Endüstriyel Tesislerde Toz Patlamaları
ENDÜSTRİYEL TESİSLERDE TOZ PATLAMALARI
Gelişen sanayilerde üretim sırasında oluşan tozlar ve daha sonra toz bulutlarının neden olduğu sorunlara gereken önem verilmezse üzücü sonuçlar doğurabilir. Toz patlaması oluştuğunda insana ve işletmeye önemli hasarlar oluşturabilir. Endüstriyel toz patlamaları üretim, depolama ve malzeme taşınması sırasında önemli risk oluştururlar. Patlama sırasında ortaya çıkan ısı ve yüksek basınç çalışanlara ve ekipmana hasar vererek üretimi kesintiye uğratır. Katı halde yanabilme özelliğine sahip bir malzemenin daha küçük parçalarının havada toz bulutu oluşturması ve ısı kaynağı ile temasa geçmesi halinde patlayabildiği bilinen bir gerçektir.
Patlayabilen tozların oluştuğu endüstrileri; madencilik, kâğıt, ağaç, metal, yiyecek, kimyasal, yakıt, plastik, boya gibi olarak sıralayabiliriz. Toz patlamalarının meydana geldiği çalışma alanlarını ise silolar, filtreler, değirmenler, iletim makineleri, kurutucular, fırınlar,karıştırıcılar, elekler vb. şeklinde listeleyebiliriz. Pek çok tesiste sıralanan bu donanımlara rastlamak mümkündür ve tedbirler alınmadığı zaman patlama riski her zaman mevcuttur.
Tarihteki toz patlamaları
Kayıtlara göre ilk toz patlaması olayı 14.12.1875’ de İtalya’nın Torino şehrinde bir fırında meydana gelmiştir (Bay Giacomelli Ekmek Fırını, saat 1600).
Torino’daki bir fırında havada asılı bulunan un partikülleri, bir gaz lambasının tetiklemesiyle patlamaya yol açtı ve şans eseri can kaybı olmadı. Bu, o zamana kadar görülmemiş bir olaydı ve unun ne derece tehlikeli olabileceği bilinmiyordu.
1890 yılında Polonya’daki bir linyit kömürü fabrikasının kurutma fırınında kömür tozu patladı ve ciddi hasar ve yaralanmalara yol açtı. 1979 yılında ise, Bremen’deki bir değirmende un patlaması sonucunda 14 kişi öldü,bir o kadar kişi yaralandı ve önemli miktarda maddi hasar meydana geldi. Yakın zamanlarda, belki de sanayi tarihinin istatistiklere geçen en yıkıcı toz patlaması ise 2008 de Amerika daki Imperial Sugar şeker/nişasta üretim tesisinde meydana gelmiş,14 ölü,36 yaralı ve korkunç bir yıkımla sonuçlanmıştır.
Endüstriyel Toz Patlamalarına Yönelik Yapılan Çalışmalar
Organik tozların patlayabilirliği, ilk defa dönemin İngiltere başbakanı tarafından görevlendirilen Michael Faraday’ın 28 Eylül 1844 tarihinde Haswell Kömür Ocağı'nda (Durham, İngiltere) meydana gelen ve 95 çalışanın yaşamını kaybettiği patlamanın nedenlerini araştırdığı çalışmada ortaya konulmuştur (Bartknecht ve Zwahlen, 1989; Anon., 2008). Bu bulgular, daha sonra Verpilleux’un 1867 ve Vital’in 1875 yılında yapmış olduğu çalışmalar ile de desteklenmiştir (Mills, 2010). Beyersdorfer (1925) yılında gerçekleştirdiği çalışma ile toz patlamasında, toz tane boyutunun önemini vurgulamıştır.
Toz Patlamaları İle İlgili Gerçekleştirilen İlk Çalışmalar (Bartknecht Ve Zwahlen, 1989)
Yıl
Araştırmacı
Patlayabilir Toz
1844
M. Faraday
Kömür tozu
1878
R. Weber
Un
1885
Engler
Yanabilir gaz ve toz karışımı
1891
R. Holtzwart ve E.v. Meyer
Linyit tozu
1891
R. Holtzwart ve E.v. Meyer
Elektrik kıvılcımı ile toz bulutunun ateşlenmesi
1899
H. Stockmeier
Elektrik kıvılcımı ile Al. tozunun ateşlenmesi
İlgili Yönetmelikler
Ülkemizde 20.06.2012 tarihinde kabul edilen 6331 sayılı “İş Sağlığı ve
Güvenliği Kanunu” kapsamına giren her türlü işyerinde, kanunun 30. maddesine
dayanarak düzenlenen “Tozla Mücadele Yönetmeliği”, tozun oluşumunu
sınırlamak adına işverenin her türlü tedbir almasını özellikle meslek hastalıklarını
önlemek açısından zorunlu kılmıştır.
“Muhtemel Patlayıcı Ortamda Kullanılan Teçhizat ve Koruyucu Sistemler ile İlgili Yönetmelik(94/9/AT)” 27.10.2002 tarihinde yürürlüğe girmiş ve 30.12.2006 tarihinde tamamen yenilenmiştir .
“Patlayıcı Ortamların Tehlikelerinden Çalışanların Korunması Hakkında Yönetmelik (99/92/EC)” ise 26.12.2003 tarihinden itibaren yürürlüğe girmiş, 30.05.2013 tarihinde tamamen yenilenmiştir.
Patlayıcı Toz
Patlayıcı toz; “..Partikül boyutuna ve şekline bakılmaksızın,havada veya herhangi bir okside edici ortamda asılı vaziyette bulunan ve parlama veya patlama tehlikesi taşıyan yanıcı katı madde partikülleri..” (NFPA 654,Tanımlar,Madde:3.3.4) olarak tanımlanır.
Endüstriyel tesislerde patlama riski oluşturabilecek maddeler aşağıda açıklanmıştır.
Tarımsal Ürünler: Süttozu, Soya tozu, Mısır nişastası, Pirinç nişastası, Ağaç unu, Peyniraltı suyu, Şeker, Buğday nişastası.
Tarımsal Tozlar: Alfalfa, Elma, Pancar kökü, Havuç, Pamuk, Kakao tozu, Hindistancevizi kabuğu tozu, Kahve tozu, Mısır unu, Kakao çekirdeği tozu, Pamuk tohumu, Sarımsak tozu, Glüten, Çimen tozu,Yeşil kahve, Şerbetçiotu, İrmik, Keten tohumu, Limon tozu, Keçiboynuzu sakızı, Malt, Yulaf unu, Zeytin peleti, Yulaf tanesi tozu, Soğan tozu, Maydanoz, Şeftali, Fıstık, Patates, Patates unu, Patates nişastası, Pirinç tozu, Yucca tohumu tozu, Pirinç unu, Çavdar unu, Limon kabuğu tozu, Soya fasulyesi tozu, Baharat tozları, Ayçiçeği, Buğday tanesi tozu, Çay, Tütün,Ceviz tozu, Domates, Buğday unu, Buğday nişastası, Xanthan sakızı, Ayçiçeği tohumu tozu.
Karbonlu tozlar: Kömür, Odun kömürü, Mantar, Kok kömürü, Lamba isi, Linyit, Turba, Selüloz, Selüloz özü, Ziftli kömür,
Kimyasal tozlar: Adipic acid, Anthraquinone, Ascorbic acid, Calcium acetate, Calcium stearate, Carboxy-methylcellulose, Dextrin, Lactose,Lead stearate, Sulfur, Sodium ascorbate, Paraformaldehyde, Sodium stearate, Methyl-cellulose.
Metal Tozları: Aluminyum, Bronz, Çinko, Magnezyum, Karbon çeliği.
Plastik Tozları: (poly) Acrylamide, (poly) Acrylonitrile, (poly) Ethylene, Epoxy resin,
Melamine resin, Melamine, molded (phenol-cellulose), Melamine, molded (wood flour and mineral filled phenol- formaldehyde), (poly) Methyl acrylate, (poly) Methyl acrylate emulsion polymer, Phenolic resin, (poly) Propylene Terpene-phenol resin,
Urea-formaldehyde/ cellulose, molded, (poly) Vinyl acetate/ ethylene copolymer
(poly) Vinyl alcohol, (poly) Vinyl butyral, (poly) Vinyl chloride/ ethylene/vinyl acetylene suspension copolymer, (poly) Vinyl chloride/ vinyl acetylene emulsion copolymer.
Patlama Nedir?
NFPA 69 a göre patlama; “..Bir yanma sonucu oluşan iç basınç etkisiyle bir kapalı alanın veya kabın tahrip olması veya parçalanması ..yüksek basınçlı bir gazın ortama çok hızlı birşekilde yayılması ” olarak tanımlanır.
Normalde her katı madde ısıyı az veya çok emer. Ancak toz halinde oksijenle temas alanı çok fazla ve parçacıkların hacmi çok düşük olduğundan, çok kısa zamanda sıcaklık artışına neden olan egzotermik bir reaksiyon oluşur ve bu artış komşu parçacıkların yanmasıyla da desteklenir. Bazı tozlar, içlerinde bulunan yanabilen gazları açığa çıkarırlar. Toz patlamasının oluşabilmesi için minimum toz miktarı yaklaşık 60 gr/m3 mertebesindedir.Genel olarak toz patlamaları, etrafını oksijenin çevrelemiş olduğu parçacıkların tutuşması ve bu alevlenmenin çabucak yayılımı sonucu o kadar hızlı oluşur ki insanlar korunmaya zaman bulamazlar.
Toz patlamasının neden olduğu maliyeti etkileyen faktörler,
a) Çalışanların ölümü veya yaralanma riski,
b) Tesisin kapatılması veya yeniden yapılanması,
c) Ekipman değişimi,
d) Değiştirilebilir ürün çeşitliliğinin gözden geçirilmesi,
e) Çalışma süresinin düşmesi,
f) Ürün tesliminde sorunların ortaya çıkması,
g) Pazarda hisse senetlerinin düşmesi,
h) Ortakların güvenlerini yitirmeleri,
ı) Yıllık kar kaybının önlenememesi,
i) Sigorta işlemlerinde ağır şartların ortaya çıkması şeklinde özetlenebilir.
Toz Patlaması Gereken Koşullar (Pentagon)
Toz bulutunun patlaması için bir ateşleme kaynağı olması gerekmektedir.
Bir patlamanın ilk kaynağına primer patlama denir ve ekipmanların içinde gerçekleşir. Eğer hızlı yanma oluşursa, sıcaklık ve basınç kapalı hacmi patlatacak seviyeye erişebilir. Eğer patlama içinde gerçekleştiği hacmi parçalarsa,oluşan basınç dalgaları, ekipman ve yapıları daki toz tabakalarını fabrikanın başka yerlerine doğru savurur. Hızla ilerleyen alevlerin, bu oluşan yeni toz bulutunu patlatmasına ise sekonder patlama denir. Sekonder patlamanın etkisi daha büyük ve yıkıcı olur. Bu işlemler aşağıga verildiği gibi çok hızlı gelişir.
Zaman (ms)
Patlama aşaması
0
Primer patlama
25
Ekipmanın(silo,tank) içinde ilk şok dalgası ve titreşim
60
Dış ortamdaki tozların havaya savrulması
80
Ekipmanın delinmesi dış ortamda sekonder patlama başlangıcı
125-200
Sekonder patlamanın işletme içine yayılması
Toz patlaması oluşabilmesi için gerekli koşullar:
-Tozun yanabilir olması.
-Havada asılı olması. Minimum konsantrasyon limitine (LEL)ulaşması gereklidir.
-Yeterli oksijen olması.
-Tutuşma kaynağı
-Kapalı alan. Ekipmanların içleri en uygun kapalı ortamlardır.
Çoğu toz patlamaları için oksijen gerekir. Minimum oksijen konsantrasyonu; Kömür Tozu :%12-14, Un:%11, Polimer:%10-11, Magnezyum Pudrası:%3 örnek verilebilir.
Patlatmayı başlatabilmek için minumum enerji miktarı ise; Mısır nişastası:300mJ, Buğday unu:540mJ, Kopolimer:11mJ, Alüminyum Talaşı:1800mJ gereklidir.
Toz birikimi kapalı bir hacimde ise patlama gerçekleşir. Açık alanda ise ateş topu oluşur ve basınç etkisi gözlenmez. Kapalı sistemler silolar,mikserler, kurutucular örnek verilebilir. Sınırlanmamış sistemlere ise dökme toz boşaltma ve açık karıştırıcılar örnek olarak verilebilir.
Toz ne kadar kuruysa ve toz parçacıkları ne kadar küçükse patlama o kadar şiddetli olur.
Toz patlamasında partikül çapının basınca etkisi.
Alt ve Üst Patlama Limitleri
Alt Patlama Sınırı-APS (Lower explosion limit)
Patlamanın oluşabilmesi için gerekli olan havada asılı miktardaki minimum toz konsantrasyonuna APS denir. Kömür madenlerinde % 25 - 30 asılı madde içeren ince tozlarla yapılan çeşitli denemelerde, iş yeri hacmi içinde APS 100-120 gr/m3 olan ocakların tehlikeli ve 300-400 gr/m3 olan ocakların ise yüksek derecede tehlikeli kabul edilebilecekleri görülmüştür .
Üst Patlama Sınırı-APS (Upper explosion limit)
Havada asılı toz partiküllerinin patlama oluşturmayacağı en az konsantrasyon sınırıdır.Yani bu sınırın üzerinde toz içeren ortamlarda teorik olarak yeterli oksijen bulunmadığı için patlama meydana gelmeyecektir.
Tutuşma Kaynakları
Ateşleme kaynağında ark oluşturabilecek hatalı elektrik tesisatı, elektrik motorları, kaynak işlemleri, sürtünmenin veya metalik parçaların neden olduğu kıvılcımlar, aşırı ısınan yataklar, statik elektriklenme, açık alevler, aşırı ısınan ampuller, kurutucular, sürekli sıcak yüzeyler gibi olumsuzluklardan kaçınılmalıdır. Özetle, toz patlamasında bir ateşleme enerjisine gereksinim vardır. Benzer şekilde, farklı malzemeler için ateşleme sıcaklıklarının bilinmesinde yarar vardır. Böylece işleme sırasında ateşleme sıcaklığına göre gerekli önlemlerin alınması daha kolay olacaktır. endüstride kullanılan tozların çoğu yanabilir özelliktedir. Bir ateşleme kaynağı ateşlendiğinde, havada asılı haldeki yanabilir toz yoğunluğu, alevin yayılması için yeterli ise patlama oluşacaktır.
Toz Bulutu İle Ateşleme Sıcaklıkları
Toz Cinsi
PatlamaSıcaklığı (oC)
Min. BTE (mJ)
Maks. PB (bar)
Kst (bar
*m/s)
Min. Patlama Konsant.
(g/m3)
Limitleyici O2 Konsant.
(% hacim)
Bulut
5 mm film
Antrakinin
550
Süblimleşme
3
9.1
298
30
-
Leblebi tozu
560
260
40
-
-
-
15
Linyit Köm.
390
180
30
11.0
151
60
12
Alüminyum
550
740
15
13.0
750
60
5
Kömür
610
170
60
9.8
114
15
14
Mısır unu
380
330
40
10.3
125
60
9
Tahta
470
260
40
10.2
142
60
10
Buğday unu
380
360
50
9.8
70
125
11
Yağsız süt
490
200
50
9.8
125
60
-
Şeker
370
400
30
9.5
138
60
-
Sülfür
280
113
5
6.8
151
30
-
Çinko
690
540
9600
7.8
93
250
-
Bazı tozların patlama özellikleri
Önleyici Tedbirler
Durgunlaştırma (inerting)
Ekipmandaki oksijen düzeyini,karbondioksit,azot vb gibi gazlar karıştırarak patlama oluşabilecek şartların altına indirmektir. En önemli dezavantajı ekipmanın izole edilmesini gerektirmesidir. Ayrıca kullanıcıların etkilenmemesi için gaz oranları sürekli izlenerek kontrol altında tutulmalıdır. %100 etkili olan ancak oldukça pahalı bir sistemdir.
Vakum
50 mbar ın altında negatif basınç oluşturarak patlamayı engellemek veya etkilerini azaltmaktır. Vakum işlemi de mutlak sızdırmazlık ve ilave maliyetler gerektiren bir işlemdir.
Anti-statik ortam oluşturmaya yönelik önlemler
Ortamdaki ve kişilerdeki statik elektrik yüklenmesini engelleyecek boşalmasını sağlayacak kişisel koruyucular, boşaltma istasyonları ve topraklamaya yönelik önlemlerdir. İnsan vücudu normal çalışma koşullarında 10 ile 15 kV statik elektrikle yüklüdür. Bunun deşarjı esnasında oluşabilecek bir ark ise 25 ila 30mJ luk bir enerji oluşturur ki buda bazı materyaller için sağlamaktadır.
Tozun Dağılmasını ve Yayılmasını önlemek
Toz oluşumuna neden olan ortam ve makinaların normal çalışma ortamından mümkün olduğunca ayrılması veya dışarı toz kaçırmayacak şekilde izole edilmesi,toz filtrasyonu ve toz toplama sistemleri bu konuya örnek olarak verilebilir.
Koruyucu Tedbirler
Koruyucu önlemler patlamanın etkilerini azaltmaya ve kişileri bunlardan korumayı amaçlayan önlemlerdir. Patlamaya dirençli ekipmanlar, iki hacim arasında alev geçişini engellemeye yarayan alev kapanları, ve bariyerler, patlama kapakları ve egzostlar ve izolasyon yöntemleri bunlar arasında sayılabilir. Bina,oda,ve kapalı hacimlerde yer alan havalandırma ve patlama kapakları bina dışına, çalışanlardan uzak ve güvenli bölgelere bağlantılı olacaktır.
Hakan Savaş ÖZYILMAZ
Yangın Eğitmeni
Kaynaklar
Bartknecht, W., Zwahlen, G., 1989. Dust Explosions – Course, Prevention,
Protection, Springer Verlag, Berlin, ISBN: 13:978-3-612-73947-7
Beyersdorfer, P., 1925. Staub-Explosionen. Dresden und Leibzig, Verlag von
Theodor Steinkopff
P. Zeeuwen, “Percentage of flammability of substances”, Chilworth Technology Ltd., Southhampton,U.K., 2010.
T. Abbasi and S.A. Abbasi “Dust explosions cases, causes, consequences and control” Journal ofHazardous Materials, Vol.140 2007.
D.K., Pritchard, “Literature Review-Explosion Hazards Associated with Nanopowders”, Fire and Explosion Science Group, EC/04/03, Harpur Hill, Bookstone, England, 2
