Zagrożenia zawodowe
ZAGROŻENIE WYBUCHEM I POŻAREM

 

Minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu - Rys historyczny

  

 

Minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu jest najmłodszym ze znanych parametrów, za pomocą którego opisuje się zjawisko wybuchowości pyłów palnych. Pierwsze pomiary dotyczące zapłonu warstw pyłów zostały dokonane przez Palmera w 1973 r. [7]. Dotyczyły one zjawiska żarzenia się i tlenia poziomych warstw pyłu bukowego. Poziome ruchy powietrza nad warstwą, rozmiar cząstek w pyle tworzącym warstwę oraz materiał powierzchni, na której spoczywa warstwa pyłu to parametry, których wpływ na MTZ próbował zbadać Palmer w swoich pracach. Otrzymane rezultaty pozwoliły mu wykazać, że badane zjawisko jest zależne od wszystkich wymienionych parametrów, a tym samym wyniki oznaczania MTZ warstwy również będą silnie od nich zależały.

W 1988 r. stowarzyszenie niemieckich inżynierów (Verein Deutscher Ingenieure) podjęło próbę wprowadzenia ujednoliconej metody oznaczania parametru MTZ tak, aby oddawała ona warunki panujące w zakładach przemysłowych. Jej pomysłodawcą był Lutolf, który już na początku lat 80. XX w. zaproponował metodę oceny zdolności warstwy pyłów do rozprzestrzeniania zjawiska spalania. W 2003 r. metodę tę zmodyfikował Eckhoff, który dodatkowo zaproponował podział pyłów na 6 następujących kategorii: brak samopodtrzymującego się spalania; lokalne spalanie o krótkim czasie; lokalne spalanie podtrzymane, ale bez propagacji; propagujące tlenienie; propagujący płomień otwarty; spalanie wybuchowe [1].

 

Obecnie badania zostały zunifikowane i ustandaryzowane. W europejskim i polskim prawie wiążącym dokumentem jest PN-EN 50281-2-1 [8], z kolei w amerykańskim ASTM E2021 [9]. Pierwszy ze wspomnianych standardów wyróżnia dwie metody badawcze: A oraz B, odpowiednio - metodę badania warstwy pyłu na płycie grzejnej o stałej temperaturze oraz metodę obłoku pyłu w piecu o stałej temperaturze. Pozwalają one oznaczyć MTZ warstwy pyłu oraz MTZ obłoku pyłu. Choć artykuł traktuje głównie o parametrze oznaczanym według metody A, jednak można w nim również znaleźć wzmianki o parametrze oznaczanym według metody B. Ma to bezpośredni związek z podobieństwem obu parametrów.

 

Samopodtrzymujący się proces spalania w rozdrobnionym pyle stałym do dziś stanowi obiekt szczegółowych badań. Jak zauważają Lebecki i in. [10], do zapłonu warstwy pyłu może dojść nawet wtedy, jeżeli temperatura powierzchni pokrytego nim urządzenia jest niższa od określonej zgodnie z metodą A PN-EN 50281-2-1 [8]. Tłumaczą to w następujący sposób: temperatura powierzchni obudowy urządzenia elektrycznego nie jest stałą wartością, ponieważ zależy od możliwości wymiany ciepła z otoczeniem. Zdaniem autorów, urządzenia powinno się traktować jak generatory ciepła, a nie jak elementy stałotemperaturowe. Warstwa pyłu pokrywająca obudowę urządzenia może działać jak izolacja termiczna, a jeśli tak, to jej temperatura będzie wzrastać.

 

W swojej pracy z 2003 r. Lebecki i inni przedstawili wyniki badań eksperymentalnych dwóch pyłów węgla w odniesieniu do dwóch różnych grubości warstw (5 oraz 50 mm), [10]. Pomiary wykonano dwoma metodami: pierwszą z nich była standardowa CTHP (constant temperature of the heated plate), opisana w PN-EN 50281-2-1 [8]. Zakłada ona określenie minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu, który znajduje się na płycie grzejnej o stałej temperaturze. Druga metoda to CRHG (constant rate of heat generation). Otrzymane  przez uczonych rezultaty są bardzo interesujące. CTHP dała wyższe wartości MTZ niż CRHG (nawet rzędu 100 K) dla obu grubości warstwy, ale różnice te maleją wraz ze wzrostem grubości warstwy. Wyniki wskazują, że stosowanie zalecanej w normie procedury w wielu praktycznych przypadkach obarczone jest dużym błędem statystycznym. Wydaje się więc, że konieczne są dalsze prace w celu opracowania bardziej uniwersalnej metody badania MTZ, która będzie dobrze odwzorowywała warunki rzeczywiste, przy jednoczesnym narzuceniu surowego kryterium bezpieczeństwa.

 

Oprócz badań eksperymentalnych prowadzone są także prace modelowe. Kim i Hwang, bazując na obserwacjach poczynionych w trakcie badań eksperymentalnych, stworzyli model matematyczny [11]       .  Odwzorowuje on zjawisko nagrzewania się i zapłonu warstwy pyłu, a także bierze pod uwagę kurczenie się materiału palnego w czasie jego grzania na płycie, co jest spowodowane zmianą rozmiarów oraz ułożenia cząstek. Model zawiera równanie nieustalonego przewodnictwa ciepła wraz z członem opisującym rozproszone i zależne od temperatury źródło ciepła. Na model ten składają się również opracowane przez innych badaczy równania, opisujące przewodzenie ciepła w materiałach sypkich. Wszystkie te równania rozwiązywane są za pomocą metod numerycznych. Kim i Hwang zbadali wpływ kurczenia się warstwy pyłu na rozkład temperatury w warstwie oraz na minimalną temperaturę zapłonu i stwierdzili, że grubość warstwy to najważniejszy parametr, od którego zależy minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu.

 

Dyduch i Majcher opublikowali w 2006 r. wyniki pracy, w której użyli prostego, jednowymiarowego modelu zapłonu warstwy pyłu, ułożonego na rozgrzanej płycie w celu obliczenia pola temperatury [12]. Wyniki obliczeń zostały skonfrontowane z rezultatami badań eksperymentalnych. Uzyskano je za pomocą metody CRHG zaproponowanej przez Lebeckiego [10]. Porównanie okazało się zadowalające w odniesieniu do cienkich warstw pyłów (<10 mm), ale w przypadku tych o większej grubości (>10 mm) model przewiduje zaniżoną minimalną temperaturę zapłonu. Źródła tej rozbieżności autorzy doszukują się w naturze samego procesu, który w stosunku do grubych warstw rzetelnie opisuje się tylko stosując więcej niż jeden wymiar. Gdy grubości warstw badanego pyłu stają się porównywalne ze średnicą promienia, nie można zaniedbać dwuwymiarowości przepływu ciepła w pyle i należy wtedy uwzględniać przepływ ciepła przez pierścień. Taka sytuacja nie odzwierciedla jednak rzeczywistych warunków przemysłowych, w których warstwy pyłu osiadłego nie tworzą wysokich cylindrów ograniczonych metalowymi pierścieniami.

 

Querol i in. opublikowali wyniki badań minimalnej temperatury zapłonu warstwy w zależności od wysokości pierścienia użytego do jej uformowania - należy więc utożsamiać wysokość pierścienia formującego warstwę z jej grubością [13]. Autorzy zbadali w tym celu przypadki do 75 mm włącznie, przy użyciu procedury nie standardowej, lecz jej zmodyfikowanej wersji, podanej w PN-EN 502812-1. Norma ta, oprócz opisu metody i kryteriów zapłonu, zawiera rozdział dotyczący zakresu stosowalności wyników oraz metody liniowej interpolacji i ekstrapolacji MTZ na inne niż zmierzona grubość warstwy pyłu. Używa się w tym celu logarytmu grubości warstwy w funkcji odwrotności MTZ wyrażonej w kelwinach. Zmierzone przez Querola i in. wartości wykazują dużą zgodność z metodą przewidywania, którą sugeruje norma.

 

Dodatkowo zbadali oni również MTZ warstwy pyłu o rozkładzie stożkowym za pomocą stanowiska zbudowanego z dwóch płyt grzejnych, nachylonych do siebie pod odpowiednim kątem. W takim układzie próbki były ogrzewane nie tylko od dołu, lecz również z boków. Wyniki te nie różniły się znacząco od wartości oznaczonych w odniesieniu do warstw płaskich o dużej grubości. Na podstawie tego spostrzeżenia autorzy stwierdzili, że przewidywanie MTZ warstw o rozkładzie stożkowym według wymienionej metody jest rozwiązaniem niepraktycznym. Wszystkie przedstawione przez Querola wyniki były walidowane laboratoryjnie, a w trakcie badań osiągnięto ich dużą powtarzalność. Wychwycone przez badaczy podobieństwa w badaniach MTZ warstw pyłów o różnej geometrii (ułożenie i grubość) wykazały, że (pomimo swojej prostoty) metoda opisana w PN-EN 50281-2-1 może mieć szerokie zastosowanie, ponieważ dość dobrze oddaje różne warunki zapylenia w zakładzie przemysłowym.

 

Z kolei Janes i in. próbowali znaleźć korelację pomiędzy wartościami MTZ uzyskanymi z metod A i B [14]. Zaproponowana przez nich zależność pozwala wyliczyć MTZ warstwy na podstawie MTZ obłoku pyłu, jeżeli znana jest liczba Biota. Jest to bezwymiarowa liczba wyrażająca stosunek oporu przewodzenia ciepła przez ciało do oporu przejmowania ciepła z jego powierzchni (współczynnik z prawa Newtona), [15]. Zastosowanie jej jako kryterium podobieństwa wydaje się rozsądnym rozwiązaniem. Błąd średniokwadratowy zaproponowanej przez Janesa i in. metody wynosi 30 K, a podobną rozbieżność otrzymuje się pomiędzy oznaczaniem MTZ dla pyłu o grubości 5 do 15 mm.

 

Półka i in. wykonali dużą liczbę badań z wykorzystaniem obu metod (A i B) w stosunku do bardzo różnych substancji organicznych [16]. Testowali pyły chmielu, melisy, pokrzywy, waleriany, gryki, jęczmienia, kaszy manny, płatków kukurydzianych i owsianych, płatków ryżowych, mąki, słodu, buku, suszonej marchwi, skrobi kukurydzianej oraz łusek słonecznika. Badania były prowadzone w odniesieniu do warstw o grubości 5 i 12,5 mm.

 

Autorzy stwierdzili, że metoda B powinna być traktowana jedynie jako uzupełnienie metody A, a nie jako samodzielny parametr. Analiza wyników badań dowiodła, że największe zagrożenie wybuchem i pożarem powodują pyły łusek słonecznika i ziół leczniczych (melisa i pokrzywa). Wynika to z małej gęstości nasypowej przy jednocześnie wysokim ciepłe spalania tych materiałów. Łuski słonecznika są często wykorzystywane do produkcji peletów (granulatów), czyli wysoko wydajnych odnawialnych paliw produkowanych z biomasy, która jest szeroko stosowana w przemyśle energetycznym (produkcja energii elektrycznej oraz ciepła). Ryzyko wybuchu w bloku energetycznym opalanym wspomnianymi materiałami jest wysokie ze względu na niską MTZ zarówno warstwy, jak i obłoku pyłu. Zioła z kolei to popularny substrat produktów farmakologicznych i kosmetologicznych.

 

Dodatkowo Półka i in. zauważyli brak zależności wartości samego TZ od wilgotności powietrza, a jedynie fakt, że wpływa ona na czas występowania zapłonu od początku badania. Prawdopodobnie jest to związane z ciepłem potrzebnym do odparowania wilgoci z warstwy badanego pyłu.

Park i in. [17] przedstawili metodę oszacowania właściwości termicznych oraz kinetycznych pyłu węglowego za pomocą płyty grzejnej o stałej temperaturze, zgodnej ze standardem ASTM E2021 [9]. Szacowanymi parametrami były przewodność cieplna, energia aktywacji, ciepło spalania i współczynnik przedwykładniczy równania Arrheniusa. Żaden z nich nie jest parametrem wybuchowości i nie wspiera procesów projektowania systemów ochrony przeciwwybuchowej. Są to jednak parametry fizykochemiczne, które zdaniem autorów mogą być pomocne w przewidywaniu możliwości samozapłonu pyłów palnych.

 

W innej publikacji Park i in. zbadali cztery różne grubości warstwy pyłu: 6,4,12,7,19,1 oraz 25,4 mm [18]. Na podstawie badania z pierścieniem o wysokości 12,7 mm oszacowano przewodność cieplną, energię aktywacji oraz ciepło spalania pyłu węgla. Pierwszy z parametrów oblicza się w oparciu o strumień ciepła przekazywany przez płytę grzejną oraz strumień ciepła tracony na granicy warstwy przy założeniu, że nie nastąpił jej zapłon. Zdaniem autorów, metoda ta obciążona jest błędem rzędu 0,1 W/m/K (wat na metr na kelwin). Pozostałe parametry oblicza się przy pomocy optymalizacji współczynników rozwiązywanego numerycznie równania. Opisuje ono ustalony stan termiczny warstwy pyłu, które porównuje się z wynikami eksperymentalnymi w odniesieniu do warstwy o grubości 12,7 mm. Oszacowana energia aktywacji i ciepło spalania są zgodne z wartościami z badań eksperymentalnych przedstawionych przez autorów w ich poprzedniej publikacji [17]. 

 

Zachowanie się warstwy pyłu węgla bitumicznego, uformowanej pomiędzy dwoma rozgrzanymi płytami było przedmiotem badań Joshiego i in. [19], Płyty te swoim ułożeniem przypominały klin. Zbadano dwa przypadki, jeden o kącie 60 ° pomiędzy płytami, a drugi o kącie 90 Na stanowisko badawcze dodatkowo składały się trzy termopary umieszczone na przekroju wzdłuż osi symetrii klina na różnych wysokościach, począwszy od wierzchołka. Pozwoliły one na rejestrację zmiennego w czasie pola temperatury. Najważniejszym wnioskiem wyciągniętym z powyższych badań było stwierdzenie, że zapłon w przypadku klina 60 ° następował w obszarze górnej termopary, podczas gdy przy klinie 90 ° - w obszarze pomiędzy górną a środkową termoparą. Oznacza to, że zaostrzenie klina (zmniejszenie kąta rozwarcia) powoduje przesunięcie miejsca zapłonu warstwy ku górze. Joshi i in. wypunktowują trzy ważne mechanizmy, którymi można tłumaczyć taką naturę procesu: wymianę ciepła pomiędzy warstwą a rozgrzanymi płytami (wraz z oporem kontaktowym), generowanie ciepła przez proces spalania (w wyniku reakcji chemicznej) oraz wymianę ciepła pomiędzy obszarami wewnątrz warstwy. Autorzy użyli ponadto wymienionej aparatury oraz procedury do oznaczania MTZ warstw pyłu węgla o różnych grubościach [16]. Zmierzone przez nich parametry, takie jak MTZ, czas zapłonu, ciepło spalania oraz strumień ciepła wymienianego pomiędzy obszarami wewnątrz warstwy pozwoliły na przeprowadzenie dokładnej analizy wspomnianych mechanizmów.

 

 

_______________________

 

[7]     Palmer K.N., Butlin R.N. Dust explosibiiitytests and their application. "Powder Technology" 1972,6,3

[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

[9]     ASTM E2021, Standard Test Method for Hot-Surface Ignition Temperature of Dust Layers, 2013

[10]   Lebecki K., Dyduch Z., FibichA.,ŚliżJ. Ignition of a dust layer by a constant heat flux. "Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2003,16

[11]   Kim H.M., Hwang C.C. Heating and ignition ofcom-bustible dust layers on a hot surface: Influence of layer shrinkage. "Combustion and Flame" 1996,105

[12]   Dyduch Z., Majcher B. Ignition ofa dust layer by a constant heat flux-heat transport in the layer. "Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2006,19

[13]   Querol E., Torrent J. G., Bennett D., Gummer J., Fritze J.-P Ignition testsforelectricalandmechanicalequipment subjected to hot surface. "Journal of Loss Prevention in the Process Industries" 2006,19

[14]   Janes A., Carson D., Accorsi A., Chaineaux J., Tribouilloy B., Morainvillers D. Correlation between self-ignition of a dust layer on a hot surface and in baskets in an oven. "Journal of Hazardous Materials" 2008,159

[15]   Wiśniewski S., Wiśniewski T.S. Wymiana ciepła, WNT 2009

[16]   Półka M., Salomonowicz Z., Woliński M., Kukfisz B. Experimental analysis of minimal ignition temperatures of a dust layer and clouds on a heated surface of selected flammable dusts. International Symposium on Safety Science and Technology, 2012

[17]   Park H., Rangwala A.S., Dembsey N.A. A means to estimate thermal kinetic parameters of coal dust layer from hot surface ignition test. "Journal of Hazardous Materials" 2009, 168

[18]   Park H., Zalosh R. Airflow and oxygen concentration effects in dust layer hot surface ignition temperature tests. 5th International Seminar on Fire and Explosion Hazards, 2007

[19]   Joshi K. A., Raghavan V., Rangwala A. S. An experimental study of coal dust ignition in wedge shaped hot plate configurations. "Combustion and Flame" 2012,159