针对有机粉末混合机的ATEX合规设计,有哪些设计准则?
对于加工有机粉末或其他可燃粉末的混合机而言,符合ATEX要求的设计,始终是针对具体物质、工艺及设备所开展评估的结果。仅凭产品名称并不足够:关键在于实际的细粉比例、水分、粒度、可能存在的溶剂或香料蒸气、温度、工艺压力,以及从启动到清洁的各个运行状态。对于混合机及混合设备而言,VDI 2263第10部分是一项核心的设计指南,其中明确论述了针对处理粉尘、气体、蒸气及混合性气体的混合机的防火与防爆要求。
区域方案与物料参数
区域划分属于运营方防爆文件的组成部分。若混合机、过滤器、料仓或输送管路内部存在持续、长期或经常出现的爆炸性粉尘环境,则属于20区。21区涉及在正常运行中可能偶尔出现此类环境的区域,例如加料点、卸料点或取样点。22区是指仅偶尔且短时出现此类环境的区域。具体的划分取决于粉尘释放情况、密封性、除尘、清洁及周边环境状况。
对于20区,原则上须具备极高的防护水平;在经典的ATEX分类体系中,通常对应1D类别。21区可采用1D或2D类别,22区则可采用1D、2D或3D类别。这一对应关系涵盖电气及非电气部件:电机、传感器、执行器、轴、轴承、密封件、混合工具、阀门及输送装置均须一并加以考虑。合适的合格评定方式,以及是否需要进行欧盟型式检验,取决于设备类别、设备组别、设备类型及适用的ATEX合格评定程序;因此,并非每一台1D或2D类别的设备都必须笼统地进行型式检验。
在开展详细设计之前,须获取具有代表性的安全技术物料参数,其中至少应包括KSt、最大爆炸压力pmax、最小点火能量、粉尘云最低点火温度、粉尘层最低点火温度、粒度分布、水分及电导率。在加入挥发性液体或溶剂时,须单独评估蒸气-粉尘混合性气体,因为其点火及爆炸特性可能与纯粉尘有所不同。针对“洗涤剂粉尘”或其他产品类别的笼统最小点火能量区间,并不具有足够的可靠性,不应作为设计依据加以使用。
防止点火源
避免出现有效点火源是核心防护层级之一。EN 1127-1对多种点火源类型进行了论述,包括高温表面、火焰和高温气体、机械产生的火花、电气设备、杂散电流、静电、雷击、电磁辐射及放热反应。EN ISO 80079-36及-37适用于对非电气设备及其潜在点火源的评估。
机械间隙尺寸、材料配对、可能的接触点及异物,须经过设计,确保在正常运行及须予以考虑的故障情况下,不会产生危险的摩擦、撞击或磨削火花。对于20区内的混合工具,并不存在诸如“低于1米/秒”这样普遍适用的最高速度限值。允许的圆周速度取决于几何结构、材料、粒度、可能的异物引入、接触概率、温度、混合任务及其他防护措施。这一速度须在点火危险评估的框架内加以论证。
轴承和密封件是关键部位。可采取的措施包括外置轴承、产品空间与驱动空间的有效隔离、合适的轴密封、温度监测及状态监测。相关措施须与粉末特性、转速、压力、温度及预定的清洁工艺相匹配。对于粉尘层,TRGS 723原则上规定须在粉尘层最低点火温度与表面温度之间保持75°C的安全间隔,除非风险评估允许另作规定。
静电荷积聚,尤其是在干燥、细小且导电性差的粉末中,可能成为一种点火源。为此需要建立连贯的接地及电位均衡方案,评估导电及绝缘部件,并配备合适的软管、过滤介质、柔性连接件、包装容器及个人防护装备。TRGS 727规定了避免静电点火危险的相关要求。诸如106 Ω这样笼统的接地电阻值,并不能适用于所有设备部件及应用场景。例如,对于C型柔性中型散装容器(FIBC),TRGS 727规定其至接地点的导出电阻须低于107 Ω;D型FIBC则无需接地,但只有在已证明不会产生危险性荷电的情况下方可使用。
电气设备须适用于所划定的区域、粉尘环境及允许的表面温度。对于防尘型电气设备,诸如IP6X这样的防尘防护等级通常具有重要意义;但所需的防护等级及标识,须依据所选的防护原理及具体的设备认证来确定。本质安全型设计对于某些测量及控制回路可能是合理的选择,但并非适用于混合机内所有传感器的普遍要求。
防护方案与惰化
防护方案遵循一定的优先顺序。首先须评估能否避免或限制危险性爆炸环境的形成,例如通过封闭式工艺运行、限制粉尘释放或进行惰化。其次是避免出现有效点火源。若无法可靠地实现这两项目标,则须辅以旨在限制爆炸后果的结构性措施。
惰化是通过氮气等合适的气体,将氧气降低至含量低于针对具体物质和工艺确定的氧浓度极限值的水平。笼统地设定“氧气体积分数低于8%”这样的目标值并不允许;允许的运行浓度须依据氧浓度极限值、测量不确定度、泄漏假设、工艺波动及明确规定的安全裕量推导得出。惰化需要具备足够气密的设备、合适的惰性气体供应、氧气测量、明确的报警及停机值,以及安全联锁装置。
对于含过碳酸钠等氧化剂的配方,须对惰化措施进行尤为审慎的评估。过碳酸钠在分解时可能释放氧气并加剧火势。因此,通过氮气降低氧气含量,既不能替代温度控制,也不能替代对热分解、可能的污染或放热反应的评估。
结构性防护措施可包括耐爆炸压力或耐爆炸冲击压力设备、泄压、无焰泄压、爆炸抑制,以及对所连接设备部件的隔离。EN 14460涉及耐爆炸设备;EN 14491涉及爆炸泄压;EN 14373则涉及爆炸抑制系统的设计、应用、有效性检验、运行及维护。此类系统适用于封闭式或基本封闭的壳体,不适用于不稳定、爆炸性、烟火剂或自燃性物质。
隔离措施尤为重要,可防止爆炸经由管路蔓延至过滤器、料仓、计量及灌装设备。合适的方案包括经防爆技术检验合格的止回阀、快速关闭阀、灭火剂隔离装置、防爆阀,或适用于此项功能的星形阀。每一种隔离装置都须与粉尘爆炸等级、管路、工艺方向、压力条件及安装情况相匹配。
文档记录与检验
设计须在制造商的风险评估以及运营方的防爆文件中,以可追溯的方式加以记录。相关内容包括物料参数、区域划分、点火危险评估、设备类别、防护方案、接口、运行限值、维护、清洁、检验,以及对启动、停机、配方切换及故障情况的处理方式。
在投入运行前及此后须定期进行检验,检验须依据安装地点适用的法规开展。在德国,尤其须遵循《危险物质条例》和《运行安全条例》的相关规定。对于结构复杂的混合设备,采用规范化的HAZOP或类似的安全性研究方法可能非常有益,但这并非适用于每套设备的笼统法定义务。
amixon®如此支持有机粉末的ATEX合规设计
20区应用的设计
在涉及有机粉末或其他可燃粉末的混合工艺中,混合机内部通常被划分为20区。20区是指爆炸性粉尘环境持续存在、长期存在或经常出现的区域。整套设备的最终区域划分由运营方负责确定,并须记录于防爆文件中。除混合机外,该划分还须考虑原料接收、计量、过滤器、输送机、料仓、加料与卸料、灌装、清洁及维护。
amixon®可将其混合机、造粒机、真空混合干燥机及混合反应器设计为产品空间被划分为20区的应用方案。根据所选系列及项目配置的不同,这包括单轴混合机、立式及锥形混合机、容器混合机、连续混合机,以及VMT和AMT系列真空混合干燥机和混合反应器。对于20区,原则上须具备极高的防护水平,在经典的ATEX分类体系中通常对应1D类别。具体的设备类别、表面温度、电气及非电气设备、接地以及文档记录,均须基于物料参数及运行条件,针对具体项目加以确定。
ATEX产品指令2014/34/EU适用于防爆区域所用的设备和防护系统。ATEX运行指令1999/92/EC则规定了运营方的相关义务,包括风险评估、区域划分、防爆文件及定期检验。amixon®可为所交付的机器配置提供设备文档。而区域方案、风险评估以及对整套生产设备开展的防爆技术综合评估,其责任仍由运营方承担。
点火源与工艺运行
amixon®立式混合机可在较低的圆周速度下运行。对于VM和HM系列,amixon®给出的可调范围约为0.8至3.5米/秒。较低的工具运行速度可限制机械能量输入以及摩擦、撞击和磨损能量,但这并不能作为不会出现有效点火源的普遍证明。此外,点火源评估还须涵盖轴承、密封件、轴、工具与器壁接触、异物、卡阻、表面温度、静电荷积聚及电气部件。
符合ATEX要求的设计,可能需要温度及扭矩监测、受控转速、合适的轴承和密封方案、异物管理、接地、电位均衡及预防性维护。对于粉尘层,TRGS 723原则上规定须在粉尘层最低点火温度与表面温度之间保持75°C的安全间隔,除非风险评估允许另作规定。
在加入表面活性剂、油脂或香料配方等液态成分时,液滴大小、计量用量、黏度、温度及加入位置须与产品运动状态相匹配。目标是实现均匀分布,避免出现局部过度润湿、团块形成或不允许的结块。无法一概承诺实现完全无黏附的加工。对于酶颗粒、细小的有机粉末或过碳酸钠等氧化性成分,须尤为审慎地评估水分、温度、机械负荷及可能形成的蒸气-粉尘混合性气体。
密封性、压力与惰化
接缝少、经打磨处理的产品区域,封闭式转运点,以及合适的密封件,均可减少粉尘外泄。据amixon®介绍,配备OmgaSeal®密封件的Clever-Cut®检修门专为实现产品空间的低死角密封而设计。但实际的密封性还取决于压差、密封材料、磨损情况、维护及工艺运行方式。防尘结构可限制安装场所内的粉尘沉积,但并不能替代除尘、清洁及对可能发生的二次爆炸的评估。
VMT及AMT系列真空混合干燥机和混合反应器,可设计为气密、耐真空及耐压结构,因此适用于需要在真空、正压或惰性气体环境下进行的混合、反应、造粒或干燥工艺。可达到的真空度、允许的压力等级及温度范围,须针对具体项目加以确定。单纯的耐压或耐真空性能,并不意味着设备具备耐爆炸压力或耐爆炸冲击压力设计。相应的设计须以对KSt、pmax、最小点火能量、点火温度、粒度、水分及混合性气体的评估为前提。
在设计合适的情况下,惰化可作为一种预防性防爆措施加以采用。例如,对于真空设备,工艺空间会先被抽真空,随后充入合适的惰性气体;通过反复的真空-压力交替,可进一步降低氧含量。amixon®针对真空混合干燥机及合成反应器阐述了这一工艺流程。
此时,氧气浓度须在针对具体粉末-惰性气体体系确定的氧浓度极限值基础上,保留明确规定的安全裕量。这需要具备足够气密的设备、合适的惰性气体供应、具有代表性的氧气测量、报警限值及安全联锁装置。惰化既不能防止自燃,也不能防止热分解或氧化性成分释放氧气,因此它只是完整防护方案中的一个组成部分。
连续工艺与试验
对于高产量应用,可采用连续混合机AMK。据制造商介绍,AMK以受控的填充率运行,平均停留时间受填充率和产量的影响。加液方式、质量流量、混合强度及停留时间须针对具体配方统一进行设计。对于香料、黏性表面活性剂、酶颗粒或氧化性成分,须使用原始产品开展混合试验,以评估均匀度、水分、温度、颗粒完整性、卸料及可清洁性。
据amixon®介绍,公司总部帕德博恩运营着30台以上不同规格的测试装置,并在国际范围内设有配套的技术中心。使用原始产品的试验,可在贴近实际的填充率、压力及温度条件下进行。试验结果有助于确定混合机、工具、密封件、加液方式及运行参数的选型,但既不能替代安全技术物料检测,也不能替代由合格专业人员对整套设备开展的防爆评估。