Modernizacja młynowni węgla pod kątem bezpieczeństwa wybuchowego

Fot. 1. Widok na zabudowany taśmociąg dostarczający miał węglowy z hali węgla do zbiornika miału węglowego, zabezpieczony za pomocą systemu odsprzęgania wybuchu typu HRD.

Fot. 1. Widok na zabudowany taśmociąg dostarczający miał węglowy z hali węgla do zbiornika miału węglowego, zabezpieczony za pomocą systemu odsprzęgania wybuchu typu HRD.

Z artykułu dowiesz się:

  • jakie parametry wybuchowości są decydujące w doborze odpowiednich zabezpieczeń przeciwwybuchowych,
  • jak chronić się przed zagrożeniem powstawania atmosfer wybuchowych w pomieszczeniach produkcyjnych i wewnątrz urządzeń procesowych,
  • w jaki sposób producent z branży cementowej zapewnił bezpieczeństwo w swoim zakładzie,
  • które rozwiązania techniczne są przeznaczone do zabezpieczenia przeciwwybuchowego urządzeń na instalacji młynowni węgla.

Jak duże ryzyko wybuchu wiąże się z operacjami przyjęcia, mielenia i magazynowania pyłu węglowego w zakładach produkcyjnych? Na to pytanie postaramy się odpowiedzieć na przykładzie modernizacji młynowni węgla, jaką zrealizowaliśmy w cementowni Dyckerhoff Polska. Pokażemy przy tym, jak zapewnić właściwą ochronę w zakresie bezpieczeństwa wybuchowego i dostosować zakład do wymogów dyrektywy ATEX.

Według statystyk, do największej liczby zdarzeń z udziałem palnych pyłów dochodzi w instalacjach odpylających (filtry odpylające i cyklony) oraz w silosach magazynowych (sumarycznie 39% wszystkich zdarzeń). Uwzględniając tu inne formy magazynowania okaże się, że do łącznie 51% wszystkich zdarzeń dochodzi podczas magazynowania lub odpylania. Kolejną istotną grupą urządzeń są rożnego typu podnośniki oraz przenośniki (10% wszystkich zdarzeń). W tej grupie szczególną uwagę należy poświęcić podnośnikom kubełkowym oraz przenośnikom taśmowym1. Jeśli weźmiemy pod uwagę pył węglowy, to w 2017 roku stanowił on przyczynę 7% wszystkich wybuchów na terenie Stanów Zjednoczonych i aż 35% w zakładach przemysłowych w Chinach2.

Niestety w chwili obecnej nie są nam znane statystyki odnoszące się do Polski. W tym miejscu należy jednak wspomnieć o dwóch najgłośniejszych zdarzeniach, do jakich doszło w ostatnich latach – chodzi o potężne wybuchy atmosfery pyłowej, które miały miejsce w Elektrowni Turów oraz Dolna Odra. Ponadto według naszej wiedzy w ciągu ostatnich lat doszło do co najmniej kilku wybuchów w cementowniach zlokalizowanych na terenie Polski.

Wspomniana modernizacja młynowni była następstwem przeprowadzonej wcześniej oceny ryzyka wybuchu. Opracowany dokument wykazał, w których elementach instalacji i w jaki sposób można zwiększyć bezpieczeństwo. Za kompleksowy przebieg prac odpowiedzialna była GRUPA WOLFF, która na przestrzeni ostatnich 25 lat zabezpieczyła setki instalacji w zakładach przemysłowych na terenie Polski, jak również za jej granicami, m.in. w Holandii, Zjednoczonych Emiratach Arabskich oraz Brazylii.

Zanim omówimy przebieg wykonanych prac, zatrzymajmy się na moment na kilku ważnych aspektach związanych z tematyką bezpieczeństwa wybuchowego.

Parametry wybuchowości i ich znaczenie w praktyce

Jedynymi z fundamentalnych parametrów pozwalających zaprojektować skuteczny system przeciwwybuchowy są maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax oraz stała wybuchowości Kst. Warto zaznaczyć, że zależą one m.in. od rodzaju danego produktu/surowca lub stopnia jego rozdrobnienia. Dlatego też w większości przypadków dane literaturowe nie pozwalają w sposób jednoznaczny określić ich wartości.

Decyzja co do tego, czy w projekcie instalacji zabezpieczającej oprzemy się na danych literaturowych, czy też pochodzących z badania laboratoryjnego, spoczywa na właścicielu instalacji. W tym miejscu należy wspomnieć, że decydując się na literaturę, jesteśmy zmuszeni wybrać najbardziej niekorzystne dane, co może mieć wpływ na przewymiarowanie układu. Musimy się także liczyć z odwrotną sytuacją, w której, pomimo wyboru najgorszych parametrów, są one niższe niż parametry rzeczywistego pyłu w przedmiotowej instalacji. W takim wypadku układ zabezpieczający może być nieskuteczny.

Poza wspomnianymi wcześniej parametrami do zaprojektowania systemu ochronnego konieczna jest również znajomość podstawowych wymiarów chronionego aparatu oraz jego wytrzymałość konstrukcyjna (w przypadku braku takiej informacji można ją wyznaczyć na podstawie analizy MES). Jej wartość powinna być zawsze większa niż gwarantowana wartość Pred, czyli zredukowanego ciśnienia wybuchu, jakie może się pojawić w aparacie po wybuchu, którego skutki zostały ograniczone do bezpiecznego poziomu poprzez układ zabezpieczający.

W procesie oceny ryzyka wybuchu dużą rolę odgrywa minimalna energia zapłonu (MEZ, ang. MIE). Jest to parametr określający minimalną energię, jaką należy dostarczyć (np. w postaci iskry), aby doszło – w określonych warunkach – do zapłonu atmosfery wybuchowej.

Warto w tym miejscu wspomnieć o maksymalnej dopuszczalnej temperaturze powierzchni. Jej znajomość jest kluczowa przy doborze urządzeń, które nie będą stanowiły potencjalnego źródła zapłonu w wyniku nagrzewania się.

Jakie wartości przyjmują wspomniane parametry wybuchowości w przypadku pyłu węgla kamiennego?

Generalizując, wybuch pyłu węgla kamiennego charakteryzuje się wysokim maksymalnym ciśnieniem Pmax oraz stosunkowo niską dynamiką Kst (klasy wybuchowości St1).

Jeśli chodzi o minimalną energię zapłonu, jest ona w większości przypadków większa niż 1000 mJ. Praktyka pokazuje jednak, że bywają odmiany paliw, w tym węgla, o niższych wartościach MEZ (np. dla węgla brunatnego czy biomasy MEZ może mieć wartości nawet na poziomie 10–100 mJ).

Przykładowe parametry pyłu węgla kamiennego wykorzystane w przedmiotowej cementowni zostały przedstawione w tab. 1.

Parametr

Wartość dla pyłu węglowego

Minimalna energia zapłonu MIE [mJ]

> 1000

Temperatura zapłonu obłoku pyłu TCL [°C]

595 ± 3,6

Temperatura zapłonu warstwy T5 mm [°C]

330 ± 3,0

Współczynnik wybuchowości Kst [bar·m/s]

150

Maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax [bar]

9

Dolna granica wybuchowości DGW [g/m3]

250 ± 21,5

Tab. 1. Parametry wybuchowości pyłu węglowego

Fot. 2. Zbiornik buforowy pyłu węglowego.

Fot. 2. Zbiornik miału węglowego o pojemności 60 m3, zabezpieczony za pomocą systemu tłumienia wybuchu HRD.

Atmosfery wybuchowe w pomieszczeniach produkcyjnych

Podczas procesów technologicznych dochodzi do emisji pyłu, który przez jakiś czas pozostaje zawieszony w powietrzu, a następnie opada, osiadając na posadzkach, konstrukcjach urządzeń oraz innych elementach instalacji. Dopóki pył zalega, nie stwarza bezpośredniego zagrożenia wybuchowego, natomiast może powodować zagrożenie pożarowe (przykładowo w wyniku zapalenia się od gorących powierzchni czy reakcji egzotermicznej). Często zdarza się, że zapoczątkowany pożar staje się przyczyną wybuchu i odwrotnie – lokalny wybuch może przyczynić się do powstania pożaru. Należy mieć na uwadze, że w razie wzniecenia zalegającego pyłu będziemy mieli do czynienia z zagrożeniem wybuchowym.

W przypadku tzw. zewnętrznych stref zagrożenia wybuchem, czyli tych, które są zlokalizowane na zewnątrz obudów urządzeń i instalacji (np. otwarte składowiska materiałów sypkich, otwarte przesypy, zapylenie przestrzeni roboczej wynikające z nieszczelności instalacji i/lub obecności pyłów osiadłych), w pierwszej kolejności powinniśmy dążyć do ograniczania emisji pyłu. Można tego dokonać poprzez zabudowę/uszczelnienie układów otwartych (przesypy) w celu ograniczenia pylenia, stosowanie centralnego odkurzania lub regularne sprzątanie osiadłych warstw pyłu.

Atmosfery wybuchowe wewnątrz urządzeń i instalacji

W przypadku generowania atmosfer wybuchowych wewnątrz urządzeń produkcyjnych (silosów, filtrów powietrza, zabudowanych przesypów) mamy do czynienia z tzw. wewnętrznymi strefami zagrożenia wybuchem. Tworzenie się atmosfer w środku aparatów jest bezpośrednio związane ze specyfiką zachodzących procesów technologicznych (kruszenie, mieszanie, przesypywanie, mielenie, rozdrabnianie produktu w czasie transportu bliskiego itp.).

Niestety w wielu sytuacjach procesowych eliminacja atmosfer wybuchowych wewnątrz urządzeń oraz potencjalnych źródeł zapłonu jest trudna i kosztowna, a czasami wręcz niemożliwa. Wynika to z faktu, że wiele procesów technologicznych z natury rzeczy generuje pył oraz potencjalne źródła zapłonu.

Przykładowo trudno sobie wyobrazić przy dzisiejszym stanie technologii, aby kruszarka, młyn kulowy, czy nawet przenośnik taśmowy pracowały w sposób bezpyłowy, a przy tym ich elementy w wyniku tarcia nie rozgrzewały się. Z tego względu zachodzi konieczność budowy instalacji odpornych na maksymalne ciśnienie wybuchu lub stosowanie odpowiednich systemów zabezpieczających zarówno same urządzenia, jak i całe instalacje przed skutkami ewentualnego wybuchu.

Aparaty i urządzenia, w których najczęściej dochodzi do wybuchów

Do urządzeń i aparatów, we wnętrzu których najczęściej dochodzi do wybuchu atmosfer pyłowo-powietrznych, należą:

  • silosy,
  • instalacje odpylające,
  • instalacje mielące,
  • instalacje transportujące,
  • instalacje suszące,
  • instalacje dopalające,
  • instalacje mieszające,
  • instalacje polerujące i szlifujące,
  • instalacje przesiewające,
  • inne.

Prace, które zrealizowano w ramach modernizacji cementowni, były bezpośrednio związane z zagrożeniem wybuchu mieszaniny pyłu z węgla i powietrza w momencie zetknięcia się ze źródłem zapłonu (np. gorącą powierzchnią, iskrami mechanicznymi i elektrostatycznymi, otwartym źródłem ognia). Zagrożenie to w szczególności dotyczyło aparatów biorących udział w procesach magazynowania, mielenia oraz transportu pneumatycznego.

W związku z tym należało zaproponować właściwe rozwiązania techniczne w zakresie zabezpieczenia zbiornika miału węglowego, młyna wraz z przewodem pyłowym, filtra technologicznego oraz układu przenośników węgla przed skutkami potencjalnego wybuchu.

Modernizacja młynowni węgla pod kątem bezpieczeństwa wybuchowego

Prace, które zostały wykonane w ramach modernizacji młynowni węgla w Dyckerhoff Polska, obejmowały zarówno projekt, dostawę, jak i montaż systemów przeciwwybuchowych. Kluczowe w projekcie okazały się nie tylko wiedza z zakresu bezpieczeństwa wybuchowego, ale także znajomość procesów realizowanych przez cementownię. Zakres zrealizowanych prac obejmował:

  • częściową zabudowę przenośnika miału węglowego wraz ze wzmocnieniem przesypu oraz zabudową dwóch butli HRD;
  • zabezpieczenie zbiornika miału węglowego o pojemności 60 m3 za pomocą czterech butli ze środkiem tłumiącym HRD (tłumienie i odsprzęganie wybuchu od strony taśmociągu);
  • zabezpieczenie młyna rolowo-misowego za pomocą pięciu butli HRD oraz jednej butli HRD na kanale transportu pyłu z młyna do filtra (tłumienie + odsprzęganie od strony przewodu pyłowego);
  • zabezpieczenie divertera za pomocą klapy odciążającej wybuch;
  • zabezpieczenie filtra za pomocą certyfikowanych paneli dekompresyjnych oraz zapewnienie odsprzęgania wybuchu na wylocie z filtra (mały zbiornik buforowy) i na przewodzie pyłowym.

Przeprowadzona modernizacja została poddana powykonawczej ocenie ryzyka wybuchu. Zgodnie z rozporządzeniem aktualizacja oceny ryzyka wybuchu (a także dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem) jest konieczna w przypadku, gdy w obrębie obszaru objętego wspomnianymi dokumentami nastąpiła istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa zmiana. Nie ma znaczenia, czy zmiana ta wpłynęła pozytywnie, czy też negatywnie na poziom bezpieczeństwa.

Szczegółowy opis zrealizowanych prac

W tej części artykułu omówione zostały poszczególne elementy zrealizowanej modernizacji, której dokonano na podstawie specyfikacji technicznej aparatów procesowych oraz parametrów wybuchowości pyłów udostępnionych przez Zleceniobiorcę.

Fot. 3. Zabudowany taśmociąg dostarczający miał węglowy z hali węgla do zbiornika miału węglowego, zabezpieczony za pomocą systemu odsprzęgania wybuchu typu HRD na zasypie do zbiornika.

Fot. 3. Zabudowany taśmociąg dostarczający miał węglowy z hali węgla do zbiornika miału węglowego, zabezpieczony za pomocą systemu odsprzęgania wybuchu typu HRD na zasypie do zbiornika.

Zabezpieczenie przeciwwybuchowe zbiornika buforowego miału węglowego wraz z układem transportu do młyna

Węgiel (miał węglowy o granulacji 0–50 mm) dostarczany jest do zakładu transportem kolejowym i rozładowywany na stanowisku rozładunku, a następnie transportowany poprzez układ przenośników do hali magazynowej węgla. Następnie za pomocą przenośnika taśmowego miał trafia do zbiornika buforowego, na którym znajdują się filtr oraz wentylator zapewniający wentylację i odpowietrzenie zbiornika. Miał węglowy jest zbierany ze zbiornika za pomocą przenośnika zgarniakowego, po czym trafia przez pionowy zsyp i dwuwałowy przenośnik ślimakowy do wnętrza młyna węglowego.

W ramach modernizacji taśmociąg dostarczający miał węglowy z hali węgla do zbiornika miału węglowego został częściowo zabudowany, a przesyp wzmocniony. Dzięki szczelnej zabudowie fragmentu taśmociągu możliwe stało się zastosowanie odsprzęgania wybuchu za pomocą butli HRD na zasypie do zbiornika.

Zbiornik miału węglowego o pojemności 60 m3 przed modernizacją nie był zabezpieczony przed skutkami wybuchu. W przypadku jego zaistnienia wewnątrz zbiornika mogłoby dojść do rozerwania zbiornika i do rozprzestrzenienia się wybuchu na pozostałe aparaty instalacji produkcyjnej, a jego ciśnienie mogłoby uszkodzić poszczególne elementy instalacji. W związku z powyższym zbiornik zabezpieczono za pomocą systemów tłumienia i odsprzęgania wybuchu HRD od strony taśmociągu. W przypadku gdy w zasobniku dojdzie do wybuchu, systemy te zapewnią:

  • stłumienie wybuchu wewnątrz zbiornika na miał węglowy,
  • odcięcie wybuchu od strony taśmociągu dostarczającego miał węglowy (powstrzyma to rozprzestrzenianie się wybuchu na inne elementy instalacji),
  • stłumienie wybuchu w młynie i odcięcie fali ciśnienia i ognia przemieszczającej się przewodem pyłu węglowego w kierunku filtra.
Fot. 4. Młyn rolowo-misowy zabezpieczony systemami tłumienia i odsprzęgania wybuchu typu HRD, które w przypadku wybuchu zapewnią ochronę aparatu.

Fot. 4. Młyn rolowo-misowy zabezpieczony systemami tłumienia i odsprzęgania wybuchu typu HRD, które w przypadku wybuchu zapewnią ochronę aparatu.

Ochrona młyna rolowo-misowego wraz z instalacją transportu pyłu węglowego do filtra

Wewnątrz młyna rolowo-misowego o pojemności 45 m3 odbywa się mielenie miału węglowego do pyłu węglowego, przy jednoczesnym suszeniu i separacji pyłu. Miał węglowy jest podawany z przenośnika ślimakowego bezpośrednio na obrotową misę, gdzie jest rozdrabniany przez trzy przetaczające się w wysokiej temperaturze role. Rozdrobniony węgiel (pył węglowy) jest unoszony przez gorące gazy do górnej części młyna, gdzie znajduje się separator wytrącający z mieszaniny pyłowo-powietrznej grubą frakcję pyłu w celu jej zawrócenia do ponownego zmielenia. Drobna frakcja pyłu wymieszana z gazem jest przesyłana do filtra tkaninowego.

Młyn wyposażony jest w instalację inertyzacji CO2, która uruchomi się w momencie, gdy w aparacie zostanie wykryty zbyt wysoki poziom O2 (świadczący o procesach chemicznych mogących prowadzić do samozapłonu węgla), oraz instalację inertyzacji za pomocą pyłu mineralnego w celu wykluczenia możliwości powstawania ognisk żarzącego się produktu, który może być źródłem wybuchu np. po postoju instalacji, przy awaryjnym braku węgla lub przy starcie po zatrzymaniu awaryjnym.

Celem inertyzacji jest minimalizowanie ryzyka zapalenia się produktu. Jeżeli jednak dojdzie do zapłonu, jest ona zbyt wolna, aby ochronić urządzenie przed ewentualnym wybuchem.

Obecność dużych ilości drobnego pyłu węglowego zwiększa możliwość zaistnienia wybuchu w młynie węglowym. Wobec tego został on zabezpieczony przed skutkami wybuchu poprzez zastosowanie systemów tłumienia i odsprzęgania wybuchu (łącznie 6 butli HRD). Pięć butli zamontowano na młynie węglowym, natomiast jedną na przewodzie pyłowym transportującym pył z młyna do filtra.

Detekcja wybuchu odbywać się będzie przy użyciu czujnika ciśnienia, który w przypadku wykrycia niebezpiecznego wzrostu ciśnienia prześle sygnał do centrali sterującej systemem przeciwwybuchowym. W momencie przekroczenia zadanych wartości krytycznych jednostka sterująca uruchomi system. Czas reakcji mierzony od wykrycia zarzewia wybuchu do jego stłumienia liczony jest w ułamkach sekund, co pozwala stłumić wybuch, zanim się rozprzestrzeni. Rurociąg transportujący pył węglowy pionowo w dół z młyna do filtra został dodatkowo zabezpieczony poprzez zabudowę panelu dekompresyjnego na diverterze.

W przypadku zaistnienia wybuchu wewnątrz młyna zastosowane systemy tłumienia i odsprzęgania wybuchu typu HRD zapewnią ochronę aparatu oraz odcięcie wybuchu na kanale transportującym pył węglowy z młyna do filtra. Zastosowana na diverterze konstrukcja zapewni redukcję ciśnienia wybuchu w rurociągu oraz ograniczy możliwość przeniesienia się wybuchu z filtra do młyna i odwrotnie.

Fot. 5. Diverter zabudowany certyfikowanym panelem odciążającym z czujnikiem otwarcia, zabezpieczający rurociąg transportujący pył węglowy pionowo w dół z młyna do filtra.

Fot. 5. Diverter zabudowany certyfikowanym panelem odciążającym z czujnikiem otwarcia, zabezpieczający rurociąg transportujący pył węglowy pionowo w dół z młyna do filtra.

Filtr technologiczny tkaninowy z układem transportu pyłu do silosów

W znajdującym się na terenie młynowni filtrze tkaninowym o objętości 474 m3 następuje oddzielenie części stałych (pył węglowy z młyna) od gazu. Gaz oczyszczony po filtrze jest kierowany przez wentylator wyciągowy do komina. Część gazu jest zawracana na wlot do młyna węglowego i mieszana z gorącym gazem z innej części instalacji. Pył zebrany z filtra trafia do leja zlokalizowanego w dolnej części urządzenia. Lej jest wyposażony w korytowy, wybierający przenośnik ślimakowy. Pył z wylotu leja jest podawany grawitacyjnie rurociągiem pionowym do zbiornika buforowego śrubowej pompy pneumatycznej Fullera. Po przejściu przez pompę pył węglowy jest podawany rurociągiem transportowym do dwóch silosów.

Dotychczas na filtrze zamontowane były niecertyfikowane klapy odciążające wybuch. W ramach modernizacji zostały one wymienione na certyfikowane panele dekompresyjne. Pozwoli to na skuteczniejsze i bardziej niezawodne zabezpieczenie aparatu w przypadku zaistnienia wybuchu wewnątrz filtra. W celu ochrony pozostałych aparatów instalacji w razie zaistnienia wybuchu wewnątrz filtra zastosowano system odcięcia/odsprzęgania wybuchu za pomocą butli HRD. Jedną z butli zlokalizowano na kanale pyłowym (transport pyłu węglowego z młyna do filtra), a za pomocą drugiej zabezpieczono mały zbiornik buforowy zlokalizowany między filtrem a pompą śrubową.

Fot. 6. Certyfikowane panele dekompresyjne z czujnikami otwarcia zabudowane na filtrze – prace uwzględniały wykonanie projektu i montaż ram adaptacyjnych dla nowych paneli.

Fot. 6. Certyfikowane panele dekompresyjne z czujnikami otwarcia zabudowane na filtrze – prace uwzględniały wykonanie projektu i montaż ram adaptacyjnych dla nowych paneli.

Powykonawcza Ocena Ryzyka Wybuchu

Po zrealizowanej modernizacji młynowni kolejnym krokiem stało się opracowanie powykonawczej Oceny Ryzyka Wybuchu, którą sporządzili inżynierowie GRUPY WOLFF specjalizujący się w dokumentacjach ATEX. Ocenie poddane zostały zbiornik buforowy miału węglowego z układem załadunku i rozładunku, zespół młynowy z układem zasypu i odbioru pyłu węglowego oraz jednostka filtracyjna wraz z układem rurociągów transportujących pył węglowy do i z filtra.

Powykonawcza Ocena Ryzyka Wybuchu swoim zakresem objęła:

  • zabezpieczenia przeciwwybuchowe w młynowni – powykonawcza ocena stanu technicznego, skuteczności i przydatności zastosowanych rozwiązań,
  • opracowanie opisu technologii,
  • identyfikację i ocenę zagrożeń stwarzanych przez urządzenia, procesy technologiczne oraz substancje,
  • ocenę prawdopodobieństwa wystąpienia atmosfer wybuchowych,
  • określenie stref zagrożenia wybuchem oraz ich zasięgu,
  • weryfikację urządzeń pracujących w strefach zagrożenia wybuchem,
  • prawdopodobieństwo wystąpienia oraz uaktywnienia się źródeł zapłonu,
  • oszacowanie ryzyka, określenie możliwych skutków wybuchu, analiz i zidentyfikowanych scenariuszy awaryjnych,
  • opracowanie zaleceń technicznych i organizacyjnych w celu poprawy bezpieczeństwa w zakładzie.

Przeprowadzona metodą jakościową ocena ryzyka wykazała w przypadku wszystkich obszarów analizowanej instalacji ryzyko na poziomie „D”, czyli tzw. ryzyko pomijalne, co oznacza, że podjęcie dalszych działań obniżających poziom ryzyka nie jest wymagane. Niewątpliwie miała na to wpływ zrealizowana modernizacja młynowni w zakresie zastosowania systemów zabezpieczeń, które w przypadku zaistnienia zapłonu atmosfery wybuchowej w istotny sposób zmniejszą skutki ewentualnego wybuchu. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach skutki wybuchu określono na poziomie „1” (następstwem mogą być nieznaczne obrażenia pracowników lub pomijalne uszkodzenia instalacji). Zainstalowanie układu tłumienia i odsprzęgania wybuchu typu HRD oraz paneli dekompresyjnych minimalizuje ryzyko uszkodzenia aparatów instalacji produkcyjnej.