Hořlavost obilí – jaké faktory ovlivňují hořlavost?

Bezpečnost průmyslových procesů zahrnuje jak bezpečnost práce zaměstnanců, tak i bezpečnost prováděných technologických procesů.

Obě tyto oblasti společně vytvářejí celkovou bezpečnost ve výrobním podniku, která musí být zajištěna podle platných právních předpisů. Procesní bezpečnost, která je nedílnou součástí celkové bezpečnosti, se týká zejména technologických zařízení, která obsahují a zpracovávají chemické látky. Zabývá se tedy otázkami projektování a provozu zařízení, ve kterých probíhají různé chemické a fyzikální procesy související se zpracováním chemických látek (jednotkové operace) na užitečné konečné produkty, přičemž se zaměřuje na otázky prevence nežádoucích úniků směsí a/nebo energie, jakož i na potlačování následků takových úniků. Vědomí nutnosti dodržování procesní bezpečnosti provází projektování každého chemického nebo rafinérského zařízení ve všech fázích jeho vývoje. To zahrnuje také objekty, které skladují a zpracovávají pevné látky. Je to součást každého procesního projektu, který je hlavním produktem procesního inženýrství.

Prostory s nebezpečím výbuchu v potravinářském průmyslu

Potravinářský průmysl je specifická skupina průmyslových podniků, které mají na svém území pevné látky ve formě obilí, cukru, čaje, kávy, kukuřice atd. Tato specifičnost spočívá v tom, že analýza nebezpečí prachu se liší od analýzy plynu a že se v procesu hodnocení rizika berou v úvahu jiné, dodatečné parametry. V případě obilných produktů je faktorem, který vytváří vysoký stupeň požárního a výbušného nebezpečí, přítomnost obilného a moučného prachu. Mimochodem, stojí za zmínku, že Polsko je jedním z největších producentů obilí v Evropě a jedním z větších na světě. Podle údajů GUS za rok 2018 činí roční produkce obilí v naší zemi asi 27 milionů tun, včetně asi 10 milionů tun pšenice a 4 miliony tritikale. To má za následek, že pravděpodobnost havárie během procesů, kterým je podrobeno, je vyšší než ve většině ostatních zemí. Během technologického procesu příjmu, čištění, sušení a konzervace obilí, jakož i mletí obilí na mouku, vznikají lokální prachové nečistoty, nazývané technologický prach. Ty jsou generovány v důsledku tření zrn o sebe navzájem a o prvky strojů uvnitř zařízení. Prach se tedy zvedá uvnitř zařízení při horizontální a vertikální dopravě, v čisticích strojích a zařízeních, při sušení a drcení obilí, jakož i při prosévání, třídění a balení drcených polotovarů a hotových výrobků.

Z výzkumů vyplývá, že ze všech prachových explozí tvoří téměř 25 % exploze prachu v potravinářském, zemědělském a krmivářském průmyslu, přičemž nejvíce ohroženy výbuchem jsou sila, odsávací a ventilační systémy – včetně sušáren a skladů určených k sušení obilí.

Fyzikálně-chemické veličiny

Podle přijaté praxe by měl být každý hořlavý/výbušný prach prozkoumán v zařízení, které má k tomu vhodnou laboratoř, nebo by měly být použity hotové bezpečnostní listy, specifické pro danou látku. Mezi řadou veličin popisujících jejich fyzikálně-chemické vlastnosti se rozlišuje několik parametrů:

Pmax [bar] – je maximální tlak výbuchu, měřený během výbuchu prachovzdušné směsi v uzavřeném objemu měřicí sféry (výbušné atmosféry). Hodnota tohoto parametru závisí na počátečním tlaku.

(dp/dt)max [bar/s] – je maximální přírůstek tlaku výbuchu výbušné atmosféry za jednotku času. Tento parametr definuje „dynamiku“ procesu výbuchu daného prachu a na jeho základě je určen následující parametr Kst.

Kst [m * bar/s] – prachová konstanta, nazývaná index výbušnosti, je základem pro mezinárodní klasifikaci výbušnosti prachů (viz tabulka níže).

DGW [g/m3 ] – dolní mez výbušnosti. Tímto pojmem se definuje nejnižší koncentrace paliva (v tomto případě prachu) se vzduchem (v měřicí sféře), při které došlo k výbuchu. Pod touto hodnotou je hořlavá směs příliš chudá na hořlavou složku a obsahuje příliš mnoho oxidantu, aby došlo k iniciaci výbuchu.

GST [%] – mezní koncentrace kyslíku – je maximální koncentrace kyslíku ve směsi hořlavého prachu se vzduchem a inertním plynem, při které výbuch nenastane.

MEZ [mJ] – minimální energie zážehu prachovzdušné směsi – je minimální energie jiskrového výboje (energie dané velikosti) mezi dvěma elektrodami, která způsobí zapálení prachovzdušné směsi.

MTZw [oC] – minimální teplota zážehu prachové vrstvy – je minimální teplota horké desky, na které dojde k zapálení 5 mm vrstvy prachu umístěné v kroužku.

MTZo [oC] – minimální teplota, při které dojde k zapálení prachového oblaku v peci se známou teplotou stěn a atmosféry

Faktory ovlivňující parametry výbušnosti

Parametry výbušnosti prachů může ovlivňovat řada faktorů:

• chemické složení prachových částic (různé prvky a sloučeniny hoří různě);
• velikost prachových částic (obvykle se parametry výbušnosti mění v závislosti na velikosti zrn prachu – menší zrna hoří rychleji. Dochází ke zvýšení parametrů výbušnosti se zmenšováním velikosti prachových částic;
• vlhkost prachu (velký obsah vlhkosti v prachu ztěžuje jeho hoření);
• koncentrace prachu (definuje množství hořlavého materiálu v prachovzdušné směsi);
• koncentrace kyslíku (pro iniciaci procesu hoření je nutná určitá mezní koncentrace kyslíku – při příliš nízké koncentraci kyslíku nebude proces hoření iniciován);

Fyzikální vlastnosti obilného zrna jsou úzce spjaty s jeho chemickou strukturou a mají podstatný vliv na životní procesy uskladněné obilné hmoty. Nejdůležitějším životním procesem zrna je dýchání. Zrna přijímají kyslík ze vzduchu, spalují chemické látky a uvolňují oxid uhličitý a vodu. V důsledku těchto procesů se generuje teplo, které způsobuje zintenzivnění dýchání zrna a zvýšení jeho teploty, která do značné míry závisí na stupni zvlhčení. V případě zvýšení vlhkosti a teploty při přístupu kyslíku zrno bobtná a získává tendenci k samozahřívání, a v důsledku toho k samovznícení. Nejvíce samozahřívání podléhá zrno se zvýšenými životními procesy, tj. nezralé, čerstvě sklizené a naklíčené, jakož i silně znečištěné semeny plevelů. K samovznícení zrna přispívá také třídění, které je jedním z charakteristických procesů pro tuto látku. Je to důsledek sypkosti a nehomogenity zrna, které je součástí skladované obilné hmoty. Dochází k němu při přesypávání a přemisťování zrna, ale nejčastěji při plnění a vyprazdňování obilných komor. Obsah komory se stává nehomogenní: uprostřed se hromadí zrno hrubé a střední s nejmenším stupněm znečištění, a směrem ke stěnám – stále jemnější s větším stupněm znečištění. Při vysoké vlhkosti tam také existuje největší pravděpodobnost samovznícení zrn.

Dalšími vlastnostmi zrna jsou hygroskopičnost, tepelná vodivost a uvolňování prachu při všech operacích technologického zpracování. Hygroskopičnost spočívá v přijímání nebo vydávání vlhkosti, v závislosti na vlhkosti okolního prostředí. V takových místech je třeba očekávat větší pravděpodobnost samovznícení. Zrna jsou špatným vodičem tepla, vznítí se při teplotě asi 450 °C, hodnota parametru tepla zrna je 3,5 - 4,0 Mcal/kg a hoří bez plamene, doutnáním.

Existuje mnoho druhů zařízení zabývajících se skladováním a zpracováním obilí, takže nelze stanovit jeden standard, nicméně na základě příkladu pekárensko-cukrářského podniku, pro který DACPOL připravoval dokument pro hodnocení rizika výbuchu, lze vyčlenit určité charakteristické fragmenty technologické linky.

Typy zařízení podle funkčnosti

Příkladné zařízení lze rozdělit, s ohledem na funkčnost, na následující části:

• sloužící pro pneumatickou dopravu obilí při nakládání sil,
• určené pro skladování obilí ve vnějších silech,
• sloužící pro šnekovou dopravu obilí při vyprazdňování sil,
• sloužící pro přípravu obilí k mletí mechanickým čištěním a zvlhčováním,
• zahrnující mlýn pro mletí obilí s vybavením,
• vnitřní integrovaný systém skladování mouky, jehož součástí jsou čtyři sila s vybavením a zařízení sloužící pro pneumatickou dopravu mouky a její dávkování na místech přípravy těsta.

Prvky, které mohou představovat nebezpečí výbuchu

Na základě přijatých analytických metod se provádějí odpovídající operace směřující k určení, který z prvků může představovat nebezpečí výbuchu, jeho rozsah a potenciální důsledky. S přihlédnutím k výše uvedené příkladné struktuře podniku lze identifikovat nejméně několik desítek potenciálně nebezpečných oblastí a prvků. Zde je třeba rozlišit následující typy zařízení a faktory, které mohou způsobit poruchu a následně požár nebo výbuch:

1. Šnekové dopravníky, řetězové dopravníky „redlery“:

• zkřivení šnekového hřídele, tření lopatky o skříň, přetržení řetězu, tření článku, vniknutí kovového předmětu dovnitř,
• zahřívání a vznícení prachů.

2. Korečkové elevátory:

Zadrhnutí základního pásu, vznícení pásu a prachů je možné z následujících důvodů:

• vytvoření zácpy,
• zaháknutí korečku o skříň,
• blokování elevátoru v důsledku vniknutí cizích předmětů do paty,
• přílišné uvolnění základního pásu,
• zadření ložisek v případě nedostatečného mazání.

3. Loupačky, třídicí stroje pro zpracování obilných slupek.

Existuje nebezpečí vznícení nebo výbuchu prachů v případě:

• vniknutí kovového předmětu do bubnu,
• jiskření v důsledku uvolnění upevnění cepu nebo kartáče, způsobeného třením,
• brusný nebo kovový plášť bubnu,
• jiskření v důsledku odštípnutí kusu abrazivní hmoty,
• zahřívání ložisek.

4. Drvicí zařízení, válcové mlýny, třídiče otrub:

Vznícení nebo výbuch prachu může nastat v případě vniknutí kovového předmětu dovnitř a jiskření nebo zahřívání tohoto předmětu v důsledku tření.

5. Pneumatická doprava:

V zařízeních a potrubích pneumatické dopravy a plnicích zařízeních (cyklonech) vznikají výbušné koncentrace prachů, které srážením způsobují vytváření nábojů statické elektřiny. Vznik výbuchu nebo požáru může nastat v důsledku:

• výboje statické elektřiny,
• jiskření, způsobeného třením lopatek ventilátoru o skříň,
• zahřívání ložisek ventilátoru.

6. Odsávací zařízení:

Existuje nebezpečí vznícení obilného nebo moučného prachu v případě:

• vzniku zdroje požáru v jednom z výše uvedených zařízení,
• jiskření, způsobeného třením lopatek ventilátoru,
• zadření ložisek ventilátoru.

7. Při plnění obilných a moučných komor:

Nebezpečí existuje v důsledku vniknutí otevřeného ohně nebo vznícení prachu od vadných elektrických zařízení.

Fáze analýzy hodnocení rizika výbuchu

Analýzy, které tvoří základ pro vypracování hodnocení rizika výbuchu, se provádějí po etapách. V první fázi se provádí identifikace a ověření dat týkajících se provádění prací/činností a procesu v daných oblastech. Práce se provádějí na základě dokumentace dodané Objednatelem, obsahující technologické charakteristiky zařízení a objektů, jakož i fyzikálně-chemické specifikace, které obsahují parametry hořlavosti a výbušnosti použitých hořlavých látek. Doplnění a ověření dat z dokumentace představuje informace získané během vizuální prohlídky na místě.

Na základě shromážděných informací a procesních dat se provádí identifikační analýza rizika výbuchu, která zahrnuje:

• identifikaci hořlavých látek,
• identifikaci míst vzniku potenciálně výbušných atmosfér,
• identifikaci a klasifikaci zdrojů emisí hořlavých látek, jakož i
• stanovení pravděpodobnosti vzniku výbušných atmosfér.

Výsledky provedených identifikačních analýz rizika výbuchu budou použity pro klasifikační určení zón s nebezpečím výbuchu. Kompletní klasifikační dokumentace je doplněna grafickou klasifikační dokumentací, obsahující situační plány, které znázorňují typ a rozsah zón s nebezpečím výbuchu, jakož i umístění a identifikaci zdrojů emisí, v souladu se zásadami stanovenými v Polských normách. Ve všech oblastech, kde byly klasifikovány zóny s nebezpečím výbuchu, je určena kategorie zařízení (značení podle směrnice, nikoli normy), jejichž použití je přípustné, což umožňuje výběr vhodných komponent a strojů, které mají certifikát ATEX.