Горючесть зерна – какие факторы влияют на воспламеняемость?

Промышленная безопасность технологических процессов включает в себя как безопасность труда сотрудников, так и безопасность технологических процессов.

Вместе эти две области составляют общую безопасность на производственном предприятии, которая должна обеспечиваться в соответствии с действующими правовыми нормами. Безопасность технологических процессов, являющаяся неотъемлемой частью общей безопасности, особенно применима к технологическим установкам, содержащим и перерабатывающим химические вещества. Таким образом, она касается проектирования и эксплуатации установок, в которых происходят различные химические и физические процессы, связанные с переработкой химических веществ (технологические операции) в полезные конечные продукты, с акцентом на предотвращение нежелательных выбросов смесей и/или энергии, а также на противодействие последствиям таких выбросов. Осознание необходимости поддержания безопасности технологических процессов сопровождает проектирование каждой химической или нефтеперерабатывающей установки на всех этапах ее разработки. Это также включает в себя объекты, хранящие и перерабатывающие твердые вещества.

Зоны взрывоопасности в пищевой промышленности

Пищевая промышленность — это специфическая группа промышленных предприятий, работающих с твердыми веществами в виде зерна, сахара, чая, кофе, кукурузы и т. д. Эта специфика заключается в том, что анализ опасности пыли отличается от анализа опасности газов, и что в процессе оценки риска учитываются другие, дополнительные параметры. В случае зерновых продуктов фактором, представляющим высокую степень пожарной и взрывной опасности, является наличие зерновой и мучной пыли. Также стоит отметить, что Польша является одним из крупнейших производителей зерна в Европе и одним из крупнейших в мире. Согласно данным Центрального статистического управления за 2018 год, годовое производство зерна в Польше составляет приблизительно 27 миллионов тонн, включая около 10 тонн пшеницы и 4 миллиона тонн тритикале. Это делает вероятность отказов в процессе переработки зерна выше, чем в большинстве других стран. В процессе технологического приема, очистки, сушки и консервирования зерна, а также измельчения зерна в муку, образуется локальное пылевое загрязнение, известное как технологическая пыль. Она образуется в результате трения зерна друг о друга и о компоненты машин внутри оборудования. Пыль выделяется внутри оборудования во время горизонтальной и вертикальной транспортировки, очистки машин и устройств, сушки и измельчения зерна, а также просеивания, сортировки и упаковки измельченных полуфабрикатов и готовых продуктов.Исследования показывают, что почти 25% всех пылевых взрывов происходит в пищевой, сельскохозяйственной и кормовой промышленности, причем наибольшему риску взрывов подвержены силосы, системы пылеудаления и вентиляции, включая зерносушильные камеры и склады.Физико-химические характеристикиВ соответствии с общепринятой практикой, любая горючая/взрывоопасная пыль должна быть протестирована в лаборатории со специализированным оборудованием или с использованием паспортов безопасности, соответствующих данному веществу. Среди множества величин, описывающих их физико-химические свойства, выделяются несколько параметров:

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

(dp/dt)max [бар/с] – максимальное увеличение давления взрыва взрывоопасной атмосферы за единицу времени. Этот параметр определяет «динамику» процесса взрыва данной пыли и используется для определения следующего параметра, Kst.

Kst [м * бар/с] – постоянная пыли, называемая индексом взрыва, лежит в основе международной классификации взрывоопасности пыли (см. таблицу ниже).

LEL [г/м3] – нижний предел взрывоопасности. Этот термин описывает наименьшую концентрацию топлива (в данном случае пыли) в воздухе (в измерительной сфере), при которой произошел взрыв. Ниже этого значения горючая смесь содержит слишком мало горючего компонента и слишком много окислителя, чтобы вызвать 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 заданного значения) между двумя электродами, которая воспламенит пылевоздушную смесь.

MTZw [°C] – минимальная температура воспламенения слоя пыли – это минимальная температура нагревательной плиты, при которой воспламенится слой пыли толщиной 5 мм, помещенный в кольцо.

MTZo [°C] – минимальная температура, при которой воспламенится пылевое облако в печи с известной температурой стенок и атмосферы.

Факторы, влияющие на параметры взрыва

На параметры взрыва пыли может влиять ряд факторов:

• химический состав частиц пыли (различные элементы и соединения горят по-разному);
• размер частиц пыли (обычно параметры взрыва варьируются в зависимости от размера пылевых зерен – более мелкие зерна сгорают быстрее. Параметры взрыва увеличиваются с уменьшением размера частиц пыли);
• содержание влаги в пыли (высокое содержание влаги в пыли затрудняет ее горение);
• концентрация пыли (определяет количество горючего материала в пылевоздушной смеси);
• концентрация кислорода (определенная предельная концентрация кислорода необходима для начала процесса горения – при слишком низкой концентрации кислорода процесс горения будет препятствовать инициирующий);

Физические свойства зерновых культур тесно связаны с их химической структурой и оказывают существенное влияние на жизненные процессы хранящейся зерновой массы. Наиболее важным жизненным процессом зерна является дыхание. Зерно поглощает кислород из воздуха, сжигает химические вещества и выделяет углекислый газ и воду. Эти процессы генерируют тепло, которое усиливает дыхание зерна и повышает его температуру, которая в значительной степени зависит от содержания влаги. По мере увеличения влажности и температуры в присутствии кислорода зерно набухает и становится склонным к самонагреву, а следовательно, и к самовозгоранию. Зерно с ускоренными жизненными процессами, такое как незрелое зерно, свежесобранное зерно, проросшее зерно и зерно, сильно загрязненное семенами сорняков, наиболее подвержено самовозгоранию. Сортировка, являющаяся одним из характерных процессов для этого вещества, также способствует самовозгоранию зерна. Это результат рыхлости и неоднородности зерна в хранящейся зерновой массе. Это происходит во время пересыпания и перекладывания зерна, но чаще всего во время заполнения и опорожнения зернохранилищ. Содержимое камеры становится неоднородным: крупные и средние зерна с наименьшим уровнем загрязнения накапливаются в центре, в то время как более мелкие зерна с более высоким уровнем загрязнения скапливаются ближе к стенкам. Высокая влажность также повышает вероятность самовозгорания.

Другие характеристики зерна включают гигроскопичность, теплопроводность и пылеобразование во время всех технологических операций. Гигроскопичность подразумевает поглощение или выделение влаги в зависимости от влажности окружающей среды. В таких зонах следует учитывать повышенный риск самовозгорания. Зерно плохо проводит тепло, воспламеняется при температуре приблизительно 450°C, значение параметра теплопроводности зерна составляет 3,5-4,0 Мкал/кг, и горит беспламенно с тлеющим пламенем.

Существует множество типов установок для хранения и переработки зерна, поэтому невозможно определить единый стандарт, но, исходя из особенностей хлебопекарных и кондитерских предприятий, для целей подготовки документа по оценке риска взрыва для DACPOL можно выделить определенные характерные части технологической линии.

Типы установок по функциональности

Пример установки можно разделить на следующие части по функциональности:

• используется для пневматической транспортировки зерна при загрузке силосов,
• предназначается для хранения зерна во внешних силосах,
• используется для шнековой транспортировки зерна при разгрузке силосов,
• используется для подготовки зерна к помолу посредством механической очистки и увлажнения,
• включая зерновую мельницу с принадлежностями,
• внутреннюю интегрированную систему хранения муки, состоящую из четырех силосов с принадлежностями и установки для пневматической транспортировки муки и ее дозирования на станциях приготовления теста.

Элементы, которые могут представлять опасность взрыва

На основе принятых аналитических методов проводятся соответствующие операции для определения того, какие элементы могут представлять опасность взрыва, ее масштаба и потенциальных последствий. Учитывая приведенный выше пример конструкции завода, можно выявить не менее десятка потенциально опасных зон и элементов. Следует указать следующие типы оборудования и факторы, которые могут привести к отказу и, следовательно, к пожару или взрыву:

1. Шнековые конвейеры, цепные конвейеры, «рычажные конвейеры»:

• деформация вала шнека, трение лопастей о корпус, обрыв цепи, трение звеньев, проникновение металлического предмета внутрь,
• нагрев и воспламенение пыли.

2. Ковшовые элеваторы:

Заклинивание ленты, воспламенение ленты и пыли возможно по следующим причинам:

• засорение,
• зацепление ковша за корпус,
• блокировка элеватора из-за попадания посторонних предметов в основание,
• чрезмерное ослабление ленты,
• заклинивание подшипников из-за недостаточной смазки.

3. Машины для шелушения, сортировочные машины для обработки зерновой шелухи.

Существует риск возгорания или взрыва пыли в случае:

• попадания металлического предмета в барабан,
• искры из-за ослабления рукоятки цепа или щетки вследствие трения,
• наждака или металлический корпус барабана,
• искры из-за отламывания куска абразива от массы,
• нагрева подшипников.

4. Дробеструйное оборудование, вальцовые мельницы, устройства для измельчения отрубей:

Возгорание или взрыв пыли может произойти, если она попадет внутрь металлического предмета и вызовет искры или нагрев из-за трения.

5. Пневматический транспорт:

В пневматическом транспортном оборудовании и линиях, а также в зарядных устройствах (циклонах) возникают взрывоопасные концентрации пыли, которые при столкновении создают заряды статического электричества. Взрыв или пожар могут произойти в результате:

• разряда статического электричества,
• искры, вызванной трением лопастей вентилятора о корпус,
• нагрева подшипников вентилятора.

6. Аспирационное оборудование:

Существует риск возгорания зерновой или мучной пыли в случае:

• возникновения источника возгорания в одном из вышеупомянутых устройств,
• искры, вызванной трением лопастей вентилятора,
• заклинивания подшипников вентилятора.

7. При заполнении камер для зерна и муки:

Опасность существует из-за проникновения открытого пламени или воспламенения пыли от неисправных электроприборов.

Этапы анализа оценки взрывоопасности

Анализ, составляющий основу для подготовки оценки взрывоопасности, проводится поэтапно. На первом этапе осуществляется идентификация и проверка данных, касающихся выполнения работ/деятельности и процесса в рассматриваемых зонах. Работа выполняется на основе документации, предоставленной Заказчиком, содержащей технологические характеристики установок и сооружений, а также физико-химические спецификации, содержащие параметры воспламеняемости и взрывоопасности используемых легковоспламеняющихся веществ. Информация, полученная в ходе выездной инспекции, дополняет и проверяет данные из документации.

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

• Идентификация легковоспламеняющихся веществ,
• Идентификация мест, где могут возникать потенциально взрывоопасные атмосферы,
• Идентификация и классификация источников выбросов легковоспламеняющихся веществ, и
• Определение вероятности возникновения взрывоопасных атмосфер.

Результаты анализа идентификации взрывоопасности будут использованы для классификации взрывоопасных зон. Полная классификационная документация дополняется графической классификационной документацией, содержащей ситуационные планы, иллюстрирующие тип и масштабы взрывоопасных зон, а также местоположение и идентификацию источников выбросов в соответствии с принципами, изложенными в польских стандартах. Во всех зонах, отнесенных к опасным зонам, взрывозащищенность определяется категорией устройств (маркировка в соответствии с директивой, а не стандартом), использование которых допустимо, что позволяет выбирать соответствующие компоненты и машины с сертификатом ATEX.