Sektörmaden Dergisi 89 sayı

MAKALE
Toz Patlamaları - 2
1. Giriş
Prof. Dr. Gündüz Ökten
İTÜ Maden Fakültesi emekli öğretim üyesi
Yanıcı özellikteki katı organik maddelerin çoğu,
bazı metaller ve metal olmayan inorganik maddeler;
partikül (parçacık) boyutu standartlarda belirtilen
değerlere kadar küçültülüp, havada yeterli konsantrasyona
ulaşacak şekilde dağıldığında yangın
veya patlama meydana getirebilmektedir. Çok hızlı
gerçekleşen yanma sonucu genleşen gazların oluşturduğu
yüksek basınç çalışanlara ve ekipmanlara
hasar vermekte, üretimi sekteye uğratmaktadır.
Dolayısıyla bu tür sanayi kollarında çalışanlar üretim,
nakliyat ve depolama işlemleri sırasında karşılaştıkları
tozların patlama eğilimleri, oluşabilecek
patlamalardan korunma ve patlamaların önlenmesi
konularında yeterli bilgi ve deneyim sahibi olmak
durumundadır.
Bu çalışmada “Toz Patlamalarının Oluşumunda
Etkili Olan Faktörler” ve “Toz Patlamalarından
Korunma ve Patlamaların Önlenmesi” konuları
mercek altına alınmıştır.
2. Toz patlamalarının
oluşumunda etkili olan faktörler
Tozun partikül boyutu
Atmosferik şartlarda havada birim kütle başına düşen
yüzey alanı ne kadar büyük olursa, patlamadan kaynaklanan
potansiyel etkiler de o ölçüde artmaktadır. Partikül
boyutu, ateşlemenin başlaması ve patlamanın şiddeti
açısından büyük önem taşımaktadır. Küçük boyutlu parçacıkların
havada daha kolay dağıldığı, havada kalma
sürelerinin uzun ve yanmaya eğilimlerinin daha yüksek
olduğu bilinmektedir. Ancak bazı durumlarda, parçacık
boyutunun fazlaca küçülmesi ile toz partiküllerinin birleşip
öbeklenmesi de söz konusu olabilir. Bu durumda
tozun patlayıcılığı da azalır [1].
Eckhoff’ a göre, her şartı sağlamak için partikül boyutu
yaklaşık 50μm olmalıdır [2]. Tane boyutu 500 μm’yi
geçtiğinde toz bulutu tutuşmayan bir malzeme halini alır
[3]. Nitekim, ülkemizde yürürlükte olan IEC 60079-10-2
standardında da patlayıcı tozlar için 500 µm (U.S. No 35,
35 mesh standart elekten geçen malzeme) boyut kriteri
esas alınmaktadır.
Toz konsantrasyonu
Patlama oluşmadan önce tutuşabilir toz süspansiyon yoğunluğu,
alt ve üst patlama sınırları arasında olmalıdır.
Minimum seviyenin altındaki konsantrasyonlarda, ateşleme
kaynağı parçacıkların tutuşmasını uyarmak için
yetersiz kalır ve alev yayılımı oluşmaz. Konsantrasyon
minimum seviyenin üzerinde olduğunda alev yayılımı
gerçekleşir ve toz konsantrasyonu arttıkça alev hızı da
artar. Böylece reaksiyon süresi de uzar [4].
Tutuşabilir birçok toz için alt patlama sınırı açıkça tanımlanmakla
birlikte, toz bulutu yoğunluğundaki kararsızlıktan
dolayı, üst patlama sınırının belirlenmesi oldukça
zordur. Genellikle alt sınırın 50 - 100 g/m 3 ; üst sınırın
2 - 3 kg/m 3 mertebesinde olduğu kabul edilir [3].
Nem
Tipik olarak tozların patlayıcılığı nem miktarı yükseldikçe
azalır. Artan nem tozun dağılımını engellemekte,
Minimum Tutuşma Enerjisini (MTE) artırmakta ve
Maksimum Basınç Artış Hızını (dP/dt)max azaltmaktadır.
Tozdaki nemin Minimum Tutuşma Sıcaklığı (MTS)
üzerindeki azaltıcı etkisi daha sınırlıdır [5, 6].
Tutuşma enerjisi
Tozlar gazlara göre daha güçlü ateşleme enerjisi gerektirmektedir
(10- 100 mJ) [4]. Genel olarak Minimum
Tutuşma Enerjisi (MTE) 25 mJ’den düşük olan tozların
patlama riski olduğu kabul edilir. 10 mJ’den düşük MTE
değerine sahip olan toz karışımları için özel önlemler
alınmalıdır. Yüksek ortam sıcaklığı ve düşük nemlilik
MTE değerinin azalmasına, dolayısıyla toz karışımının
patlama riskinin yükselmesine neden olur. Partikül büyüklüğünün
artışı ve ortamdaki yüksek nem MTE değerini
arttırır. Bu nedenle bazı tozlu ortamlarda su kullanılarak
ortam nemli tutulmaya çalışılır [4,7].
Türbülans
Toz bulutunu oluşturan parçacıkların, üç boyutlu uzayda
ani ve hızlı, gelişigüzel hareketleri türbülans meydana
getirir. Türbülans sonucu tozun bulut içinde dağılması
sağlanır. Böyle bir bulut ateşlendiği zaman, türbülans,
buluttaki yanmamış ya da yanmakta olan parçaların, henüz
yanmamış soğuk parçalarla karışmasını, yanmaya elverişli
yeni bölgeler oluşmasını sağlar. Kısacası, toz bulutunda
oluşan bir kıvılcım ile birlikte, türbülansa girmiş
olan bu bulutta kuvvetli bir patlama meydana gelir [1]
Türbülans, ateşleme kaynağından gelen ısı kayıplarını
artırır. Sonuç olarak, bir toz bulutu için MTE (Minimum
Tutuşma Enerjisi) tipik olarak artan türbülansla birlikte
artar [6].
Oksijen konsantrasyonu
Bir toz patlamasının meydana gelmesi için ortamda yeterli
miktarda oksijenin bulunması şarttır. Normal ortam
havası hacimce %20,9 oksijen içerir. Atmosfer şartlarında
havada %21’den fazla olan oksijen karışımı, yakıtın
yanma hızını olması gereken hızın üzerine çıkarabilir.
Ancak karışımdaki oksijen miktarının %21’in altında olması
durumunda bahsi geçen yanma hızı düşer ve MTE
(Minimum Tutuşma Enerjisi) artar. Bunun nedeni; yanma
prosesinde oksijen tüketilirken, ortam havasındaki
oksijen konsantrasyonunun da gittikçe azalmasıdır [3].
Sonuç olarak sönümlenen yanma ile birlikte, tozların
yanma seyri de zamanla zayıflar ve bir patlamanın gerçekleşme
olasılığı düşer. Çoğu organik madde %9 - 14
O 2 aralığında tutuşmaz olmaktan çıkar [6]. Yangının sürebilmesi
için, oksijen konsantrasyonunun %10’un üzerinde
olması gerekmektedir [1].
Tutuşma sıcaklığı
Tutuşabilen toz/hava karışımları bir ısı kaynağı ile ısıtılacak
olursa, belirli bir sıcaklık seviyesinde alev alarak
yanabilir. Bu tür bir tutuşmanın gerçekleştiği en düşük
sıcaklığa Minimum Tutuşma Sıcaklığı (MTS) denir.
MTS, toz bulutundaki nem ve diğer inert maddelerin
var olması durumunda artar, küçülen parçacık boyutu,
artan uçucu madde miktarı, oksijen konsantrasyonu ve
toz katmanının kalınlığıyla düşer [1].
Toz-oksidan bulutu MTS’den daha yüksek sıcaklıklara
maruz kaldığında, bulutun yanma alt sıcaklığı ve minimum
patlayıcı toz konsantrasyonunun düşmesi beklenir.
Ama Maksimum Patlama Basıncı (Pmax) da düşer [1].
Tutuşma kaynaklarının ve patlama engelleme sistemlerinin
tasarlanması için MTS’nin ölçülmesi şarttır.
Relatif nemliliği %30-90 arasında olan havadaki tozların
tipik tutuşma sıcaklıkları:
► Buğday unu: 410-430°C
► Mısır nişastası: 410-450°C
► Çavdar tozu: 430-500°C’dir.
Tahıl ve un tozlarının çoğu 400-500°C’lerde sıcaklığa
maruz kalan yüzeylere püskürtüldüğünde tutuşabilir.
Uygun koşullar sağlandığında, yaklaşık 200°C sıcaklıkta
bile hemen hemen bütün tozlar tutuşarak patlamaya
neden olabilir [3].
Yanıcı gazların varlığı
Toz yanıcı gazlar içeriyorsa patlayıcılığı artar. Minimum
Patlayıcı Toz Konsantrasyonu (MTK), Minimum Tutuşma
Sıcaklığı (MTS) azalır; Maksimum Basınç Artış Hızı
(dP/dt)max yükselir. Toz-yanıcı gaz karışımlarının Minimum
Tutuşma Enerjisi (MTE), tozun tek başına tutuşması
için gereken enerjiden küçüktür.
Yanıcı gazların varlığı, normalde patlayıcı olmayacak
parçacık boyutundaki tozu patlayıcı yapabilir. Örnek
olarak, St 0 sınıfındaki toz, sırasıyla %1, %3, %5 ve %7
metan konsantrasyonunda St 1, 1/2, 2 ve 3 sınıfına geçebilir.
Bu konu özellikle gazlı yeraltı kömür ocakları
açısından önem taşımaktadır [3].
52 SEKTÖRMADEN SEKTÖRMADEN 53