Горючість зерна – які фактори впливають на займистість?

Безпека промислових процесів охоплює як безпеку праці працівників, так і безпеку технологічних процесів, що проводяться.

Обидві ці сфери спільно створюють загальну безпеку на виробничому підприємстві, яка згідно з чинними правовими нормами має бути забезпечена. Процесна безпека, яка є невід'ємною частиною загальної безпеки, зокрема, стосується технологічних установок, що містять і переробляють хімічні речовини. Таким чином, вона стосується питань проєктування та експлуатації установок, в яких відбуваються різні хімічні та фізичні процеси, пов'язані з переробкою хімічних речовин (одиничні операції) у корисні кінцеві продукти, концентруючись на питаннях запобігання небажаним викидам сумішей та/або енергії, а також протидії наслідкам таких викидів. Усвідомлення необхідності дотримання процесної безпеки супроводжує проєктування кожної хімічної чи нафтопереробної установки на всіх етапах її розвитку. Сюди також входять об'єкти, що зберігають і переробляють тверді речовини. Це частина кожного процесного проєкту, який є головним продуктом технологічної інженерії.

Вибухонебезпечні зони в харчовій промисловості

Харчова промисловість є специфічною групою промислових підприємств, які мають на своїй території тверді речовини у вигляді зерна, цукру, чаю, кави, кукурудзи тощо. Ця специфіка полягає в тому, що аналіз пилової небезпеки відрізняється від газової, і в процесі оцінки ризику беруться до уваги інші, додаткові параметри. У випадку зернових продуктів, чинником, що створює високий ступінь пожежної та вибухової небезпеки, є наявність зернового та борошняного пилу. До речі, варто зазначити, що Польща є одним з найбільших виробників зерна в Європі та одним з найбільших у світі. Згідно з даними GUS за 2018 р., річне виробництво зерна в нашій країні становить близько 27 млн тонн, зокрема близько 10 млн тонн пшениці та 4 млн тритикале. Це призводить до того, що ймовірність аварії під час процесів, яким воно підлягає, є вищою, ніж у більшості інших країн. Під час технологічного процесу приймання, очищення, сушіння та консервації зерна, а також розмелювання зерна на борошно утворюються місцеві пилові забруднення, звані технологічним пилом. Вони утворюються внаслідок тертя зерен одне об одне всередині обладнання та об елементи машин. Пил здіймається всередині обладнання під час горизонтального та вертикального транспорту, очисних машин і пристроїв, сушіння та подрібнення зерна, а також просіювання, сортування та пакування подрібнених напівфабрикатів та готових виробів.

З досліджень випливає, що серед усіх вибухів пилу близько 25% становлять вибухи пилу в харчово-сільськогосподарській та кормовій промисловості, причому найбільш схильні до вибухів силоси, системи пиловідведення та вентиляційні системи – включно з сушарками та складами, призначеними для сушіння зерна.

Фізико-хімічні величини

Згідно з прийнятою практикою, кожен горючий/вибухонебезпечний пил необхідно дослідити в установі, що має відповідну для цього лабораторію, або скористатися готовими паспортами безпеки, властивими для даної речовини. Серед низки величин, що описують їх фізико-хімічні властивості, виділяється кілька параметрів:

Pmax [бар] – це максимальний тиск вибуху, виміряний під час вибуху пилоповітряної суміші в замкненому об'ємі вимірювальної сфери (вибухонебезпечної атмосфери). Значення цього параметра залежить від початкового тиску.

(dp/dt)max [бар/с] – це максимальний приріст тиску вибуху вибухонебезпечної атмосфери в одиницю часу. Цей параметр визначає «динаміку» процесу вибуху даного пилу, і на його основі визначається наступний параметр Kst.

Kst [м * бар/с] – пилова стала, звана показником вибуховості, є основою для міжнародної класифікації вибуховості пилів (див. таблицю нижче).

DGW [г/м3 ] – нижня межа вибуховості. Цим терміном визначається найнижча концентрація палива (в цьому випадку пилу) з повітрям (у вимірювальній сфері), при якій стався вибух. Нижче цього значення горюча суміш є занадто бідною на горючий компонент та містить занадто багато окислювача, щоб ініціювати вибух.

GST [%] – гранична концентрація кисню – це максимальна концентрація кисню в суміші горючого пилу з повітрям та інертним газом, при якій вибух не відбувається.

MEZ [мДж] – мінімальна енергія запалювання пилоповітряної суміші – це мінімальна енергія іскрового розряду (енергія заданої величини) між двома електродами, яка спричинить запалювання пилоповітряної суміші.

MTZw [oC] – мінімальна температура запалювання шару пилу – це мінімальна температура гарячої плити, на якій відбудеться запалювання розміщеного в кільці 5 мм шару пилу.

MTZo [oC] – мінімальна температура, при якій відбувається запалювання хмари пилу в печі з відомою температурою стінок та атмосфери

Чинники, що впливають на параметри вибуховості

На параметри вибуховості пилів може впливати низка чинників:

• хімічний склад частинок пилу (різні елементи та сполуки згоряють по-різному);
• розмір частинок пилу (зазвичай параметри вибуховості змінюються залежно від розміру зерен пилу – менші зерна згоряють швидше. Відбувається зростання параметрів вибуховості зі зменшенням розміру частинок пилу;
• вологість пилу (великий вміст вологи в пилі ускладнює його згоряння);
• концентрація пилу (визначає кількість горючого матеріалу в пилоповітряній суміші);
• концентрація кисню (для ініціації процесу згоряння необхідна певна гранична концентрація кисню – при занадто малій концентрації кисню процес згоряння не буде ініційовано);

Фізичні властивості зерна тісно пов'язані з його хімічною структурою та мають істотний вплив на життєві процеси складованої зернової маси. Найважливішим життєвим процесом зерна є дихання. Зерно поглинає з повітря кисень, спалює хімічні речовини та виділяє двоокис вуглецю та воду. Внаслідок цих процесів утворюється тепло, яке спричиняє посилення дихання зерна та зростання його температури, що значною мірою залежить від ступеня зволоження. У разі зростання вологості та температури при доступі кисню зерно набрякає і набуває схильності до самозігрівання, а як наслідок – до самозаймання. Найбільше піддається самозігріванню зерно з посиленими життєвими процесами, тобто незріле, свіжозібране та проросле, а також сильно забруднене насінням бур'янів. Самозайманню зерна також сприяє сортування, що є одним із характерних процесів для цієї речовини. Це ефект сипучості та неоднорідності зерна, що входить до складу складської зернової маси. Це відбувається під час пересипання та перенесення зерна, але найчастіше при наповненні та спорожненні зернових камер. Вміст камери стає неоднорідним: в середині накопичується зерно крупне та середнє з найменшим ступенем забруднення, а в напрямку стін – все дрібніше з більшим ступенем забруднень. При високій вологості там також існує найбільша ймовірність самозаймання зерен.

Наступними ознаками зерна є гігроскопічність, теплопровідність та виділення пилу при всіх операціях технологічної обробки. Гігроскопічність полягає у прийнятті або віддачі вологості, залежно від вологості оточення. У таких місцях слід очікувати більшої ймовірності самозаймання. Зерно є поганим провідником тепла, займається при температурі близько 450°C, значення параметра тепла зерна становить 3,5 - 4,0 Мкал/кг, а згоряє без полум'я, тліючи.

Існує багато видів установок, що займаються зберіганням та переробкою зерна, тому неможливо визначити один стандарт, проте на основі хлібопекарсько-кондитерського підприємства, для якого DACPOL готував документ оцінки вибухонебезпеки, можна виділити певні характерні фрагменти технологічної лінії.

Види установок за функціональністю

Прикладну установку можна розділити, за функціональністю, на наступні частини:

• слугуючу для пневматичного транспорту зерна при завантаженні силосів,
• призначену для зберігання зерна в зовнішніх силосах,
• слугуючу для шнекового транспорту зерна при розвантаженні силосів,
• слугуючу для підготовки зерна до розмелювання шляхом механічного очищення та зволоження,
• включаючу млин для розмелювання зерна з обладнанням,
• внутрішню інтегровану систему зберігання борошна, до складу якої входять чотири силоси з обладнанням та установка, що слугує для пневматичного транспорту борошна та його дозування на місцях підготовки тіста.

Елементи, що можуть становити вибухову небезпеку

На основі прийнятих аналітичних методів здійснюються відповідні операції, спрямовані на визначення того, який з елементів може становити вибухову небезпеку, її масштаби та потенційні наслідки. Враховуючи наведену вище прикладну структуру підприємства, можна ідентифікувати щонайменше кілька десятків потенційно небезпечних областей та елементів. Тут необхідно виділити наступні види пристроїв та чинники, що можуть спричинити аварію, а як наслідок – пожежу чи вибух:

1. Шнекові конвеєри, ланцюгові конвеєри «родлери»:

• скривлення вала шнека, тертя лопатки об корпус, обрив ланцюга, тертя ланки, потрапляння всередину металевого предмета,
• загрівання та запалення пилу.

2. Ковшові елеватори:

Затирання ґрунтової стрічки, запалення стрічки та пилу можливе з наступних причин:

• утворення затору,
• зачіпання ковша об корпус,
• блокування елеватора внаслідок потрапляння до основи сторонніх предметів,
• надмірного ослаблення ґрунтової стрічки,
• затирання підшипників у разі недостатнього змащення.

3. Лущильні машини, сортувальні машини для обробки лушпиння зерна.

Існує небезпека займання або вибухів пилу у випадку:

• потрапляння до барабана металевого предмета,
• іскріння внаслідок ослаблення кріплення ціпа або щітки, спричиненого тертям,
• шліфувальний або металевий кожух барабана,
• іскріння внаслідок відколу шматка абразивної маси,
• загрівання підшипників.

4. Пристрої для шротування, вальцьові млини, відсіювачі висівок:

Запалення або вибух пилу може статися у випадку потрапляння всередину металевого предмета та іскріння або загрівання цього предмета внаслідок тертя.

5. Пневматичний транспорт:

У пристроях і трубопроводах пневматичного транспорту та засипних пристроях (циклони) виникають вибухові концентрації пилу, який, зіштовхуючись, спричиняє утворення зарядів статичної електрики. Виникнення вибуху або пожежі може статися внаслідок:

• розряду статичної електрики,
• іскріння, спричиненого тертям лопаток вентилятора об корпус,
• загрівання підшипників вентилятора.

6. Аспіраційні пристрої:

Існує небезпека займання зернового або борошняного пилу у випадку:

• виникнення джерела пожежі в одному з вищезгаданих пристроїв,
• іскріння, спричиненого тертям лопаток вентилятора,
• затирання підшипників вентилятора.

7. При засипанні зернових та борошняних камер:

Небезпека існує внаслідок потрапляння відкритого вогню або займання пилу від несправних електричних пристроїв.

Етапи аналізу оцінки вибухонебезпеки

Аналізи, що становлять основу для складання оцінки вибухонебезпеки, проводяться поетапно. На першому етапі проводиться ідентифікація та верифікація даних стосовно виконання робіт/дій та процесу в предметних областях. Роботи проводяться на основі наданої Замовником документації, що містить технологічні характеристики установок та об'єктів, а також фізико-хімічні специфікації, що містять параметри займистості та вибуховості застосовуваних горючих речовин. Доповнення та верифікація даних з документації становлять інформацію, отриману під час візуального огляду.

На базі зібраної інформації та процесних даних проводиться ідентифікаційний аналіз вибухонебезпеки, що включає:

• ідентифікацію горючих речовин,
• ідентифікацію місць виникнення потенційних вибухонебезпечних атмосфер,
• ідентифікацію та класифікацію джерел викиду горючих речовин, а також
• визначення ймовірності виникнення вибухонебезпечних атмосфер.

Результати проведених ідентифікаційних аналізів вибухонебезпеки будуть використані для класифікаційного визначення вибухонебезпечних зон. Повна класифікаційна документація доповнюється графічною класифікаційною документацією, що містить ситуаційні плани, які відображають вид і межі вибухонебезпечних зон, а також локалізацію та ідентифікацію джерел викиду, згідно з принципами, визначеними в Польських Нормах. У всіх областях, де класифіковано вибухонебезпечні зони, визначається категорія пристроїв (маркування згідно з директивою, а не нормою), використання яких є допустимим, що дає змогу добору відповідних вузлів та машин, що мають сертифікат ATEX.