W przemyśle nawozowym inżynierowie procesowi powinni być świadomi toksycznych i łatwopalnych właściwości amoniaku (NH3). Nieprawidłowe postępowanie lub monitorowanie NH3 może być śmiertelnie poważnym błędem.
W kwietniu 2013 r. w zakładzie nawozowym West Fertilizer Co. w mieście West (Texas) doszło do tragicznego w skutkach pożaru i wybuchu, w wyniku których zginęło 15 osób. Mimo iż śledztwo wykazało, że przyczyną pożaru było podpalenie, to niszczycielską eksplozję wywołała saletra amonowa przechowywana w zakładzie. Według wielu źródeł siła wybuchu odpowiadała od 7,5 do 10 ton TNT.
Amoniak jest bezbarwnym gazem o ostrym zapachu, naturalnie występującym w przyrodzie w śladowych ilościach. Gaz ten jest lżejszy od powietrza, co oznacza, że może tworzyć chmury, które podczas awaryjnego uwolnienia pod wpływem wiatru przekraczają granice terenu zakładów produkujących nawozy. Jeśli w mieszaninie gazów znajduje się para wodna, chmura często utrzymuje się bliżej ziemi i może stanowić poważne zagrożenie dla personelu zakładu.
Amoniak jest wykorzystywany zarówno w produkcji nawozów, jak i w wielu innych gałęziach przemysłu. Stosowany jest również w przemyśle farmaceutycznym oraz jako czynnik chłodniczy w przemyśle spożywczym. Jest także powszechnie dostępnym środkiem czyszczącym w gospodarstwach domowych. Amoniak klasy przemysłowej dostarczany jest zazwyczaj w postaci bezwodnego amoniaku w zbiornikach (pod ciśnieniem lub w stanie schłodzonym) lub w postaci płynnej (zmieszany z wodą). Postać bezwodna używana jest do produkcji nawozów.
Nawozy do celów rolniczych są zazwyczaj produkowane metodą Habera-Ostwalda przy użyciu bezwodnego amoniaku (w stanie gazowym) i stężonego kwasu azotowego. W procesie tym powstaje azotan amonu. Po zmieszaniu zachodzi złożona reakcja chemiczna, a otrzymany roztwór poddawany jest procesowi suszenia w celu usunięcia nadmiaru wody. Produkt końcowy (granulat saletry amonowej) powstaje m.in. z roztworu azotu amonu w wieży granulacyjnej.
Według organów odpowiedzialnych za zdrowie i bezpieczeństwo na całym świecie objawy toksycznego narażenia na amoniak, w zależności od formy i poziomu narażenia, mogą obejmować: podrażnienie oczu, nosa, gardła, duszności (trudność w oddychaniu), świszczący oddech, bóle w klatce piersiowej, obrzęk płuc, różowe pieniące się plwociny, oparzenia skóry i pęcherze, natomiast w formie płynnej również odmrożenia.
W Polsce, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 6 czerwca 2014 roku w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2014 nr 0 poz. 817), wyróżniamy trzy progowe wartości graniczne określone mianem najwyższych dopuszczalnych stężeń (NDS), w tym: tzw. chwilowych (NDSCh), oraz pułapowych (NDSP). Dla amoniaku obowiązują dwie wartości progowe, tj.:
- NDS na poziomie 14 mg/m3,
- NDSCh na poziomie 28 mg/m3.
Kontrola wycieków amoniaku jest wymaganą procedurą bezpieczeństwa w każdym miejscu jego użytkowania.
Wykrywanie amoniaku
Amoniak jest gazem nie tylko toksycznym, ale również palnym. Przechowywany w zbiornikach może ulec zapłonowi pod wpływem wysokiej temperatury. Dolna granica wybuchowości amoniaku wynosi 15%, natomiast górna – 28%. Najczęściej stosowanymi stacjonarnymi i przenośnymi czujnikami gazu NH3 są czujniki elektrochemiczne, na podczerwień oraz półprzewodnikowe (typu MOS i CI ze wstrzykiwaniem ładunku).
W zależności od rozmieszczenia poszczególnych części instalacji amoniak może być trudny do wykrycia. W wielu zakładach produkujących nawozy roi się od urządzeń w miejscach, gdzie może być obecny amoniak, co sprawia, że monitorowanie obwodowe jest niezbędne dla ochrony całego zakładu i ludzi znajdujących się w pobliżu instalacji. Z tego względu zakładowe służby BHP korzystają z przenośnych mierników gazu (jako ochrona osobista pracowników) oraz systemów detekcji gazów niezbędnych do monitorowania potencjalnych wycieków 24 godziny na dobę.
Do typowych obszarów wymagających detekcji NH3 w zakładach azotowych zaliczamy:
- wieże granulacyjne,
- monitorowanie obwodowe poszczególnych instalacji lub całego zakładu,
- pompy i sprężarki,
- rurociągi i zawory,
- stokaż amoniaku,
- obszary załadunku/rozładunku cystern kolejowych i drogowych,
- nabrzeża przeładunkowe.
Podczas gdy wszystkie z dostępnych typów sensorów amoniaku posiadają zarówno zalety, jak i ograniczenia, wykonują one swoje zadanie – w zależności od warunków środowiskowych w zakładzie, przypisanej im lokalizacji, procedury przeglądów okresowych oraz wyszkolenia personelu odpowiedzialnego za obsługę systemów detekcji – stosunkowo dobrze. W zależności od technologii czujników problemy mogą obejmować nasycenie ogniwa, odchylenia od przeprowadzonej kalibracji lub zabrudzone soczewki, co wymaga okresowego sprawdzania.
W przypadku amoniaku najlepszą praktyką jest zastosowanie wielu sensorów w układzie wielopoziomowym, z uwzględnieniem różnych typów detektorów przenośnych i stacjonarnych, gdzie mają one największy sens w zależności od potrzeb aplikacji i obszarów potencjalnego narażenia personelu. Takie rozwiązanie zapewnia pokrycie całego obszaru za pomocą sieci redundantnej mającej na celu ochronę osób, sprzętu i instalacji przed awaryjnym uwolnieniem gazu.
Do najczęściej wymienianych przez służby utrzymania ruchu problemów z detektorami gazów niebezpiecznych, w tym amoniaku, należą: stosunkowo krótka żywotność czujnika gazu, możliwość zatrucia lub zanieczyszczenia czujnika, konieczność częstego sprawdzania, czyszczenia, konserwacji i wymiany czujników.
Z powodu wymienionych problemów prowadzone są stałe prace nad udoskonalaniem istniejących technologii czujników gazu i opracowywaniem nowych rozwiązań będących receptą na wymienione problemy.
Rozwiązanie
MSA oferuje nową technologię monitorowania gazów za pomocą otwartej ścieżki, w tym do monitorowania obwodowego, która może być stosowana w wielu instalacjach w zakładach nawozowych. To nowe podejście do monitorowania amoniaku zapewnia maksymalny poziom ochrony przy najwyższej bezawaryjnej dyspozycyjności i praktycznie bezobsługową eksploatację.
Czujki gazu Senscient ELDS™ mogą tworzyć niezawodną detekcję obwodową amoniaku wokół każdej instalacji nawozowej. Znajdują również zastosowanie wewnątrz instalacji oraz w obszarach technologicznych.
Technologia zastosowana w detektorach gazu ELDS otwartej ścieżki opiera się na rozszerzonej spektroskopii lasera diodowego (ELDS – Enhanced Laser Diode Spectroscopy) do wykrywania określonych gazów toksycznych i palnych. W momencie wycieku gazu technologia laserowa czujnika rozpoznaje i analizuje charakterystyczne widmo częstotliwościowe danego gazu (którym w tym przypadku jest NH3) i w razie jego obecności uruchamia alarm.
Podczas normalnej pracy część światła lasera odbija się w sposób ciągły, przechodząc przez próbkę gazu docelowego zawartego w hermetycznie zamkniętym ogniwie wzorcowym. Dzięki takiej konstrukcji laser pozostaje zablokowany na wybranej długości fali przypisanej jedynie dla danego gazu docelowego (np. NH3).
Fałszywe alarmy powodowane przez gazy zakłócające, które występują w innych technologiach detekcji, nie stanowią już problemu. Technologia detektora oparta na charakterystycznym widmie częstotliwościowym zapewnia precyzyjne rozpoznanie NH3, eliminując możliwość wystąpienia fałszywych alarmów nawet w niekorzystnych warunkach środowiskowych.
Pojawianie się fałszywych alarmów stanowi poważny problem w wielu technologiach wykrywania gazów. Mogą one powodować nadmierny czas przestoju instalacji technologicznej, co często wymaga skomplikowanych badań i nałożonego prawem obowiązku zgłaszania problemu odpowiednim władzom. Z punktu widzenia bezpieczeństwa częste fałszywe alarmy prowadzą do braku zaufania pracowników do technologii detekcji gazu i wywołują apatię, która może spowodować, że pracownicy nie zadziałają szybko w przypadku wystąpienia rzeczywistej sytuacji awaryjnej.
Bezpieczny dla ludzkiego oka laser klasy 1, zaprojektowany do stosowania w detektorach ELDS, nadaje się idealnie do penetracji gęstej mgły, intensywnych opadów deszczu i śniegu, wykraczając poza możliwości tradycyjnych czujek podczerwieni otwartej ścieżki (OPIR).
Dzięki automatycznej samokontroli integralności SimuGas™ nie ma potrzeby przeprowadzania niezbędnych kontroli i kalibracji detektorów gazu OPIR, które wymagają poświęcenia na to czasu przez technika serwisu. W przeciwieństwie do ogniw elektrochemicznych czujniki ELDS są również odporne na zatrucie i fałszywe alarmy pochodzące od gazów zakłócających dzięki metodzie wykrywania charakterystycznego widma częstotliwościowego danego gazu.
Zespoły pracowników zakładów nawozowych docenią fakt, że detektory gazu ELDS do wykrywania niebezpiecznych stężeń NH3 są stosunkowo łatwe w montażu, uruchomieniu i obsłudze. Ponadto wyposażone są w technologię bezprzewodową Bluetooth® z zaawansowaną inteligentną diagnostyką. Za pomocą intuicyjnego mobilnego urządzenia w formie tabletu, w połączeniu z zakładowym nadrzędnym systemem bezpieczeństwa, detektor ELDS może dokonywać pomiarów z bezpiecznej odległości. Jest to szczególnie przydatne w trudno dostępnych miejscach, gdzie konieczne może być wykorzystanie rusztowania i szelek asekuracyjnych do zabezpieczenia pracowników przed upadkiem.
Technologowie w zakładach nawozowych twierdzą, że detektor gazu ELDS znakomicie nadaje się do monitorowania obwodowego i innych zastosowań wewnątrz instalacji technologicznych. Dzięki szybkiemu czasowi reakcji (< 3 sekundy) w porównaniu z innymi detektorami gazów toksycznych technologia ELDS zapewnia stosunkowo szybkie ostrzeganie o obecności NH3. Detektor gazu cechują również odseparowany nadajnik i odbiornik, które posiadają certyfikaty do stosowania w przestrzeniach zagrożonych wybuchem i mogą wykrywać NH3 na odległość od 5 do 120 m.
Detektory gazu ELDS wykonane są z wysokogatunkowej stali nierdzewnej 316 odpornej na korozję, co zapewnia długą żywotność w trudnych warunkach zakładów przemysłowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych detektorów punktowych i innych urządzeń obiektowych korozja powodowana amoniakiem jest mniej istotna, ponieważ układ nadajnik/odbiornik pozwala na lokalizację z dala od wysokich stężeń NH3 występujących w pobliżu każdego potencjalnego źródła nieszczelności.
Detektory ELDS idealnie nadają się do pracy w obszarach otwartych i zamkniętych. Obejmuje to również temperatury ujemne w zimie w północnych szerokościach geograficznych lub wysokich temperaturach wymaganych do eksploatacji w znacznej części Azji, Bliskiego Wschodu lub Afryki. Stale podgrzewana optyka zapewnia działanie w szerokim zakresie temperatur od –55°C do +60°C. Detektory ELDS posiadają również aprobaty do stosowania w strefach zagrożenia wybuchem zgodnie z normami CSA, UL Klasa 1, ATEX, IECEx, EAC i INMETRO.
Dzięki funkcji codziennej autodiagnostyki nazwanej SimuGas™ w porównaniu z konwencjonalnymi stacjonarnymi detektorami gazów toksycznych detektory ELDS oferują znaczne oszczędności dzięki obniżeniu kosztów montażu i eksploatacji. Ręczna interwencja i bieżące koszty okresowych badań przy użyciu wykrywanych gazów zostały wyeliminowane dzięki SimuGas™. Wielokrotnie koszt kontroli i konserwacji detektorów gazu, w których zastosowano inne technologie, może z czasem przekroczyć koszt samego przyrządu pomiarowego.
O ile koszt detektora otwartej ścieżki może być wyższy niż koszt tradycyjnych punktowych detektorów gazu, to całkowity koszt zamontowanych detektorów ELDS może być podobny lub niższy niż koszt zainstalowania wielu urządzeń punktowych w celu uzyskania równoważnego obszaru pokrycia.
Na przykład, aby osiągnąć długość ścieżki od 50 do 60 m, instalacja wymagałaby sześciu oddzielnych punktowych detektorów gazu w celu zapewnienia takiej samej skuteczności monitorowania jak jeden detektor ELDS otwartej ścieżki.
Konstrukcja detektorów ELDS sprawia, że są one praktycznie bezobsługowe. Nie posiadają części zużywających się, co pozwala uzyskać zerowe koszty bieżącej wymiany elementów sensorycznych i związanych z tym kosztów robocizny serwisu. Dzięki praktycznie zerowemu odchyleniu od przeprowadzonej kalibracji i metodzie detekcji z wykorzystaniem charakterystycznego widma częstotliwości nie ma potrzeby ponownej kalibracji, a w rezultacie oznacza to znacznie niższe koszty cyklu życia detektorów ELDS w porównaniu z tradycyjnymi punktowymi detektorami gazu.
Wnioski
Amoniak w zakładach nawozowych stanowi zagrożenie zarówno ze względu na jego toksyczność, jak i palność. Opracowując plan bezpieczeństwa związany z występowaniem NH3, należy wziąć pod uwagę zastosowanie technologii detekcji gazu, która będzie najbardziej efektywna w różnych obszarach technologicznych zarówno wewnątrz zakładu, jak i jego otoczeniu. Ze względu na zmienność środowiska instalacji (wewnątrz i na zewnątrz) technologie wykrywania gazu niekoniecznie są zamienne.
Należy również mieć na względzie wymagania dotyczące konserwacji i niezawodności (niezadziałanie alarmu i fałszywe alarmy) – w dłuższej perspektywie koszt konserwacji może przekroczyć koszt zakupu samego detektora.
Artykuł opracowany przez MSA Polska Sp. z o.o.
