Bezpečnost při nakládání s gumovým prachem, pneumatikami a jejich recyklací

Část III.

Část III.

Prevence – předcházení požáru či jiné havárii

Ideální situací je ta, kdy se podaří vytvořit takové podmínky, aby k požárům a haváriím vůbec nedocházelo. Každé výrobní či skladovací zařízení má zpracovanou dokumentaci v podobě provozního řádu a provozního deníku. Obecně je při práci s pneumatikami postupovat obezřetně. Následné nápravné opatření komplikuje také skutečnost, že významné procento případů zůstává z hlediska příčiny, úmyslu či zavinění nedošetřeno.

Mezi základní preventivní opatření patří například:

• stanovení rozsahu a vhodné umístění ploch pro skladování pneumatik,
• určení limitů pro maximální skladované množství pneumatik, včetně podrobné specifikace jejich ukládání na jednotlivých plochách, vzhledem k dobré přístupnosti při případném zásahu,
• dodržení bezpečných vzdáleností mezi pneumatikami a hořlavými materiály či okolní vegetací,
• vytvoření nepřetržitě přístupných požárních cest,
• stanovení pravidel vstupu do objektu a chování se v objektu (manipulace s ohněm, zákaz vstupu nepovolaných osob atd.),
• zajištění kontroly při příjmu pneumatik,
• dobrá dostupnost zdrojů vody pro případný zásah a
• zabezpečení celého objektu před vstupem cizích osob (Rings of fire, 2012).

Pokud se na gumový prach podíváme z pohledu protipožární a protivýbuchové prevence, je nutno definovat základní požárně technické charakteristiky. Tyto je třeba experimentálně stanovit nebo vypočítat. Obvykle se testují tyto:

• spodní mez výbušnosti,
• maximální výbuchový tlak, maximální rychlost nárůstu tlaku a výbuchová konstanta KSt,
• minimální iniciační energie,
• teplota vzplanutí, vznícení a žhnutí usazeného prachu,
• teplota vznícení rozvířeného prachu,
• stanovení náchylnosti k samovznícení a
• limitní obsah kyslíku.

Zjišťování požárně technických charakteristik

Prachové materiály nejsou velmi často, ale chybně, považovány za objekt patřičného zájmu, na rozdíl od plynů a kapalin, je řada charakteristik špatně dohledatelná v odborné literatuře. Často jsou hodnoty uvedené pouze ve větších intervalech a spíše informativního charakteru. Pro potřebu skutečně zásadních opatření nejsou zcela použitelné. Charakter hořlavých a výbušných prachů a jejich bezpečnostní parametry závisí vždy na konkrétní aplikaci, výrobní či provozní technologii a na způsobu, jak je s materiálem manipulováno (skladování, obrábění kovů, energetika, průmysl zpracování dřeva, průmysl plastů a pryže, zpracování odpadů apod.).

Nejspolehlivější a nejjednoznačnější způsob, jak získat adekvátní informace o výbušnosti a hořlavosti daného prachu, je odběr vzorku z konkrétní aplikace, resp. technologie. Následně je nutné experimentální ověření jejich vlastností v akreditované laboratoři a popsání výsledků zkoušek pomocí požárně-technické charakteristiky v souladu s příslušnou vyhláškou č. 246/2001 Sb.

Při experimentálním získávání bezpečnostních parametrů v akreditované laboratoři se postupuje dle platných norem nebo interních a oborových zkušebních postupů, které jsou akreditovány. Rozsah zkoušek je nutné stanovit ve spolupráci s příslušnou laboratoří, aby mohly být co nejpřesněji stanoveny požárně technické charakteristiky materiálu.

Výbušnost prachů

Nepříjemnou skutečností je, že gumový prach, stejně jako řada dalších (často zmiňované jsou jemné plastové, ale i přírodního původu jako např. obilný prach, škroby a mouky, dřevěný a korkový prach a jiné), je velmi náchylný k tvorbě elektrostatického náboje a má nízké dolní meze výbušnosti.

Na výbušnost prachů má podstatný vliv velikost a charakter částic, resp. i distribuce těchto hodnot. Látka, která je v kompaktním stavu a za normálních podmínek nehořlavá nebo obtížně zapalitelná, se ve formě prachu ochotně vznítí a velice dobře hoří, případně vybuchuje. S ohledem na uvedené využití se stává tento případ nevítaným katalyzátorem problému.

Ilustrační obr. (zdroj: autor)

Stanovení dolní meze výbušnosti

Dolní mez výbušnosti je nejnižší koncentrace směsi hořlavého prachu se vzduchem, při které je tato směs již výbušná. Hodnota je důležitá pro stanovení prostředí dle ČSN 33 2000-3 a ČSN 33 2330 a pro ochranu zařízení před nebezpečím výbuchu.

Dolní mez výbušnosti se stanovuje ve výbuchové komoře. Dané množství prachu se rozvíří a iniciuje definovanou energií, pakliže vzplane nebo vybuchne, je překročena dolní mez výbušnosti. Opakováním s nižším množstvím prachu lze stanovit spodní mez výbušnosti. Při nízkých hodnotách je na místě se zabývat stanovením dalších parametrů výbušnosti prachu, jako je maximální výbuchový tlak, rychlost nárůstu tlaku a konstanta výbušnosti KSt.

Stanovení výbuchových parametrů

Požáry a exploze prachů v průmyslu mohou vznikat například při mletí, drcení, plnění zásobníků, odprašování, přepravě prachu napříč výrobní technologií do filtrů a odlučovačů, výrobě nebo opracovávání gumových dílů a výrobků. Maximální výbuchový tlak p max, který se při výbuchu dané látky vyvine, a rychlost nárůstu tlaku po iniciaci (dp/dt) max jsou nutné charakteristiky, aby bylo možno navrhnout účinná protivýbuchová opatření. Z těchto hodnot je možné podle kubického zákona vypočítat tzv. konstantu výbušnosti KSt.

Hodnoty konstanty výbušnosti rozdělují (dle ČSN ISO 6184-1 nebo VDI 3673) prachové materiály do tříd: St 1, St 2 a St 3. Při realizacích zařízení či objektů je nutné vzít v úvahu zařazení do tříd a zavést příslušná opatření.

Hodnoty výbuchových parametrů jsou zásadní pro zavedení prvků proti explozní ochrany (membrány, ventily), stejně tak ale i pro předcházení výbuchu v důsledku manipulace materiály.

Výbuchové parametry se obvykle stanovují v kulovém výbuchovém autoklávu (obvykle o objemu 250 litrů), v němž jsou rozvířeny prachové částice a iniciovány. Na základě měření doby a tlaku se stanovují výbuchové parametry.

Minimální iniciační energie Emin

Minimální iniciační energie Emin je nejmenší energie kapacitní jiskry, která je schopna zapálit nejsnadněji iniciovatelnou směs hořlavé látky (plyn, pára, prach) ve směsi s oxidačním prostředkem. Je důležitá pro posouzení nebezpečí elektrostatických a indukovaných výbojů, které mohou hořlavou plynnou směs iniciovat. Pro prach se Emin stanovuje pro celou řadu koncentrací ve vzduchu, a čím je vyšší, tím je vyšší i rozsah výbušnosti. Hodnota Emin je rovněž podkladem pro zatřídění látky do třídy jiskrové citlivosti, například dle ČSN 33 2030.

Limitní obsah kyslíku

Limitní obsah kyslíku je nejvyšší koncentrace kyslíku ve směsi hořlavina- kyslík-inert, při které ještě nedochází k hoření nebo explozi. Pomocí inertních plynů (N₂, CO₂ atp.) a znalosti hodnoty limitního obsahu kyslíku, lze ochránit výrobní zařízení a lze projektovat i zařízení nová.

Teplota vznícení rozvířeného prachu

Teplota vznícení rozvířeného prachu je definována jako nejnižší teplota prostředí, při které dojde k samovolnému zapálení směsi plynných produktů rozkladu bez přítomnosti vnějšího zápalného zdroje. Tato hodnota umožňuje posoudit a kvantifikovat možnost vznícení směsi vzduchu a prachových částic od horkých těles, resp. dalších rizikových zdrojů. Využití najde zejména u technologických celků, kde dochází k proudění vzduchu v důsledku transportu materiálu nebo jiných technologických aspektů.

Teploty vzplanutí, vznícení a žhnutí usazeného prachu

Nejnižší hodnota teploty prostředí, při které dojde působením vnějšího zápalného zdroje k zapálení směsi plynných produktů rozkladu, se nazývá teplotou vzplanutí usazeného prachu. Tato hodnota umožňuje určit nejnižší teplotu horkého povrchu, při které dojde přiblížením například plamene k povrchu prachu k jeho vzplanutí.

Teplota vznícení usazeného prachu je definována jako nejnižší teplota prostředí, při které dojde k samovolnému zapálení směsi plynných produktů rozkladu bez přítomnosti vnějšího zápalného zdroje. Tato hodnota umožňuje posoudit možnost vznícení usazené vrstvy prachu od horkých povrchů. Někdy je využívána pro stanovení teplotní třídy pro nevýbušná elektrická zařízení.

Teplota žhnutí usazeného prachu je definována jako nejnižší teplota prostředí, při které dojde k trvalému žhnutí prachu. Tato hodnota umožňuje určit nejnižší teplotu horkého povrchu, při kterém dojde k trvalému žhnutí prachu, a tím i ke vzniku iniciačního zdroje případné směsi prachových částic a vzduchu. Rovněž umožňuje porovnání s teplotní třídou zařízení v nevýbušném provedení do prostředí s nebezpečím výbuchu hořlavých prachů.

V těchto případech není nutný pohyb vzduchu, resp. směsí prachu a vzduchu. Charakteristika najde uplatnění také u skladovacích prostor a objektů mimo hlavní technologické procesy.

Stanovení náchylnosti k samovznícení

Uplatnění najde při hodnocení samotného materiálu. Výsledky zkoušky vypovídají o sklonech prachových materiálů při skladování se samovzněcovat. Hodnota je důležitá pro stanovení indukční doby, kdy dojde za určitých podmínek k samovznícení práškové hmoty a pro zařazení materiálů do tříd pro železniční, silniční, lodní dopravu dle předpisů RID/ADR.

Pro popis průběhu a chemismu vlastního procesu hoření je na místě využití komplexních analytických metod. Obvykle se bude dle konkrétního zadání skládat z termických metod, a dále pak z analytické metody hodnotící produkty hoření.

Termická analýza

Termická analýza je soubor metod, které sledují chování vzorku během definovaného teplotního programu. Nejčastěji se uplatní sledování změny hmotnosti vzorku (TG – ThermoGravimetry).

Termogravimetrie (TG) – jedna ze základních metod termické analýzy. TG patří mezi dynamické analytické metody. Základním principem je měření změn hmotnosti analyzovaného vzorku při jeho plynulém zahřívání nebo ochlazování. Změny hmotnosti se vyjadřují v závislosti na teplotě m = f(T) resp. čase m = f (t) termogravimetrickými křivkami.

Změny hmotností látek při jejich zahřívání můžeme vyjádřit rovnicí

mAB (s) = mA (s) + mB (g)

při zahřívání dochází k uvolňování plynné složky, což zapříčiňuje snížení hmotnosti zkoumané látky.

TG křivky podávají informace o složení zkoumaného vzorku, jeho tepelné stálosti, teplotním rozkladu a také o produktech vznikajících při rozkladu. Zlomy na křivce naznačují, že se analyzovaný vzorek začíná rozkládat (mění svoji hmotnost).

TG křivka tepelného rozkladu

Metody termické analýzy poskytují důležité informace o stabilitě a chování připravených látek nebo prekurzorů za vysoké teploty. Další metodou je diferenční termická analýza (DTA). Jedná se o měřící techniku určenou ke stanovení endotermních a exotermních přeměn jako funkce teploty.

Modulární koncepce DTA resp. DSC umožňuje použití různých pecí v teplotním rozmezí od -150 do 2400 °C, různé DTA měřicí systémy a mnoho různých kelímků. Díky vakuotěsnému designu lze provést i kvantitativní stanovení enthalpie v různých atmosférách, stejně tak i ve vakuu do tlaku 10-5 mbar. Kombinace těchto metod umožnuje široké spektrum podmínek měření a tím analogií s různými technologickými podmínkami.

Pokud chceme nebo potřebujeme přesněji znát složení produktů hoření, je nutno spojit termickou analýzu s další analytickou metodou, nejčastěji pak s některou z chromatografických metod (např. GC/MS plynová chromatografie a hmotnostním spektrometrem) nebo infračerveným spektrometrem (FTIR).

Závěr

Požárně technické charakteristiky jsou jedny z nejdůležitějších podkladů pro posuzování bezpečnosti provozů v souvislosti s nařízením vlády č. 406/2004 Sb., o bližších požadavcích za zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci v prostředí s nebezpečím výbuchu. V případě chemických látek a směsí, kam nepochybně patří i gumový prach, je nutno vzít v potaz i chemickou legislativu. Nedostatky v bezpečnostních listech a ve správnosti uváděných hodnot patří mezi největší rizika v oblasti prevence havárií a požárů. Mnohdy vedou k neodbornosti provozovatelů a nedostatečné činnosti kontrolních orgánů, a tím i ke značným materiálním škodám. V případě výbuchů a požárů dochází ke ztrátám na životech a rozsáhlým škodám na životním prostředí. Zvýšený zájem o recyklaci použitých pneumatik napomáhá tomu, že se přestává problematika gumárenských výrobků podceňovat. Množství pneumatik rok od roku roste a stává se environmentální i surovinově strategickou otázkou. Častější používání analytických metod vede k možnosti detailního poznání problému.

Autor Ing. Jiří Brejcha je konzultantem pro oblast vývoje, výroby a chemické bezpečnosti polymerních materiálů a interním doktorandem na Fakultě strojního inženýrství UJEP. Je členem hodnotícího panelu E4S European Rubber Journal, působil 20 let jako manažer vývoje materiálů ve společnostech Mitas a Trelleborg Wheel Systems a byl členem pracovních skupin European Tyre and Rubber Association.

Spoluautoři: 

Ing. Drahomír Čadek Ph.D. - Ústav polymerů VŠCHT Praha 

Doc. Ing. Zdeněk Hrdlička Ph.D. - Ústav polymerů VŠCHT Praha

Doc. Ing. Jan Krmela Ph.D. -  Ústav strojů a energetiky UJEP Ústí nad Labem