Badania palności i wybuchowości - Wyniki badań własnych

Zbadanie charakterystyk wybuchowości mieszanin pyłowo-powietrznych stanowi podstawowe kryterium w projektowaniu oraz prawidłowym doborze systemów zabezpieczeń przed wybuchem, w tym przede wszystkim takich metod zapobiegania, jak odciążanie, tłumienie czy izolacja wybuchów [6]. Do prawidłowego doboru tych metod zapobiegania konieczne jest poznanie najważniejszych właściwości wybuchowych pyłów przemysłowych palnych, w tym przede wszystkim określenie klasy wybuchowości pyłu na podstawie indeksu deflagracyjnego Kst.

Klasyfikację pyłów, określającą stopień zagrożenia wybuchem, przedstawiono w tab. 1. Opiera się ona na indeksie deflagracyjnym Kst [7].

Tabela 1. Klasy wybuchowości na podstawie parametru KST

     Materiały

Do badań wykorzystano cztery rodzaje najpopularniejszych ziaren zbóż, czyli łuskane ziarna owsa, pszenżyta, pszenicy i kukurydzy, które zmielono przy użyciu młynka sitowego, w wyniku czego uzyskano frakcję około 200 pm.

Zainstalowane łatwo wymienne sito wokół wirnika pozwalało ujednorodnić przemiał i uzyskać odpowiedni stopień rozdrobnienia. Następnie wykonano frakcjonowanie ziaren na sitach wibracyjnych w celu odseparowania drobnego pyłu. Do badania wybrano pyły o wielkości ziaren mniejszych niż 72 pm. Taka wielkość ziarna odpowiada pyłom unoszącym się podczas przeróbki mechanicznej ziaren oraz pyłom, które osadzają się na powierzchniach i mogą stanowić potencjalne zagrożenie pożarowe lub powodować powstawanie atmosfery wybuchowej.

Zmielony pył poddany został obserwacji z wykorzystaniem wysoko rozdzielczego, skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Obserwacje prowadzono na próbkach zmielonego i przesianego pyłu. Przykładowe fotografie obserwowanych ziaren przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Fotografie SEM ziaren po procesie mielenia: A-kukurydza; B-owies; C-pszenica; D-pszenżyto

Z analizy fotografii SEM zmielonych ziaren kukurydzy, owsa, pszenicy i pszenżyta wynika, że cząstki mają w zdecydowanej przewadze kształt globularny oraz włóknisty. Pomimo zastosowania sita o otworach 200 pm obserwowane były wydłużone ziarna włókniste powyżej wartości 200 pm.

     Badanie palności

W wyniku pomiarów uzyskano wartości wyznaczonych wielkości charakteryzujących zachowanie się materiałów pod wpływem intensywnego promieniowania cieplnego. Szybkość wydzielania ciepła (HRR) jest kluczowym parametrem, potrzebnym do oceny zagrożenia pożarowego, które stanowią badane materiały i produkty ich rozkładu. Parametr ten pozwala ustalić wielkość pożaru, tempo jego wzrostu oraz, w konsekwencji, ilość i jakość uwalnianego dymu.

Średnie wartości wyznaczonych parametrów kalorymetrycznych, opisujących zachowanie się pyłów składników mieszanej paszowych pod wpływem oddziaływania strumienia ciepła (35 kW/m2), o czterech gęstościach zostały zestawione w tab. 2.

Tabela 2. Zestawienie parametrów kalorymetrycznych badanych zbóż

Zbożem o najkrótszym czasie zapłonu (28 sekund), jest owies. Na czas zapłonu może mieć wpływ m.in. wilgotność materiału, zawartość tłuszczu. Z kolei największą energetyczność podczas spalania, obliczaną na podstawie całkowitego wydzielonego ciepła wykazuje kukurydza, która jednocześnie osiąga najwyższe wartości parametrów związanych z szybkością wydzielania ciepła i wytwarzania największej ilość dymów. Kukurydza zawiera dużą ilość tłuszczów roślinnych, co ma wpływ zarówno na ilość ciepła, jak i na ilość dymów wydzielanych podczas spalania. Ilość ciepła wydzielonego w trakcie spalania kukurydzy niemal trzykrotnie przekracza wartości uzyskane w odniesieniu do pszenicy oraz pszenżyta. Podobna sytuacja ma miejsce jeśli chodzi o ilość wydzielanych dymów (rys. 3.).

Rys. 3. Zależność szybkości wydzielania ciepła w czasie (HRR) w od-niesieniu do badanych składników paszowych

     Badania charakterystyki wybuchu i minimalnej energii zapłonu

Przebieg eksplozji charakteryzują dwa parametry: maksymalne ciśnienie wybuchu oraz maksymalna szybkość narastania wybuchu. Opisują one przebieg wybuchu pyłowej atmosfery wybuchowej, natomiast parametr KST jest podstawą do klasyfikacji pyłu w odniesieniu do jego wybuchowości.

W celu uzyskania porównywalnych wyników badań opracowano znormalizowane metody pomiarów oraz wymagania konstrukcyjne odnoszące się do urządzeń służących do prowadzenia pomiarów. W serii norm PN-EN 14034 przedstawiono założenia do budowy komory badawczej oraz opis metody i kryteria wykonania pomiaru [8]. Założenia do budowy aparatu badawczego MINOR 2, służącego do pomiaru minimalnej energii zapłonu, a także metody i kryteria wykonania tego pomiaru, zawarte są w PN-EN 13821 [9]. Schemat komory i aparatu pokazano na rys. 4.

a)
b)

Rys. 4. Komora sferyczna (a) i aparat MINOR 2 (b) wykorzystywane podczas badań

W trakcie badań z wykorzystaniem komory sferycznej o objętości 20 litrów oznaczono następujące parametry:

•   maksymalne ciśnienie wybuchu - P_max (bar)

•    indeks deflagracyjny - KST (bar*m/s)

•    dolna granica wybuchowości pyłu - DGW (g/m³).

Na podstawie uzyskanych wyników przydzielono poszczególne pyły do klas wybuchowości ST i zestawiono je w tab. 3.

Tabela 3. Charakterystyka wybuchu

W efekcie analizy uzyskanych parametrów, opisujących charakterystykę wybuchu mieszanin pyłowo-powietrznych pyłów mieszanek zbożowych, można wywnioskować, że zgodnie z ogólnie przyjętymi kryteriami, wszystkie badane pyły wykazują podobne (lub identyczne) charakterystyki wybuchu: klasa ST1. Warto jednak zauważyć, że wybuch kukurydzy charakteryzuje się znacznie mniejszą szybkością przyrostu ciśnienia wybuchu w jednostce czasu niż w pozostałych przypadkach. Parametr KST na poziomie 56 bar*m/s oznacza, że szybkość propagacji wybuchu osiąga wartość jedynie 8 m/s (~29 km/h), co świadczy o stosunkowo wolnym procesie spalania mieszaniny pyłowo- -powietrznej. Wyniki te korelują z wynikami uzyskanymi w trakcie badań parametrów procesu spalania. Związkiem charakteryzującym się najwyższą wartością parametru KST jest pszenica (158 bar*m/s), natomiast najwyższy skok ciśnienia wybuchu uzyskano badając owies (7,6 bara). Wysoka wartość ciśnienia wybuchu, podobnie jak duży skok ciśnienia, sugerują możliwość wystąpienia większych szkód w wyniku ewentualnego zdarzenia na terenie zakładu, w szczególności wewnątrz pomieszczeń zamkniętych.

Wartości tzw. minimalnej energii zapłonu, uzyskane w efekcie badań prowadzonych z wykorzystaniem aparatu MINOR 2, dla pszenicy, pszenżyta i owsa mieszczą się w zakresie 30-100 mJ, a dalsze obniżanie energii niezbędnej do zapłonu - szczególnie w zakresach stężeń pyłu 250-1000 g/m3 - nie spowodowało zapłonu w trakcie dziesięciu następujących po sobie prób badawczych. Wyjątek stanowi pył kukurydzy, którego minimalna energia zapłonu wyniosła 1000 mJ, co oznacza, że w całym zakresie badawczym pył ten nie ulegał zapłonowi. Warto zauważyć, że w przypadku pyłu pszenicy zakres stężeń, w którym dochodziło do zapłonu, jest znacznie szerszy, niż w przypadku pozostałych dwóch zbóż. 

Przeprowadzono ponadto pomiary stopnia naelektryzowania pyłu na rynnie zsypowej (wg PN-92/E-05201:1992), [10]. Stopień naelektryzowania pozwala określić ilość ładunku elektrycznego, gromadzonego w pyłach zboża w trakcie procesu przesypywania. Jest to jedna z najbardziej newralgicznych czynności, w trakcie której bardzo często dochodzi do zapłonu i wybuchu materiału organicznego. Im większa energia jest zgromadzona w pyle zbożowym, tym większa energia iskry może powstać w wyniku kontaktu pyłu z metalowymi elementami silosa.

Wszystkie pyły zbóż w kontakcie z uziemioną rynną stalową wykazują dodatnią wartość ładunku elektrostatycznego („+"). Wyniki badań pokazano na rys. 5.

Rys. 5. Maksymalna wartość ładunku elektrostatycznego powstającego podczas zsypywania pyłów zbóż po podłożu stalowym (w odniesieniu do masy 1 kg materiału zsypowego)

Uzyskane wyniki korelują z wynikami uzyskanymi w trakcie badania minimalnej energii zapłonu. Pyły, które są w stanie zgromadzić większą ilość ładunku, zapalały się pod wpływem iskry o niższej energii. Co więcej, w przypadku pszenicy, pyłu o najwyższej wartości rezystywności elektrycznej skośnej oraz najwyższym ładunku generowanym w procesie przesypywania, zakres stężeń, w których występuje zapłon, jest dostrzegalnie szerszy, niż w przypadku pozostałych pyłów. Z kolei pył o najniższej rezystywności elektrycznej skośnej (kukurydza), nie ulegał zapłonowi podczas badania minimalnej energii zapłonu nawet przy najwyższej energii iskry.