Inertyzacja jako zabezpieczenie przeciwpożarowe

Na początku podsumujmy kilka kluczowych informacji. Pożar to proces spalania w miejscu do tego nieprzeznaczonym, powodujący straty materialne. Natomiast samo spalanie, w ujęciu chemicznym, to intensywna reakcja utleniania z wydzieleniem energii cieplnej. Do zaistnienia procesu spalania niezbędne jest jednoczesne wystąpienie takich czynników jak:

• materiał palny,
• utleniacz (najczęściej tlen),
• czynnik inicjujący o odpowiedniej energii (płomień, iskra),
• zaistnienie rozgałęzionych reakcji chemicznych.

Powyższy proces często jest przedstawiany w formie czworościanu/trójkąta spalania. Do przerwania procesu spalania lub uniemożliwienia jego zaistnienia konieczne jest usunięcie co najmniej jednego z powyższych elementów. Metodą usunięcia tlenu z reakcji spalania jest inertyzacja, czyli kontrolowana redukcja stężenia tlenu gazem obojętnym, która jest stosowana zarówno w urządzeniach gaśniczych, poczynając od prostych gaśnic śniegowych z ładunkiem CO_2, po stałe urządzenia gaśnicze gazowe z gazami obojętnymi, jak również w urządzeniach inertyzujących, ograniczających stężenie tlenu w całych pomieszczeniach, stosowanych w celu zapobieżeniu zaistnienia procesu spalania.

Palność materiałów

Ilość tlenu niezbędna do podtrzymania procesu spalania danego materiału jest zależna od jego budowy chemicznej oraz temperatury. Najmniejsza, wyrażona w procentach objętościowych, zawartość tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, która w warunkach metody badań podtrzymuje stałe palenie się badanej próbki tworzywa, definiuje się jako Wskaźnik Tlenowy WT (Oxygen Index – OI). Wskaźnik tlenowy określany jest w sposób laboratoryjny w badaniach małoskalowych.

Tab. 1 Przykładowe wartości wskaźnika tlenowego dla wybranych materiałów w warunkach normalnych

Dla typowego stężenia tlenu w atmosferze wynoszącego 20,9%, większość przywołanych w tabeli tworzyw sztucznych jest palna, ale ich palność spada przy 17% stężeniu tlenu, co odpowiada koncentracji tlenu na wysokości ok 1600 metrów n.p.m. Należy jednak pamiętać, że przywołane parametry ściśle zależą od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury spada wartość wskaźnika tlenowego, czyli materiał może uleć zapaleniu przy niższym stężeniu tlenu, co obserwujemy w środowisko pożarowym gdy spalaniu ulegają materiału uznawane za trudnopalne.

Działanie i projektowanie systemów inertyzacji

Systemy inertyzujące stosowane w obiektach, jako gaz ograniczający stężenie tlenu wykorzystują głównie azot, co związane jest z jego właściwościami:

• naturalne występowanie w atmosferze (78%  atmosfery naturalnej),
• dobre mieszanie z atmosferą w zabezpieczanym pomieszczeniu,
• brak toksycznego działania na ludzi w zabezpieczanym pomieszczeniu.

Azot podawany do zabezpieczanego pomieszczenia/budynku pobierany jest na miejscu z powietrza atmosferycznego. Do głównych technologii otrzymywania azotu z powietrza należą:

• kriogeniczna,
• ogniw paliwowych zasilanych gazem ziemnym,
• membranowa,
• adsorpcyjna.

W technologii kriogenicznej azot jest pozyskiwany na zasadzie skraplania ze sprężonego powietrza atmosferycznego w niskich temperaturach (ok. -200°C). Technologia ta nie rozpowszechniła się w systemach inertyzujących.

W przypadku ogniw paliwowych zasilanych gazem ziemnym, azot powstaje jako produkt uboczny po wykorzystaniu tlenu atmosferycznego do utlenienia metanu. Najczęściej ogniwa paliwowe pracują w układach kogeneracyjnych produkcji prądu elektrycznego, ciepła i chłodu.

Azot w technologii membranowej uzyskiwany jest w wyniku przepuszczania oczyszczonego sprężonego powietrza przez moduły separacyjne zbudowane z tysięcy kapilarnych włókien membranowych. Azot jako cząsteczka większa od cząsteczek pozostałych gazów (tlen, dwutlenek węgla, para wodna, argon) wolniej przenika przez ścianki włókien i pozostaje w ich wnętrzu, a następnie jest przesyłany do zabezpieczanego pomieszczenia.

Sposób działania technologii adsorpcyjnej opiera się o proces adsorpcji zmiennociśnieniowej podczas którego tlen zawarty w powietrzu atmosferycznym jest adsorbowany przez złoże węglowego sita molekularnego. W celu zapewnienia ciągłości produkcji azotu w generatorach azotu opartych o tą technologię stosuje się co najmniej dwa adsorbery pracujące naprzemiennie. Gdy pierwszy adsorber adsorbuje molekuły tlenu, w drugim odbywa się regeneracja pod pływem obniżenia ciśnienia.

Zarówno w technologii adsorpcyjnej i membranowej produktem ubocznym jest mieszanina gazów o wysokiej zawartości tlenu, która jest odprowadzana do atmosfery.

Aby system inertyzacji funkcjonował prawidłowo, musi zostać zaprojektowany, wykonany w odpowiedni sposób oraz z odpowiednich materiałów. W celu realizacji tych zadań opracowano szereg wytycznych projektowych.

Tab. 2 Wykaz wytycznych projektowych dla systemów inertyzacji

*PKN jako członek CEN przyjął normę EN 16750+A1:2021 i opublikował ją jako PN-EN 16750+A1:2021-01 Stałe urządzenia gaśnicze — Systemy redukcji tlenu — Projektowanie, montaż, planowanie i konserwacja.

Niezależnie od przejętych wytycznych projektowych parametrami wpływającymi na projekt systemu inertyzacji i jego późniejsze funkcjonowanie są:

• rodzaj palnych materiałów w pomieszczeniu,
• wymiary i kubatura pomieszczenia,
• przeznaczenie pomieszczenia,
• parametry wentylacji,
• szczelność pomieszczenia,
• lokalizacja generatora azotu,
• rodzaje zamknięć otworów w pomieszczeniu i czas ich otwarcia,
• ilość ścian zewnętrznych,
• temperatura w chronionym pomieszczeniu.

Na podstawie powyższych parametrów określane jest m.in. stężenie tlenu do ochrony przeciwpożarowej oraz wymagana wydajność produkcji azotu.

Niezależnie od parametrów systemu, źródła azotu oraz rodzaju obiektu, całością systemu steruje  układ, który czuwa nad odpowiednim stężeniem tlenu dzięki wyposażeniu go w sieć sensorów tlenu.

Bezpieczeństwo ludzi

Tlen jako pierwiastek biogenny jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania większości organizmów w tym ludzi. Do procesu oddychania potrzebujemy powietrza z odpowiednim stężeniem tlenu. W zależności od źródeł za całkowicie bezpieczne uznawane jest obniżenie stężenia tlenu do 19% bez ograniczenia czasu przebywania, w przedziale stężeń 19% – 13% możliwe jest czasowe przebywanie z koniecznością przerwy i przebywania atmosferze o stężeniu 20,9% tlenu. W przypadku stężenia poniżej 13% tlenu zabronione jest przebywanie ludzi. Z uwagi na powyższe najczęściej nie stosuje się systemów obniżających stężenie tlenu poniżej 13% w pomieszczeniach, gdzie ludzie muszą wykonywać pracę.

Zalety i wady systemu inertyzacji

Do zalet systemów inertyzujących zaliczyć można:

• brak strat spowodowanych akcją gaśnicza (w przypadku działania systemu inertyzującego niemożliwe jest powstanie ognia, a tym samych żadnych strat związanych z akcją gaśniczą dodatkowo azot jako gaz inertyzujący jest obojętny),
• stężenie w zabezpieczanym pomieszczeniu jest ustalane na poziomie bezpiecznym dla ludzi,
• systemy inertyzyjące nie powodują ingerencji w istniejący układ magazynów wysokiego składowania,
• regały wysokiego składowania mogą mieć mniejszą nośność w związku z brakiem konieczności przenoszenia obciążeń ze strony instalacji gaśniczej,
• brak martwych stref koniecznych dla łatwego przepływu wody gaśniczej,
• nieograniczona ilość azotu produkowanego na terenie obiektu (niezbędne jest wyłącznie zasilanie w energie elektryczną),
• niezawodność systemu z uwagi na redundancje jego krytycznych elementów,
• ograniczony czas przestoju w przypadku zdarzenia potencjalnie pożarowego (np. skutkami zwarcia w instalacji elektrycznej będzie wyłącznie zniszczenie elementów w bezpośrednim otoczeniu awarii)
• w odróżnieniu do systemów gaśniczych dopuszczalne jest wyższe stężenie tlenu w systemach inertyzujacych, co związane jest z działaniem zapobiegawczym systemów inertyzujacych i koniecznością ugaszenia rozwiniętego pożaru o wysokiej temperaturze w przypadku systemów gaśniczych.

Wadami systemów inertyzujących są:

• nieskuteczność w przypadku spalania substancji o bardzo niskim wskaźniku tlenowym, wysoce reaktywnych, zawierających w swoim składzie tlen i metali lekkich,
• konieczność zapewnienia odpowiedniej szczelności pomieszczeń,
• utrudnienia w przebywaniu ludzi – brak możliwości zorganizowania stałych stanowisk pracy w pomieszczeniach inertyzowanych,
• brak możliwości zastosowania w obiektach ogólnodostępnych, jak centra handlowe, dworce, teatry,
• nieskuteczność w przypadku zabezpieczenia otwartych przestrzeni oraz z dużymi przeszkleniami,
• konieczność współdziałania z czułym systemem sygnalizacji pożaru – inertyzacja pomieszczenia zapobiega przed rozwojem spalania i przed pożarem, ale nie zabezpiecza przed awariami tj. zwarciem, uszkodzeniami kondensatorów, zapaleniem luku elektrycznego, zatarciami łożysk.

Podsumowując, inertyzacja wyłamuje się z dotychczas stosowanego podziału zabezpieczeń przeciwpożarowych na bierne i czynne. Z uwagi na budowę systemu można by go zaliczyć do zabezpieczeń czynnych, jednak rozpatrując sposób działania, czyli niedopuszczenie do powstania ognia w zabezpieczanym pomieszczeniu, wpisuje się w ideę zabezpieczeń biernych. Mimo stosunkowo krótkiej historii tego rodzaju systemów oraz braku prawnego obowiązku ich stosowania, z uwagi na zalety tego rodzaju systemów,  istnieje szansa na ich rozpowszechnienie. W głównej mierze systemy te mogą służyć zabezpieczeniu: serwerowni, pomieszczeń elektrycznych, pomieszczeń technicznych, tuneli kablowych, automatycznych magazynów wysokiego składowania, mrożni i chłodni, magazynów substancji niebezpiecznych, archiwów, magazynów muzealnych, w tym obiektów o dużej kubaturze.

W naszej opinii systemy inertyzujące są w szczególności zalecane, jako alternatywa dla instalacji tryskaczowych, do zabezpieczenia automatycznych magazynów wysokiego składowania w tym mroźni i chłodni oraz magazynów urządzeń elektronicznych o dużej wartości jednostkowej z minimalną obsługą ludzką. W przypadku wskazanych obiektów nawet skuteczne zadziałanie instalacji tryskaczowej spowoduje bardzo duże straty związane z zalaniem towaru nie objętego pożarem, natomiast z uwagi na konstrukcje obiektów ewentualna akcja gaśnicza prowadzona przez jednostki ochrony przeciwpożarowej będzie bardzo utrudniona, a wręcz niemożliwa, przez co może zostać ograniczona do działań zewnętrznych. W porównaniu do instalacji tryskaczowej systemy inertyzujące mają za zadanie niedopuszczenie do powstania pożaru, a nie tylko ograniczenie rozwoju pożaru, jak instalacje tryskaczowe, ponadto koszty tych systemów są zbliżone dla wskazanych obiektów.

Jeżeli interesują Was dodatkowe informacje dotyczące tego tematu, zapraszamy do kontaktu z Wiesławem Hoffmanem: Wieslaw.Hoffman@warta.pl