© Naaykens’ 2023
Wat zijn stofexplosies die bij industriële processen en filterinstallaties kunnen gebeuren?
Elk brandbaar materiaal zal sneller branden als het blootgestelde oppervlakte aan de lucht groter is. Een simpel voorbeeld hiervan is het verbranden van hout in een open haard, een goed gebouwde stapel dunne takken brandt een stuk sneller weg dan grote blokken hout. Het voornaamste verschil is dat bij het eerste geval een veel groter oppervlakte in contact staat met de zuurstofhoudende lucht. Bij fijn verneveld stof staat elk stofdeeltje in contact met de zuurstofhoudende lucht, en kan de verbranding dan ook zeer snel gebeuren. In de juiste omstandigheden kan dit zo snel gaan dat men van een explosie spreekt.
1: In een graansilo vormt tijdens het laden door het lichte kaf soms een explosief stof-lucht mengsel
Het is de meeste mensen wel bekend dat voor een brand drie factoren nodig zijn:
- Brandstof;
- Zuurstofbron;
- Hittebron.
Voor een stofexplosie komt er nog een vierde factor bij, namelijk dispersie. Een zak fijn houtstof zal branden maar niet exploderen. Hetzelfde houtstof fijn verdeeld door de lucht zal zo snel verbranden dat het een explosie wordt. Zulke explosies kunnen plaats vinden met materialen die normaliter niet als explosief gezien worden.
Voorbeelden van industrieën waar stofexplosies voor kunnen komen zijn:
- Verwerking van organische voedingsmiddelen als suiker, meel, specerijen, cacao of koffie;
- Graan en meel, zeker als er droog graan in silo’s getransporteerd kan er veel stof opwaaien in een afgesloten ruimte;
- Houtindustrie, vooral als er fijn zaagsel vrijkomt door bijvoorbeeld zagen en schuren;
- Metaalindustrie, vooral als er fijn metaal vrijkomt door bijvoorbeeld metallisatie van zink of aluminium.
- Verwerking/recycling van plastics of vezels.
Bij elke industrie waar niet-inert stof vrij komt is het verstandig om te kijken of er een risico is op een stofexplosie.
Hoe wordt bepaald of er een stofexplosie plaats kan vinden?
De dispersie van stof is een belangrijke factor om te bepalen of er een explosie plaats vindt of niet. De Lower Explosive Limit (LEL) en Upper Explosive Limit (UEL) zijn twee grenswaardes waartussen concentratie stof in de lucht moet zitten om explosief te zijn. Bij schone of licht stoffige lucht is er niet genoeg brandstof in de lucht om de explosie te laten gebeuren. Bij zeer stoffige lucht of het verzamelde stof in een zak is de brandstof er, maar is er niet genoeg zuurstof aanwezig om de explosie plaats te laten vinden.
Voor een explosie is het dus essentieel dat de brandstof en lucht in een bepaalde verhouding zijn. In de meeste industriële processen met een goede afzuiging is de stofontwikkeling dusdanig laag dat de stoffige lucht overal onder de LEL blijft, en er geen risico is op explosies. Een goede continue afzuiging van stof is hier erg belangrijk om de stofconcentratie laag te houden. Bij productieprocessen waar mensen aanwezig zijn is dit meestal geborgd omdat niemand graag in een zeer stoffige ruimte werkt en een goede afzuiging om die reden al in gebruik is.
Bij plekken waar mensen niet aanwezig zijn is dit niet altijd gegarandeerd. Bijvoorbeeld bij graansilos of andere silos voor bulkgoederen, deze worden meestal aan de bovenzijde gevuld via een elevator waarbij fijn stof opdwarrelt. Hierdoor kan in de silo een zeer stoffige lucht hangen. Als hier een vonk bij komt dan kan deze silo exploderen met vergaande gevolgen
Waarom stofexplosies een risico zijn voor perslucht gereinigde filters
Bij zelfreinigende stoffilters is een nadeel dat hier het stof concentreert wordt, en er dus altijd veel brandstof aanwezig is. Tijdens het reinigen wordt het verzamelde stof met een persluchtstoot afgeblazen van het filterpatroon, wat vervolgens voor een fijne dispersie van stofdeeltjes zorgt.
Doordat het onvermijdelijk is dat er een explosieve situatie ontstaat in het filter is het kritisch dat bij de afzuiging van zulke stoffen het filter explosieveilig is. Door gebruik van terugslagkleppen is het ook mogelijk om eventuele explosies te isoleren tot het filter, waarbij de rest van de installatie beschermd is van de uitbreidende explosie.
Welke ATEX normen gelden er voor industriële stof filters?
Apparatuur dat goedkeurig is volgens de ATEX 114 richtlijn mag in verschillende omstandigheden toegepast worden afhankelijk van de zonering. De zonering is afhankelijk van het type explosierisico (gas/damp of stof), en de frequentie van het risico op explosies.
Machines kunnen voor verschillende onderdelen ook verschillende zoneringen hebben. Dit is vooral zo bij stoffilters, meestal de stoffige lucht aangezogen wordt via een aanzuigkanaal en aan de buitenkant van het filter erg geen of nauwelijks stof in de lucht zit.
| Frequentie risico op explosie | Gas explosie gevaar | Stof explosie gevaar |
| < 0.1% van de bedrijfsduur | Zone 2 | Zone 22 |
| > 0.1% en <10% van de bedrijfsduur | Zone 1 | Zone 21 |
| >10% van de bedrijfsduur | Zone 0 | Zone 20 |
Welke ATEX zoneringen zijn er typisch voor industriële luchtfilters?
Bij een afzuiginstallatie zijn verschillende delen van deze installatie in contact met verschillende concentraties stoffige lucht. De functie van een filterinstallatie is immers om het stof uit de aangezogen lucht af te scheiden zodat er zuivere lucht en geconcentreerd stof over blijft, die gescheiden worden afgevoerd. De verschillende delen van de installatie moeten dan ook meestal aan verschillende normen voldoen.
Door de pulsreiniging is er zeer regelmatig een stofwolk die ontstaat in het vuile gedeelte van het filter. ATEX filters zijn daarom aan de “vuile zijde” bij de filterpatronen vrijwel altijd ontworpen op ATEX zone 20. Alle componenten die direct in contact staat met de binnenzijde van het filter moet dan ook geschikt zijn voor ATEX zone 20, zoals bijvoorbeeld volmelders of draaisluizen.
Bij het goed werken van het filter zal de ventilator alleen schone lucht aanzuigen. Het kan echter gebeuren dat een filterpatroon scheurt en alsnog stoffige lucht langs de filterpatronen komt. De kans hierop zeer klein en <0.1% van de bedrijfsduur, maar niet uit te sluiten. Vandaar dat de ventilator intern uitgevoerd wordt in ATEX 22.
De buitenkant van de filter is meestal in een ruimte waar geen grote hoeveelheden stof aanwezig zijn in de lucht. Hier hoeven dan ook geen extra ATEX maatregelen genomen worden
Hoe wordt de explosiviteit van industrieel stof bepaald?
De explosiviteit van stof is sterk afhankelijk van verschillende eigenschappen. Ten eerste zijn er natuurlijk de chemische eigenschappen, stoffen die makkelijker oxideren waarbij veel energie vrijkomt zullen explosiever zijn dan stoffen die relatief inert zijn. Vooral organische stoffen en petrochemische stoffen zijn vaak explosief, hoewel verschillende metalen ook sterk explosief kunnen zijn.
Als tweede is de deeltjesgrootte van het stof van belang, typisch zal een explosie met fijn stof sneller verlopen dan een explosie met grover stof. Het is dan ook van groot belang om de deeltjesgrootte te weten van het stof dat vrijkomt. Stof dat vrijkomt bij bijvoorbeeld metallisatie of schoperen is fijner dan het stof dat vrijkomt bij het slijpen of zagen van metalen. Bij houtverwerking is het stof dat vrijkomt bij zagen vergelijkbaar een grover dan het stof dat vrijkomt bij schuren.
Een explosiebal waarin de explosiviteit van stoffen bepaald wordt.
Kentallen explosiviteit
Voor de explosiviteit van stof zijn er twee belangrijke kentallen:
- Pmax: De maximale drukverhoging die ontstaat wanneer al het stof verbrand is. Hoe hoger de druk die ontstaat, hoe meer hete gassen afgevoerd moeten worden om de druk weer te verlagen.
- Kst: De snelheid waarmee de druk toeneemt. Hoe sneller de explosie plaatsvindt, hoe minder tijd er is om de ontstane hoge druk af te voeren.
Het bepalen van deze kentallen wordt gedaan in een explosiebol. Hier wordt met een persluchtstoot het stof fijn verdeeld door de hele bol, en vervolgens wordt met een ontsteker het stofmengsel aangestoken. De drukopbouw wordt gemeten waarbij de totale ontstane druk en de snelheid waarmee deze bereikt wordt de waardes voor Pmax en Kst bepalen.
Klantvoorbeeld: RVS explosieveilig filter voor chemische processen
Voor een klant werkzaam met verschillende chemische stoffen hebben we een groot RVS filter geleverd voor een nieuwe fabriek waar met reactieve chemische stoffen gewerkt wordt. Deze stoffen zijn zowel chemisch reactief als explosief.
Hiervoor heeft Naaykens’ een filter ontworpen dat uitgevoerd is in chemisch inert RVS, en de explosies die mogelijk plaats kunnen vinden kunnen weerstaan.
Voor dit project is de stofproductie ook relatief hoog met een verwachte stofproductie van 500 kg/u. Daarom is ook gekozen voor stofafvoer via schroeftransport, zodat het verzamelde stof in bulk afgevoerd kan worden.
Toegepaste ATEX maatregelen
| Orderreferentie | 84418-010 | 84418-020 |
| Filtertype | PJ EA 80/25 – ATEX – RVS | PJ EA 4/25 – ATEX – RVS |
| Debiet | 75.000 m3/h | 2.000 m3/h |
| Stofbelasting | Max. 6.6 g/m3 – Max. 2000 kg/h | 1.5 g/m3 |
| Explosiewaardes stof | Pmax = 4.76 barg en Kst = 37.5 bar.m/s | |
| Materiaal | RVS 304 | |
| Specificaties | ATEX 20 binnenkant, ATEX 22 buitenkant. 4 Vlamloze drukontlastingen | ATEX 20 binnenkant, ATEX 22 buitenkant. 1 Vlamloze drukontlasting |
Voor dit project zijn verschillende maatregelen genomen om de filters veilig te maken. De maatregelen die getroffen worden voor ATEX filters zijn ruwweg te verdelen in twee categorieën: voorkomen van een explosie en maatregelen om een explosie veilig plaats te laten vinden. De maatregelen om explosies te voorkomen zijn vooral gericht op het voorkomen van een ontstekingsbron. Door de functie van het filter is immers niet te voorkomen dat aan de overige drie voorwaarden voldaan wordt – de aanwezigheid van zuurstof, brandstof en de dispersie van deze brandstof.
Preventie van het ontstaan van ontstekingsbronnen bestaat uit:
- Het voorkomen van het ontstaan van vonken door statische elektriciteit. Alle metalen delen worden verbonden met een aardingssysteem om de opbouw van statische elektriciteit te voorkomen, en antistatische filterpatronen worden toegepast;
- Het voorkomen van het ontstaan van vonken door toegepaste apparatuur. Alleen ATEX certificeerde apparatuur als volmelders en transportschroeven worden gebruikt.
Foto’s van het grote filter en de ventilatoren, voor transport naar de fabriek voor montage. Bij de aanzuigbakken zijn goed de verstevigingen te zien. In het midden is een flensaansluiting voor de aanzuigleiding, daarnaast een aansluiting voor de vlamloze drukontlastingen.
Een veilig verloop van een explosie wordt gegarandeerd door:
- Afvoer van de ontstane druk op een veilige manier; in dit geval via vlamloze drukontlastingen;
- Isolatie van de explosie door middel van terugslagkleppen;
- Het dimensioneren en verstevigen van het filter zodat deze niet plastisch deformeert door de hoge drukken. In de bovenstaande foto’s zijn de extra verstevigingen op de luiken, de inlaatbakken en de trechters goed zichtbaar.
Vlamloze drukonlasting
Door de locatie waar deze filters komen is een breekplaat geen handige optie. De leiding voor de drukontlasting zou dusdanig lang worden dat de drukopbouw in het filter zeer hoog kan worden.
Daarom is hier gekozen voor een vlamloze drukontlasting. Deze vlamloze drukontlasting is afgesloten met een plaat welke met een veer gesloten wordt gehouden. Bij een explosie duwt de hoge druk deze plaat open waarna de hete gassen langs de plaat kunnen stromen.
De vlamloze drukonlaster heeft een zogenaamde vlamstopper, waar hete gassen langs kunnen stromen en deze gekoeld worden en zo de vlammen doven. Omdat het bij explosies slechts om een relatief kleine hoeveelheid gas gaat is het mogelijk zo genoeg passieve koeling te hebben dat de ontstane gassen koud genoeg zijn dat ze geen verdere brand kunnen veroorzaken buiten het filter.
Vlamloze drukontlastingen op filters
Referentie ATEX filter: Metallisatie met aluminium
Voor een klant die metalliseert/schopeert met aluminium hebben we een ATEX filter opgeleverd op de overspray op te vangen. Aluminiumstof is een van de stoffen waarvan men niet snel verwacht dat het explosief is. Puur aluminium oxideert echter vrij snel, waarbij de ontstane oxidatie een zelf-beschermde laag vormt om te voorkomen dat het onderliggende materiaal verder oxideert.
Dit is makkelijk zelf te zien door met een stalen mes over een aluminium onderdeel te schrapen, de doffe oxidelaag wordt dan afgeschraapt waarna het glanzende pure aluminium zichtbaar is. Het duurt echter niet lang voor de doffe oxidelaag weer hersteld is.
Het stof dat ontstaat bij metalliseren is ook nog niet volledig geoxideerd en met de juiste (of verkeerde) dispersie dus ook explosief. Met behulp van een explosiviteitstest is dit ook aangetoond.
Voor deze klant hebben we dan ook ATEX filters geleverd om te voorkomen dat explosies plaatsvinden, en als ze plaatsvinden dat deze veilig gebeuren.
Omdat de locatie van het filter in een gebouw is op de derde verdieping is hier een handige mogelijkheid voor de het toepassen van een simpele breekplaat. Deze breekplaat leidt naar buiten, waar bij een explosie direct naar buiten ontlast wordt. Omdat dit op een grote hoogte gebeurt is er geen risico voor een gevaarlijke situatie, behalve wellicht een vogel die op een onfortuinlijk moment voorbij vliegt.
ATEX maatregelen bij een metallisatiefilter
Technische gegevens
| Orderreferentie | 85561 |
| Filtertype | 2x PJ EA 20/25 – ATEX |
| Debiet | 13.500 m3/h |
| Stoftype | Aluminiumstof |
| Stofbelasting | Max. 3 g/m3 |
| Explosiewaardes stof | Pmax < 10 barg en Kst < 200 bar.m/s |
| Specificaties | ATEX 20 stofzijde, ATEX 22 schone zijde. |
Explosie-isolatie stoffilters met terugslagkleppen
De explosie wordt ook geïsoleerd in de filters door de toepassing van terugslagkleppen. Deze zijn in de foto’s goed zichtbaar door hun herkenbare rode kleur. Deze terugslagkleppen zijn op een afstand gemonteerd van het filter met een goede reden – tijdens een explosie vormt zich een drukgolf vóór het vlamfront welke zich door de leiding propageert. Deze drukgolf zorgt er voor dat de afsluitklep sluit voordat het vlamfront deze bereikt. Het leidingwerk tussen de filters en de terugslagkleppen is hier een kritische factor die er voor zorgt dat er genoeg tijd is voor de drukgolf om de klep te sluiten.
Zo, nu hebt u een beter beeld wat voor ATEX filters Naaykens’ heeft opgeleverd. Hebt u ook een afzuiging nodig voor explosief stof? Neem geen onnodige risico’s en laat ons u adviseren!