Toz Patlamaları

Giriş

Ülkemizde ve dünyada ağaç endüstrisinden metal endüstrisine kadar geniş bir yelpazede toz malzemeler elleçlenmekte ya da proses şartları gereği oluşmaktadır. İşletme içerisinde kullanılan ya da açığa çıkan toz malzeme eğer gerekli önlem alınmaz ise şiddetli bir patlamaya neden olarak çalışanların hayatına ve maddi kayıplara mal olabilmektedir. Yanıcı tozlar genel olarak, 420 µm (U.S. No 40, 40 mesh standart elekten geçen malzeme) ya da daha küçük boyutlardaki yanıcı katı partiküller olarak tanımlanmaktadır. Ancak ülkemizde de yürürlükte olan IEC 60079-10-2 standardına da uygun olması için 500 µm (U.S. No 35, 35 mesh standart elekten geçen malzeme) boyut kriteri olarak değerlendirilmektedir. NFPA Amerikan Ulusal Yangın Önleme Birliği’nin yaptığı deneyler neticesinde 500 µm’den daha büyük boyuttaki parçacıkların patlama tehlikesi yaratmadığı ispatlanmıştır. Patlama şiddeti partikül boyutu ile doğrudan ilişkilidir. Partikül boyutu küçüldükçe tehlike boyutu artmaktadır. Toz partikülleri nadiren aynı boyutta olmaktadırlar. Ancak elleçlenen toz kütlesinin %20’si 500 µm altında bir boyutta ise tehlike bulunmaktadır.

Bazı durumlarda elleçlenen toz malzeme düzgün küresel ya da kübik şekilde bulunmayabilir. Bu tür toz partikülleri elekten diğer düzgün şekilde olanlar kadar rahat geçmemektedir. Bu durum yapılacak elek analizinde zayıf bir değerlendirme yapılmasına yol açmaktadır. Talaş tozu ve lifler (fiber) gibi malzemeler 500 µm elek analizinden geçemezler ancak bu maddeler hala patlama tehlikesi yaratırlar.

Bazı durumlarda elleçlenen toz malzeme düzgün küresel ya da kübik şekilde bulunmayabilir. Bu tür toz partikülleri elekten diğer düzgün şekilde olanlar kadar rahat geçmemektedir. Bu durum yapılacak elek analizinde zayıf bir değerlendirme yapılmasına yol açmaktadır. Talaş tozu ve lifler (fiber) gibi malzemeler 500 µm elek analizinden geçemezler ancak bu maddeler hala patlama tehlikesi yaratırlar.

Proses boyunca taşınan, depolanan toz partiküllerinin sürüklenme ve sürtünme kaynaklı giderek boyutu küçülmektedir. Bu nedenle yapılacak olan elek analizleri prosesin farklı noktalarından alınan örneklerle gerçekleştirilmelidir. Yanlış alınmış örnek ile hiç beklenmeyen bir bölgede toz patlaması riski ile karşılaşılabilir.

ABD Kimyasal Güvenlik Kurulu (The U.S. Chemical Safety Board, CSB) 2006 yılında yanıcı toz tehlikeleri raporunu yayınlamıştır ve bu raporda 44 farklı bölgede gerçekleşen 119 kişinin hayatını kaybettiği 281 kaza incelenmiştir. Ayrıca daha güncel bir çalışma olarak Chris Cloney tarafından “2016 Combustible Dust Incident Report” isimli çalışma ile 2016 yılı içerisinde Kuzey Amerika’da meydana gelen toz patlamaları, tozma malzeme cinsi, endüstri, vefat eden kişi sayısı gibi detaylarla incelenmiştir. Bu rapor incelendiğinde 33 adet kaza gerçekleşmiş, 23 kişi yaralanmış ve 2 kişi hayatını kaybetmiştir. En çok toz patlamaları %33’lük bir yüzde ile gıda endüstrisinde gerçekleşmiştir. Bunu %18’lik yüzde ile ahşap endüstrisi takip etmektedir. Raporlarda vurgulanmak istenen asıl husus, gerçekleşen bu kazalara farklı bölgelerde, farklı endüstrilerde, farklı proseslerde, farklı ekipmanlarda ve farklı toz malzemelerin sebep olmasına rağmen tüm kazaların aynı sonucu doğurmasıdır. CSB ve Chris Cloney büyük çerçeveden bakarak genel toz tehlikelerine dikkat çekmek istemektedir. Bu makalede genel olarak tozun ne olduğundan, yaratabileceği tehlikelerden, bu tehlikelerin önlenmesi, sınırlandırılması için ülkemizde ve dünyada yürürlükte olan standartlardan özet bilgiler derlenmiştir.

Toz patlamaları mekanizması

Bir toz patlaması meydana gelmesinde birden çok parametre önem kazanmaktadır. Bu parametreler yanıcılık, partikül boyutu ve dağılımı, nem oranı, oluşabilecek toz bulutuna ait minimum tutuşma sıcaklığı, toz katmanı için minimum kızarma sıcaklığı şeklindedir. Ortamdaki nem oranı %30’un altına indikçe maksimum patlama basıncı artmaktadır.

Genel olarak çoğu kişi tarafından bilindiği üzere yanıcı, yakıcı ve tutuşma kaynağı ile bir yangın meydana gelebilir. Ancak bir toz patlamasının gerçekleşmesinde bu üç parametre yeterli olmamaktadır. Toz patlamalarının gerçekleşebilmesi için toz malzemenin kapalı ya da sınırlanmış bir alanda havayla karışmış şekilde bir tutuşma kaynağı ile buluşması gerekmektedir.

Proseslerde toz patlama riskinin artmasının en büyük nedenlerinden birisi zeminde, kiriş ve kolonlarda ya da boru hattı veya ekipmanlar üzerinde biriken tozun havalanması durumudur. Bu bölgelerde biriken tozun havalanması ve akışkanlaşarak geniş hacimde düşük konsantrasyona erişmesi ile toz partikülleri birbirlerinden ayrılarak tamamen hava ile çevrelenir. Böylece yüzey alanı maksimuma ulaşmış olur. Titreşim, hava hareketleri, darbe, patlama (basınç) dalgaları bu duruma neden olan başlıca etkenlerdir. Yaşanmış toz patlamaları incelendiğinde en yıkıcı kazaları ikincil toz patlamalarının oluşturduğu görülmektedir. İkincil toz patlamaları işletme içerisinde ekipman, boru hattı vb. yüzeylerde birikmiş olan toz malzemenin, proseste meydana gelen bir patlama sonucu oluşan basınç dalgası etkisiyle havalanması ve havalanan bu malzemenin tutuşması sonucu oluşmaktadır. Şekil 1’de bulunan görsel ile ikincil patlama mekanizması açıklanmaktadır.

 

Şekil 1. İkincil Patlama Mekanizması

Tozların patlayıcılık parametreleri

Minimum Patlayıcı Toz Konsantrasyonu (MEC): Patlama oluşturabilecek toz hava kombinasyonunu sağlayan minimum toz konsantrasyonudur. Minimum patlayıcı toz konsantrasyonu, gaz ve buharlar için kullanılan alt patlama sınırına (LEL) benzer şekilde tozlar için kullanılan bir limit değerdir. Bu değer, partikül boyutu, kimyasal kompozisyonu ve benzer diğer faktörlere bağlıdır. Alt limit genellikle 30 – 40 g/m3 tür. Ancak bu değer toz malzemenin gaz/buhar gibi homojen bir dağılım göstermemesinden kaynaklı etkin olarak kullanılmamaktadır. Ortamda bulunan toz bulutunun patlayıcı aralıkta olduğunu anlamanın basit bir yöntemi olarak, 25 W’lık bir ampul 2 m mesafeden görülemiyor ise ortamdaki toz bulutu patlayıcıdır. NFPA 654 standardına göre minimum patlayıcı konsantrasyonun %25’i altında toz ihtiva eden ortam toz patlama riski açısından güvenlidir.

Sınırlanmış Oksijen Konsantrasyonu (LOC): Bir ortamda, patlama oluşturmayan en fazla oksijen konsantrasyonudur. Genelde toz ne kadar kuru ve inceyse bu değer o kadar düşüktür. Toz cinsine göre LOC değeri %2-%15 arasında değişmektedir. %8 Oksijen seviyesi, organik tozlarda, karbondioksit ve azot verilerek yapılan inertleme operasyonu esnasında hedeflenen LOC değeridir.

Minimum Tutuşma Enerjisi (MIE): Toz karışımının elektrik ve elektrostatik deşarjlara karşı hassasiyetini ölçmeye yönelik bir parametredir. Genel olarak 25 mJ’den düşük MIE değerine sahip tozların patlama riski olduğu kabul edilir. Yüksek ortam sıcaklığı ve düşük nemlilik MIE değerinin azalmasına, dolayısıyla toz karışımının patlama riskinin yükselmesine neden olur. 10 mJ’den düşük MIE değerine sahip olan toz karışımları için özel giysiler başta olmak üzere istisnai önlemler alınmalıdır. Partikül büyüklüğünün artışı ve ortamdaki yüksek nem MIE değerini arttırır. Bu nedenle bazı tozlu ortamlarda su kullanılarak ortam nemli tutulmaya çalışılır.

Patlama Şiddeti – Toz Patlama Sabiti (KST): Patlama şiddeti, kapalı bir ortamda en kötü senaryoda bulunabilecek tozun patlaması esnasındaki toz patlama sabiti ve yaşanan basınç artışı ile karakterize edilebilir. Patlama sonucu oluşan aşırı basınç (Pmax) test hacminden bağımsızdır ve neredeyse tüm tozlar için benzerdir (8-10 barg). Toz patlama sabiti KST ise bir kapalı kapta optimum koşullarda gerçekleştirilen toz patlamasının ölçülen maksimum basınç hızını ifade eder. Patlamanın şiddetinin bir göstergesi olup, patlamaya karşı alınabilecek önlemlerin zamanı hakkında da fikir vermeye yönelik ölçülen bir parametredir. Genellikle tozlar KST değerine dayalı olarak “toz patlama sınıfları” ya da “ST sınıfları” olarak gruplandırılırlar. Toz patlama sınıfları Tablo 1’de verilmiştir

Yanma Davranışı (Yanabilirlik) (BZ): Toz katmanının yanma davranışı, bir toz tabakasındaki içten yanmanın ekipman ya da ünite boyunca yayılıp yayılmayacağını ya da toz tabakasının tutuştuğu alanda sınırlandırılabileceğini belirleyebilir. CC (Yanma sınıfı) olarak da adlandırılan “BZ” parametresi sınıflandırmaları Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 1. Toz Patlama Sınıfları

Toz Patlama Sınıfı	KST, bar.m/s	Patlama Şiddeti
St 0	0	Yok
St 1	0< KST ≤200	Zayıf ve orta
St 2	200< KST ≤300	Kuvvetli
St 3	KST>300	Çok kuvvetli

 

Tablo 2. Yanabilirlik Sınıfları

YANABİLİRLİK	BZ
Alev oluşturmaz	BZ 1
Kısa bir süreliğine yanar, ve çabuk bir şekilde söndürülebilir	BZ 2
Bölgesel yanma ya da içten yanma, yayılma yok	BZ 3
İçten yanmanın yayılması	BZ 4
Açık alevin yayılması	BZ 5
Çok hızlı yanma	BZ 6

Tutuşma kaynakları

Yanıcı bir toz atmosferinin varlığı tek başına bir tehlike teşkil etmemektedir. Yanma reaksiyonunu başlatacak enerjiye sahip bir ateşleme kaynağı da gerekmektedir.

İşletmelerde farklı çeşitlerde tutuşma kaynağı ortaya çıkabilmektedir. EN 1127-1 standardında belirtilen bazı örnekler ile başlıca tutuşma kaynakları Tablo 3’te verilmiştir.

Tablo 3. Çeşitli Tutuşma Kaynakları ve Örnekler

TUTUŞMA KAYNAĞI	ÖRNEKLER
Alevler	Flare, Fırın, Ateşlenmiş ısıtıcı (fired heater), Kazan, Laboratuvar ısıtıcıları, Ortam ısıtıcıları, Kaza ile oluşan yangınlar
Sıcak çalışma	Kaynak çalışmaları Kesme operasyonları Bileme operasyonları (grinding, hot tapping)
Sıcak yüzeyler	Operasyonel parametrelere göre boru hatları ve kimyasal içeren ekipmanlar Mekanik ekipmanlar (motorlar, türbinler vb.) Laboratuvar ekipmanları (hot plate, fırın vb.)
Sürtünme ve darbe	Konveyörler Araç frenleri Silindirler Çekiç vb el ekipmanları Hareketli parçalar
Sıcak malzemeler ve gazlar	Kazandan çıkan sıcak küller Kullanılmış katalizörler Sıcak proses malzemeleri Sıcak gazlar
Reaktif ve kararsız kimyasallar	Piroforik kimyasallar Kimyasal – Malzeme uygunsuzluğu Kimyasal – kimyasal uygunsuzluğu
Araçlar	Genel taşıtlar; benzin, motorin ve elektrikli Forkliftler
Elektrik	Motorlar, alternatörler, dinamolar, konveyörler Kontaktlar; sviçler, röleler, kontaktörler Kablolar; tahrip olmuş kablolar, su ile temas etmiş kablolar Uygun olmayan aydınlatmalar Bataryalar Taşınabilir ekipmanlar; radyo, TV, kamera Yer hareketleri; deprem veya çöküntü gibi yer hareketleri sonucu oluşan kıvılcımlar

Ayrıca düşük minimum tutuşma enerjisine sahip kimyasalların elleçlenmesinde en sık rastlanan ve tehlikeli risklerden biri statik elektrik sonucu yanma ve patlama gerçekleşmesidir. Çeşitli elektrostatik boşalmalar Tablo 4’te verilmiştir.

Tablo 4. Elektrostatik Boşalma Türleri

Deşarj Tipi	Potansiyel Enerji	Tutuşma Etkisi
Spark (kıvılcım)	10.000mJ	Buharlar, gazlar ve tozlar
Fırça	<4 mJ	Buharlar, gazlar ve bazı hassas tozlar
Yayılan fırça	<2 mJ	Buharlar, gazlar ve tozlar
Koni	10 – 25 mJ	Buharlar, gazlar ve bazı hassas tozlar
Korona	<0,1mJ	–

Çeşitli statik elektrik boşalmalarına karşı BS-5958 standardında geçen alınması gereken önlemler Tablo 5’de verilmiştir.

 

Tablo 5. Elektrostatik Boşalmalara Karşı Alınacak Önlemler

MIE (mJ)	Tavsiye Edilen Önlemler
500	Elektrostatik alevlenmeye karşı düşük hassasiyet. Fabrika ekipmanlarına topraklama yapınız.
100	Çalışanların madde ile iç içe olduğu alanlarda çalışanları da topraklayın (+/- 5)
25	Elektrostatik kaynaklı toz patlamalarının en sık olduğu alan (+/- 5).
10	Elektrostatik alevlenmeye yüksek hassasiyet. Yalıtkan maddelerin kullanılması ve kıvılcım yapabilecek ekipmanların kullanılması sınırlandırılmalı.
1	Aşırı yüksek hassasiyet. Patlayıcı toz konsantrasyonu oluşumunu engelleyin.  Yüklenmelerin düzenli izlenerek, yüklenme durumlarında güvenli şekilde boşalmasının sağlanması gerekir.

Peki toz patlamalarını nasıl önleyebiliriz?

Proseste yaşanan kaçaklar, ekipman arızaları ve hatalı operasyonlar nedeniyle ortama yayılıp biriken toz katmanı için NFPA tarafından 0,8mm’lik bir sınır değer belirtilmiştir. Bu değer aşıldığı taktirde potansiyel toz patlaması riski oluşmaktadır. İşletme içerisinde bu kalınlıkta toz birikiminin önlenmesi için temizlik operasyonları önem kazanmaktadır. Toz birikiminin tehlikeli sınırda olup olmadığının diğer değerlendirme yöntemi ise yüzey renginin görülebilir olup olmadığıdır. Yüzeyin %5’ini kaplamış toz tabakaları derhal temizlenmelidir.

Filtreler, silolar ve diğer toz malzemelerin elleçlendiği ekipmanlar için toz patlamalarını önleyici ve etkisini azaltıcı birçok ekipman bulunmaktadır. Ancak birikme yapan toz malzeme için temizlik operasyonlarından başka alınacak aksiyon bulunmamaktadır.

Aydınlatma armatürleri, elektrik motorları ve kalorifer peteği gibi özellikle insansız ve erişimi zor alanların ısınan yüzeyleri periyodik olarak temizliği önemlidir. NFPA 654 standardına göre toz tabakalarının temizliğinde mutlaka etrafa dağılmayı önleyici vakumlu sistemler kullanılmalı, basınçlı hava asla kullanılmamalıdır. Tozlu alanlarda kullanılan elektriksel ve mekanik donanımlar ısınma yönünden gerekirse termal kamera kullanılarak periyodik olarak kontrol edilmelidir.

NFPA 654 standardına göre toz elleçlenen ortamlarda yapılacak temizlik uygunluğu Tablo 6’da verilmiştir.

Tablo 6. Yanıcı Toz Elleçlenen Ortamlarda Temizlik Yeterliliği

TEMİZLİK DERECESİ	TOZ KATMANI KALINLIĞI	TOZLU ORTAM SÜRESİ	YANGIN VEYA PATLAMA RİSKİ
İyi	Yok veya ihmal edilebilir seviyede	Yok	Yok
Tatmin Edici	İhmal edilemez seviyede	Bir vardiyadan daha kısa	Yok
Yetersiz	İhmal edilemez seviyede	Bir vardiyadan daha uzun	Yangın riski

 

Kaynaklar

[1] Crowl, D. A. (2003). UNDERSTANDING EXPLOSIONS. Center for Chemical Process Safety (CCPS).

[2] Eckhoff, R. (1991). Dust Explosions in the Process Industries.

[3] International Electrotechnical Commission (IEC). (2015). IEC 60079-10-2. Explosive atmospheres – Part 10-2: Classification of areas – Explosive dust atmospheres.

[4] National Fire Protection Association (NFPA). (2017). NFPA 499. NFPA 499: Recommended Practice for the Classification of Combustible Dusts and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas.

[5] National Fire Protection Association (NFPA). (2017). NFPA 654 : Standard for the Prevention of Fire and Dust Explosions from the Manufacturing, Processing and Handling of Combustible Particulate Solids.

[6] Occupational Safety and Health Administration (OSHA). (2014). Hazard Alert: Combustible Dust Explosions.

[7] U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB). (2006). COMBUSTIBLE DUST HAZARD STUDY. Kasım.

[8] Cloney, Chris. (2017) “2016 Combustible Dust Incident Report (North America) Version 1” Retrieved from www.myDustExplosionResearch.com/2016Report