Palność ziarna zbożowego - jakie czynniki wpływają na palność?

Bezpieczeństwo procesów przemysłowych obejmuje zarówno  bezpieczeństwo zawodowe pracowników, jak i bezpieczeństwo prowadzonych procesów technologicznych.

Oba te obszary tworzą wspólnie w zakładzie produkcyjnym ogólne bezpieczeństwo, które zgodnie z obowiązującymi przepisami prawnymi musi być zapewnione. Bezpieczeństwo procesowe, które jest integralną częścią ogólnego bezpieczeństwa, w szczególności odnosi się do instalacji procesowych zawierających i przetwarzających substancje chemiczne. Dotyczy więc zagadnień projektowania i eksploatacji instalacji, w których zachodzą różne procesy chemiczne i fizyczne związane z przetwarzaniem substancji chemicznych (operacje jednostkowe) w użyteczne produkty finalne, koncentrując się na zagadnieniach zapobiegania niepożądanym uwolnieniom mieszanin i/lub energii, a także przeciwdziałania skutkom takich uwolnień. Świadomość zachowania bezpieczeństwa procesowego towarzyszy projektowaniu każdej instalacji chemicznej czy rafineryjnej na wszystkich etapach jej rozwoju. W to wliczają się również obiekty magazynujące i przetwarzające substancje stałe. Jest to część każdego projektu procesowego, który jest głównym produktem inżynierii procesowej.

Strefy zagrożone wybuchem w branży spożywczej

Branża spożywcza jest specyficzną grupą zakładów przemysłowych posiadających na swoim terenie substancje stałe w postaci zbóż, cukru, herbaty, kawy, kukurydzy itp. Specyficzność ta polega na fakcie, że analiza zagrożenia pyłowego różni się od gazowego i dodatkowo inne parametry brane są pod uwagę w procesie oceny ryzyka. W przypadku wyrobów zbożowych, czynnikiem stwarzającym wysoki stopień zagrożenia pożarowego i wybuchowego jest obecność pyłu zbożowego i mącznego. Przy okazji warto odnotować, że Polska jest jednym z największych producentów zbóż w Europie i jednym z większych na świecie. Zgodnie z danymi GUS za 2018 r. roczna produkcja zboża wynosi w naszym kraju ok. 27 mln ton, w tym ok. 10 ton pszenicy i 4 mln pszenżyta. Powoduje to, że istnieje duże prawdopodobieństwo awarii w trakcie procesów jakim ono podlega. W trakcie procesu technologicznego przyjęcia, czyszczenia, suszenia i konserwacji zbóż oraz przemiału zbóż na mąki powstają miejscowe zanieczyszczenia pyłowe zwane pyłem technologicznym. Wytwarzane są one wskutek ocierania się wewnątrz urządzeń ziarna o siebie oraz o elementy maszyn. Pyły unoszą się więc wewnątrz urządzeń podczas transportu poziomego i pionowego, maszyn i urządzeń czyszczących, suszenia i rozdrabniania ziarna oraz przesiewania i sortowania oraz pakowania rozdrobnionych półproduktów oraz wyrobów gotowych.

Z badań wynika, że spośród wszystkich wybuchów pyłów blisko 25% stanowią eksplozje pyłów w przemyśle spożywczo-rolniczym i paszowym, przy czym najbardziej narażone na eksplozje są silosy, systemy odpylające i wentylacyjne – w tym suszarnie i magazyny przeznaczone do suszenia zbóż.

Silosy przeznaczone do przechowywania zboża, będącego bazowym surowcem podlegającym dalszej obróbce.
Wnętrza zbiorników stanowi strefę 20.

Wielkości właściwości fizykochemicznych

Zgodnie z przyjętą praktyką, każdy pył palny/wybuchowy należy przebadać w jednostce posiadającej odpowiednie ku temu laboratorium lub skorzystać z gotowych kart charakterystyki właściwych dla danej substancji. Wśród szeregu wielkości opisujących ich właściwości fizykochemiczne, wyróżnia się kilka parametrów:

P_max [bar] – to maksymalne ciśnienie wybuchu zmierzone podczas wybuchu mieszaniny pyłowopowietrznej w zamkniętej objętości sfery pomiarowej (atmosfery wybuchowej). Wartość tego parametru zależna jest od ciśnienia początkowego. 

(dp/dt)_max [bar/s] – to maksymalny przyrost ciśnienia wybuchu atmosfery wybuchowej w jednostce czasu. Parametr ten określa „dynamikę” procesu wybuchu danego pyłu i na jego podstawie określany jest kolejny parametr K_st. 

K_st [m * bar/s] – stała pyłowa, zwana wskaźnikiem wybuchowości, stanowi podstawę do międzynarodowej klasyfikacji wybuchowości pyłów (patrz tabela poniżej). 

DGW [g/m³ ] – dolna granica wybuchowości. Tym mianem określa się najniższe stężenie paliwa (w tym wypadku pyłu) z powietrzem (w sferze pomiarowej), przy którym wystąpił wybuch. Poniżej tej wartości mieszanina palna jest zbyt uboga w składnik palny oraz zawiera zbyt dużo utleniacza, aby zainicjować wybuch. 

GST [%] – graniczne stężenie tlenu to maksymalne stężenie tlenu w mieszaninie pyłu palnego z powietrzem i obojętnym gazem, dla którego nie występuje wybuch. 

MEZ [mJ] – minimalna energia zapłonu mieszaniny pyłowo-powietrznej to minimalna energia wyładowania iskrowego (energia o zadanej wartości) pomiędzy dwoma elektrodami, która wywoła zapłon mieszaniny pyłowo-powietrznej. 

MTZ_w [^oC] – minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu to minimalna temperatura gorącej płyty, na której dojdzie do zapłonu umieszczonej w pierścieniu 5 mm warstwy pyłu. 

MTZ_o [^oC] – minimalna temperatura, w której dochodzi do zapłonu obłoku pyłu w piecu o znanej temperaturze ścianek i atmosfery

Tab. Klasy wybuchowości związane z parametrem K_st.

Czynniki wpływające na parametry wybuchowości

Na parametry wybuchowości pyłów może mieć wpływ szereg czynników:

• skład chemiczny cząsteczek pyłu (różne pierwiastki i związki spalają się w odmienny sposób);
• rozmiar cząsteczek pyłu (zazwyczaj parametry wybuchowości zmieniają się w zależności od rozmiaru ziaren pyłu – mniejsze ziarna spalają się szybciej. Następuje wzrost parametrów wybuchowości wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek pyłu;
• wilgotność pyłu (duża zawartość wilgoci w pyle utrudnia jego spalanie);
• stężenie pyłu (określa ilość materiału palnego w mieszaninie pyłowo-powietrznej);
• stężenie tlenu (do inicjacji procesu spalania konieczne jest pewne graniczne stężenie tlenu – przy zbyt małym stężeniu tlenu nie zostanie zainicjowany proces spalania);

Właściwości fizyczne ziarna zbóż wiążą się ściśle z jego strukturą chemiczną i wywierają istotny wpływ na procesy życiowe składowanej masy zbożowej. Najważniejszym procesem życiowym ziarna jest oddychanie. Ziarno pobiera z powietrza tlen, spala substancje chemiczne i wydziela dwutlenek węgla oraz wodę. Wskutek tych procesów wytwarzane jest ciepło, które powoduje nasilenie oddychania ziarna i wzrost jego temperatury w dużym stopniu zależnej od stopnia zawilgocenia. W przypadku wzrostu wilgotności i temperatury przy dostępie tlenu ziarno pęcznieje i nabiera skłonności do samo ogrzania, a w konsekwencji do samozapalenia. Najbardziej ulega samo ogrzaniu ziarno o wzmożonych procesach życiowych, a więc ziarno niedojrzałe, świeżo zebrane i porośnięte oraz silnie zanieczyszczone nasionami chwastów. Samozapaleniu się ziarna sprzyja także sortowanie będące jednym z charakterystycznych procesów dla tej substancji. Jest to efekt sypkości i niejednorodności ziarna wchodzącego w skład magazynowej masy zbożowej. Występuje ono podczas przesypywania i przenoszenia ziarna, ale najczęściej przy napełnianiu i opróżnianiu komór zbożowych. Zawartość komory staje się niejednolita: w środku gromadzi się ziarno grube i średnie o najmniejszym stopniu zanieczyszczenia, a w kierunku ścian coraz drobniejsze o większym stopniu zanieczyszczeń. Przy wysokiej wilgotności tam też istnieje największe prawdopodobieństwo samozapalenia ziaren.

Kolejnymi cechami ziarna są higroskopijność, przewodnictwo cieplne oraz wydzielanie się pyłu przy wszystkich operacjach obróbki technologicznej. Higroskopijność polega na przyjmowaniu lub oddawaniu wilgotności, w zależności od wilgotności otoczenia. W takich miejscach należy się liczyć z większą ewentualnością samozapalenia. Ziarno jest złym przewodnikiem ciepła, zapala się w temperaturze około 450°C, wartość parametru ciepła ziarna wynosi 3,5 - 4,0 Mcal/kg, a spala się bezpłomieniowo żarząc się.

System pakowania mąki. Proces obejmuje transport, automatyczne ważenie i ładowanie wyrobu do specjalnych, antyelektrostatycznych toreb. Obszar klasyfikowany jako strefa 21.

Istnieje wiele rodzajów instalacji zajmujących się magazynowaniem i przetwórstwem ziarna zbożowego, więc nie da się określić jednego standardu jednak na podstawie zakładu piekarniczo-cukierniczego, dla którego DACPOL przygotowywał dokument oceny ryzyka wybuchowego można wytypować pewne charakterystyczne fragmenty linii technologicznej.

Rodzaje instalacji ze względu na funkcjonalność

Przykładową instalację można podzielić, ze względu na funkcjonalność, na następujące części:

• służącą do transportu pneumatycznego ziarna zbożowego przy załadunku silosów,
• przeznaczaną do magazynowania ziarna zbożowego w silosach zewnętrznych,
• służącą do transportu ślimakowego ziarna zbożowego przy rozładunku silosów,
• służącą do przygotowania ziarna do przemiału poprzez oczyszczanie mechaniczne
  i nawilżanie,
• obejmującą młyn do przemiału ziarna wraz z osprzętem,
• wewnętrzny zintegrowany system magazynowania mąki, w skład którego wchodzą cztery silosy wraz z osprzętem oraz instalacja służąca do transportu pneumatycznego mąki i jej dozowania na stanowiskach przygotowania ciasta.

Elementy mogące stanowić zagrożenie wybuchowe

Na podstawie przyjętych metod analitycznych dokonuje się stosownych operacji mających na celu określenie, który z elementów może stanowić zagrożenie wybuchowe, jego skalę oraz potencjalne skutki. Biorąc pod uwagę przykładową strukturę  zakładu przytaczaną powyżej, można zidentyfikować przynajmniej kilkanaście obszarów i elementów potencjalnie niebezpiecznych. Należy tu wyszczególnić następujące rodzaje urządzeń i czynniki mogące spowodować awarię, a w konsekwencji pożar lub wybuch:

1. Przenośniki ślimakowe, przenośniki łańcuchowe ,,rodlery”:

• skrzywienie wału ślimaka, tarcie łopatki o obudowę, zerwanie łańcucha, tarcie ogniwa, przedostanie się do wnętrza przedmiotu metalowego,
• zagrzanie i zapalenie pyłów.

2. Podnośniki czerpakowe:

Zatarcie taśmy gruntowej, zapalenie taśmy i pyłów możliwe jest z następujących powodów:

• powstanie zatoru,
• zaczepienie czerpaka o obudowę,
• zablokowanie podnośnika wskutek przedostania się do stopy obcych przedmiotów,
•  nadmiernego rozluźnienia taśmy gruntowej,
• zatarcia łożysk w przypadku niedostatecznego smarowania.

3. Łuszczarki, maszyny sortujące do obróbki łuski ziarna.

Istnieje niebezpieczeństwo zapalenia lub wybuchów pyłów w przypadku:

• przedostania się do bębna przedmiotu metalowego,
• skrzenie wskutek rozluźnienia uchwytu cepa lub szczotki wywołane tarciem,
• płaszcz szmerglowy lub metalowy bębna,
• iskrzenie wskutek odłupania się kawałka masy ściernej,
• zagrzanie łożysk.

4. Urządzenia do śrutowania, mlewniki walcowe, rzutniki otrębowe:

Zapalenie lub wybuch pyłu może nastąpić w przypadku dostania się do wnętrza przedmiotu metalowego i zaiskrzenie lub zagrzanie się tego przedmiotu wskutek tarcia.

5. Transport pneumatyczny:

W urządzeniach i przewodach transportu pneumatycznego oraz urządzeniach zasypowych (cyklony) występują wybuchowe stężenia pyłów, które zderzając się powodują powstanie ładunków elektryczności statycznej. Powstanie wybuchu lub pożaru może nastąpić wskutek:

• wyładowania elektryczności statycznej,
• iskrzenia powodowanego tarciem łopatek wentylatora o obudowę,
• zagrzania się łożysk wentylatora.

6.  Urządzenia aspiracyjne:

Istnieje niebezpieczeństwo zapalenia się pyłu zbożowego lub mącznego w przypadku:

• powstania źródła pożaru w jednym z wyżej omówionych urządzeń,
• iskrzenia spowodowanego tarciem łopatek wentylatora,
• zatarcie łożysk wentylatora.

7. Przy zasypie komór zbożowych i mącznych:

Niebezpieczeństwo istnieje wskutek przedostania się otwartego ognia lub zapalenia się pyłu od wadliwych urządzeń elektrycznych.

Układ przesiewaczy i fragment linii technologicznej oczyszczającej transportowane zboże z zanieczyszczeń i zbędnych dodatków. Obszar klasyfikowany jako strefa 21.

Etapy analizy oceny zagrożenia wybuchem

Analizy stanowiące podstawę dla sporządzenia oceny zagrożenia wybuchem są prowadzone etapowo. W pierwszym etapie zostaje przeprowadzona identyfikacja i weryfikacja danych dotyczących realizacji prac/ czynności i procesu w przedmiotowych obszarach. Prace są prowadzone w oparciu o udostępnioną przez Zleceniodawcę dokumentację zawierającą charakterystyki technologiczne instalacji i obiektów, a także specyfikacje fizykochemiczne zawierające parametry zapalności i wybuchowości stosowanych substancji palnych. Uzupełnienie i weryfikacja danych z dokumentacji stanowią informacje pozyskane w trakcie wizji lokalnej.

Na bazie zebranych informacji i danych procesowych jest przeprowadzana analiza identyfikacyjna zagrożenia wybuchem obejmująca:

• identyfikację substancji palnych,
• identyfikację miejsc wystąpienia potencjalnych atmosfer wybuchowych,
• identyfikację i klasyfikację źródeł emisji substancji palnych oraz
• określenie prawdopodobieństwa wystąpienia atmosfer wybuchowych.

Wyniki przeprowadzonych analiz identyfikacyjnych zagrożenia wybuchem zostaną wykorzystane do określenia klasyfikacyjnego stref zagrożenia wybuchem. Pełna dokumentacja klasyfikacyjna jest uzupełniona o graficzną dokumentację klasyfikacyjną zawierającą plany sytuacyjne obrazujące rodzaj i zasięg stref zagrożenia wybuchem oraz lokalizację i identyfikację źródeł emisji, zgodnie z zasadami określonymi w Polskich Normach. We wszystkich obszarach, gdzie sklasyfikowano strefy zagrożenia wybuchem, przeprowadzana jest analiza identyfikacyjna efektywnych źródeł zapłonu. Identyfikowane źródła zapłonu są klasyfikowane pod kątem prawdopodobieństwa uaktywnienia.