Toz Patlaması Olur mu? - Mustafa Keskin C Sınıfı İş Güvenliği Uzmanı

Kaynak:http://www.yonetimakademisi.com.tr/isg-makaleler/toz-patlamasi-olur-mu.html
Herkes, tozu tanıdığını ve hakkında yeterince bilgi sahibi olduğunu düşünmesine karşın, bu madde bilim için hala tam çözülmemiş ve hakkında çeşitli teoriler üretilen bir konudur ve hangi tozların hangi koşullarda patlayıcı özellik taşıdığı hâlâ araştırılmakta ve bu konuda ölçüm metotları geliştirilmektedir.

Patlayıcı Toz nedir?

Partikül boyutuna ve şekline bakılmaksızın, havada veya herhangi bir okside edici ortamda asılı vaziyette bulunan ve parlama veya patlama tehlikesi taşıyan yanıcı katı madde partiküllerine “Patlayıcı Toz” denir.
Potansiyel patlayıcı olabilecek tozlara örnek olarak; neredeyse tüm organik maddelerin tozları, un, şeker, nişasta gibi gıdaların üretim tesisleri, ecza kimyasalları ve pudra haline getirilmiş, alüminyum, magnezyum gibi metallerin kullanıldığı işletmeler toz patlaması riskini dikkate almak zorundadır.

Patlama Nedir ?

Patlama, aslında yanmanın bir özel halidir.
Çok hızlı bir biçimde gerçekleşen yanma sonucu genleşen gazların oluşturduğu basıncın, içinde bulundukları kapalı hacmin mukavemetini aşması sonucu ortaya çıkan bir yıkıcı etkiye verilen isimdir. Yanabilen ve havada asılı olan her katı parçacık, aşağıdaki kimyasal reaksiyona göre toz patlamasının nedeni olabilir.

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. 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.
Patlamalar, doğaları gereği fiziksel veya kimyasal olabilirler.
Kimyasal formda olan patlamalar, daha sonra parlama ve infilak olarak ikiye ayrılırlar. Parlama endüstriyel tesislerde en sık rastlanan patlama türü olup, yanıcı gaz ürünlerinin alev hızlarının ses hızından daha az olduğu durumlarda oluşur.

İnfilak ise, gazlarda ses hızına eşit bir alev hızıyla olur ve genelde bir şok dalgası eşlik eder. Bir endüstriyel tesisteki toz patlamasının, gerçek bir infilak olup olmadığını tesbit etmek mümkün değildir. Bu nedenle toz patlamalarına karşı korunmada, her zaman parlama olduğunu kabul etmek mantıklıdır.

Klasik "yanma üçgeni", toz madde söz konusu olduğunda "patlama beşgeni" halini alır.
1.Oksijen  
2.Yanıcı Madde  
3.Kıvılcım yada Sıcaklık Kaynağı
4.Asılı halde Toz  
5.Kapalı Alan

Bir toz patlamasının oluşabilmesi için yeterli derecede enerjiye sahip bir ateşlemenin oluşması gerekmektedir. Bir patlamanın ilk kaynağına primer patlama denir ve bu genellikle kapalı alanlarda ve silo, tank gibi ekipmanların içinde gerçekleşir. Eğer hızlı yanma oluşursa, sıcaklık ve basınç kapalı hacmi patlatacak seviyeye erişebilir. Eğer patlama içinde gerçekleştiği hacmi parçalarsa, oluşan basınç dalgaları, genleşme etkisinden dolayı (ki bunlar parlama esnasında alev tabakasının önünden gider), ekipman ve yapıları da titreştirerek buralardaki toz tabakalarını fabrikanın başka yerlerine doğru savurur. Hızla ilerleyen alevlerin ,bu oluşan yeni toz bulutunu patlatmasına ise sekonder patlama denilir ki çoğu zaman primer patlamadan çok daha şiddetli ve yıkıcı olur.

Bu işlemler aşağıda tipik bir örneği verildiği üzere çok hızlı gerçekleşir:

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

Birbirine bağlantılı olan silolardaki patlamalar buna örnektir.
Ani tutuşmalarda, alevden önce oluşacak bir basınç dalgası sekonder patlamanın uyarı sinyali olarak görülebilir. Patlama kapakları ve basınç dedektörleri bu nedenle sekonder patlamadan önce devreye girerek olası bir faciayı sınırlayabilirler. Bu durum alevlenmeye bir şok dalgasının eşlik ettiği infilaklar için geçerli değildir, çünkü adı geçen düzeneklerin devreye girmesi için zaman yoktur.

Toz patlaması oluşabilmesi için gerekli koşullar:


  • Yanıcı bir materyal
  • Gıda ve tarım ürünleri gibi organik maddeler
  • Pestisid, plastik ve pigment gibi sentetik organikler
  • Kömür
  • Metaller, alüminyum, çinko, magnezyum ve demir
  • Toz ne kadar kuruysa patlama o kadar şiddetli olur
  • Minimum konsantrasyon limitine (LEL)ulaşma ve toz pertikül büyüklüğü. LEL havada asılı tozlarda, 5 ila 500 g/m3 arasında değişir. Ayrıca 0,5 mm nin altındaki çaplarda her toz az veya çok patlayıcıdır
  • Toz parçacıklarının havada asılı olması gerekir
  • Yeterli oksijen olması. Buna ilaveten başka yanıcı gazların oluşması, patlama şiddetini arttırır bu karışıma hibrid karışım adı verilir. 
  • Yeterli enerji taşıyan bir ateşleme kaynağı olması. Bu açık alev olabileceği gibi, sıcak yüzeyler, sürtünme sıcaklığı, kaynak veya kesme kıvılcımı da olabilir. Ayrıca elektrik arkı, elektrostatik deşarj, dumansız yanma da ateşleme kaynakları olarak sayılabilir. İlaveten ortam sıcaklığı ne kadar yüksekse ve türbülans veya hava akımı ne kadar yoğunsa, patlama için gerekli tutuşma enerjisi o kadar düşecektir.
  • Kapalı alan. Kural olarak toz bulutu ne kadar kapalı bir alanda bulunursa patlamanın şiddeti o kadar fazla olur. Ekipmanların içleri en uygun kapalı ortamlardır.
  • Patlama riski olan ekipmanlara örnek olarak, kovalı elevatörler, silolar, besleme hunileri, filtre ve siklonlar, karıştırıcılar ve pnömatik transport sistemleri sayılabilir.
  • Toz patlaması yukardaki koşullardan herhangi biri eksik olduğunda gerçekleşmez.


Kaynak, kesme ve alev

Toz kaynakları 100-200 derece arasından itibaren patlamaya hazır haldedirler. Bu nedenle fabrika alanı içindeki tüm sıcak yüzeyler risk kaynağıdır. Bir toz temizliği esnasında özellikle makinaların iç yüzeylerinde biriken toz tabakaları unutulmamalıdır. Böylece için için yanma da engellenir ve günler sonra bile oluşabilecek patlama riskleri bertaraf edilmiş olur. Sigara ve normal çalışması içinde kıvılcım oluşturabilecek,(taşlama gibi) makinalar da özellikle risk kaynağıdır.

Kendiliğinden Isınma

Uzun süre hareketsiz veya temizlenmeden kalan toz tabakaları veya stoklanmış un, nişasta, küspe gibi maddeler zamanla bazı mikroorganizmaların da yardımıyla kendi kendine ısınabilir. Bu ısı kendi kendine tutuşma sıcaklığına kadar yükselebilir. Bu maddeler bir gün gelir hareketlenirse toz patlamaları riski oluşur.

Sıcak Yüzeyler

İçin için yanma potansiyeli olan toz katmanları zaman gelir de hareket görür ve havada asılı hale gelirse ve mimimum konsantrasyon limitine ulaşırsa, sıcak yüzeyler de bunların tutuşma ve akabinde patlamasına neden olabilir. Sıcak yüzeyler örnek olarak kazanlar, ekipmanlar, rulmanlar ve lambalar verilebilir. Bunların ex-proof olması ve periyodik olarak temizlenmeleri gerekir.
Elektriksel, elektrostatik ve sürtünme kaynaklı ark ve kıvılcımlar
Bir elektrik hattında kısa devre veya küçük boşlukların olması elektrik ark atlamasına neden olur. Bir ark, elektrik akımının devrede oluşabilecek küçük bir boşluktan geçici olarak akması ve kıvılcım çıkarmasıdır. Bunların çok küçükleri bile bir toz bulutunu veya yanıcı bir materyali ateşleyebilir.
Switçler (anahtarlar), kontaktörler, röleler ve bazı motorlar gibi elektriksel ekipmanlar normal çalışma koşulları altında bile arklara neden olabilirler.
Statik elektrik ise, katının katıya, sıvının katıya veya iki sıvının birbirine sürtünmesi sonucu oluşan, genel olarak bir işe yaramayan ve zaman zaman arklar şeklinde boşalan elektrik enerjisidir. Bu boşalma genel olarak kontrol altına alınamaz ve statik elektrikten faydalanılamaz. Ancak; Bu kontrolsüz güç çok önemli bir yangın çıkış sebebidir. Maddelerin üzerinde biriken statik elektrik yükü çok fazla olmasa bile boşalma esnasında bu güç birkaç bin volta kadar çıkabilir. Statik elektrikten korunmanın an basit yolu bir toprak hattı oluşturularak biriken gerilimin zemine iletilmesini sağlamaktır.
Mekanik parçaların sürtünmesi, aşırı yüklenmesi veya birbirine çarpmasından kaynaklı kıvılcımlar da tozların ateşlenmesine neden olabilir. El aletleri, kırma ve öğütme değirmenleri, konvetörler gibi ekipmanlar, özellikle arıza, yanlış kullanım ve anormal işletme koşullarında kıvılcıma neden olabilirler.

Önleyici tedbirler

Durgunlaştırma
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 aşağıdaki patlama parametreleri bölümünde açıklanan minimum ateşlenme enerjisini 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. Ayrıca bina projelendirmesinde havalandırma ve toz barınması zor veya temizliği kolay yüzey kaplamaları tercih edilmelidir.
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.

Temizlik ve Bakım

Toz Patlamaları Bilinçlendirme Programına göre 0,8 mm ve daha fazla kalınlıktaki veya işletme yüzeyinin %5 ini kaplamış toz tabakaları derhal temizlenmelidir.
Özellikle insansız ve erişimi zor alanların, kalorifer peteği, aydınlatma armatürleri gibi ısınan yüzeylerin periyodik olarak temizliği önemlidir. Toz tabakalarının temizliğinde mutlaka etrafa dağılmayı önleyici vakumlu cihazlar kullanılmalı, temizlik işlemlerinde basınçlı hava asla kullanılmamalıdır. Tozlu alanlarda kullanılan elektriksel ve mekanik donanımlar ısınma yönünden gerekirse termal kamera kullanılarak periyodik olarak kontrol edilmelidir.

Bastırma/söndürme

Eğer tutuşmadan sonra yeterli zaman kalırsa gayet tabii en tercih edilen yöntemdir. Tutuşma sonrası oluşan duman, basınç veya sıcaklığın ölçülerek ortama söndürücü materyal enjekte edilerek alevin patlamaya neden olmadan söndürülmesi hedeflenir.

Havalandırma

Bir patlama olayı esnasında oluşan basıncın başlangıç basıncının yaklaşık 10 katı kadar olduğu tahmin edilmektedir. Burada ilk basıncın önemini de vurgulamak gerekir. Bu nedenle patlamanın yıkıcı etkilerini azaltmak için kullanılan en yaygın yöntem, devreye patlama basıncını düşürecek havalandırma veya patlama kapakları adı verilen donanımlar koymaktır.
Ekipmanın uygun bir yerine konumlandırılmış, belirli bir basınçta açılan havalandırma veya patlama kapakları içerdeki basıncı düşürerek depoyu veya ekipmanı korumayı amaçlarlar. Havalandırma sistemi mutlaka borulama yardımıyla bina dışına açılacak şekilde tasarlanmalıdır. Borular da mümkün olduğunca keskin dönüşlerden kaçınılmalı patlayıcı karışımı rahatça atmosfere ulaştıracak şekilde tasarlanmalıdır. Bu sistem sadece patlama sonrası oluşacak bileşiklerin çevreye zarar vermediği durumlarda kullanılmalıdır.

Mustafa KESKİN
Makina Mühendisi
C Sınıfı İş Güvenliği Uzmanı

Keywords; İsg Makaleleri, patlayıcı toz nedir, patlama nedir, yanma üçgeni, patlama beşgeni, önleyici tedbirler, tozun dağılmasını önlemek, yayılmasını önlemek, patlamayı önlemek 

Yorumlar