korrelgrootte
van 0,5 mm of kleiner. Voor poeders zoals
zaagsel, meel en kunststof hebben we
weinig verbeeldingskracht nodig om deze
stoffen te associëren met stofexplosies.
Een ogenschijnlijk onbrandbaar materiaal
als ijzer zal aan onze verbeeldingskracht
meer eisen stellen. Maar als ijzer voldoende
fijn is, vormt het ook een potentiële
gevarenbron voor een stofexplosie. In de
grafiek ‘stoffen’ is te zien dat stofexplosies
met metaal toch nog een aandeel van
tien procent hebben op het totaal aan
stofexplosies.
Elke stof heeft zijn specifieke eigenschap-
Solids Processing
Solids Processing
52 Nr. 2 - april 2011
incidenten die we steken dit aan, gebeurt er niets. Hoog-
daalt het stof weer neer en kan bij een explosie ontstaan. Alle bekende methoden pen die van belang zijn voor de explo-
Nr. 2 - april 2011 53
Stoffen
Siloschade door
stofexplosie
g

Solids Processing Benelux www.solidsprocessing.nl © Vezor Media
VEILIGHEID
Ontstekingsbronnen
Solids Processing 54 Nr. 2 - april 2011
siegevoeligheid. Een rijke bron van informatie
in dit kader is de Gestis stoffen
databank 1 ). Van ruim 4000 stoffen is alle
relevante informatie te vinden, zoals bijvoorbeeld
de minimum ontstekingsenergie
van een bepaalde stof, de explosiegrenzen
en soortelijke massa. Met welke
stoffen komen vaak explosies voor? Als we
de grafiek bekijken dan zien we dat hout
een zeer groot aandeel heeft namelijk
34 procent.
Niet onbelangrijk is ook het aandeel van
24 procent voor de graanverwerkende
industrie, de diervoederindustrie en
bakkerijen.
Ontstekingsbronnen
Bij stofexplosies onderscheiden we acht
mogelijke ontstekingsbronnen:
- Mechanische vonken, bijvoorbeeld bij
slijpwerkzaamheden
- Warme oppervlakten, bijvoorbeeld ontstaan
door overbelasting van motoren,
elektronica onderdelen die heet worden,
wrijving
- Statische elektriciteit, ontstaan door wrijving
- Open vuur, afkomstig van bijvoorbeeld
een aansteker, snijbrander of andere
verwarmingsbron
- Elektrische vonken, bijvoorbeeld ontstaan
bij laswerkzaamheden, lichtschakelaars
- Blikseminslag
- Zwerfstromen, ontstaan bij foutieve of
geen aarding van installaties.
- Elektromagnetische straling
Zoals te zien in de figuur ‘Ontstekingsbronnen’
worden de meeste explosies
veroorzaakt door mechanische vonken.
Hierboven noemden we al de mogelijke
slijpwerkzaamheden, maar dit is een bewuste
actie. Mechanische vonken kunnen
ook ontstaan door ronddraaiende
Basisbegrippen en de explosievijfhoek
onderdelen die elkaar raken zoals metaal
op metaal. Een voorbeeld is het snaarwiel
dat aanloopt tegen de beschermkap.
Elektrische apparaten hebben een klein
aandeel in het ontstaan van stofexplosies:
slechts vier procent. Opvallend, omdat
elektronica steeds verder doordringt in
allerlei installaties. We willen steeds meer
meten en kunnen controleren. Motoren,
kleppen, verlichting, enz. worden ook
veelvuldig toegepast: allemaal potentiële
ontstekingsbronnen. Het lage percentage
kan betekenen dat de beveiliging van
deze producten zich op een hoog niveau
bevindt. Een andere benadering kan zijn
dat we voorzichtiger met elektrische apparaten
omgaan. Dit onderscheid laat
zich waarschijnlijk verklaren door de lange
historie van meet- en regelapparatuur,
toegepast in een explosiegevaarlijk
Vergelijking stof met gas
gebied. De beoordeling van mechanische
onderdelen op hun explosieveiligheid is
dus van de laatste jaren.n
Het volgende artikel in deze reeks handelt
over de eigenschappen van stoffen, waaronder
onderste en bovenste explosiegrens,
gerelateerd aan de Atex-regelgeving.
1 ) Gestis databank voor stoffen:
http://biade.itrust.de/biade/lpext.d//
?f=templates&fn=main-h.htm
De grafieken hebben betrekking op de
Duitse markt
Filmpjes met stofexplosies:
http://wn.com/Dust_explosion
Arnold de Rouw is, naast sales-engineer bij
Pepperl+Fuchs, freelance trainer, auteur en
vertaler op het gebied van explosieveiligheid
In onderstaande tabel zijn een aantal verschillen tussen gas en stof samengevat. Een
korte toelichting op de tabel is hier op zijn plaats.
Bij stofexplosies kunnen we geconfronteerd worden met (een) primaire en secundaire
explosie(s). De primaire explosie is de eerste explosie die door de luchtverplaatsing
nieuw stof doet opwervelen en daarmee een tweede of zelfs een derde explosie
veroorzaakt.
Stof is zichtbaar en dus kunnen we het gevaar onderkennen, in tegenstelling tot gas.
Zeker als het gas geurloos is, dan ontstaat er acuut gevaar. Als we de verlichting in
een gebouw aandoen dan heeft de vonk die de schakelaar veroorzaakt al voldoende
energie om de zaak te laten exploderen.
De samenstelling van een stofwolk is niet homogeen. Dit betekent dat bij een stofwolk
de omstandigheden nooit gelijk zijn, zelfs niet binnen dezelfde stofwolk. Dit maakt het
ook moeilijk om kengetallen van stoffen te verkrijgen, zoals bijvoorbeeld de onderste
explosiegrens. Bij gassen zijn deze grenzen nauwkeurig vast te stellen.
Onderscheid in de benadering van stof ten opzichte van gas of damp
Stof Gas
Explosie Kettingreactie een (primaire) Totale verbranding van de gaswolk
explosie kan een nieuwe stofwolk
veroorzaken die ook weer
explodeert, secundaire explosie
Resten Onverbrande resten slaan weer Geen
neer en kunnen een nieuw gevaar
gaan vormen
Ventilatie Ongewenst, door opwervelend stof Toepasbaar, kan het explosiegevaar
kan het explosiegevaar toenemen verminderen
Accumulatie Stof hoopt zich op en kan opnieuw Gas zal zich verspreiden en de
een explosief mengsel gaan vorming van een nieuw explosief
vormen mengsel is uitgesloten
Visueel Stof is zichtbaar Gaswolken zijn onzichtbaar
Samenstelling Een stofwolk is niet homogeen Een gaswolk is altijd homogeen