Požárně technické charakteristiky prachů a jejich význam v technické praxi

Z pohledu protipožární a protivýbuchové prevence tedy můžeme mezi požárně technické charakteristiky prachů zařadit např. tyto zkouškami zjišťované parametry:

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

Zjišťování požárně technických charakteristik

Na rozdíl od plynů a kapalin, u nichž je možné většinu požárně technických charakteristik zjistit v bezpečnostních listech, případně v jiných zdrojích (odborná literatura apod.) je situace v oblasti hořlavých prachů odlišná. K mnohým z nich jsou bezpečnostní parametry rovněž dohledatelné v odborné literatuře, avšak hodnoty jsou uváděny jako intervaly většího rozsahu a mají spíš informativní charakter. Charakter hořlavých prachů a jejich bezpečnostní parametry závisí vždy na konkrétní technologii a manipulaci s látkou (obrábění kovů, energetika, průmysl zpracování dřeva, farmaceutický průmysl, zpracování odpadů apod.).

Nejspolehlivější způsob, jak získat co nejpřesnější informace o výbušnosti a hořlavosti dané hořlavé látky, je odběr konkrétního vzorku např. z technologie, filtračního zařízení, prašného sedimentu apod., experimentální ověření jejich vlastností v akreditované laboratoři a následné popsání výsledků zkoušek pomocí požárnětechnické charakteristiky v souladu s vyhláškou č. 246/2001 Sb. Ministerstva vnitra.

Ověřování vlastností látek v akreditované laboratoři je obecně nutné i v dalších případech, kdy bezpečnostní parametry nejsou známy – v případě nových chemických produktů, směsí látek, suspenzí apod. Při experimentálním získávání bezpečnostních parametrů v akreditované laboratoři se postupuje dle platných norem nebo vlastních zkušebních postupů, které jsou však rovněž akreditovány. Požárně technické charakteristiky nejsou, až na výjimky, fyzikálními konstantami, nýbrž konvenčními veličinami, jejichž reprodukovatelnost závisí ve značné míře na kvalitě materiálu, způsobu provedení zkoušek a na podmínkách zkoušení. Rozsah zkoušek je nutné stanovit v úzké spolupráci mezi zkušební laboratoří a uživatelem, aby mohly být co nejpřesněji stanoveny požárně technické charakteristiky zkoušeného materiálu a tím i co nejlépe vyřešen cíl celého sledu zkoušek, návrh vhodných ochranných opatření proti vzniku požáru a výbuchu, resp. proti jejich účinkům.

Výbušnost prachů

Obecně se o výbušnosti prachů hovoří méně, než o výbušnosti plynů a kapalin, kde je tato problematika dobře známa. Na výbušnost prachů má podstatný vliv stupeň rozmělnění látky. Jsou možné stavy, že látka, která je v kompaktním stavu a za normálních podmínek nehořlavá, ve formě prachu velice dobře hoří a vybuchuje. 

Lze říci, že ve formě prachu hoří téměř všechny látky s výjimkou čistě anorganických, jako je dolomit, vápenec a další oxidy a soli kovů. Ze samostatných prvků jsou nebezpečné prachy kovů jako hliník, který má největší rychlost narůstání tlaku a jednu z nejvyšších hodnot maximálního výbuchového tlaku, dále hořčík, případně titan, zirkon, železo a další. Z nekovových prachů je nebezpečný prach síry, která má nízkou teplotu vznícení a sklon k tvorbě elektrostatických nábojů. Uhelný prach je nebezpečný výbuchem hlavně v dolech, výbušnost závisí na kvalitě uhlí a výbuch uhelného prachu bývá většinou následný po výbuchu metanu, který rozvíří uhelný prach a iniciuje ho. Samozřejmě rozvířený uhelný prach je výbušný i v jiných uzavřených technologiích.

Řada přírodních výbušných prachů je skoro neomezená. Veškeré organické prachy jsou výbušné, ať už vznikají jako nežádoucí produkt při zpracování nebo jsou hlavním produktem výroby. Je to senný a obilní prach, škroby a mouky, cukr, kakao, čaj, koření, tabák, kávoviny, sušené mléko, dřevěný a korkový prach, prachy vláknitých látek – lnu, bavlny, buničiny, koudele, konopí, juty. Jsou velmi náchylné k tvorbě elektrostatického náboje a mají nízké dolní meze výbušnosti. Patří sem i prachy vyráběných látek, jako jsou mýdlové prášky, barviva, léčiva, výbušiny, tuhé uhlovodíky, plasty aj.

V tabulce č. 1 jsou pro porovnání uvedeny spodní meze výbušnosti (SMV) a výbuchové konstanty různých druhů prachu. 

Stanovení spodní meze výbušnosti

Spodní mez výbušnosti je nejnižší koncentrace směsi hořlavého prachu se vzduchem, při které je tato směs již výbušná. Tato hodnota je důležitá pro stanovení prostředí dle ČSN 33 2000-3 a ČSN 33 2330 a pro ochranu zařízení před nebezpečím výbuchu. Pokud je tato hodnota pozitivní, je třeba se u dané technologie či provozu vážně zabývat protivýbuchovou prevencí.

Spodní mez výbušnosti se stanovuje v akreditované zkušební laboratoři VVUÚ, a.s. ve výbuchové komoře VA 250, ve které se rozvíří definované množství prachu a vzniklá prachovzdušná směs se iniciuje definovanou energií. Pokud je překročena spodní mez výbušnosti, dojde po iniciaci k zapálení/výbuchu směsi v komoře. Poté se pokus opakuje s menším množstvím prachu a to tak dlouho, než je výsledek zkoušky negativní. Na základě takovéto série zkoušek je pak možné spodní mez stanovit. Pokud je spodní mez výbušnosti pozitivní, 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 např. vznikat při mletí, drcení, plnění zásobníků, odprašování, vysávání a přepravě hořlavého prachu do filtrů a odlučovačů, broušení lakovaných či jinak upravených dílů. Aby bylo možno navrhnout účinná protivýbuchová opatření, je třeba znát další údaje o výbušnosti daného prachu, jako jsou maximální výbuchový tlak, pmax, který se při výbuchu dané látky vyvine, rychlost nárůstu tlaku po iniciaci (dp/dt)max. Charakteristický průběh výbuchové křivky je znázorněn obrázku č. 2.

Z těchto hodnot je pak možné podle kubického zákona vypočítat tzv. konstantu výbušnosti KSt = (dp/dt)max . V1/3

Podle velikosti této konstanty je možné prachy zatřídit dle norem ČSN ISO 6184-1 nebo VDI 3673 do třídy výbušnosti St 1 až St 3, přičemž třída výbušnosti St 3 je nejvíce nebezpečná

Hodnoty výbuchových parametrů jsou nezbytné pro kvalifikovaný výpočet a návrh prvků protiexplozní ochrany (membrány, ventily).

Výbuchové parametry se stanovují ve výbuchovém autoklávu, což je tlakové zařízení tvaru koule o definovaném objemu. V naší zkušební laboratoři používáme autokláv VA 250 o objemu 250 litrů. Do tohoto autoklávu se rozvíří definované množství prachu a po iniciaci se snímají tlaky a časy, z nich se pomocí řídicího počítače po provedení serie zkoušek příslušné výbuchové parametry stanoví.

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. Pro prachy se stanovuje pro celou řadu koncentrací prachu ve vzduchu. S rostoucí iniciační energií se rozšiřuje rozsah výbušnosti, přičemž se zejména horní mez posouvá k vyšším hodnotám. Znalost hodnot této veličiny je důležitá pro posuzování potenciálního nebezpečí iniciace hořlavých plynných směsí elektrostatickými a indukovanými výboji. Hodnota Emin je rovněž podkladem pro zatřídění látky do třídy jiskrové citlivosti dle ČSN 33 2030 (viz Tab. 3). 

Limitní obsah kyslíku

Limitní obsah kyslíku je nejvyšší koncentrace kyslíku ve směsi hořlavina- kyslík-inert, při které ještě nedochází k hoření nebo explozi. Znalost tohoto parametru má velký význam pro ochranu zařízení, technologie před nebezpečím výbuchu pomocí inertního plynu (N2, CO2, atd.). U většiny organických látek se limitní obsah kyslíku pohybuje kolem 10 až 12 %, tzn. při inertizaci např. sil s hořlavým prachem je nutno udržovat hodnotu kyslíku pod touto hranicí.

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 možnost vznícení prachovzdušné směsi od horkých těles.

Teploty vzplanutí,vznícení a žhnutí usazeného prachu

Teplota vzplanutí usazeného prachu je definována jako nejnižší teplota prostředí, při které dojde působením vnějšího zápalného zdroje k zapálení směsi plynných produktů rozkladu.Tato hodnota umožňuje určit nejnižší teplotu horkého povrchu, při kterém dojde přiblížením např. 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 tato hodnota 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 prachovzdušné směsi. Tato hodnota rovněž umožňuje porovnání s teplotní třídou zařízení v nevýbušném provedení do prostředí s nebezpečím výbuchu hořlavých prachů.

Stanovení náchylnosti k samovznícení

Výsledky zkoušky vypovídají o sklonech práškových materiálů při skladování se samovzněcovat. Tato hodnota je důležitá pro stanovení indukční doby, kdy dojde za určitých podmínek k samovznícení práškové hmoty a pro zařazení materiálů do tříd pro železniční a silniční dopravu dle předpisů RID/ADR.

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. Bez těchto základních údajů nelze jednoznačně rozhodnout, zda daná technologie nebo daný provoz má instalována vhodná zařízení k omezení nebo potlačení exploze a tudíž, zda je její provozování bezpečné.

V současné době se objevují nové přístupy (metody) v řešení ochrany proti explozi, které nejsou založeny na exaktních vědeckých poznatcích a tím ve značné míře mohou přispět k vytváření mylných  poznatků, jejichž převzetím může dojít k velkým průmyslovým haváriím.

Tento stav vzniká z důvodů různého přístupu k řešení bezpečnostních problematik ve světě. Následnou instalací nedůsledně vybavených zařízení do technologického procesu dochází ke vzniku reálného nebezpečí exploze s odpovídajícími následky.

Tyto situace mohou vyvolat nesprávné hodnocení výbušných vlastností materiálu, které jsou závislé na počátečních podmínkách (tlak, iniciační zdroj) a také na samotné kvalitě zkoušeného prachu. Jako příklad lze zde uvést dřevitý prach (piliny, hobliny), kdy se v podstatě vždy jedná o základní hmotu dřevo, ale hodnocení takového materiálu může být od nevýbušného až po velmi výbušný, přičemž toto hodnocení je závislé pouze na sítové analýze tohoto prachu. Tyto údaje však v běžně dostupné literatuře chybí a pouhým převzetím těchto údajů může dojít k rozsáhlým průmyslovým haváriím. 

ZDROJ:
Kořínek, K. Požárně technické charakteristiky prachů a jejich význam v technické praxi. In CHEMagazín [online]. Pardubice : CHEMagazín, 2006 [cit. 22-12-2006]. Dostupný z WWW: < http://www.chemagazin.cz/Texty/CHXVI_6_cl1.pdf>. Dokument v PDF formátu.