Запалимост на зърното – кои фактори влияят на горимостта?

Безопасността на промишлените процеси включва както безопасността на труда на работниците, така и безопасността на провежданите технологични процеси.

И двете области заедно създават общата безопасност в производственото предприятие, която съгласно действащите правни разпоредби трябва да бъде осигурена. Процесната безопасност, която е неразделна част от общата безопасност, се отнася по-специално до технологичните инсталации, съдържащи и обработващи химически вещества. Следователно тя засяга въпросите за проектирането и експлоатацията на инсталации, в които протичат различни химически и физически процеси, свързани с преработката на химически вещества (единични операции) в полезни крайни продукти, като се фокусира върху въпросите за предотвратяване на нежелани изпускания на смеси и/или енергия, както и противодействие на последиците от такива изпускания. Осъзнаването на необходимостта от поддържане на процесната безопасност съпътства проектирането на всяка химическа или рафинерийна инсталация на всички етапи от нейното развитие. Това включва и обекти, съхраняващи и обработващи твърди вещества. Това е част от всеки процесен проект, който е основният продукт на процесната инженерия.

Зони с опасност от експлозия в хранително-вкусовата промишленост

Хранително-вкусовата промишленост е специфична група промишлени предприятия, които имат на територията си твърди вещества под формата на зърнени култури, захар, чай, кафе, царевица и др. Тази специфика се състои в това, че анализът на праховата опасност се различава от газовия и че при оценката на риска се вземат предвид други, допълнителни параметри. В случай на зърнени продукти, факторът, създаващ висока степен на пожарна и експлозивна опасност, е наличието на зърнен и брашнен прах. Между другото, заслужава да се отбележи, че Полша е един от най-големите производители на зърнени култури в Европа и един от по-големите в света. Според данни на GUS за 2018 г. годишното производство на зърно в нашата страна е около 27 млн. тона, включително около 10 тона пшеница и 4 млн. тритикале. Това води до това, че вероятността от авария по време на процесите, на които то е подложено, е по-висока, отколкото в повечето други държави. По време на технологичния процес на приемане, почистване, сушене и консервиране на зърнени култури, както и смилане на зърнени култури на брашна, се образуват локални прахови замърсявания, наречени технологичен прах. Те се образуват в резултат на триене на зърното едно в друго и в елементите на машините вътре в оборудването. Следователно прахът се разнася вътре в оборудването по време на хоризонтален и вертикален транспорт, почистващи машини и устройства, сушене и раздробяване на зърно, както и пресяване, сортиране и опаковане на раздробени полуфабрикати и готови продукти.

От изследванията следва, че от всички прахови експлозии почти 25% са експлозии на прах в хранително-вкусовата, селскостопанската и фуражната промишленост, като най-застрашени от експлозии са силозите, прахоуловителните и вентилационните системи – включително сушилни и складове, предназначени за сушене на зърнени култури.

Физикохимични величини

Съгласно приетата практика, всеки горим/експлозивен прах трябва да бъде изследван в звено, притежаващо подходяща лаборатория за това, или да се използват готови информационни листове за безопасност, специфични за даденото вещество. Сред редицата величини, описващи техните физикохимични свойства, се отличават няколко параметъра:

Pmax [bar] – това е максималното налягане на експлозията, измерено по време на експлозия на прахо-въздушна смес в затворен обем на измервателната сфера (експлозивна атмосфера). Стойността на този параметър зависи от началното налягане.

(dp/dt)max [bar/s] – това е максималният прираст на налягането на експлозията на експлозивната атмосфера за единица време. Този параметър определя „динамиката“ на процеса на експлозия на даден прах и въз основа на него се определя следващият параметър Kst.

Kst [m * bar/s] – прахова константа, наричана индекс на експлозивност, представлява основа за международната класификация на експлозивността на праховете (виж таблицата по-долу).

DGW [g/m3 ] – долна граница на експлозивност. С това наименование се определя най-ниската концентрация на гориво (в случая прах) с въздух (в измервателната сфера), при която е настъпила експлозия. Под тази стойност горимата смес е твърде бедна на горим компонент и съдържа твърде много окислител, за да инициира експлозия.

GST [%] – гранична концентрация на кислород е максималната концентрация на кислород в смес от горим прах с въздух и инертен газ, при която не възниква експлозия.

MEZ [mJ] – минимална енергия на запалване на прахо-въздушната смес е минималната енергия на искров разряд (енергия с дадена стойност) между два електрода, която ще предизвика запалване на прахо-въздушната смес.

MTZw [oC] – минимална температура на запалване на праховия слой е минималната температура на гореща плоча, върху която ще настъпи запалване на поставен в пръстен 5 мм слой прах.

MTZo [oC] – минимална температура, при която настъпва запалване на праховия облак в пещ с известна температура на стените и атмосферата

Фактори, влияещи върху параметрите на експлозивност

Редица фактори могат да повлияят на параметрите на експлозивност на праховете:

• химически състав на праховите частици (различните елементи и съединения горят по различен начин);
• размер на праховите частици (обикновено параметрите на експлозивност се променят в зависимост от размера на праховите зърна – по-малките зърна горят по-бързо. Наблюдава се нарастване на параметрите на експлозивност с намаляване на размера на праховите частици;
• влажност на праха (голямото съдържание на влага в праха затруднява неговото горене);
• концентрация на праха (определя количеството горим материал в прахо-въздушната смес);
• концентрация на кислород (за иницииране на процеса на горене е необходима определена гранична концентрация на кислород – при твърде малка концентрация на кислород процесът на горене няма да бъде иницииран);

Физическите свойства на зърното са тясно свързани с неговата химическа структура и оказват съществено влияние върху жизнените процеси на складираната зърнена маса. Най-важният жизнен процес на зърното е дишането. Зърното поглъща кислород от въздуха, гори химически вещества и отделя въглероден диоксид и вода. В резултат на тези процеси се генерира топлина, която причинява засилване на дишането на зърното и повишаване на неговата температура, което в голяма степен зависи от степента на овлажняване. В случай на повишаване на влажността и температурата при достъп на кислород зърното набъбва и придобива склонност към самонагряване, а впоследствие – към самозапалване. Най-много се самонагрява зърното с повишени жизнени процеси, т.е. незряло, прясно прибрано и поникнало, както и силно замърсено със семена на плевели. За самозапалването на зърното допринася и сортирането, което е един от характерните процеси за това вещество. Това е ефект от сипкостта и нееднородността на зърното, влизащо в състава на складираната зърнена маса. То се проявява при пресипване и пренасяне на зърното, но най-често при пълнене и изпразване на зърнените камери. Съдържанието на камерата става нееднородно: в средата се натрупва едро и средно зърно с най-малък степен на замърсяване, а към стените – все по-дребно с по-голям степен на замърсяване. При висока влажност там също съществува най-голяма вероятност от самозапалване на зърната.

Следващите характеристики на зърното са хигроскопичност, топлопроводимост и отделяне на прах при всички операции по технологична обработка. Хигроскопичността се състои в приемане или отдаване на влага, в зависимост от влажността на околната среда. На такива места трябва да се очаква по-голяма вероятност от самозапалване. Зърното е лош проводник на топлина, запалва се при температура около 450°C, стойността на параметъра на топлината на зърното е 3,5 - 4,0 Mcal/kg, а гори без пламък, тлеещо.

Има много видове инсталации, занимаващи се със съхранение и преработка на зърно, така че не може да се определи един стандарт, но въз основа на пример за хлебопекарно-сладкарско предприятие, за което DACPOL е изготвял документ за оценка на риска от експлозия, могат да се идентифицират някои характерни фрагменти от технологичната линия.

Видове инсталации по функционалност

Примерната инсталация може да бъде разделена, по отношение на функционалността, на следните части:

• служеща за пневматичен транспорт на зърно при товарене на силози,
• предназначена за съхранение на зърно във външни силози,
• служеща за шнеков транспорт на зърно при разтоварване на силози,
• служеща за подготовка на зърното за смилане чрез механично почистване и овлажняване,
• включваща мелница за смилане на зърно заедно с оборудването,
• вътрешна интегрирана система за съхранение на брашно, в състава на която влизат четири силоза с оборудване и инсталация, служеща за пневматичен транспорт на брашно и неговото дозиране на работните места за приготвяне на тесто.

Елементи, които могат да представляват експлозивна опасност

Въз основа на приетите аналитични методи се извършват съответни операции с цел определяне кой от елементите може да представлява експлозивна опасност, нейния мащаб и потенциалните последици. Като се вземе предвид горепосочената примерна структура на предприятието, могат да бъдат идентифицирани поне няколко десетки потенциално опасни зони и елементи. Тук трябва да се изброят следните видове устройства и фактори, които могат да причинят авария, а впоследствие – пожар или експлозия:

1. Шнекови транспортьори, верижни транспортьори „родлери“:

• изкривяване на вала на шнека, триене на лопатката в корпуса, скъсване на веригата, триене на звеното, попадане на метален предмет вътре,
• загряване и запалване на прахове.

2. Кофови елеватори:

Затлачване на основната лента, запалване на лентата и праховете е възможно поради следните причини:

• образуване на задръстване,
• закачане на кофата за корпуса,
• блокиране на елеватора поради попадане на чужди предмети в основата,
• прекомерно отпускане на основната лента,
• затягане на лагерите в случай на недостатъчно смазване.

3. Лющачни машини, сортировъчни машини за обработка на люспите на зърното.

Съществува опасност от запалване или експлозии на прахове в случай на:

• попадане на метален предмет в барабана,
• искрене вследствие на отпускане на захвата на бича или четката, предизвикано от триене,
• шлифовъчна или метална обшивка на барабана,
• искрене вследствие на отчупване на парче абразивна маса,
• загряване на лагерите.

4. Устройства за смилане, валцови мелници, трициотделители:

Запалване или експлозия на прах може да настъпи в случай на попадане на метален предмет вътре и искрене или загряване на този предмет вследствие на триене.

5. Пневматичен транспорт:

В устройствата и тръбопроводите на пневматичния транспорт и захранващите устройства (циклони) възникват експлозивни концентрации на прахове, които, сблъсквайки се, предизвикват образуване на заряди статично електричество. Възникване на експлозия или пожар може да настъпи вследствие на:

• разряд на статично електричество,
• искрене, причинено от триене на лопатките на вентилатора в корпуса,
• загряване на лагерите на вентилатора.

6. Аспирационни устройства:

Съществува опасност от запалване на зърнен или брашнен прах в случай на:

• възникване на източник на пожар в едно от горепосочените устройства,
• искрене, причинено от триене на лопатките на вентилатора,
• затягане на лагерите на вентилатора.

7. При насипване на зърнени и брашнени камери:

Опасност съществува вследствие на попадане на открит огън или запалване на прах от дефектни електрически устройства.

Етапи на анализа за оценка на риска от експлозия

Анализите, представляващи основа за изготвяне на оценката на риска от експлозия, се провеждат поетапно. На първия етап се извършва идентифициране и верифициране на данните относно изпълнението на работите/дейностите и процеса в предметните области. Работата се извършва въз основа на предоставената от Възложителя документация, съдържаща технологичните характеристики на инсталациите и обектите, както и физикохимичните спецификации, съдържащи параметрите на запалимост и експлозивност на използваните горими вещества. Допълване и верифициране на данните от документацията представляват информацията, получена по време на оглед на място.

Въз основа на събраната информация и процесните данни се провежда идентификационен анализ на риска от експлозия, включващ:

• идентифициране на горимите вещества,
• идентифициране на местата на възникване на потенциални експлозивни атмосфери,
• идентифициране и класифициране на източниците на емисия на горими вещества, както и
• определяне на вероятността от възникване на експлозивни атмосфери.

Резултатите от проведените идентификационни анализи на риска от експлозия ще бъдат използвани за класификационно определяне на зоните с опасност от експлозия. Пълната класификационна документация се допълва с графична класификационна документация, съдържаща ситуационни планове, илюстриращи вида и обхвата на зоните с опасност от експлозия, както и местоположението и идентифицирането на източниците на емисия, в съответствие с принципите, определени в Полските стандарти. Във всички области, където са класифицирани зони с опасност от експлозия, се определя категорията на устройствата (маркировка съгласно директивата, а не стандарта), чиято употреба е допустима, което позволява избора на подходящи компоненти и машини, притежаващи сертификат ATEX.