Inflammabilité des grains – quels facteurs influencent l’inflammabilité ?

La sécurité des processus industriels comprend à la fois la sécurité professionnelle des employés et la sécurité des processus technologiques mis en œuvre.

Ces deux domaines forment ensemble la sécurité générale sur le site de production, qui doit être assurée conformément à la réglementation légale en vigueur. La sécurité des procédés, qui fait partie intégrante de la sécurité générale, concerne en particulier les installations de traitement contenant et traitant des substances chimiques. Elle aborde donc les questions de conception et d'exploitation des installations où se déroulent divers processus chimiques et physiques liés à la transformation des substances chimiques (opérations unitaires) en produits finaux utiles, en se concentrant sur la prévention des rejets indésirables de mélanges et/ou d'énergie, ainsi que sur la lutte contre les conséquences de tels rejets. La conscience du maintien de la sécurité des procédés accompagne la conception de chaque installation chimique ou de raffinage à toutes les étapes de son développement. Cela inclut également les installations qui stockent et traitent des matières solides. Cela fait partie de chaque projet de processus, qui est le produit principal de l'ingénierie des procédés.

Zones à risque d'explosion dans l'industrie alimentaire

L'industrie alimentaire est un groupe spécifique d'établissements industriels qui possèdent sur leur territoire des matières solides sous forme de céréales, de sucre, de thé, de café, de maïs, etc. Cette spécificité réside dans le fait que l'analyse du danger de poussière diffère de celle des gaz et que d'autres paramètres supplémentaires sont pris en compte dans le processus d'évaluation des risques. Dans le cas des produits céréaliers, le facteur qui crée un degré élevé de danger d'incendie et d'explosion est la présence de poussière de céréales et de farine. Il convient de noter que la Pologne est l'un des plus grands producteurs de céréales en Europe et l'un des plus importants au monde. Selon les données de GUS pour 2018, la production annuelle de céréales dans notre pays s'élève à environ 27 millions de tonnes, dont environ 10 millions de tonnes de blé et 4 millions de triticale. Cela signifie que la probabilité d'un accident pendant les processus auxquels elles sont soumises est plus élevée que dans la plupart des autres pays. Au cours du processus technologique de réception, nettoyage, séchage et conservation des céréales, ainsi que de mouture des céréales en farine, des contaminations locales par la poussière sont générées, appelées poussière technologique. Elles sont produites à la suite de la friction des grains entre eux et contre les éléments des machines à l'intérieur de l'équipement. La poussière s'élève donc à l'intérieur de l'équipement lors du transport horizontal et vertical, dans les machines et dispositifs de nettoyage, lors du séchage et du broyage des céréales, ainsi qu'au tamisage, au tri et à l'emballage des produits semi-finis broyés et des produits finis.

Les recherches montrent que sur toutes les explosions de poussière, près de 25 % sont des explosions de poussière dans l'industrie agroalimentaire, agricole et des aliments pour animaux, les plus exposés aux explosions étant les silos, les systèmes de dépoussiérage et de ventilation – y compris les séchoirs et les entrepôts destinés au séchage des céréales.

Grandeurs physico-chimiques

Conformément à la pratique acceptée, chaque poussière combustible/explosive doit être testée dans une unité disposant d'un laboratoire approprié à cet effet, ou des fiches de données de sécurité prêtes à l'emploi, spécifiques à la substance donnée, doivent être utilisées. Parmi une série de grandeurs décrivant leurs propriétés physico-chimiques, plusieurs paramètres se distinguent :

Pmax [bar] – c'est la pression maximale d'explosion, mesurée lors de l'explosion du mélange poussière-air dans un volume fermé de la sphère de mesure (atmosphère explosive). La valeur de ce paramètre dépend de la pression initiale.

(dp/dt)max [bar/s] – c'est l'augmentation maximale de la pression d'explosion de l'atmosphère explosive par unité de temps. Ce paramètre définit la « dynamique » du processus d'explosion de cette poussière, et sur sa base est déterminé le paramètre suivant Kst.

Kst [m * bar/s] – la constante de poussière, appelée indice d'explosivité, est la base de la classification internationale de l'explosivité des poussières (voir tableau ci-dessous).

DGW [g/m3 ] – limite inférieure d'explosivité. Ce terme définit la concentration la plus faible de carburant (dans ce cas, de poussière) avec de l'air (dans la sphère de mesure) à laquelle l'explosion s'est produite. En dessous de cette valeur, le mélange combustible est trop pauvre en composant combustible et contient trop d'oxydant pour initier une explosion.

GST [%] – concentration limite d'oxygène est la concentration maximale d'oxygène dans un mélange de poussière combustible avec de l'air et un gaz inerte, pour laquelle l'explosion ne se produit pas.

MEZ [mJ] – énergie minimale d'inflammation du mélange poussière-air est l'énergie minimale de décharge d'étincelle (énergie avec une valeur donnée) entre deux électrodes, qui provoquera l'inflammation du mélange poussière-air.

MTZw [oC] – température minimale d'inflammation de la couche de poussière est la température minimale de la plaque chauffante sur laquelle se produira l'inflammation d'une couche de poussière de 5 mm placée dans l'anneau.

MTZo [oC] – température minimale à laquelle se produit l'inflammation du nuage de poussière dans un four avec une température connue des parois et de l'atmosphère

Facteurs influençant les paramètres d'explosivité

Un certain nombre de facteurs peuvent influencer les paramètres d'explosivité des poussières :

• la composition chimique des particules de poussière (différents éléments et composés brûlent différemment) ;
• la taille des particules de poussière (généralement, les paramètres d'explosivité changent en fonction de la taille des grains de poussière – les grains plus petits brûlent plus vite. Il y a une augmentation des paramètres d'explosivité avec la diminution de la taille des particules de poussière ;
• l'humidité de la poussière (une forte teneur en humidité dans la poussière rend son ignition plus difficile) ;
• la concentration de poussière (détermine la quantité de matière combustible dans le mélange poussière-air) ;
• la concentration d'oxygène (pour initier le processus de combustion, une certaine concentration limite d'oxygène est nécessaire – à une concentration d'oxygène trop faible, le processus de combustion ne sera pas initié) ;

Les propriétés physiques du grain sont étroitement liées à sa structure chimique et ont une influence significative sur les processus vitaux de la masse de grain stockée. Le processus vital le plus important du grain est la respiration. Le grain absorbe l'oxygène de l'air, brûle les substances chimiques et libère du dioxyde de carbone et de l'eau. En conséquence de ces processus, de la chaleur est générée, ce qui provoque une intensification de la respiration du grain et une augmentation de sa température, qui dépend largement du degré d'humidité. En cas d'augmentation de l'humidité et de la température avec accès à l'oxygène, le grain gonfle et acquiert une tendance à l'auto-échauffement, et par conséquent à l'auto-inflammation. Le grain avec des processus vitaux accrus est le plus susceptible à l'auto-échauffement, c'est-à-dire le grain immature, fraîchement récolté et germé, ainsi que celui fortement contaminé par des graines de mauvaises herbes. Le tri, qui est l'un des processus caractéristiques de cette substance, contribue également à l'auto-inflammation du grain. C'est l'effet de la fluidité et de l'hétérogénéité du grain faisant partie de la masse de grain stockée. Cela se produit lors du transvasement et du déplacement du grain, mais le plus souvent lors du remplissage et de la vidange des chambres à grains. Le contenu de la chambre devient hétérogène : au centre s'accumule le grain gros et moyen avec le plus petit degré de contamination, et vers les murs – le plus fin avec un plus grand degré de contamination. À forte humidité, c'est là qu'existe également la plus grande probabilité d'auto-inflammation des grains.

Les autres caractéristiques du grain sont l'hygroscopicité, la conductivité thermique et l'émission de poussière pendant toutes les opérations de traitement technologique. L'hygroscopicité consiste à prendre ou à céder de l'humidité, en fonction de l'humidité de l'environnement. Dans de tels endroits, il faut s'attendre à une plus grande probabilité d'auto-inflammation. Le grain est un mauvais conducteur de chaleur, il s'enflamme à une température d'environ 450 °C, la valeur du paramètre de chaleur du grain est de 3,5 - 4,0 Mcal/kg et il brûle sans flamme, en couvant.

Il existe de nombreux types d'installations traitant le stockage et la transformation des céréales, il est donc impossible de définir une norme unique, mais sur la base de l'exemple d'une unité de boulangerie et de confiserie, pour laquelle DACPOL a préparé un document d'évaluation du risque d'explosion, on peut distinguer certains fragments caractéristiques de la ligne technologique.

Types d'installations par fonctionnalité

L'installation type peut être divisée, en fonction de sa fonctionnalité, en parties suivantes :

• celle servant au transport pneumatique des céréales lors du chargement des silos,
• celle destinée au stockage des céréales dans les silos extérieurs,
• celle servant au transport par vis des céréales lors du déchargement des silos,
• celle servant à la préparation des céréales pour la mouture par nettoyage mécanique et humidification,
• celle comprenant le moulin pour la mouture des céréales avec ses équipements,
• le système interne intégré de stockage de farine, qui comprend quatre silos avec leurs équipements et l'installation servant au transport pneumatique de la farine et à son dosage aux postes de préparation de la pâte.

Éléments pouvant constituer un danger d'explosion

Sur la base des méthodes analytiques adoptées, des opérations appropriées sont menées pour déterminer quel élément peut constituer un danger d'explosion, son ampleur et ses conséquences potentielles. Compte tenu de la structure type de l'entreprise mentionnée ci-dessus, on peut identifier au moins plusieurs dizaines de zones et d'éléments potentiellement dangereux. Il convient de distinguer les types d'équipements et de facteurs suivants qui peuvent provoquer une défaillance et, par conséquent, un incendie ou une explosion :

1. Transporteurs à vis, transporteurs à chaîne « rodlers » :

• courbure de l'arbre de la vis, frottement de la pale contre le carter, rupture de la chaîne, frottement du maillon, pénétration d'un objet métallique à l'intérieur,
• échauffement et inflammation de la poussière.

2. Élévateurs à godets :

L'enrayement de la bande de base, l'inflammation de la bande et de la poussière sont possibles pour les raisons suivantes :

• formation d'un bourrage,
• accrochage du godet au carter,
• blocage de l'élévateur suite à la pénétration d'objets étrangers dans la base,
• relâchement excessif de la bande de base,
• grippage des paliers en cas de lubrification insuffisante.

3. Machines à décortiquer, trieuses pour le traitement de la balle de céréales.

Il existe un danger d'inflammation ou d'explosion de la poussière en cas de :

• pénétration d'un objet métallique dans le tambour,
• étincelage suite au desserrage de la fixation du batteur ou de la brosse, causé par le frottement,
• carter abrasif ou métallique du tambour,
• étincelage suite au détachement d'un morceau de masse abrasive,
• échauffement des paliers.

4. Équipements de broyage, moulins à cylindres, séparateurs de son :

L'inflammation ou l'explosion de la poussière peut se produire en cas de pénétration d'un objet métallique à l'intérieur et d'étincelage ou d'échauffement de cet objet suite au frottement.

5. Transport pneumatique :

Dans les équipements et les conduites de transport pneumatique et les dispositifs de remplissage (cyclones), des concentrations explosives de poussières apparaissent, qui, en se heurtant, provoquent la formation de charges d'électricité statique. L'apparition d'une explosion ou d'un incendie peut se produire suite à :

• décharge d'électricité statique,
• étincelage causé par le frottement des pales du ventilateur contre le carter,
• échauffement des paliers du ventilateur.

6. Équipements d'aspiration :

Il existe un danger d'inflammation de la poussière de céréales ou de farine en cas de :

• apparition d'une source d'incendie dans l'un des équipements mentionnés ci-dessus,
• étincelage causé par le frottement des pales du ventilateur,
• grippage des paliers du ventilateur.

7. Lors du remplissage des chambres à grains et à farine :

Le danger existe suite à la pénétration de flammes nues ou à l'inflammation de la poussière par des équipements électriques défectueux.

Étapes de l'analyse d'évaluation du risque d'explosion

Les analyses qui constituent la base de l'élaboration de l'évaluation du risque d'explosion sont menées par étapes. Au cours de la première étape, l'identification et la vérification des données concernant la réalisation des travaux/activités et le processus dans les domaines concernés sont effectuées. Les travaux sont basés sur la documentation fournie par le Client, contenant les caractéristiques technologiques des installations et des objets, ainsi que les spécifications physico-chimiques qui contiennent les paramètres d'inflammabilité et d'explosivité des substances combustibles utilisées. Le complément et la vérification des données de la documentation constituent les informations obtenues lors de l'inspection visuelle sur place.

Sur la base des informations collectées et des données de processus, une analyse d'identification du risque d'explosion est effectuée, comprenant :

• l'identification des substances combustibles,
• l'identification des lieux d'apparition de potentielles atmosphères explosives,
• l'identification et la classification des sources d'émission de substances combustibles, ainsi que
• la détermination de la probabilité d'apparition d'atmosphères explosives.

Les résultats des analyses d'identification du risque d'explosion effectuées seront utilisés pour la détermination par classification des zones dangereuses d'explosion. La documentation de classification complète est complétée par une documentation graphique de classification contenant des plans de situation illustrant le type et l'étendue des zones dangereuses d'explosion, ainsi que l'emplacement et l'identification des sources d'émission, conformément aux principes énoncés dans les normes polonaises. Dans toutes les zones où des zones dangereuses d'explosion ont été classifiées, la catégorie d'équipement (marquage selon la directive, et non la norme) dont l'utilisation est autorisée est déterminée, ce qui permet la sélection des composants et des machines appropriés possédant le certificat ATEX.