Горючесть зерна – какие факторы влияют на воспламеняемость?

Безопасность промышленных процессов включает как охрану труда работников, так и безопасность осуществляемых технологических процессов.

Обе эти области совместно формируют общую безопасность на производственном объекте, которая должна быть обеспечена в соответствии с действующими законодательными нормами. Технологическая безопасность, являющаяся неотъемлемой частью общей безопасности, особенно относится к технологическим установкам, содержащим и перерабатывающим химические вещества. Она касается вопросов проектирования и эксплуатации установок, в которых происходят различные химические и физические процессы, связанные с переработкой химических веществ (единичные операции) в полезные конечные продукты, фокусируясь на вопросах предотвращения нежелательных выбросов смесей и/или энергии, а также противодействия последствиям таких выбросов. Осознание необходимости соблюдения технологической безопасности сопровождает проектирование каждой химической или нефтеперерабатывающей установки на всех этапах её развития. Это также включает объекты, хранящие и перерабатывающие твёрдые вещества. Это часть каждого технологического проекта, который является основным продуктом технологической инженерии.

Взрывоопасные зоны в пищевой промышленности

Пищевая промышленность представляет собой специфическую группу промышленных предприятий, на территории которых присутствуют твёрдые вещества в виде зерна, сахара, чая, кофе, кукурузы и т.д. Эта специфика заключается в том, что анализ пылевой опасности отличается от газовой, и при оценке риска учитываются другие, дополнительные параметры. В случае зерновых продуктов, фактором, создающим высокую степень пожарной и взрывной опасности, является присутствие зерновой и мучной пыли. Стоит отметить, что Польша является одним из крупнейших производителей зерна в Европе и одним из крупных в мире. Согласно данным GUS за 2018 год, годовое производство зерна в нашей стране составляет около 27 млн тонн, в том числе около 10 млн тонн пшеницы и 4 млн тритикале. Это приводит к тому, что вероятность аварии во время процессов, которым оно подвергается, выше, чем в большинстве других стран. В ходе технологического процесса приёмки, очистки, сушки и консервации зерна, а также помола зерна в муку, образуются местные пылевые загрязнения, называемые технологической пылью. Они образуются в результате трения зёрен друг о друга внутри оборудования и о элементы машин. Пыль поднимается внутри оборудования во время горизонтального и вертикального транспорта, в очистительных машинах и устройствах, при сушке и измельчении зерна, а также при просеивании, сортировке и упаковке измельчённых полуфабрикатов и готовой продукции.

Исследования показывают, что среди всех взрывов пыли почти 25% составляют взрывы пыли в пищевой, сельскохозяйственной и кормовой промышленности, при этом наиболее подвержены взрывам силосы, системы пылеудаления и вентиляции – включая сушилки и склады, предназначенные для сушки зерна.

Физико-химические величины

В соответствии с принятой практикой, каждая горючая/взрывоопасная пыль должна быть исследована в учреждении, имеющем для этого соответствующую лабораторию, или следует использовать готовые карты характеристик, характерные для данного вещества. Среди ряда величин, описывающих их физико-химические свойства, выделяется несколько параметров:

Pmax [бар] – это максимальное давление взрыва, измеренное во время взрыва пылевоздушной смеси в замкнутом объёме измерительной сферы (взрывоопасной атмосферы). Значение этого параметра зависит от начального давления.

(dp/dt)max [бар/с] – это максимальный прирост давления взрыва взрывоопасной атмосферы в единицу времени. Этот параметр определяет «динамику» процесса взрыва данной пыли, и на его основе определяется следующий параметр Kst.

Kst [м * бар/с] – пылевая постоянная, называемая показателем взрывоопасности, является основой для международной классификации взрывоопасности пылей (см. таблицу ниже).

DGW [г/м3 ] – нижний предел взрываемости. Этим термином определяется самая низкая концентрация топлива (в данном случае пыли) с воздухом (в измерительной сфере), при которой произошёл взрыв. Ниже этого значения горючая смесь слишком бедна горючим компонентом и содержит слишком много окислителя, чтобы инициировать взрыв.

GST [%] – предельная концентрация кислорода – это максимальная концентрация кислорода в смеси горючей пыли с воздухом и инертным газом, при которой взрыв не происходит.

MEZ [мДж] – минимальная энергия воспламенения пылевоздушной смеси – это минимальная энергия искрового разряда (энергия с заданной величиной) между двумя электродами, которая вызовет воспламенение пылевоздушной смеси.

MTZw [oC] – минимальная температура воспламенения слоя пыли – это минимальная температура горячей плиты, на которой произойдёт воспламенение слоя пыли толщиной 5 мм, помещённого в кольцо.

MTZo [oC] – минимальная температура, при которой происходит воспламенение облака пыли в печи с известной температурой стенок и атмосферы

Факторы, влияющие на параметры взрывоопасности

На параметры взрывоопасности пылей может влиять ряд факторов:

• химический состав частиц пыли (различные элементы и соединения сгорают по-разному);
• размер частиц пыли (обычно параметры взрывоопасности меняются в зависимости от размера зерен пыли – меньшие зёрна сгорают быстрее. Происходит рост параметров взрывоопасности с уменьшением размера частиц пыли;
• влажность пыли (большое содержание влаги в пыли затрудняет её сгорание);
• концентрация пыли (определяет количество горючего материала в пылевоздушной смеси);
• концентрация кислорода (для инициирования процесса сгорания необходима определённая предельная концентрация кислорода – при слишком малой концентрации кислорода процесс сгорания не будет инициирован);

Физические свойства зерна тесно связаны с его химической структурой и оказывают существенное влияние на жизненные процессы хранимой зерновой массы. Важнейшим жизненным процессом зерна является дыхание. Зерно поглощает кислород из воздуха, сжигает химические вещества и выделяет углекислый газ и воду. В результате этих процессов выделяется тепло, которое вызывает усиление дыхания зерна и повышение его температуры, в значительной степени зависящее от степени влажности. В случае повышения влажности и температуры при доступе кислорода зерно набухает и приобретает склонность к самосогреванию, а как следствие – к самовозгоранию. Наиболее подвержено самосогреванию зерно с усиленными жизненными процессами, то есть незрелое, свежеубранное и проросшее, а также сильно загрязнённое семенами сорняков. Самовозгоранию зерна также способствует сортировка, являющаяся одним из характерных процессов для этого вещества. Это эффект сыпучести и неоднородности зерна, входящего в состав складской зерновой массы. Это происходит при пересыпании и перемещении зерна, но чаще всего при наполнении и опорожнении зерновых камер. Содержимое камеры становится неоднородным: в центре скапливается крупное и среднее зерно с наименьшей степенью загрязнения, а ближе к стенкам – более мелкое с большей степенью загрязнений. При высокой влажности там также существует наибольшая вероятность самовозгорания зёрен.

Следующими особенностями зерна являются гигроскопичность, теплопроводность и выделение пыли при всех операциях технологической обработки. Гигроскопичность заключается в принятии или отдаче влаги, в зависимости от влажности окружающей среды. В таких местах следует ожидать большей вероятности самовозгорания. Зерно является плохим проводником тепла, загорается при температуре около 450°C, значение параметра тепла зерна составляет 3,5 - 4,0 Мкал/кг, и сгорает без пламени, тлея.

Существует много видов установок, занимающихся хранением и переработкой зерна, поэтому невозможно определить единый стандарт, однако на основе хлебопекарно-кондитерского предприятия, для которого DACPOL готовил документ оценки взрывоопасности, можно выделить определённые характерные фрагменты технологической линии.

Типы установок по функциональности

Примерную установку можно разделить, по функциональности, на следующие части:

• служащую для пневматического транспорта зерна при загрузке силосов,
• предназначенную для хранения зерна во внешних силосах,
• служащую для винтового транспорта зерна при разгрузке силосов,
• служащую для подготовки зерна к помолу путём механической очистки и увлажнения,
• включающую мельницу для помола зерна с оборудованием,
• внутренний интегрированный систему хранения муки, в состав которой входят четыре силоса с оборудованием и установка, служащая для пневматического транспорта муки и её дозирования на станциях подготовки теста.

Элементы, которые могут представлять взрывоопасность

На основе принятых аналитических методов проводятся соответствующие операции, направленные на определение того, какой из элементов может представлять взрывоопасность, её масштабы и потенциальные последствия. Учитывая приведённую выше примерную структуру предприятия, можно идентифицировать по меньшей мере несколько десятков потенциально опасных областей и элементов. Здесь необходимо выделить следующие виды устройств и факторы, которые могут вызвать аварию, а как следствие – пожар или взрыв:

1. Винтовые конвейеры, цепные конвейеры «родлеры»:

• скривление вала шнека, трение лопасти о корпус, обрыв цепи, трение звена, попадание внутрь металлического предмета,
• нагревание и воспламенение пыли.

2. Ковшовые элеваторы:

Загорание ленты грунтовой, воспламенение ленты и пыли возможно по следующим причинам:

• образование затора,
• зацепление ковша о корпус,
• блокировка элеватора вследствие попадания в ступню посторонних предметов,
• чрезмерное ослабление ленты грунтовой,
• затирание подшипников в случае недостаточной смазки.

3. Шелушильные машины, сортировочные машины для обработки лузги зерна.

Существует опасность воспламенения или взрывов пыли в случае:

• попадания в барабан металлического предмета,
• искрение вследствие ослабления крепления цепа или щетки, вызванное трением,
• шлифовальный или металлический кожух барабана,
• искрение вследствие отслоения куска абразивной массы,
• нагревание подшипников.

4. Устройства для дробления, вальцовые мельницы, отрубеотделители:

Воспламенение или взрыв пыли может произойти в случае попадания внутрь металлического предмета и искрения или нагревания этого предмета вследствие трения.

5. Пневматический транспорт:

В устройствах и трубопроводах пневматического транспорта и загрузочных устройствах (циклоны) возникают взрывоопасные концентрации пылей, которые, сталкиваясь, вызывают образование зарядов статического электричества. Возникновение взрыва или пожара может произойти вследствие:

• разряда статического электричества,
• искрения, вызванного трением лопастей вентилятора о корпус,
• нагревания подшипников вентилятора.

6. Аспирационные устройства:

Существует опасность воспламенения зерновой или мучной пыли в случае:

• возникновения источника пожара в одном из вышеупомянутых устройств,
• искрения, вызванного трением лопастей вентилятора,
• затирания подшипников вентилятора.

7. При засыпке зерновых и мучных камер:

Опасность существует вследствие попадания открытого огня или воспламенения пыли от неисправных электрических устройств.

Этапы анализа оценки взрывоопасности

Анализы, составляющие основу для составления оценки взрывоопасности, проводятся поэтапно. На первом этапе проводится идентификация и верификация данных относительно выполнения работ/действий и процесса в рассматриваемых областях. Работы проводятся на основе предоставленной Заказчиком документации, содержащей технологические характеристики установок и объектов, а также физико-химические спецификации, содержащие параметры воспламеняемости и взрывоопасности используемых горючих веществ. Дополнение и верификация данных из документации представляют собой информацию, полученную в ходе визуального осмотра.

На основе собранной информации и технологических данных проводится идентификационный анализ взрывоопасности, включающий:

• идентификацию горючих веществ,
• идентификацию мест возникновения потенциальных взрывоопасных атмосфер,
• идентификацию и классификацию источников выброса горючих веществ, а также
• определение вероятности возникновения взрывоопасных атмосфер.

Результаты проведённых идентификационных анализов взрывоопасности будут использованы для классификационного определения взрывоопасных зон. Полная классификационная документация дополняется графической классификационной документацией, содержащей ситуационные планы, иллюстрирующие вид и zasięg взрывоопасных зон, а также местоположение и идентификацию источников выброса, в соответствии с принципами, изложенными в Польских Стандартах. Во всех областях, где классифицированы взрывоопасные зоны, определяется категория устройств (маркировка по директиве, а не по норме), использование которых допустимо, что позволяет подобрать соответствующие компоненты и машины, имеющие сертификат ATEX.