Minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu  -  Metoda oznaczania

 

Jak już wspomniano, w polskim prawodawstwie standardem opisującym metodę oznaczania minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu jest PN-EN 50281-2-1 [8]. Ogólnie ujmując, oznaczania parametrów wybuchowości powinno dokonywać się w warunkach odwzorowujących takie, które mogą panować w zakładzie produkcyjnym. W dalszej części publikacji zamieszczono wyniki przeprowadzonych przez autora badań doświadczalnych z oznaczania minimalnej temperatury zapłonu warstwy dla pyłu występującego w przemyśle drzewnym (tartaki, stolarnie i ciesielnie).

Zgodnie z PN-EN 50281-2-1 w skład aparatury badawczej metody A wchodzi metalowa płyta podgrzewana elektrycznie, jednostka kontrolująca temperaturę, trzy termopary, dwukanałowe urządzenie rejestrujące dane oraz pierścień formujący warstwę pyłu o wysokości 5 mm i średnicy wewnętrznej 100 mm [8].Termopary służą do odczytu rzeczywistej temperatury płyty grzejnej, do regulacji nastawy płyty grzejnej oraz do pomiaru temperatury pyłu w warstwie pyłu (fot. 1.).

 

Fot. 1. Stanowisko pomiarowe [21]

 

Oznaczenie minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu to uporządkowany cykl pomiarów. Procedury cyklu badawczego oraz pojedynczego pomiaru zostały określone w PN-EN 50281-2-1 [8]. Unormowane zostały również procedury przygotowania i wzorcowania stanowiska, a także jego czyszczenia po zakończeniu każdego pomiaru.

Pojedynczy pomiar polega na obserwacji zjawisk zachodzących w badanym pyle. Wynik badania dla zadanej nastawy płyty grzejnej jest zerojedynkowy: zapłon lub jego brak. W normie wyróżnione są wizualne i temperaturowe kryteria wystąpienia zapłonu. Widoczne wystąpienie zjawiska żarzenia (fot. 2.) lub spalania płomieniowego kończy pomiar z wynikiem wystąpienia zapłonu. Jeżeli zmierzona temperatura warstwy będzie wyższa niż 450 °C lub jeżeli różnica pomiędzy temperaturą płyty grzejnej a mierzoną temperaturą warstwy będzie większa niż 250 K, to zgodnie z normą również należy zakończy pomiar z wynikiem wystąpienia zapłonu. Brak zapłonu próbki uznaje się tylko przypadku, gdy w ciągu 30 minut od rozpoczęcia badania nie zostanie spełniony żaden z warunków pozwalający uznać wystąpienie zapłonu.

 

 

Fot. 2. Przykład widocznego wystąpienia zjawiska żarzenia będącego warunkiem wystarczającym do stwierdzenia zapłonu

 

Oznaczenie minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu to cykl pojedynczych pomiarów. Jeżeli badanie zakończy się po 30 minutach z wynikiem braku zapłonu, to kolejny pomiar należy przeprowadzić przy wyższej od poprzedniej temperaturze płyty grzejnej. Jeżeli zapłon wystąpił, nastawę należy obniżyć. Cykl badań powinno się przerwać, jeżeli zapłon warstwy pyłu nie nastąpił przy temperaturze płyty grzejnej równej 400 °C i przyjąć, że MTZ warstwy pyłu jest większa niż 400 °C.

Uzasadnione wydaje się więc zaczynanie cyklu badań dla nastawy płyty grzejnej równej 400 °C. Jeżeli zapłon nie wystąpi, należy badanie powtórzyć dwukrotnie i uznać, że MTZ warstwy pyłu jest większa niż 400 °C, a tym samym zakończyć szukanie badanego parametru w trzech pomiarach. Z kolei jeżeli zapłon wystąpi w 400 °C, należy wykonać pomiar przy dużo niższej temperaturze płyty grzejnej i w przypadku niewystąpienia zapłonu kolejne wartości nastawy dobierać przy użyciu metody bisekcji, zwanej też metodą połowienia przedziału. Jeżeli przy dużo niższych wartościach temperatury płyty grzejnej zapłon dalej występuje, trzeba sukcesywnie obniżać temperaturę. Pomiary i metodę bisekcji należy stosować do chwili znalezienia MTZ zdokładnościądo10 K.

 

 

Wpływ grubości warstwy oraz rozkładu granulometrycznego pyłu na wartość minimalnej temperatury zapłonu

 

Na potrzeby publikacji wykonano serię badań doświadczalnych, których analiza ma na celu określenie wpływu grubości warstwy oraz rozkładu granulometrycznego pyłu na wartość minimalnej temperatury zapłonu. Minimalna temperatura zapłonu to parametr, który stanowi wskaźnik dla określenia maksymalnej temperatury powierzchni urządzenia, na którym podczas jego eksploatacji występuje kumulacja warstwy pyłu palnego. Innymi słowy, temperatura niższa od MTZ o 75 K to maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni urządzenia, na którym może zalegać warstwa badanego pyłu o grubości nie większej niż 5 mm, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiednio wysokiego marginesu bezpieczeństwa.

W warunkach przemysłowych mogą utworzyć się warstwy grubsze niż ta, w odniesieniu do której prowadzi się oznaczanie parametru MTZ, tj. większe niż 5 mm. Norma PN-EN 60079-14 zawiera sugestię, jak należy obniżać dopuszczalną temperaturą powierzchni urządzenia wraz ze wzrostem grubości warstwy od 5 mm do 50 mm, tak aby zachować odpowiednio wysoki margines bezpieczeństwa [20].

Badany pył powstał z obróbki płyty MDF. Jest to średniej gęstości płyta pilśniowa, która stanowi podstawowy materiał do produkcji mebli. Pył został wybrany ze względu na równomierny rozkład ziaren pomiędzy frakcjami oraz z uwagi na nasilające się problemy w przemyśle drewnianym związane z bezpieczeństwem i higieną pracy. W wybranym do badań pyle udało się wyróżnić 5 dużych frakcji o średnicach ziaren kolejno: do 500,300,200 i 100 µm oraz poniżej 100 µm. Oznaczono MTZ warstwy pyłu w stosunku do pierścieni o wysokościach 5, 12,5, 20 oraz 30 mm.

Rys. 2. zawiera porównanie wyników, które pozwala wysnuć przynajmniej dwa wnioski. Po pierwsze, wzrost grubości warstwy powoduje obniżenie minimalnej temperatury jej zapłonu. Innymi słowy: bardziej prawdopodobne jest zapalenie się grubszej warstwy tego samego pyłu. 

 

Rys. 2. Wykres słupkowy prezentujący otrzymane wyniki minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu MDF. Oś X- średnice ziaren pyłu [µm]. Oś Y-temperatura zapłonu [°C]. Kolor słupka-grubość warstwy [mm]

 

Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że grubsza warstwa pyłu ma większą pojemność i wolniej traci ciepło, ponieważ jej górne warstwy działają jak izolacja. Potwierdzają to inne doniesienia naukowe wymienione wcześniej, a także wytyczne zawarte w przywołanych normach. W sensie praktycznym oznacza to, że nawet jeżeli spełniony jest wspomniany już warunek różnicy 75 K pomiędzy MTZ warstwy 5 mm a temperaturą powierzchni urządzenia pracującego w atmosferze niebezpiecznej, to może dojść do wybuchu w wyniku dalszej akumulacji osiadłego pyłu. W świetle tych faktów okazuje się, że bierne metody ochrony przeciwwybuchowej, takie jak dbanie o czystość i higienę w zakładzie pracy pozostają najlepszym sposobem uniknięcia wystąpienia zdarzenia niepożądanego.

Po drugie, ziarna o mniejszej średnicy charakteryzuje niższa temperatura zapłonu warstwy niezależnie od jej grubości. Tłumaczyć to można wyższą gęstością nasypową takiej warstwy. Mniejsze ziarna łatwiej się układają i można ich zmieścić więcej w danej objętości. Jeżeli w procesie technologicznym mamy do czynienia z przesiewaniem lub z jakichkolwiek innych przyczyn w pewnym obszarze zakładu przemysłowego występuje pył o innym rozkładzie granulometrycznym niż ten, dla którego MTZ określono, należy wziąć to pod uwagę. Poza tym mniejsze ziarno ulega zapłonowi od proporcjonalnie mniejszej ilości dostarczonej energii niż ziarno większe.

 

Optymalnym rozwiązaniem byłoby zbadanie MTZ dla reprezentatywnej próbki pyłu, a następnie podzielenie go na frakcje i oznaczenie MTZ dla każdej z nich osobno. Zlecając akredytowanemu laboratorium badawczemu oznaczenie parametru minimalnej temperatury zapłonu pyłu można zapytać o możliwość oznaczenia rozkładu granulometryczne go. Jest to informacja o tym, jaką część pyłu stanowią ziarna o określonych średnicach. Mając wiedzę o tym, której frakcji w pyle jest najwięcej i jaka jest „wypadkowa" MTZ warstwy takiego pyłu, można skuteczniej zapobiegać zdarzeniom niepożądanym wynikającym z osadzania się pyłu na powierzchniach urządzeń generujących ciepło. Nie jest to jednak działanie obligatoryjne, ponieważ zależność minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu od stopnia rozdrobnienia, choć raczej słaba, niezaprzeczalnie istnieje, a w odniesieniu do opisanego w artykule pyłu MDF tendencja ta zdaje się działać tylko do pewnych grubości warstwy, co widać na rys. 2. - pomiędzy grubością warstwy 5 a 12,5 mm obserwuje się dużo większą różnicę niż między jakimikolwiek innymi dla wszystkich frakcji pyłu. Oznacza to, że istnieje pewna graniczna grubość warstwy, powyżej której jej przyrost przestaje mieć duże znaczenie.

 

 

______________________

 

[8]    PN-EN 50281-2-1, Urządzenia elektryczne do stosowania w obecności pyłów palnych - Część 2-1: Metody badania - Metody oznaczania minimalnej temperatury zapłonu pyłu, 2002

[21]   http://www.ankolab.pl/