6.5 Stofexplosieveiligheid

De materie is echter zo complex dat hier alleen de hoofdlijnen worden aangegeven. Voor meer gedetailleerde informatie wordt naar de betreffende ATEX-richtlijnen, de wetgeving en de NPR 7910-1 (Nederlandse praktijkrichtlijn) verwezen.

Op het werken met brandbare producten waarbij mogelijk een explosieve atmosfeer kan ontstaan, zijn twee Europese richtlijnen van toepassing die ook wel ATEX-richtlijnen worden genoemd. ATEX is de afkorting van Atmosphères Explosibles. Het doel van deze richtlijnen is werknemers te beschermen tegen explosiegevaar. Het gaat hierbij om de richtlijnen:

ATEX 114 (2014/34/EU) is een productrichtlijn voor arbeidsmiddelen en beveiligingssystemen voor explosieve atmosferen, die voorschriften geeft voor het gebruik van apparaten en beveiligingssystemen voor gebruik op plaatsen waar ontploffingsgevaar kan heersen. Deze richtlijn is in Nederland opgenomen in het Warenwetbesluit explosieveilig materieel en beschrijft de algemene veiligheidsdoelen.
De officiële benaming van de ATEX 114 Richtlijn is: RICHTLIJN 2014/34/EU VAN HET EUROPEES PARLEMENT EN DE RAAD van 26 februari 2014 betreffende de harmonisatie van de wetgevingen van de lidstaten inzake apparaten en beveiligingssystemen bedoeld voor gebruik op plaatsen waar ontploffingsgevaar kan heersen (herschikking).

De ATEX 153 (1999/92/EEG) is een richtlijn voor het werken in explosieve atmosferen en bevat minimumvoorschriften voor de verbetering van de gezondheidsbescherming van werknemers die door explosieve atmosferen gevaar kunnen lopen. De ATEX 153 heeft ook betrekking op ontploffingsgevaar in verband met het gebruik en/of de aard van het materieel en de installatiemethoden. In de richtlijn wordt een zone-indeling gedefinieerd in verband met zowel gas- als stofontploffingsgevaar. De ATEX 153 richtlijn wordt daarom in de volksmond ook wel sociale- of installatierichtlijn genoemd en is voor een belangrijk deel omgezet in het Arbobesluit. ATEX 153 is eigenlijk een aanvulling op de richtlijn ATEX 114. Deze laatste beschrijft de constructie van het materieel dat geschikt is voor installatie en het gebruik daarvan in gebieden met ontploffingsgevaar. ATEX 153 beschrijft hoe deze gebieden in gevarenzones ingedeeld moeten worden, hoe er daarin veilig kan worden gewerkt en wat de werkgever daarvoor moet doen.
De officiële benaming van de ATEX 153 Richtlijn is: RICHTLIJN 1999/92/EG VAN HET EUROPEES PARLEMENT EN DE RAAD van 16 december 1999 betreffende minimumvoorschriften voor de verbetering van de veiligheidsbescherming en van de veiligheid van werknemers die door explosieve atmosferen gevaar kunnen oplopen (vijftiende bijzondere richtlijn in de zin van artikel 16, lid 1 van Richtlijn 89/391/EEG).

De NPR 7910-1 is de Nederlandse nationale praktijkrichtlijn voor gasexplosiegevaar: NPR 7910-1+C1 (nl) van maart 2012: Gevarenzone-indeling met betrekking tot explosiegevaar - Deel 1: Gasexplosiegevaar gebaseerd op NEN-EN-IEC 60079-10-1: 2009. Deze praktijkrichtlijn geeft voor de gevarenzone-indeling een gemakkelijk uitvoerbare aanpak gebaseerd op aannamen die een sterke vereenvoudiging inhouden van de in werkelijkheid veelal zeer gecompliceerde situaties.

Enkele begrippen
De hier beschreven begrippen zijn gebaseerd op bovengenoemde ATEX-richtlijnen, de NPR7910-1 en de Arbowetgeving.

Soorten explosies
Er wordt onderscheid gemaakt tussen drie verschillende soorten explosies:

  • fysische explosie - voorbeelden zijn ballon, fietsband, spuitbus, gasfles, vulkaan;  
  • chemische explosie - voorbeelden zijn gasexplosie, nevelexplosie en stofexplosie;
  • nucleaire explosie.

Deze module is beperkt tot het gebied van de chemisch explosies voor wat betreft vaste stoffen.

Explosie
Een explosie (ontploffing) is een plotselinge vergroting van het volume en het snel vrijkomen van energie, gepaard gaand met het ontstaan van hoge temperaturen en het vrijkomen van gassen.
Een explosie is een snelle verbranding met drukeffect. Door de snelle verbranding ontstaat er een grote hoeveelheid (verbrandings)gas die door de snelheid en door de vaak afgesloten ruimte een drukgolf en een vlamfront veroorzaken. Stofexplosiegevaar kan optreden daar waar brandbare vaste stoffen in fijnverdeelde vorm met een deeltjesgrootte kleiner dan 0,5 mm worden getransporteerd of verwerkt. Om brand en explosie te voorkomen dient te worden verhinderd dat deze brandbare   op een voor omgevingslucht toegankelijke plaats gelijktijdig met een werkzame ontstekingsbron aanwezig is. Als een brandbare stof uit fijne deeltjes bestaat – bijvoorbeeld meel, suiker, graanstof, steenkolenstof en dergelijke –  kan deze met lucht worden opgewerveld en vermengd tot een stofwolk die op dezelfde wijze als een vloeistofnevel onder bepaalde omstandigheden explosief kan zijn. Er is dan sprake van een stofexplosie.
Zo’n explosie heeft soms een verraderlijk verloop. Het begint vaak als een langzaam, nauwelijks waarneembare exotherme ontleding in een partij stof: de warmte die daarbij ontstaat, stroomt gedeeltelijk weg naar de omgeving en wordt voor de rest gebruikt om het stof op te warmen. Bij elke 10ºC stijging in temperatuur is de reactiesnelheid met zuurstof (of de ontledingssnelheid) een factor twee tot drie keer zo groot. Dus lichte temperatuurstijgingen geven al veel grotere reactiesnelheden.

Alle brandbare stoffen kunnen in de juiste verhouding met lucht (m.n. zuurstof) en een ontstekingsbron een explosie geven. Voor het ontstaan van explosies zijn namelijk drie factoren nodig:

  • brandbare stof;
  • zuurstof (lucht);
  • ontstekingsbron.

Niet elk mengsel van stof met lucht is explosief. Explosies kunnen alleen optreden wanneer de mengverhouding van brandstof en lucht tussen bepaalde grenzen ligt: de explosiegrenzen.

Explosieve atmosfeer
Onder een explosieve atmosfeer wordt verstaan een mengsel van lucht onder atmosferische omstandigheden en brandbare stoffen in de vorm van stof, vezels of rondzwervende materiaaldeeltjes waarin de verbranding zich, na te zijn ontstoken, kan voortplanten.

In het Arbobesluit, artikel 3.1c, en in het Warenwetbesluit, artikel 1i staat als definitie van explosieve atmosfeer: een mengsel van lucht en brandbare stoffen in de vorm van gassen, dampen, nevels of stof, onder atmosferische omstandigheden waarin de verbranding zich na ontsteking uitbreidt tot het gehele niet-verbrande mengsel.

Brandbare (vaste) stof: fijn verdeelde vaste deeltjes, van een nominale afmeting van 500 µg of minder, die in de lucht kunnen blijven hangen, kunnen neerslaan uit de atmosfeer door hun eigen gewicht, kunnen branden of gloeien en onder atmosferische druk en bij normale temperatuur met lucht een explosief mengsel kunnen vormen.

Bovenste explosiegrens, Upper Explosion Limit (UEL)
De concentratie van de brandbare vaste stof in de lucht waarboven de atmosfeer niet explosief is. Bij deze mengsels is er te weinig zuurstof aanwezig om de verbranding in stand te houden en in hevigheid te laten oplopen: er treedt geen explosie op. Boven de bovenste explosiegrens kan er weliswaar geen explosie plaatsvinden, maar het mengsel is wel gevaarlijk. Wanneer plotseling extra lucht toetreedt, bijvoorbeeld door het openen van een deur, kan het mengsel alsnog in het explosiegebied terechtkomen.

Onderste explosiegrens, Lower Explosion Limit (LEL)
De concentratie van brandbare vaste stof in de lucht beneden welke de atmosfeer niet explosief is. Bij deze mengsels is er te weinig brandbare stof aanwezig en zal er te weinig warmte ontstaan. De reactie kan zichzelf niet in stand houden en qua hevigheid laten oplopen: er treedt geen explosie op. Onder de laagste explosiegrens is het mengsel ongevaarlijk.

Explosiegebied
Het bereik van de concentratie van een brandbare stof in lucht waarbinnen een explosie kan plaatsvinden, dus het gebied tussen de onderste en de bovenste explosiegrens. Boven de UEL is het mengsel te 'rijk', onder de LEL is het mengsel te 'arm' om te kunnen worden ontstoken. 

Van veel organische stoffen ligt de onderste explosiegrens tussen de 50 en 100 g/m³. Als er geen verdere gegevens van het organische stof bekend zijn, hoort rekening te worden gehouden met stofontploffingsgevaar bij concentraties boven de 20 g/m³.

Stof is vaak niet homogeen verdeeld over de ruimte. Plaatselijk kan de concentratie zeer sterk variëren. Dus als op het totale volume van de ruimte de stofconcentratie nog ver beneden de LEL ligt, kan er plaatselijk wel ontploffingsgevaar bestaan. Stofwolken hebben geen goed gedefinieerde bovenste explosiegrens.

Het verraderlijke van stofvorming, in vergelijking met gassen en dampen, is dat gassen en dampen door ventilatie behoorlijk goed worden afgevoerd. Vaste stofdeeltjes kunnen echter neerslaan en tijden blijven liggen. Stof kan dus als een latent gevaar worden beschouwd. Later kunnen stofdeeltjes door turbulenties alsnog in de lucht opdwarrelen en dan secundaire explosies veroorzaken. De enige verzachtende omstandigheid is dat de ontstekingsenergie voor stofdeeltjes meestal hoger is dan voor gasdeeltjes.

Bij stofexplosie kan een grote volumevergroting optreden. Stofdeeltjes zijn vaste deeltjes en worden gasdeeltjes (pyrolyse) waardoor een factor 100 volumevergroting optreedt. Dit kan al gauw meer dan 10 bar worden. Bij overdruk van circa 0,4 bar wordt 90% van de huizen verwoest. Bij gasexplosie treedt nauwelijks volumevergroting op: de gasmoleculen zitten al in de gasfase. Wel kan er schade ontstaan aan de obstakels in de ruimte door drukgolven (zie IMA-module 6.4 Gasexplosieveiligheid). In tabel 1 wordt een overzicht gepresenteerd van effecten in relatie tot de aanwezige overdruk.

Tabel: Effecten van overdruk 


Overdruk (in bar> Effect
0,002 Grote ruiten kunnen breken
0,003 Kleine ruiten kunnen breken
0,006 Orkaan (windkracht 12)
0,02 Circa 10% ruitbreuk
0,03 Veel ruitbreuk, lichte schade aan gebouwen
0,07 Ruiten verbrijzeld, huizen kunnen zwaar beschadigen
0,14 Muren van huizenstorten in
0,20 Gebouwen met stalen skelet kunnen beschadigen
0,28 Olietanks kunnen openscheuren
0,30 Trommelvliezen kunnen scheuren
0,42 Huizen worden bijna geheel vernietigd
0,50 Treinen kantelen
0,70 Alle gebouwen worden totaal vernietigd
1,00 Mensen worden gedood in de open lucht (door longbeschadiging)

 

Ontstekingsbron
Een ontstekingsbron is een plaats waar een zodanige hoeveelheid energie vrijkomt dat daardoor een explosieve atmosfeer kan worden ontstoken.

Vaste stoffen: twee vormen van ontsteking
Twee vormen van ontsteking worden bij vaste stoffen onderscheiden:

  • directe ontsteking: ontsteking van een explosief stof-luchtmengsel door een actieve ontstekingsbron;
  • indirecte ontsteking: wijze van ontsteken waarbij een stofwolk niet direct wordt ontstoken, maar waarbij de ontsteking en meestal het ontstaan van een stofwolk wordt veroorzaakt door een daaraan voorafgaand proces, zoals broeien, smeulen en brand.

Minimale ontstekingsenergie van een stofwolk
Voor ieder stofmonster kan een kenmerkende hoeveelheid energie worden bepaald, waar beneden het niet mogelijk is om op een gestandaardiseerde manier een wolk van dat stof in de lucht te ontsteken. De minimale ontstekingstemperatuur van een brandbare stofwolk is de laagste temperatuur van een verhit verticaal oppervlak dat het daarmee in contact komende mengsel van dat stof en lucht in optimale concentratie nog juist ontsteekt.

Ontstekingsmechanismen voor stofwolken
De ontstekingsbronnen voor stofwolken kunnen als volgt worden ingedeeld:

  1. hete oppervlakken;
  2. vlammen (open vuur) en hete gassen
  3. mechanische vonken en lasvonken;
  4. elektrische installaties en elektrisch materieel;
  5. zwerfstromen en kathodische bescherming;
  6. statische elektriciteit;
  7. bliksem;
  8. elektromagnetische straling in het optische gebied van 3x1011 tot 3x1015 Hz;
  9. exotherme chemische reacties.

Stofexplosiegevaar
Factoren die van belang zijn voor stofexplosies, zijn:

  • de brandbaarheid van het stof;
  • de grootte en vorm van de stofdeeltjes: hoe kleiner hoe meer contact met O2, kleine deeltjes blijven langer zweven;
  • de hoeveelheid;
  • het vochtgehalte van de deeltjes;
  • de hoeveelheid benodigde ontstekingsenergie (net als bij dampen);
  • de soort ruimte.

Indien een brandbare vaste stof in zeer fijne deeltjes (denk aan poeder) is onderverdeeld, kan deze met lucht worden opgewaaid of opgewerveld en vermengd tot een stofwolk die ontplofbaar kan zijn. Voor het optreden van een stofontploffing is het nodig dat een brandbare vaste stof in fijn verdeelde vorm wordt opgewerveld en intensief met lucht (of een ander zuurstofhoudend gas) wordt gemengd alvorens te worden ontstoken. De meest fijnverdeelde vaste stoffen hebben een minimale ontstekingsenergie die aanzienlijk hoger ligt dan die van gassen, maar er zijn uitzonderingen.

Lineaire brandsnelheid
De snelheid waarmee de verbranding in een mengsel brandbare stof-lucht zich voortplant, heet lineaire brandsnelheid. Bij gasmengsels liggen deze tussen de 0,1 en 200 m/s, bij vaste stoffen tussen de 0,001 en 1 m/s. Wanneer de verbranding zichzelf kan onderhouden (zonder dat er extra zuurstoftoevoer nodig is, zoals bij een gewone verbranding) spreekt men van explosies. Wanneer dat gepaard gaat met relatieve lagere lineaire brandsnelheden (lager dan de geluidsnelheid in die stof) door het mengsel heen, dan heten deze deflagraties. Gaat het gepaard met zeer grote lineaire brandsnelheden (1 tot 9 km/s), dan heten deze detonaties. Bij detonaties plant het reactiefront in de explosieve stof zich sneller voort dan de geluidsnelheid in die stof en veroorzaakt een schokfront.

Principes voor explosiebeveiliging

  • primair: voorkomen dat er een explosieve atmosfeer kan ontstaan door het wegnemen of weghouden van alle brandbare stoffen en/of zuurstof;
  • secundair: elimineren van ontstekingsbronnen (speciale behuizingen, intrinsiek veilig maken);
  • tertiair: in het uiterste geval, explosies gecontroleerd toelaten en beperken van de gevolgen door explosiebestendige constructies (bv. breekplaten, vlamdovers).

In veel bedrijven kan de aanwezigheid van brandbare stoffen niet voorkomen worden. En omdat in bedrijfsomgevingen vaak mensen werken, is het veelal niet praktisch om zuurstof weg te halen. De meest praktische manier om explosies te voorkomen, is om de ontstekingsbron te elimineren. Dat betekent dat, als er een explosieve atmosfeer kan ontstaan (in het zogenaamde Gevaarlijk Gebied), een bepaalde ‘zonering’ wordt aangebracht waarbinnen slechts bepaalde typen beveiligde ontstekingsbronnen gebruikt mogen worden. De zonering richt zich dus alleen op de ontstekingsbronnen.
Het doel van deze gevarenzone-indeling is om de toelaatbaarheid te beoordelen van ontstekingsbronnen in een gebied waarin brandbare stoffen aanwezig zijn. De indeling binnen zo’n Gevaarlijk Gebied in zoneklassen is afhankelijk van de waarschijnlijkheid van het aanwezig zijn van een ontplofbare atmosfeer. Deze wordt bepaald door de frequentie en duur van het optreden van een explosieve atmosfeer binnen die gevarenzone.

Soorten gebieden (vaste stoffen)

  • Gevaarlijk Gebied (GG): dit is een gebied waarbinnen brandbaar stof in de vorm van een wolk of stoflaag in zulke hoeveelheden aanwezig is, of aanwezig kan zijn, dat speciale voorzieningen zijn vereist om te voorkómen dat een explosief stof-luchtmengsel tot ontsteking komt.
  • Niet-Gevaarlijk Gebied (NGG): dit is een gebied waarbinnen brandbaar stof in de vorm van een wolk of stoflaag niet in zulke hoeveelheden aanwezig is dat zich gevaarlijke explosieve stof-luchtmengsels kunnen vormen.

Binnen de gevaarlijke gebieden wordt een indeling in zones gemaakt. Doel van de gevarenzone-indeling is om de toelaatbaarheid te beoordelen van ontstekingsbronnen in een gebied waarin brandbare stoffen aanwezig zijn. Het uitvoeren van een gevarenzone-indeling is alleen zinvol indien meer dan een zekere hoeveelheid brandbaar stof aanwezig kan zijn of zou kunnen vrijkomen.

Gevarenzone-indeling vaste stoffen
Dit is de indeling van Gevaarlijke Gebieden in zones, afhankelijk van de waarschijnlijkheid van het aanwezig zijn van een explosieve atmosfeer. De klasse van de zone wordt bepaald door:

  • de aard van de gevarenbronnen: de frequentie en tijdsduur waarmee, en de omstandigheden waaronder, brandbare stof vrijkomt of aanwezig is;
  • de aard van de stoflagen, dat wil zeggen de frequentie en tijdsduur waarmee, de omstandigheden waaronder en de hoeveelheden waarin brandbare stoflagen aanwezig zijn;
  • plaatselijke ventilatieomstandigheden/meteocondities in de omgeving van gevarenbronnen, de mate van schoon huishouden.

De gevarenzone-indeling (vaste stoffen)

Inwendige van apparaten
Voor het inwendige van apparaten behoeft geen gevarenzone-indeling te worden gemaakt voor kleinere hoeveelheden dan:

  • 0,1 kg brandbare stof met een deeltjesgrootte kleiner dan 0,1 mm;
  • 1 kg brandbare stof met een deeltjesgrootte tussen 0,1 mm en 0,5 mm.

Voor stof in een gebouw
Hiervoor behoeft geen gevarenzone-indeling te worden gemaakt voor kleinere hoeveelheden dan:

  • 50 kg brandbare stof met een deeltjesgrootte kleiner dan 0,1 mm;
  • 500 kg brandbare stof met een deeltjesgrootte tussen 0,1 mm en 0,5 mm.

Mengsels van stof waarin zowel deeltjes die kleiner zijn dan 0,1 mm als deeltjes tussen 0,1 mm en 0,5 mm voorkomen, zijn indelingsplichtig als de som van de fracties van de hoeveelheden ten opzichte van minimale hoeveelheden van beide deeltjesgrootteklassen gelijk is aan of groter is dan 1.

De gevarenzone-indeling wordt in drie stappen uitgevoerd

  • Is er brandbare stof aanwezig of kan dit worden gevormd?
  • Betreft het de binnenkant van een apparaat?
  • Is meer dan de onder de betreffende omstandigheden geldende minimale hoeveelheid aanwezig?

Bepaling van de gevarenzones
Hierbij spelen de volgende factoren een rol:

  • de aard van de gevarenbronnen;
  • wel of niet plaatselijk afzuigen van het stof;
  • of vanuit de stoflaag een stofwolk kan worden gevormd;
  • het verwijderen van de stoflaag door schoon huishouden.

Bepalen van de afmetingen van de zones
Dit wordt onder andere bepaald door de volgende factoren:

  • de mate van migratie van het stof;
  • de wijze waarop het stof zich verspreidt;
  • hoe de stoflaag door schoon huishouden wordt verwijderd.