Waar gaat het over?

Poeders kunnen, wanneer ze in suspensie (wolk) worden gebracht, een explosierisico vormen. Daarom vallen poeders onder de ATEX-richtlijn en worden de risico's op vergelijkbare wijze geanalyseerd als explosieve dampen.

Poederexplosies kunnen zeer verwoestend zijn. Veel voorbeelden zijn gedocumenteerd in de procesindustrie. Explosies in meelsilo’s kunnen bijvoorbeeld bijzonder krachtig zijn. In principe kan elk poeder dat geoxideerd kan worden (= verbrand), een ATEX-risico vormen onder bepaalde omstandigheden. Vanwege hun frequentie, de schade die ze kunnen veroorzaken en het gebrek aan bewustzijn binnen de industrie, heeft de Europese Unie de ATEX-richtlijn opgesteld, die verplicht stelt dat industriële bedrijven: de zones moeten bepalen waar een explosieve stofatmosfeer aanwezig kan zijn en de nodige maatregelen moeten treffen om het risico te voorkomen of te mitigeren.

Deze pagina is voornamelijk gebaseerd op de Europese ATEX-regelgeving, maar de meeste uitgelegde principes kunnen ook worden toegepast voor een DHA - "Dust Hazard Analysis" (Stofgevarenanalyse).

---

1. Ontplofbaarheidsvoorwaarden

Explosiviteitstriangle

De voorwaarden die tot een explosie kunnen leiden, worden vaak weergegeven in de vorm van een driehoek. Elke hoek vertegenwoordigt een van de voorwaarden. Om een explosie te krijgen, is het noodzakelijk dat er brandstof (het poeder), zuurstof en een ontstekingsbron aanwezig zijn.

Figuur 1 : Explosiedriehoek

Stofexplosiepentagon

In het geval van poederexplosies moeten aan 2 extra voorwaarden worden voldaan: de dispersie (om een stofwolk te hebben) en de insluiting (confinement). Om deze reden worden ATEX-explosievoorwaarden soms weergegeven in de vorm van een pentagon.

Figuur 2 : Stofexplosiepentagon

Hoewel deze grafische weergaven helpen begrijpen hoe een explosie kan ontstaan, geven ze ook de sleutels om ongelukken te voorkomen: als aan een van de bovenstaande voorwaarden niet is voldaan, kan er geen explosie optreden. Het doel van de ATEX-analyse is dan ook om te bepalen of deze 5 voorwaarden tegelijkertijd kunnen worden vervuld. Zo ja, dan moeten oplossingen worden gevonden om er één te elimineren (preventie). In sommige gevallen is dit niet mogelijk; dan zal de explosie, indien deze optreedt, beheerst moeten worden (mitigatie) en zal de wijze waarop dit moet gebeuren in de ATEX-analyse moeten worden gespecificeerd.

Bronnen van stofwolken

Stofwolken kunnen verschillende oorzaken hebben. Ze kunnen het gevolg zijn van het proces (ontvangst van een pneumatisch transport) in de apparatuur. Ze kunnen het gevolg zijn van lekkages buiten de apparatuur. Of ze kunnen ontstaan door slechte reiniging, waarbij stofafzettingen in suspensie worden gebracht.

Omdat de bronnen gevarieerd zijn maar vaak verband houden met het onderhoud van de installatie, zullen strikte procedures moeten worden geïmplementeerd om het ATEX-risico te beheersen.

2. Eigenschappen van stofexplosies

Fysische eigenschappen gebruikt om poederexplosies te beschrijven

De ontstekingsbronnen kunnen van uiteenlopende aard zijn. Belangrijk is de energie die vrijkomt. Als deze energie voldoende is en optreedt in aanwezigheid van een stofwolk, kan een explosie plaatsvinden. De minimale energie die aan een stofwolk moet worden toegevoerd, wordt de Minimale Ontstekingsenergie (MOE) genoemd en wordt uitgedrukt in mJ. Het is belangrijk op te merken dat de MOE per poeder verschilt.

Deze parameter, evenals andere, wordt meestal bepaald door gespecialiseerde instituten die gecontroleerde explosies uitvoeren en meten bij welke energiedrempel het poeder ontsteekt en explodeert.

Onder de bepaalde parameters bevinden zich de Kst- en Pmax-waarden van de explosies, die ook afhankelijk zijn van het poeder. Pmax is de maximale druk die bij de explosie kan worden verwacht, en Kst vertegenwoordigt de explosiesnelheid.

De poederdeeltjesgrootteverdeling is ook een belangrijke factor, met name voor explosies in silo’s.

Een samenvatting van de poedereigenschappen die bekend moeten zijn voor een ATEX-studie wordt hieronder gegeven:

Tabel 1 : ATEX-eigenschappen van poeders

Eigenschap	Eenheid	Bepalingsmethode	Gebruik in ATEX-studie
Pmax - Maximale explosiedruk	bar	Explosietests in geïnstrumenteerde explosiecellen	Stelt in staat de gevolgen van een explosie te berekenen
dP/dt max - Maximale drukstijgsnelheid	bar/s	Explosietests in geïnstrumenteerde explosiecellen	Stelt in staat de gevolgen van een explosie te berekenen
Kst - Explosieconstante	bar·m/s	(dP/dt)max.V^0.33= Kst De waarde dP/dt is afhankelijk van het explosievolume, echter is gebleken dat Kst onafhankelijk is van het volume en enkel een functie is van het gebruikte poeder. Daarom wordt doorgaans Kst in plaats van dP/dt gebruikt om de explosie-eigenschappen van poeders weer te geven.	Kst wordt gebruikt voor het berekenen van veiligheidsventilatie – bijvoorbeeld explosiepanelen – om een explosie te mitigeren.

Fysische eigenschappen van het poeder gerelateerd aan hun gevoeligheid voor poederexplosies

Om een juiste ATEX-analyse uit te voeren, en met name om de explosierisico’s adequaat te kunnen beoordelen, is het bepalen van bepaalde fysische eigenschappen van het poeder noodzakelijk. Deze eigenschappen worden beschreven in onderstaande tabel.

Tabel 2 : Poedereigenschappen die explosierisico’s beïnvloeden

Eigenschap	Eenheid	Bepalingsmethode	Gebruik in ATEX-studie
MIT (Minimale Ontstekingstemperatuur)	°C	Godbert-Greenwald-oven	Er worden twee ontstekingstemperaturen bepaald: in een stofwolk en in een laag van 5 mm. De MIT in stofwolk is gerelateerd aan poederexplosie, terwijl de laag gerelateerd is aan brandrisico. In wezen geeft dit de maximale toelaatbare temperatuur aan in het gebied waar het poeder aanwezig is – bijvoorbeeld helpt het bij het bepalen van de temperatuurklasse van elektromotoren.
MIE (Minimale Ontstekingsenergie)	mJ	Ontstekingstesten van stofwolken bij verschillende energieniveaus	Stelt vast welke werkelijke gevaren afkomstig zijn van ontstekingsbronnen. Het toont de gevoeligheid van het poeder voor puntvormige energiebronnen, zoals vonken van elektrische of mechanische oorsprong. De MIE wordt over het algemeen beschouwd als een goede representatie van de gevoeligheid van poeder voor explosierisico. Poeders met een MIE lager dan 3 mJ worden beschouwd als zeer gevaarlijk.
PSD (Partikelgrootteverdeling)	Micron	Diffractometers	Maakt het mogelijk risico’s in silo-opslag te identificeren (maximale toelaatbare diameter).
Maximaal toelaatbare zuurstofconcentratie	Procent	Verticale buis of 20 l bol	Deze informatie is met name interessant voor het ontwerpen van een proces dat explosierisico’s voorkomt door inertisatie. Stikstof kan bijvoorbeeld in het systeem worden geïntroduceerd om lucht te vervangen. Voor organisch poeder ligt de limiet meestal rond 11% resterende zuurstof. Voor metaalpoeder is de limiet veel lager. Specifieke tests moeten worden uitgevoerd om de waarde te bepalen, en een veiligheidsmarge van ten minste 2% moet in acht worden genomen.

Naast deze sleutelparameters die direct in ATEX-analyses worden gebruikt, moet de ingenieur ook op de hoogte zijn van de invloed van de volgende eigenschappen op de kans op explosie.

Tabel 3 : Overige poedereigenschappen van belang in ATEX-studies

Eigenschap	Invloed op explosie
Korrelgrootte	Over het algemeen neemt de explosiviteit van een stofwolk toe naarmate de deeltjes kleiner worden. Het beschikbare oppervlak voor verbranding neemt immers toe als de vaste stof fijnverdeeld is. Daarentegen is vanaf 200–500 micron een explosie niet meer mogelijk. Het moet echter worden opgemerkt dat deze limiet doorgaans niet in ATEX-studies wordt gebruikt, aangezien de fijnere fracties in een product met een PSD rond 500 micron in sommige gevallen voldoende kunnen zijn om een explosie te veroorzaken.
Explosieconcentratie	Er is een ondergrens voor de concentratie waarbij geen explosie optreedt. Uit literatuur blijkt dat deze waarde varieert van 0,010 tot 0,100 kg/m³. Dit is sterk afhankelijk van het product. Aan de andere kant is er een bovengrens voor de concentratie waarbij eveneens geen explosie kan optreden. Deze varieert van 1 tot 10 kg/m³.
Vochtigheid	De vochtigheid van poeder is over het algemeen gunstig om het explosierisico te verminderen. Hoe vochtiger het poeder, des te kleiner de kans op explosie. Tijdens de ATEX-analyse kan het nuttig zijn om het vochtgehalte van het verwerkte poeder te kennen. Uit literatuur blijkt dat een limiet van 30% kan worden aangehouden als de grens waarboven explosie onwaarschijnlijk is.

3. Preventie en bescherming tegen stofexplosies

Explosiepreventie bestaat uit het VOORKOMEN van een explosie door maatregelen te nemen die invloed uitoefenen op de parameters die een explosie mogelijk maken – zie de explosie-pentagon.

Tabel 4 : Preventie van explosies

Maatregel	Actie
Netheid en onderhoud (Housekeeping)	Dit is de meest basale, maar ook een zeer effectieve maatregel: stof mag zich niet ophopen waar het niet thuishoort! Stof in de werkomgeving kan opnieuw in suspensie worden gebracht en een explosie veroorzaken. Vaak is de eerste explosie niet verantwoordelijk voor de grootste schade, maar wel de secundaire explosie, veroorzaakt door stof dat in het gebouw lag, in suspensie werd gebracht en vervolgens op veel grotere schaal explodeerde [PBE]. Elke stoflekkage moet worden opgeruimd en de oorzaak geïdentificeerd en gecorrigeerd.
Inertisatie	Het gebruik van stikstof of kooldioxide in het proces maakt het mogelijk om onder de maximaal toelaatbare zuurstofconcentratie te blijven, benodigd voor een explosie. Hiervoor moet het inertgas beschikbaar zijn, het proces moet zijn ontworpen om de zuurstofconcentratie te regelen en de inertisatie dienovereenkomstig te sturen, zodat altijd in de veilige zone wordt geopereerd. De fabrieksoperator moet ook de risico’s beoordelen die gepaard gaan met de inertisatie zelf.
Verwijderen van ontstekingsbronnen	Het proces en de bedrijfsvoering moeten zodanig worden ontworpen dat ontstekingsbronnen worden geëlimineerd: Thermisch: de MIT-meting moet worden gebruikt om het proces zo te ontwerpen dat warmtebronnen altijd onder deze waarde blijven. De fabrieksbedrijfsvoering mag geen interventies op het proces toestaan als het proces niet proper is gereinigd en vrijgegeven via een werkvergunningprocedure. Mechanisch: vonken kunnen ontstaan door mechanische impact; de gevoeligheid van het poeder is direct gerelateerd aan de MIE. Om dergelijke vonken te voorkomen, moet een streng controleschema en onderhoudsplan worden opgezet voor elk roterend apparaat dat dergelijke vonken kan veroorzaken. Het proces moet zodanig worden ontworpen dat, indien mogelijk, de omtreksnelheid van roterende onderdelen lager is dan 1 m/s, een limiet die algemeen wordt aanvaard voor roestvrij staal als de drempel waaronder geen vonken meer ontstaan. Voor sneller draaiende apparatuur moeten detectiemiddelen worden geïnstalleerd om aanraking tussen onderdelen (bijv. trillingsmeting) te signaleren. Ten slotte moeten vreemde voorwerpen worden vermeden door middel van adequate zeving en metaaldetectie van elk materiaal dat het proces binnenkomt. Elektrisch: gerelateerd aan de MIE van het poeder; zelfs kleine vonken van statische elektriciteit die plotseling ontladen, kunnen gevaarlijk zijn. Als algemene regel moet het proces worden geaard, geïsoleerde onderdelen die statische elektriciteit kunnen accumuleren moeten worden vermeden, personeel moet antistatische beschermingsmiddelen dragen, silo’s moeten zo worden ontworpen dat hun diameter klein genoeg is om het risico van kegelontladingen te vermijden. Alle elektrische apparatuur moet ook ATEX-gecertificeerd zijn.

Explosiebescherming bestaat uit het BEHEERSEN van de GEVOLGEN van een explosie.

Tabel 5 : Mitigatie van explosies

Maatregel	Actie
Explosiebestendigheid	Indien, ondanks de preventieve maatregelen, het explosierisico nog te hoog wordt geacht, kan de installatie explosiebestendig worden gemaakt – 10 bar(g) is een gebruikelijke waarde voor de meeste poeders. Apparatuur moet gecertificeerd zijn.
Explosieventilatie	Het gebruik van scheurplaten of explosiepanelen kan worden toegepast om de explosiedruk af te blazen. Hun ontwerp is zeer belangrijk en moet worden toevertrouwd aan een gespecialiseerd bedrijf, hoewel er enkele snelle ontwerpmethoden bestaan. Het ventilatiepunt moet ook zorgvuldig worden bestudeerd om risico’s als gevolg van de explosiedruk of vlammen te vermijden. Er bestaan vlamdovers op de markt indien de afblazing binnen een gebouw moet plaatsvinden.
Explosie-onderdrukking	Het is mogelijk om de plotselinge drukstijging die kenmerkend is voor een explosie te detecteren en de injectie van een blusmiddel te activeren. Een dergelijk systeem, hoewel efficiënt, heeft als nadelen dat specifieke zorg vereist is voor het onderdrukkingsysteem om ervoor te zorgen dat het werkt wanneer nodig. Het injecteert ook product in het proces, dat grondig moet worden gereinigd. Het moet tevens worden geïnstalleerd door een gespecialiseerd bedrijf.
Isolatie van het proces	Deze maatregelen moeten worden gecombineerd met de vorige punten. Sommige apparatuur kan in wezen het deel van het proces dat aan een explosie wordt blootgesteld, isoleren. Typische apparatuur omvat het volgende: Snelwerkende klep: vaak gekoppeld aan een onderdrukkingsysteem. Dit is een actieve klep die wordt geactiveerd door de veiligheids-PLC wanneer een drukstijging wordt gedetecteerd. Ventex-klep: dit is een passieve klep die in wezen sluit bij een drukstijging. Sterklep: sterklep met minimaal 8 alveolen.

4. ATEX-zonering

Een resultaat van een ATEX-studie is het definiëren van de zonering van de installatie.. De zonering helpt te identificeren welke delen van de installatie blootstaan aan een ATEX-risico en het niveau van dit risico aan te geven. De verschillende ATEX-risicozones worden hieronder gedefinieerd.

Tabel 6 : Definitie van ATEX-zonering

ATEX-zone	Definitie
Zone 20	Locatie waar een explosieve atmosfeer permanent aanwezig is, of gedurende lange perioden of frequent. Stof in explosieve concentratie is aanwezig gedurende 1000 u of meer per jaar (= normale procesomstandigheden).
Zone 21	Locatie waar een explosieve atmosfeer af en toe kan voorkomen onder normale werkomstandigheden. Stof in explosieve concentratie is aanwezig tussen 10 u en 1000 u per jaar (= onder bepaalde procesomstandigheden).
Zone 22	Locatie waar een explosieve atmosfeer onder normale werkomstandigheden niet waarschijnlijk is, of, indien aanwezig, slechts voor korte duur. Stof in explosieve concentratie is aanwezig van 1 u tot 10 u per jaar (= zeer zeldzame procesomstandigheden of abnormale omstandigheden – lekkages).

De mogelijkheid van een ATEX-omgeving moet per geval worden geanalyseerd, langs het gehele proces. De ervaring van het personeel dat de ATEX-studie uitvoert, is cruciaal om te bepalen wanneer een explosieve atmosfeer kan optreden en met welke frequentie. Kennis van het proces is essentieel om te kunnen identificeren waar poeders worden verwerkt, wat hun aard is,... Om deze reden moet een ATEX-studie worden uitgevoerd door een multidisciplinair team, bestaande uit procestechnologen, productietechnici en -managers, veiligheidsfunctionarissen, alsmede een moderator die helpt de studie tijdig en gestructureerd uit te voeren.

Het proces moet worden bestudeerd aan de hand van 2 soorten gebeurtenissen: poeder wordt verwerkt binnen de apparatuur, zoals bedoeld, of er treedt verlies van insluiting op. Wanneer het poeder zich binnen het proces bevindt, is de omtrek van het ATEX- gebied doorgaans goed gedefinieerd, hoewel het moeilijk kan zijn om te bepalen met welke frequentie de ATEX-zone optreedt. Het is moeilijker in te schatten waar, buiten de apparatuur, een ATEX- gebied kan ontstaan en met welke frequentie. Het proces moet vervolgens in detail worden bestudeerd, waarbij de plaatsen worden geselecteerd waar lekkages kunnen optreden. Vervolgens moet de omvang van de gevormde stofwolk worden beoordeeld.

Wat zijn de gevolgen van de zonering voor het proces?

Zodra de ATEX-studie is afgerond, moet de fabriek ervoor zorgen dat alle apparatuur die zich in het ATEX-gebied kan bevinden, compatibel is met de gedefinieerde classificatie. Dit betreft procesapparatuur die in normaal bedrijf in contact komt met het product (mengers, etc.), maar ook alle apparatuur buiten het proces die zich in een ATEX-zone kan bevinden (motoren, elektrische schakelaars, etc.).

Indien bepaalde apparatuur niet compatibel is, moeten specifieke procedures en/of apparatuuraanpassingen worden doorgevoerd. Indien het risico hoog is, kan dit leiden tot het treffen van mitigatiemaatregelen (explosieschijven, explosie-onderdrukking, etc.).

5. ATEX-studie: Belangrijkste elementen voor een ATEX-risicobeoordeling

STAP 1 – Verzamelen van fysische gegevens over verwerkte poeders

De volgende parameters moeten bekend zijn om een goede ATEX-analyse uit te voeren:
- MIE
- PSD (d50 of d90)
- Explosiekenmerken (Kst en Pmax)

STAP 2 – Definiëren van de zonering van het productiegebied

Afhankelijk van de frequentie waarmee een stofwolk kan worden gevormd, moet het gebied worden geclassificeerd. Voor gebieden buiten het proces moet worden bepaald welke afmetingen in overweging moeten worden genomen.

STAP 3 – Beoordeel het risico op een ontstekingsbron

Het hebben van bijvoorbeeld een zone 20 betekent niet noodzakelijk dat het risico hoog is. Om te bepalen of er een hoog risico is op een ontstekingsbron, kunnen aanvullende berekeningen nodig zijn. Enkele van de typische ontstekingsrisico’s en de bijbehorende berekeningen zijn weergegeven in de onderstaande toolbox.

TOOLBOX

Risico op mechanische vonkvorming

Over het algemeen wordt aangenomen dat de energie die vrijkomt bij metaal-metaalcontact bij een snelheid van minder dan 1 m/s niet voldoende is om een vonk te creëren die een explosie kan veroorzaken. Het is belangrijk op te merken dat deze aanname herzien moet worden als de betrokken metalen geen gangbare materialen zijn zoals koolstofstaal of roestvrij staal. Om te controleren of een roterend onderdeel risico loopt, is het noodzakelijk de omtreksnelheid van het bewegende deel te berekenen. Deze omtreksnelheid kan als volgt worden berekend:

Vergelijking 1: omtreksnelheid

Met D = diameter van de roterende apparatuur in m
n = rotatiesnelheid in omw/min

Risico op kegelontlading

Kegelontlading kan optreden in vaten die poeders bevatten, met name in silo’s. Het betreft een ontlading tussen een geladen hop niet-geleidend poeder en de wand van een container. Gevaarlijke situaties kunnen zich voordoen als:

De soortelijke weerstand van het poeder (bulk) > 10¹⁰ Ω·m

d > 0,612*MIE^0,297*M^-0,435
Met d = diameter van de container in m
MIE = Minimale Ontstekingsenergie in mJ
M = mediaanwaarde van de korrelgrootteverdeling in mm

Risico op borstelontlading

Het kan voorkomen dat in het proces een niet-geleidend materiaal wordt blootgesteld aan een actie die elektrisch kan opladen (bijv. de stroom van deeltjes in pneumatisch transport). Als dit materiaal voldoende is opgeladen, kan een elektrische ontlading worden getriggerd.

Voor dergelijke onderdelen moet de afmeting worden gecontroleerd en ervoor worden gezorgd dat deze niet groter is dan 500 cm². Het risico is echter aanwezig bij zeer gevoelige poeders met een zeer lage MIE < 1 mJ.

STAP 4 – Beoordeel het risico en definieer maatregelen

De laatste stap is het beoordelen van het risico. Het risico wordt gedefinieerd als de combinatie van het voorkomen van een stofwolk (= zonering) en het bestaan van een ontstekingsbron.

Als het risico hoog is (bijv. een zone 20 waarin apparatuur zeer snel roteert met risico op metaal-metaalcontact), moeten maatregelen worden genomen om óf de frequentie van het optreden van de ontstekingsbron (of stofwolk) te verminderen, óf de gevolgen van een explosie te beperken (scheurplaat, onderdrukkingsysteem, etc.).

Ter ondersteuning van de analyse en risicoclassificatie worden de scenario’s meestal weergegeven in een tabel met de zone en de waarschijnlijkheid van een ontsteking. De waarschijnlijkheid is afhankelijk van de regelgeving en/of het bedrijfsbeleid en wordt meestal uitgedrukt als de kans op het optreden van het incident over 1 jaar, 2 jaar, 10 jaar, etc. Vervolgens wordt een matrix opgesteld, waarbij scenario’s in het "oranje" en "rode" gebied directe aandacht en acties vereisen om het risico te verminderen.

Figuur 2: voorbeeld van een ATEX-risicobeoordelingsmatrix

STAP 5 – Rapportage

Alle conclusies moeten worden gedocumenteerd en vervolgens worden geïmplementeerd door de productie (vervanging van apparatuur, installatie van mitigatiemaatregelen, specifieke operatorprocedures, etc.).

Bronnen

Principles of Powder Technology, Martin Rhodes et al., John Wiley and Sons, 1990
Sécurité des Procédés Chimiques, André Laurent, Lavoisier Tec et Doc, 2003
[PBE] Explosierisico’s en bescherming van stofafscheidingssystemen, Brian Matthews, PBE, oktober 2017