WŁAŚCIWOŚCI POŻAROWO-WYBUCHOWE OLEJOWCA...
Transcript of WŁAŚCIWOŚCI POŻAROWO-WYBUCHOWE OLEJOWCA...
WŁAŚCIWOŚCI POŻAROWO-WYBUCHOWE OLEJOWCA GWINEJSKIEGO
Włodzimierz Kordylewski, Tadeusz Mączka
Instytut techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej
Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław
Opublikowano w Archiwum Spalania Vol. 12, nr 1-2, s. 47-58, 2012
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych dotyczących właściwości
pożarowo-wybuchowych łupin olejowca gwinejskiego (PKS). Badania wybuchowości pyłów
wykonano w skali laboratoryjnej, do oznaczania parametrów wybuchowych użyto sferycznej
komory wybuchowej o objętości 22,4 l. Zakres badań obejmował oznaczanie maksymalnego
ciśnienia wybuchu i maksymalnej szybkości narastania ciśnienia wybuchu, dolnej granicy
wybuchowości, minimalnej energii zapłonu i granicznego stężenia tlenu obłoków pyłu. Ze
wskaźników pożarowych oznaczano minimalna temperaturę zapłonu warstwy i obłoku pyłu
oraz scharakteryzowano skłonność nagromadzeń pyłu do samozapalenia. Dodatkowo
wyznaczono rezystywność pyłu w warstwach. Oznaczenia wykonano zgodnie z aktualnymi
normami UE. Pokazano, że właściwości wybuchowe pyłów olejowców są zbliżone do
parametrów wybuchowych innych gatunków biomasy z grupy ligninocelulozy i należy je
zaliczyć do klasy wybuchowości St1.
1. Wstęp
Regulacje prawne w zakresie wykorzystywania odnawialnych źródeł energii (OZE) są
w Polsce konsekwencją przystąpienia do Unii Europejskiej i akceptacji jej polityki
ekologicznej. Wyrazem tego była ratyfikacja przez stronę polską postanowień uchwalonego w
Lizbonie Traktatu Karty Energetycznej w dniu 17 grudnia 1994 r. W grudniu 1997 r. przyjęto
Białą Księgę Komisji Europejskiej „Energia dla przyszłości – odnawialne źródła energii”, w
której zalecono krajom europejskim zwiększenie pozyskania energii ze źródeł odnawialnych.
Podsumowaniem celów Komisji jest skrót „3×20 do 2020” oznaczający cele dotyczące
ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, racjonalnego wykorzystania energii źródeł i
stosowania biopaliw do 2020 r. w formie: zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych o 20% w
stosunku do roku 1990, zmniejszenia zużycia energii o 20% w porównaniu z prognozami dla
UE na 2020 r., zwiększenia udziału odnawialnych źródeł energii do 20% całkowitego zużycia
energii w UE oraz zwiększenie udziału biopaliw w paliwach motorowych do 10% [1].
Instrumentem prawnym KE w sprawie promowania energii ze źródeł odnawialnych są
dyrektywy UE (2001/77/WE, 2003/30/WE i 2009/28/WE). Przewidziano w nich
wprowadzenie świadectw pochodzenia energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (zielone
certyfikaty), które umożliwiają identyfikację energii podczas współspalania. W Polsce jednym
z celów polityki energetycznej stało się zwiększenie udziału OZE w finalnym zużyciu energii
do poziomu 15,5% w 2020 roku, a w następnych latach planowany jest dalszy jego wzrost
[2]. Największy udział w wykorzystaniu OZE w krajowym bilansie energetycznym ma
biomasa. Z powodu znacznych profitów, jakie uzyskują zakłady energetyczne dzięki
pozyskiwaniu zielonych certyfikatów, szerokie zastosowanie w energetyce zawodowej
znalazło współspalanie biomasy z węglem. Przewidywany jest dalszy, dynamiczny rozwój tej
technologii spalania biomasy.
Na przeszkodzie do osiągnięcia tych celów stanęły poważne przeszkody
technologiczne: problemy z przemiałowością mieszanek węgla z biomasą, zagrożenia
pożarowo-wybuchowe w zakładach energetycznych, w których użytkowana jest biomasa, a
także dotkliwy niedostatek biomasy na rynkach. Środkiem na ostatni problem jest import
biomasy, nawet z bardzo odległych regionów. Stworzyło to potrzebę zdobycia koniecznych
informacji o tych nowych, egzotycznych gatunkach biomasy, przede wszystkim trzeba ustalić
jej pochodzenie dla przyznania zielonych certyfikatów (ten problem rozstrzyga Urząd
Regulacji Energetyki), potrzebna jest także ich charakterystyka pożarowo-wybuchowa.
Biorąc pod uwagę, że tego typu biomasę importuje wiele przedsiębiorstw dla różnych
podmiotów energetycznych, warto publikować charakteryzujące ją wyniki oznaczeń celem
poprawy stanu bezpieczeństwa użytkowania tej biomasy i uniknięcia ponoszenia kosztów
ponownych badań. W pracy przedstawiono wyniki oznaczeń parametrów pożarowo-
wybuchowych odpadów poprodukcyjnych olejowca gwinejskiego, często użytkowanego
energetycznie w UE.
2. Wybuchowość pyłów biomasy
Problematyka wybuchowości pyłów biomasy ma bogatą tradycję, zwłaszcza wiele
uwagi poświęcono wybuchowości pyłów zbożowych w latach 80. i 90 [3]. Także polskie
ośrodki badawcze wniosły istotny wkład w rozwój wiedzy w tej dziedzinie [4]. Badano
podstawowe właściwości wybuchowe pyłów, wpływ wielu czynników na dynamikę
wybuchu, opracowano normy oznaczania parametrów wybuchowych pyłów i aparaturę
laboratoryjną [5]. W pracach tych udział brały zarówno instytucje akademickie, jak i instytuty
przemysłowe. Żywa była współpraca z wiodącymi ośrodkami badawczymi na całym świecie.
W rezultacie polskie służby badawcze są dobrze przygotowane do stawienia czoła nowym
wyzwaniom, jakie niesie powszechne użytkowanie biomasy w energetyce.
W energetyce zawodowej najczęściej jest wykorzystywana biomasa typu
ligninoceluloza: drewno, słoma, trawy, skorupy, łuski nasion, pozostałości z produkcji
papieru itp. Najczęstszymi formami biopaliw dostarczanymi do spalania są trociny, zrębki,
pelety i brykiety.
Pomimo stosunkowo krótkiego okresu praktycznych doświadczeń związanych z
energetycznym wykorzystaniem biomasy na skalę przemysłową, producenci energii doszli do
wniosku, że w procesie energetycznego wykorzystania biomasy podczas jej współspalnia
szczególnie należy uwzględnić zagrożenia pożarowo-wybuchowe podczas jej składowania,
transportu, przygotowania mieszanki biomasa-węgiel i wprowadzania tej mieszanki przez
istniejące układy nawęglania [6]. Szczególnie newralgicznym miejscem w układzie
nawęglania, ze względu na możliwość wystąpienia zapłonu przygotowywanej mieszanki
pyłowo-powietrznej paliw, jest układ młynowy, z którego może nastąpić propagacja pożaru
lub wybuchu na galerie nawęglania [6, 7].
Na powiększenie stref niebezpiecznych w zakładach wykorzystujących biomasę do
celów energetycznych w stosunku do stref wyznaczonych dla węgla wpływ ma między
innymi: skłonność mieszanek pyłu węglowego z pyłami biomas do rozwarstwiania się,
sedymentacja pyłu biomasy i jego zawieszanie się np. w zasobnikach, niski ciężar właściwy
pyłów biomasy i naturalna skłonność do pylenia. Niski ciężar i małe rozmiary cząstek
biomasy zwiększają ich zasięg (porywanie przez przeciągi, unoszenie przez ciągi
wentylacyjne, a nawet przez konwekcję naturalną) ułatwiając penetrację do wnętrza urządzeń.
Skutkuje to zwiększeniem prawdopodobieństwa wystąpienia zapłonu i wybuchu [7].
Przystąpienie Polski do UE wymogło ujednolicenie norm dotyczących oznaczania
właściwości wybuchowych pyłów, które generalnie są zgodne z istniejącymi już krajowymi
normami w tej dziedzinie.
3. Przedmiot analizy
Przedmiotem analizy są odpady poprodukcyjne olejowca gwinejskiego, uprawianego
w wielu regionach świata o klimacie tropikalnym (Rys. 1). Należy on do wielkiej rodziny
roślin zwanych palmowcami (areki), wśród których największe znaczenie mają palmy
olejowe. Wydobywany z nasion olejowca olej palmowy służy do produkcji margaryny,
mydła, kosmetyków, świec, smarów, natomiast wytłoki stanowią paszę dla zwierząt. Olej
palmowy stosowany jest także do wytwarzania bio-diesla. Stałe odpady z przerobu owoców
olejowca znajdują coraz większe zastosowanie, jako biopaliwo stałe w energetyce.
Pokruszone skorupy orzechów olejowca znane są w energetyce pod akronimem PKS (Palm
Kernel Shell) [8].
Dla polskich energetyków istotny jest fakt, że w pierwszym z Załączników do
Informacji nr 30/2011 prezes Urzędu Regulacji Energetyki zakwalifikował do biomasy na
cele energetyczne paliwo w postaci pozostałości z procesu uzyskiwania oleju palmowego (z
palmy olejowca gwinejskiego). Energia elektryczna wytworzona w oparciu o to paliwo może
być uprawniona do korzystania z systemu wsparcia przy spełnieniu określonych parametrów.
Wytwarzanie energii elektrycznej w oparciu o paliwo z palmy olejowca gwinejskiego
poddawane będzie jednak wyrywkowej weryfikacji [9].
Rys. 1. Skorupy olejowca gwinejskiego
Nie jest to jedyny rodzaj biomasy egzotycznego pochodzenia zakwalifikowany jako
paliwo do wytwarzania energii elektrycznej, bowiem w trzecim Załączniku do Informacji nr
30/2011 prezesa Urzędu Regulacji Energetyki zakwalifikowane do tej grupy zostały skorupy i
wytłoczyny orzecha masłosza. Masłosz nie jest palmowcem, jest drzewem (rodzina
sączyńcowatych), którego owoce dostarczają tłuszczu roślinnego (masło shea). Właściwości
obu paliw biomasowych są bardzo zbliżone (Tab. 1).
Tabela 1. Analiza elementarna
Biomasa N,
%
C,
%
H,
%
O,
%
Cl,
%
Wilgoć
W, %
Substancja
mineralna,
Ad
Części
lotne
Vd, %
Ciepło
spalania
Qsd,
MJ/kg
Olejowiec
gwinejski 0,28 48,48 6,71 29,21 0,02 8,5 6,8 63.5 20,4
Masłosz 2,58 45,42 6,32 31,06 0,12 7,4 7,1 64,1 19,6
Oba paliwa pod względem energetycznym są atrakcyjnym nośnikiem energii,
zbliżonym kalorycznością do słabszych węgli kamiennych, o niewielkim stopniu
zawilgocenia. Ich wspólną wadą jest ich znacznie gorsza przemiałowość od przemiałowości
węgli [10].
4. Przygotowanie biomasy do badań
Właściwości wybuchowe pyłów zasadniczo zależą od ich rozdrobnienia, dlatego
istotna jest informacja o składzie ziarnowym badanego pyłu [11]. Jeżeli badania wykonywane
są dla konkretnego odbiorcy, należy kierować się jego wymaganiami wybierając skład
frakcyjny pyłu charakterystyczny dla danych zastosowań.
Drugim ważnym parametrem wpływającym na parametry wybuchowe pyłu jest udział
wilgoci, udział wody ponad 30% czyni pył niewybuchowym. W warunkach energetycznego
użytkowania biomasy udział wilgoci w niej jest zmienny i trudny do kontrolowania, dlatego
oznaczenia parametrów wybuchowych wykonuje się dla pyłu suchego. Otrzymaną do badań
biomasę suszono przez okres 24 godzin w suszarce, w temperaturze 105 C. W okresie
suszenia określano ubytek masy trzech referencyjnych próbek biomasy. Po ustaleniu się masy
próbek określono ubytek masy łupin olejowca gwinejskiego w wyniku suszenia na 8,5%.
Następnie łupiny zmielono w młynie laboratoryjnym firmy Retsch typ SM 100, a
zmielony materiał przesiano przez sito 1000 µm odseparowując największe cząstki, które
stanowiły ok. 10%. Przesiany materiału rozdzielono według rozmiaru cząstek z użyciem
kalibrowanych sit uzyskując jego charakterystykę frakcyjną pyłu (Tab. 2).
Tabela 2. Wyniki oznaczania składu frakcyjnego próbki wyjściowej pyłu
Wielkość kwadratowego otworu oczka sita
[µm]
Masa pyłu przechodzącego przez sito
[%]
1000 100,0
500 22,4
315 7,4
250 6,2
160 4,0
100 1,9
63 1,0
5. Właściwości wybuchowe
Wykonano oznaczenia następujących parametrów wybuchowych pyłu olejowca
gwinejskiego zgodnie z obowiązującymi normami:
1. minimalna energia zapłonu MEZ (PN-EN 13821),
2. maksymalne ciśnienie wybuchu pmax (PN-EN 14034-1),
3. maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max (PN-EN 14034-2),
4. stała pyłowa (wskaźnik wybuchowości) Kst (PN-EN 14034-2),
5. klasa wybuchowości – St (PN-EN 14034-2),
6. dolna granica wybuchowości DGW (LEL) (PN-EN 14034-3),
7. graniczne stężenie tlenu GST,% (PN-EN 14034-4:2005).
5.1. Minimalna energia zapłonu
Minimalną energię zapłonu obłoku pyłu MEZ wyznaczano, jako najmniejszą energię
elektryczną zgromadzoną w kondensatorze, która podczas jego rozładowania wystarczała
do spowodowania zapłonu najbardziej zapalnej mieszaniny pyłu w zmodyfikowanym
aparacie Hartmanna (1,2 dm3) z pneumatycznym układem rozpraszania pyłu. Według PN-
EN 13821:2004 przyjmuje się, że minimalna energia zapłonu MEZ znajduje się pomiędzy
najwyższą energią E1, przy której nie dochodzi do zapłonu mieszaniny pyłowo-powietrznej w
10 kolejnych próbach i najniższą energią E2, dla której dochodzi do zapłonu w jednej z 10
kolejnych prób (Tab. 3).
5.2. Maksymalne ciśnienie wybuchu pmax
Maksymalne ciśnienie wybuchu pmax to maksymalna wartość nadciśnienia
powstającego w zamkniętym zbiorniku podczas wybuchu atmosfery pyłowej, oznaczona dla
optymalnego stężenia pyłu i w normalnych warunkach atmosferycznych. Ciśnienie to
mierzono w sferycznej komorze wybuchowej (V = 22,4 dm3). Dla danej serii prób
rejestrowano przebiegu ciśnienia wybuchu i określano maksymalną wartości ciśnienia
wybuchu pmax. Oznaczenia pmax wykonano dla minimum dwóch kolejnych stężeń, po obu
stronach zarejestrowanej w trakcie badań wartości maksymalnej ciśnienia wybuchu (PN-EN
14034-1:2005). Zależność maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax od stężenia pyłu
przedstawiona na rysunku 2, a wartość oznaczenia w tabeli 3.
Rys. 2. Zależność maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax i maksymalnej szybkości
narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max od stężenia pyłu
5.3. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max
Maksymalna szybkość narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max obłoku pyłu jest to
największa wartość pochodnej ciśnienia względem czasu (nachylenia ciśnienia „po czasie”)
mierzona podczas wybuchu mieszaniny pyłu z powietrzem w zamkniętym zbiorniku.
Oznaczenia dp/dt)max wykonano w sferycznej komorze wybuchowej o objętości 22,4 dm3
(Tab. 3). Zastosowana procedura badawcza oznaczenia maksymalnej szybkości narastania
ciśnienia wybuchu (dp/dt)max jest zgodna z PN-EN 14034-2:2008.
5.4. Wskaźnik wybuchowości pyłu i klasa wybuchowości
Mieszaniny pyłowo-powietrzne wytwarzające podczas wybuchu znaczne nadciśnienie
stwarzają duże zagrożenie niszczące dla instalacji i budynków. Dynamika wybuchu (dp/dt)
zmniejsza się jednak ze wzrostem pojemności zbiornika, w którym wybuch zachodzi.
Zależność tą wyraża wskaźnik wybuchowości KSt, będący w znacznym zakresie objętości
zbiornika V wielkością niezależną od V, wyznaczaną ze znanej relacji [3]:
constVdt
dpKSt
3/1
max
.
Na postawie wyznaczonej wartości wskaźnika wybuchowości KSt określono klasę zagrożenia
wybuchowego pyłu olejowca gwinejskiego, jako St1 według EN 14034-2 (Tab. 3).
5.5. Dolna granica wybuchowości DGW
Dolna granica wybuchowości (DGW) pyłów jest to najniższe stężenie pyłu palnego w
mieszaninie z powietrzem, w której może wystąpić wybuch. Za dolną granicę wybuchowości
DGW należy przyjąć najwyższe stężenie pyłu palnego, przy którym zapłon pyłu nie wystąpił
w trzech kolejnych próbach. Jako wartość najniższego stężenia pyłu odpowiadającego dolnej
granicy wybuchowości DGW przyjęto takie stężenie, które powoduje przyrost ciśnienia
wybuchu (nadciśnienie), co najwyżej do 0,05 MPa większy od ciśnienia początkowego (PN-
EN 14034-3). Oznaczenie DGW wykonano w sferycznej komorze wybuchowej (22,4 dm3).
Źródło zapłonu w postaci dwóch zapłonników chemicznych (inicjałów), każdy o energii 1 kJ,
znajdowało się w środku sfery.
Oznaczenia DGW wykonano dla frakcji pyłu przechodzącego przez sito o oczkach 63
µm. Za dolną granicę wybuchowości DGW przyjęto najwyższe stężenie pyłu palnego, przy
którym zapłon nie wystąpił w trzech kolejnych badaniach. Dane pomiarowe podano w tabeli
2, na ich podstawie przyjęto DGW = 100 g/m3
( Tab. 3)
Tabela 3. Wyniki oznaczenia dolnej granicy wybuchowości pyłu DGW
Stężenie pyłu
[g/m3]
Ciśnienie maksymalne pmax
[MPa] Energia inicjału, kJ Uwagi
100 0,022
2 x 1
Podczas wyznaczania
DGW uwzględniono
wpływ nadciśnienia
pochodzącego od
inicjału
Frakcja pyłu ≤ 63 µm
100 0,015
100 0,012
125 0,058
250 0,066
500 0,110
5.6. Graniczne stężenie tlenu obłoków pyłu
Graniczne stężenie tlenu obłoków pyłu GST jest to maksymalne stężenie tlenu w
palnej mieszaninie pyłowo-powietrznej, w której nie wystąpi wybuch. Przyjęto, że ma to
miejsce, kiedy mierzone nadciśnienie wybuchu takiej mieszaniny jest nie większe niż 0,05
MPa od ciśnienia początkowego. Oznaczenie granicznego stężenia tlenu GST obłoków pyłu
wykonuje się przez wyznaczenie maksymalnego ciśnienia wybuchu pmax i maksymalnej
szybkości narastania ciśnienia wybuchu (dp/dt)max przy optymalnych koncentracjach pyłu. Do
wyznaczenia wartości GST zastosowano procedurę zgodną z PN-EN 14034-4:2005.
Sposób wyznaczenia parametru GST dla pyłu olejowca gwinejskiego podano
graficznie na rysunku 3, jako liniowo ekstrapolowaną zależność (dp/dt)max od stężenia tlenu
(na podstawie (dp/dt)max = 0 wyznaczono szacunkową wartość GST 11% obj.). Wynik
podano w tabeli 3.
Rys.3. Zależności (dp/dt)max od stężenia tlenu i wyznaczenie GST
0
1
2
3
4
5
6
7
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
(dp
/dt)
max
, MP
a/s
O2, % objęt.
Wyniki oznaczeń parametrów wybuchowych pyłu olejowca gwinejskiego zebrano w
tabeli 4.
Tabela 4. Wyniki oznaczeń parametrów wybuchowych olejowca gwinejskiego
Lp. Wskaźnik Wymiar Wartość
1. Maksymalne ciśnienie wybuchu pmax MPa 0,738
2. Maksymalna szybkość narastania ciśnienia
wybuchu (dp/dt)max
MPa/s
8,82
3. Dolna granica wybuchowości DGW g/m3
100
4. Graniczne stężenie tlenu GST % (obj.)
11
5. Wskaźnik wybuchowości Kst MPam/s 2,49
6. Minimalna energia zapłonu MEZ mJ 75 < MEZ< 100
7. Klasa zagrożenia wybuchowego St - St1
6. Właściwości pożarowe
Wykonano następujące oznaczenia parametrów pożarowych pyłu olejowca
gwinejskiego zgodnie z obowiązującymi normami:
a) minimalna temperatura zapłonu warstwy pyłu Tzapł warstwy i obłoku pyłu Tzapł pył
(wg. PN-EN 50281-2-1: 2002),
b) skłonność nagromadzeń pyłu do samozapłonu (wg. PN-EN 15188:2009).
6.1. Minimalna temperatura zapłonu pyłu
Oznaczania minimalnej temperatury zapłonu pyłu wykonano zgodnie z procedurami
podanymi w PN-EN 50281-2-1:2002.
6.1.1. Metoda A: warstwa pyłu na płycie grzejnej o stałej temperaturze
Za minimalną temperaturę zapłonu warstwy pyłu T5mm przyjmuje się najniższą
temperaturę gorącej powierzchni, na której dochodzi do zapłonu znajdującej się na niej
warstwy pyłu o grubości 5 mm. Oznaczenia minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu
T5mm wykonano dla frakcji pyłu przechodzącego przez sito o oczkach 500 µm. Minimalna
temperatura zapłonu warstwy badanego pyłu wynosiła T5mm = 260 °C (Tab. 5).
Tabela 5. Wyniki oznaczania minimalnej temperatury zapłonu warstwy pyłu T5mm
Grubość
warstwy pyłu,
mm
Temperatura
powierzchni,
°C
Wynik badania
Zapłon/Brak zapłonu
Czas do osiągniecia
zapłonu lub maksymalnej
temperatury warstwy
bez zapłonu, min
Uwagi
5
264 Zapłon 16 Podczas badań
pył wydziela
znaczne ilości
części lotnych
(dymu)
250 Brak zapłonu 30
253 Brak zapłonu 30
251 Brak zapłonu 30
6.1.2 Metoda B: obłok pyłu w piecu o stałej temperaturze
Za minimalną temperaturę zapłonu obłoku pyłu TCL pyłu przyjmuje się najniższą
temperaturę pieca Godberta-Greenwalda [11], w której uzyskano zapłon obłoku pyłowego
(widoczny wyrzut płomienia w dolnej części pieca). Oznaczenia minimalnej temperatury
zapłonu obłoku pyłu TCL wykonano dla frakcji pyłu przechodzącego przez sito o oczku 63 µm
zgodnie procedurą wg. PN-EN 50281-2-1. Minimalna temperatura zapłonu obłoku badanego
pyłu wyniosła TCL = 490 °C (Tab. 6).
Tabela 6. Wyniki oznaczeń parametrów pożarowych pyłu olejowca gwinejskiego
Lp. Wskaźnik Wymiar Wartość
1. Temperaturę zapłonu warstwy pyłu T5mm °C 260
2. Temperatura zapłonu obłoku pyłu TCL °C 490
6.2. Skłonność nagromadzeń pyłu do samozapalenia
Oznaczanie skłonności nagromadzeń badanego pyłu do samozapalenia wykonano
według PN-EN 15188:2009. Opisana w tej normie procedura umożliwia oznaczenie
parametrów krytycznych bezpiecznego składowania nagromadzeń biopaliw stałych na
podstawie oznaczania temperatury samozapalenia nagromadzeń pyłu TSi (temperatury
gorącego składowania) i czasu indukcji samozapalenia ti w funkcji objętości składowanych
pyłów. Do badań użyto perforowanych w normie pojemników pomiarowych w formie walca
o wysokości równej średnicy i o objętości: 200, 100 i 50 cm3. Do oceny samozapalenia
przyjęto, że zapalenie próbki nastąpiło, kiedy temperatura w geometrycznym środku próby
wzrosła o co najmniej 60 K powyżej temperatury gorącego składowania, lub gdy zmiany
temperatury w czasie w geometrycznym środku próby wykazują punkt przegięcia i ma to
miejsce w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia wkomorze probierczej pieca.
Przyjęto, że temperatura tzw. gorącego składowania badanych pyłów powodująca już
zapalenie i temperatura pieca nie powodująca zapalenia, różni się nie więcej niż o 5 K. W
tabeli 7 przedstawiono wyniki eksperymentalne oznaczenia temperatury samozapalenia TSi
(gorącego składowania) i czasu indukcji ti dla próbek pyłu olejowca gwinejskiego o granulacji
nie większej niż 250 µm.
Tabela. 7. Zestawienie wyników badań, oznaczenia TSi i ti dla pyłu olejowca gwinejskiego
Objętość naczynia
pomiarowego, cm3
Temperatura samozapalenia TSi, oC
Czas indukcji ti,
h
50 188 1,5
100 181 2,1
200 179 3,3
W celu oznaczenia temperatury samozapalenia i czasu indukcji uzyskane wyniki
przedstawione w postaci wykresów na rysunkach 4 i 5. Przedstawienie zmiennych na osiach x
i y odpowiednio: 1/TSi i log(V/A) oraz log ti i log(V/A) na drugim wykresie, pozwala
przedstawić wyniki w postaci zależności liniowej. Aby zwiększyć użyteczność
prezentowanych wykresów uzupełniono wykres na rys. 5 o pomocniczą oś X na, której
przedstawiono temperaturę - t wyrażoną w stopniach Celsiusza, a na pomocniczej osi Y
przedstawiono obiętości nagromadzeń pyłu w m3, natomiast wykres na rys. 4 uzupełniono o
pomocniczą oś X - czasu, wyrażono w powszechnie używanych jednostkach czasu (godziny,
dni, tygodnie, miesiące i lata) i pomocniczą oś Y- objętości nagromadzeń pyłu w m3. Przy
pomocy tak przygotowanych wykresów można łatwo oszacować zagrożenie samozapalenia
nagromadzeń pyłu w warunkach składowania.
Rys. 4. Zależność czasu indukcji samozapalenia ti w zależności od objętości V nagromadzeń pyłu
(oraz w zależności od stosunków objetość/powerzchnia log (V/A))
Rys. 5. Temperatura samozapalenia TSi w zależności od objętości V nagromadzeń pyłu
(oraz w zależności od stosunków objetość/powerzchnia log (V/A))
7. Zagrożenie wybuchowe od elektryczności statycznej – rezystywność pyłu
Podczas transportu pneumatycznego rozdrobnione cząstki materiału zderzają i ocierają
się ze sobą i ze ściankami rurociągu transportującego, co może powodować gromadzenie się
ładunku elektrostatycznego i doprowadzać do iskrowych wyładowań elektrostatycznych
wewnątrz rurociągu, wyładowań ślizgowych po jego powierzchni, przeskok iskry pomiędzy
elementami instalacji, a nawet rażenie obsługi. Energia wyładowania elektrostatycznego może
być na tyle duża, że może spowodować zapalenie pyłu w rurociągu i doprowadzić do
wybuchu w silosie, w którym biomasa jest gromadzona [12]. Wyładowania iskrowe
spowodowane zjawiskiem elektryzowania się materiałów były źródłem wielu pożarów i
wybuchów, stanowiły też utrudnienia w wielu procesach technologicznych [13].
Rezystywność materiałów sypkich jest jednym z zasadniczych parametrów określających
ich skłonność do elektryzacji. Znajomość rezystywności jest zatem cenną informacją
umożliwiającą prognozowanie się zachowania materiału w trakcie przetwarzania i
użytkowania w tym transportu pneumatycznego, a także przy ocenie skuteczności
zastosowanych środków ochrony przeciwwybuchowej [12].
Rezystywność pyłu w warstwie jest to najmniejsza wartość rezystancji elektrycznej
warstwy pyłu (znormalizowanej odległości pomiędzy elektrodami i powierzchnią kontaktu
elektrod z pyłem) zmierzona dla określonych napięć probierczych. Pomiary rezystancji pyłu
olejowca gwinejskiego w warstwie wykonano zgodnie z procedurą opisaną w normie PN-EN
61241-2-2, a wyniki oznaczania rezystywności zestawiono w tabeli 7.
Tabela. 7. Wyniki oznaczania rezystywności pyłu olejowca gwinejskiego
Napięcie probiercze, V Rezystancja, Ω Rezystywność, Ω∙m
110 5,00∙1011
5,0∙1010
220 2,34∙1011
2,34∙1010
300 2,18∙1011
2,18∙1010
500 1,76∙1011
1,76∙1010
1000 1,22∙1011
1,22∙1010
1500 9,85∙1011
9,85∙109
2000 8,14∙1011
8,14∙109
Wyznaczone wartości rezystywności warstwy pyłu wskazują, że badany pył olejowca
gwinejskiego należy zaliczyć do pyłu nieprzewodzącego, dlatego należy zwrócić uwagę na
zagrożenie od elektryczności statycznej (wyładowanie iskrowe o energii przekraczajęcej
MEZ) mogące pojawić się w procesach technologicznych związanych z przetwarzaniem tego
materiału.
8. Podsumowanie
a) Energetyczne użytkowanie biomasy stałej stwarza w zakładach energetycznych
poważne zagrożenie pożarowo-wybuchowe spowodowane głównie jej
magazynowaniem, transportem i przemiałem.
b) Poprawę stanu bezpieczeństwa w zakładach energetycznych użytkujących biomasę
poprawi oznaczanie wskaźników pożarowo-wybuchowych pyłów spalanej biomasy
oraz ich archiwizowanie w bazach danych.
c) Importowana biomasa z gatunku olejowców ma cenne właściwości energetyczne, a jej
pyły są wybuchowe, ale ich charakterystyka pożarowo-wybuchowa nie różni się
znacznie od właściwości pożarowo-wybuchowych pyłów biomasy pochodzenia
krajowego.
d) Na podstawie wykonanych oznaczeń pyły olejowca gwinejskiego należą do pyłów o
umiarkowanej wybuchowości i zaliczają się do klasy wybuchowości St1.
Literatura
1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dn. 23.04.2009 r. w sprawie
promocji stosowania energii ze źródeł odnawialnych, Dz. U. UE L 140/16, 5.6.2009.
2. „Polityka energetyczna Polski do 2030 roku”, Ministerstwo Gospodarki, listopad 2009,
Dokument przyjęty przez Radę Ministrów 10 listopada 2009r.
3. Bartknecht W., Dust Explosions, Springer-Verlag, Berlin, 1989.
4. Wolański P., (Ed.) Grain Dust Explosion and Control, Warsaw University of Technology,
Warsaw, 1993.
5. Klemens R.H., Mechanizm propagacji i struktura płomienia w mieszaninach pyłowo-
powietrznych i hybrydowych, Prace naukowe, mechanika, z. 151, Wydawnictwo
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
6. Kordylewski W., Mączka T, Ostropolski W., Oznaczanie wskaźników pożarowo-
wybuchowych dla pyłów z biomasy, Magazyn Ex 3, 22-32, 2011.
7. Wasowicz P., Analiza bezpieczeństwa pracy instalacji młynowych bloku energetycznego
przy realizacji współmielenia biomasy – badanie HAZOP, Magazyn Ex, 3, 41-46, 2011.
8. West Biofuels Italia Srl, Registered Office: 36, Via Ludovisi - 00187 Rome (Italy)
www.palmkernelshell.com,
9. Informacja Prezesa URE nr 30/2011 z 4 października 2011 r. URE
10. Kordylewski W., Tatarek A., Wybrane aspekty procesu toryfikacji łupin orzecha palmy
olejowej, www.spalanie.pwr.wroc.pl.
11. Field P., Dust Explosions, Elsevier, Amsterdam 1982.
12. Gajewski A. S., Elektryczność statyczna - poznanie, pomiar, zapobieganie, eliminacja,
Instytut Wydawniczy Związków zawodowych, Warszawa 1987
13. B. Rączkowski, BHP w praktyce, Ośrodek Doradztwa i Doskonalenia Kadr, Gdańsk 2009
FIRE AND EXPLOSION PROPERTIES OF PALM KERNEL SHELL
ABSTRACT
The results of investigations of fire and explosion properties of palm kernel shell
(PKS) have been presented in the paper. The laboratory-scale studies of dust explosibility
were conducted in the spherical explosion vessel of 22.4 dm3 in the volume. The range of
studies included determination of the maximum explosion pressure and the maximum rate of
explosion pressure rise, the lower explosion limit, the minimum ignition energy of a dust
suspension and limiting oxygen concentration of dust clouds. From among fire parameters the
minimum ignition temperature of dust suspension and dust layer was determined and the
spontaneous ignition behavior of dust accumulation was characterized. Additionally, the
electrical resistivity of dust in layers was determined. The used procedures for determination
of fire and explosion parameters were in accord with the actual EU standards. It was shown
that the explosion parameters of the palm kernel shell dust are similar to these parameters of
lignin-cellulose sort of biomass and its explosibility rank falls into the St1 class.