CC BY
44Кути Р., Зойоми Г., Хорватх Г., Молнар Р.
ОПАСНОСТЬ ВЗРЫВОВ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРОФИЛАКТИКИ
в пищевой промышленности
В статье рассмотрены условия возникновения взрыва пылевоздушной смеси при переработке зерна и производстве пищевых продуктов. Предложены рекомендации по профилактике взрывов в пищевой промышленности.
Ключевые слова: взрыв, пищевая промышленность, горючая пыль, пылевоздушная смесь, пожаро-взрывобезопасность.
В последние десять лет из-за изменения климата и роста населения продовольственные нужды населения стали серьёзной проблемой глобального масштаба. Выращивание сельскохозяйственной продукции (и в первую очередь - зерновых культур) и последующее производство продуктов питания имеют стратегическую важность. В силу благоприятных природных условий в Венгрии имеются отличные предпосылки для выращивания зерновых культур, пищевая промышленность страны хорошо развита. Как уборка урожая, так и процесс обработки зерна связаны с риском возникновения пожара. С этой точки зрения особенно опасен мукомольный процесс, поскольку, невзирая на использование современного технологического оборудования, существует опасность взрыва пылевоз-душной смеси. Поэтому изучение подобных взрывов имеет важное значение для разработки эффективных профилактических мер.
Авторы статьи анализируют возможности профилактики взрывов пылевоздушной смеси в перерабатывающей промышленности.
В процессе переработки зерновых и производства сухой продукции в пищевой промышленности неизбежно возникновение мелкой пыли. Зерновые культуры и сами по себе являются горючими, однако в ходе их переработки, очистки, измельчения, просеивания, смешивания и упаковки конечного продукта - муки - в мешки возникающая мелкая пыль перемешивается с воздухом. Это может привести к воспламенению. Для возникновения кинетического горения достаточно искры.
При взрыве частицы твёрдых материалов небольшого размера (пыль), имеющие большую удельную поверхность, перемешиваются с воздухом. Возникает взрывоопасная смесь. При наличии источника возгорания эта смесь воспламеняется и взрывается. Размеры частиц пыли различного происхождения колеблются в широких пределах. Мелкодисперсные частицы пыли наиболее взрывоопасны, так как они в течение более длительного времени могут оставаться в воздухе, обеспечивая сохранение взрывоопасной смеси [1]. Необходимые условия горения показаны на рисунке 1.
Горючий материал
Рисунок 1. Основные условия горения
Возгорание происходит только при одновременном наличии всех необходимых условий горения в ограниченном пространстве. Для кинетического горения (каким являются и взрывы пылевоздушных смесей) требуются дополнительные условия, которые показаны на рисунке 2.
Анализ условий взрыва показывает, что для взрыва требуется смесь частиц пыли определённого размера и воздуха, а также критическая концентрация, соответствующая нижнему пределу взрыва. Другим важным условием является наличие замкнутого пространства.
Взрывы газа и пыли во многом схожи. Чем меньше частицы пыли в процессе горения, тем больше скорость реакции взрыва. Наиболее взрывоопасны фракции менее 100 дм. Смесь пыли и воздуха определяется нижним
Частицы горючего материала определённого размера
Замкнутое пространство технологического оборудования
Пылевоздушная смесь, соответствующая нижнему пределу взрыва
Минимальная энергия возгорания
Кислород в необходимом процентном объёме
рисунок 2. Условия взрыва пыли в технологическом оборудовании
пределом горения, который измеряется в г/м3. Нижний предел - это самое малое количество реактивной пыли, при котором наличие внешнего источника воспламенения или повышение температуры приводят к взрыву смеси. Верхний предел тоже измеряется в г/м3. Это наименьшее количество реактивной пыли, при котором внешний источник воспламенения или повышение температуры уже не приводят к взрыву смеси. Верхний предел взрыва пыли столь высокий, что в большинстве случаев этот показатель не имеет значения, поскольку такой взрывоопасной концентрации достигнуть практически невозможно. Пыль различного происхождения ведёт себя по-разному в зависимости от энергии источника воспламенения. Исходя из этого, горючую пыль по степени пожаровзрывоопасности можно разделить на три категории.
Первая группа - пыль легковоспламеняющихся горючих материалов. Они воспламеняются при низкой концентрации пыли и низкой энергии источника возгорания (например,
искра). Горение быстро распространяется по всему объёму пыли. К этой группе принадлежат, в основном, пыли пищевого происхождения, например, мука, сахар, крахмал или какао.
Вторая группа - пыль средневоспламе-няющихся горючих материалов, которые начинают гореть только при высокой концентрации пыли и высокой энергии источника воспламенения (например, электрическая дуга). К этой категории относятся, к примеру, опилки, частицы кожи.
Третья группа - пыль тяжеловоспла-меняющихся горючих материалов, которые, хотя и являются горючими, однако не могут долго смешиваться и оставаться в воздухе. Такую пыль или смесь пыли при нормальных условиях зажечь нельзя. Воспламенение пыли и сгорание общей её массы происходят только при определённом соотношении пыли и воздушной смеси.
Приведённые выше цифры основаны на лабораторных исследованиях. С точки зрения пожарной профилактики, в технологических
Таблица 1
характеристики взрывоопасных горючих смесей в пищевой промышленности [2]
Вещество Температура возгорания, °С Нижний предел взрыва в воздухе (20 °С, 0,1 МРа), г/м3
Осевшая пыль Взвешенная пыль
Пшеничная пыль 290 420-485 70
Пшеничная мука 220 380 40
Сахар Тает 360 77
Молочный сахар Тает 450 83
Кофе 240 410 85
Мука для выпечки 250 480 55
Рис 220 440 45
Ржаная мука 325 415 20
процессах, связанных с образованием пыли, важно определить нижний предел взрыва пыли и уровень её критической концентрации для конкретных условий данного производства.
Пыль, возникающая в пищевой промышленности, относится к группе легковоспламеняющихся, что подтверждается вышеприведёнными данными. Горение (взрыв) пылевоздушной смеси сопровождается мощными ударными волнами и быстрым повышением давления. Это ведёт к смешению осевшей на поверхностях строительных конструкций пыли и может повлечь последующие взрывы. В результате может быть нанесён существенный ущерб зданию и оборудованию, и возрастает опасность травмирования людей или угроза жизни [3]. При взрыве в процессе горения в замкнутом пространстве, если отсутствуют легкоразрушающиеся конструкции, давление может достигать 0,8 Мпа. Это, как правило, гораздо выше допустимой нагрузки, которую способны выдержать строения, и приводит к серьёзным разрушениям. При взрыве пылевоздушной смеси в технологическом оборудовании в большинстве случаев происходят значительные повреждения. Анализ взрывов на объектах пищевой про-
мышленности, которые произошли в последние годы в Венгрии, позволяет сделать следующий вывод: взрывы могут произойти как при реализации технологических процессов, так и эксплуатации оборудования.
На основе анализа собранных данных можно сделать вывод, что практически на любом этапе технологического процесса возможен взрыв пылевоздушной смеси. К категории «другое» отнесены случаи, когда повреждения были столь разрушительны, что не удалось точно определить место возникновения взрыва.
При исследовании взрывов, вызванных различными источниками воспламенения, можно сделать вывод, что основной причиной взрыва является неисправность вращающихся, движущихся и трущихся частей. Затем следует статический заряд. Неисправность электрического оборудования тоже нередко становится причиной взрыва пылевоздушной смеси. Во многих случаях к нему приводят работы по техническому обслуживанию. Отдельную категорию составляют случаи, когда экспертиза не может точно определить источник возгорания из-за сильных повреждений на месте взрыва. В некоторых случаях были выявлены нарушения в конструкции или технологии, что послужило причиной пожара, а затем и взрыва.
На основании имеющихся данных можно сделать вывод, что не существует производств, которые являются полностью безопасными. Однако эффективные профилактические меры и правильное планирование уменьшают риск взрыва пылевоздушной смеси. При проведении профилактических мер в качестве первого
Таблица 3
источники возникновения взрывов пылевоздушных смесей
Таблица 2
распределение взрывов по месту их возникновения
Оборудование Количество взрывов Распределение, %
Силосы 62 21,3
Перемалывающее оборудование 39 13,1
Транспортное оборудование 32 11,0
Пылеотсасывающее оборудование 32 11,0
Сушилка 25 8,6
Отопительное оборудование 18 6,2
Смеситель 15 5,2
Лущильное оборудование 15 5,2
Сито 6 2,1
Пылеразделяющее 4 1,4
устройство
Измерительное оборудование 2 0,6
Цилиндр 2 0,6
Другое 40 13,7
Источник воспламенения Распределение, %
Искра от трения 29,5
Искра от металла 23,5
Локальный перегрев 15,0
Статическое заряд 4,5
Электрическое оборудование 2,5
Сварка, резка пламенем 2,0
Другое 23,0
шага надо стремиться к тому, чтобы по крайней мере какая-либо из предпосылок возникновения взрыва пылевоздушной смеси (рис. 2) была исключена. Учитывая особенности технологии в пищевой промышленности, предлагаются следующие рекомендации:
- в силосе в качестве защитного газа следует использовать азот (Ы2), снижая тем самым концентрацию кислорода (О2);
- силосы должны заполняться с использованием циклона, чтобы уменьшить дисперсию пыли;
- следует тщательно контролировать размер частиц, чтобы посторонние предметы было легче обнаружить;
- электростатический заряд в металлических частях бункеров и рукавных фильтрах следует предотвращать заземлением;
- необходимо следить за уровнем влаги в трубах и силосах;
- следует применять потоки небольшой массы;
- контролировать в режиме онлайн электрическое поле спрессованной пыли, находящейся в силосах;
- для избежания взрыва следует по возможности устанавливать между силосами изоляционные клапаны;
- поддерживать концентрацию пыли ниже критического уровня, достаточного для взрыва;
- проектировать противовзрывные заграждения в транспортировочной трубе с их последующим использованием [4].
В технологическом оборудовании и на промышленных объектах следует использовать легкоразрушающиеся конструкции для отвода и снижения давления. Процесс задувания показан на рисунке 3.
Помимо этого, опасность возникновения пожара при взрыве возможно уменьшать путём установки пожарной сигнализации и противопожарного оборудования. В процессе пожаротушения хорошо зарекомендовала себя система тушения водяным туманом, поскольку этот метод позволяет минимизировать вторичный ущерб [6].
В процессе сбора, переработки зерна и производства пищевых продуктов, невзирая на меры противопожарной профилактики
А
Закрытая фаза взрыва
В
Фаза устранения источника задувания
С
Стабильная фаза задувания
О
Достижение максимальной поверхности пламени
P ^г]
г [з]
рисунок 3. Задувание взрыва пылевоздушной смеси в ограниченном пространстве с легкоразрушающимися переборками [5]
и использование современного технологического оборудования, возможен взрыв пылевоздушной смеси. Поэтому изучение условий возникновения взрыва пылевоздушной смеси имеет первостепенное значение для разработки эффективных профилактических мер. Из-за ограниченного объёма статьи авторы анализируют только взрывы пылевоздушной смеси в пищевой промышленности, хотя ана-
логичные взрывы могут произойти и в других отраслях горнодобывающей и обрабатывающей промышленности.
В заключение отметим, что возникновение взрывов пылевоздушной смеси невозможно полностью исключить даже при использовании самых современных технологий, однако рекомендации авторов данной статьи позволяют уменьшить риск и минимизировать ущерб.
ЛИТЕРАТУРА
1. KovacsI. Eges es tfizoltas. - Budapest, Cedit Kft. 1997. 45 p.
2. Kompolthy T, Szalay L. Tuz-es robbanasvedelem. -Budapest, №szaki konyvkiado, 1990.
3. Сонечкин В. М, Зойоми Г., Мужиковский М. В., Пана-севич Л. Т. Обеспечение пожаровзрывобезопасности процесса очистки воздуха от пыли // Мат-лы науч.-техн. конф. «Системы безопасности». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. - С. 202-203.
4. Paul R. Amyotte, Michael J. Pegg, Faisan I. Khan, Masaharu Nifuku, Tan Yingxin Moderation of dust explosions, Science Direkt, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2007, no. 20, pp. 675-678.
5. Bokros I., Mannheim V, Simenfalvi Z, Szepesi L. G. Por-es gazrobbanas elleni vedelem. - Budapest, Nemzeti Tankonyvkiado, 2009, 207 p.
6. Kuti R., Foldi L. A beepitett vizkoddel olto rendszerek ujabb alkalmazasi lehetosegeinek feltarasa, Hadmernok online, a Zrinyi Miklos Nemzetvedelmi Egyetem Bolyai Janos Katonai Muszaki Kar es a Katonai Muszaki Doktori Iskola on-line tudomanyos folyoirata, III. Evfolyam 2. szam 60-66. o., 2008. URL: http://www.hadmernok.hU/archivum/2008/2/2008_2_kuti.pdf
7. Porowski R., Bodalski D, Strzyzewska M. Experimental study and digital analysis of flammable dust granularity // Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. - 2014. - № 36. - C. 77-84.
8. Porowski R. Dust detonation phenomenon: State of the art // Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. - 2014. -№ 36. - C. 85-93.
Kuti R., Zoiomi G., Khorvath G., Molnar R.
THE DANGER OF DUST-AIR MIXTURES EXPLOSIONS AND THE POSSIBILITY OF THEIR PREVENTION IN FOOD INDUSTRY
ABSTRACT
Purpose. The conditions of dust-air mixtures explosion at grain handling and food production are evaluated in the article.
Methods. The analysis of technological process features influencing the occurrence of fire and explosion hazards in food industry is made. Statistics indicate that explosions and fires occur during operation of equipment.
Findings. Based on international statistical data analysis characteristics of different dust-air mixtures and site of explosion are given.
Research application field. Recommendations for dust-air mixtures explosions prevention can reduce risk of their occurrence in food industry. Similar explosions may occur in mineral and processing industries.
Conclusions. The study of dust-air mixtures explosion conditions is of paramount importance for effective preventive measures development.
Key words: explosion, food industry, combustible dust, dust-air mixture, fire and explosion safety.
REFERENCES
1. Kovacs I. Eges es tûzoltas [Some in firefighting]. Budapest, Cedi Llc., 1997. 45 p. (in Hung.)
2. Kompolthy T., Szalay L. Tûz-es robbanasvedelem [Fire and explosion protection]. Budapest, Mûszaki konyvkiado Publ., 1990. (in Hung.)
3. Sonechkin V.M., Zoiomi G., Muzhikovskii M.V., Panasevich L.T. Ensuring fire and explosion safety of the process of purification of air from dust. Mat. 17-i Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. "Sistemy bezopasnosti - 2008' [Proc. 17 Int. Sci.-Techn. Conf. "Safety Systems - 2008"]. Moscow, State Fire Acad. of EMERCOM of Russia, 2008.
4. Paul R. Amyotte, Michael J. Pegg, Faisan I. Khan, Masaharu Nifuku, Tan Yingxin Moderation of dust explosions. Science Direct. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2007, no. 20, pp. 675-678.
5. Bokros I., Mannheim V., Simenfalvi Z., Szepesi L. G. Pores gazrobbanas elleni vedelem. Budapest, Nemzeti Tankonyvkiado 2009, 207 p. (in Hung.).
6. Kuti R., Foldi L. A beepitett vizkoddel olto rendszerek ujabb alkalmazasi lehetosegeinek feltarasa. Hadmernok online, the Zrinyi Miklos national security University, Bolyai Janos Military Technical Faculty of the Military Technical Doctoral School online tudomanyos folyoirat, III. Evfolyam 2. number 60 to 66. o., 2008. Available at: http://www.hadmernok.hu/archivum/2008/2/ 2008_2_kuti.pdf (accessed February 06, 2016). (in Hung.).
7. Porowski R., Bodalski D., Strzyzewska M. Experimental study and digital analysis of flammable dust granularity. Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. 2014, no. 34, pp. 77-84.
8. Porowski R. Dust detonation phenomenon: State of the art. Bezpieczenstwo i technika pozarnicza. 2014, no. 34, pp. 85-93.
Raímund kuti
Geza zoiomi Gauna Khorvath Ríta Molnar
Candidate of Military-Technical Sciences
Protection of the Environment Institute of the University of West Hungary, Mosonmagyarovar, Hungary
Candidate of Military-Technical Sciences
The Directorate of disaster area Haves, Hungary, Gyongyos
National directorate general for disaster management of Ministry of Interior of Hungary, Budapest, Hungary
Institute of Food Industry of the West-Hungarian University, Mosonmagyarovar, Hungary
