On Assessment of the Possibility of Spontaneous Combustion of Wheat Grain during Silage Storage in an Elevator

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2024.142.8
Issue: № 4 (142), 2024
Suggested:
01.03.2024
Accepted:
11.04.2024
Published:
17.04.2024
123
4
XML
PDF

Abstract

Russia is currently the world leader in wheat grain exports. Significant storage volumes of this raw material cause a high level of fire hazard at grain processing plants. One of the main causes of fires at these facilities is spontaneous combustion of grain. The possibility of spontaneous combustion of wheat grain stored in vertical cylindrical silos was evaluated on the example of LLC "Irkutsk Elevator", where restoration and capital works were carried out after fires in 2013 and 2022. An improved calorimetry method developed by Professor Y.S. Kiselev was used for the assessment. It was found that there is no danger of spontaneous combustion of grain at the enterprise, even at maximum ambient temperature. The obtained results can be used to clarify the implemented fire prevention measures.

1. Введение

Самовозгорание зерна при его хранении является достаточно распространенной причиной пожаров на зерноперерабатывающих предприятиях. Как показывает анализ статистических данных

, основными причинами пожаров на данных объектах являются неисправности оборудования (34%), нарушение при проведении огневых работ (26%), самовозгорание сырья и продуктов его переработки (22%), нарушение правил эксплуатации сушильных установок (12%), нарушение правил пожарной безопасности (6%).

Наиболее распространенными нарушениями правил хранения зерна, приводящими к его самонагреванию, являются:

а) хранение с повышенной влажностью или сорностью;

б) отсутствие зачистки емкостей перед загрузкой;

в) превышение сроков хранения;

г) отсутствие или неисправность систем контроля температуры;

д) разгрузка емкостей без выполнения мероприятий по обеспечению безопасности

.

Целью исследования является оценка возможности самовозгорания пшеничного зерна, хранящегося в вертикальных цилиндрических силосах предприятия ООО «Иркутский элеватор». На данном предприятии в 2013 и 2022 гг. возникали пожары при хранении зерна, после чего были проведены восстановительные и капитальные работы. Обновленный элеватор для хранения зерна предусмотрен в виде батареи из вертикальных цилиндрических силосов небольшого диаметра. В связи с этим настоящее исследование является весьма актуальным.

Предприятие ООО «Иркутский элеватор» обеспечивает производительность по муке 150 т в сутки. Хранение пшеничного зерна осуществляется в элеваторе (рис. 1), который представляет собой сооружение размерами в плане 24х60 м2 и высотой 24 м, состоящее из 36 вертикальных цилиндрических силосов. Диаметр каждого силоса составляет 3 м, высота – 18 м.

Элеватор для хранения пшеничного зерна предприятия ООО «Иркутский элеватор»

Рисунок 1 - Элеватор для хранения пшеничного зерна предприятия ООО «Иркутский элеватор»

Пшеничное зерно – дисперсный горючий материал, склонный к самонагреванию и самовозгоранию. Скорость химических превращений, приводящих к самонагреванию, зависит от вегетативного периода созревания зерна, химического и компонентного состава, а также количества зерна, влажности и температуры окружающей среды
. Самонагревание зерна в силосах также возникает вследствие наличия в его массе большого количества семян сорняков с высокой влажностью
. Во время самонагревания температура зерна может повыситься на 60-70 °С, критический порог влажности также может варьироваться
. Другим фактором, способствующим окислению зерна при его хранении, является жизнедеятельность микроорганизмов
. На начальном этапе данный фактор является малозаметным. Активизация микроорганизмов происходит после достижения в скоплении определенной температуры
. В этот период внутри скопления достаточно продуктов для их жизнедеятельности, что приводит к выделению дополнительного тепла. При дальнейшем росте температуры (около 55 °С) в скоплении становится недостаточно ферментов, необходимых для микроорганизмов, и процесс самонагревания начинает протекать только за счет экзотермических реакций окисления
,
.

2. Методы и принципы исследования

Склонность дисперсных материалов к самовозгоранию может быть установлена по справочным данным или путем проведения экспериментов по ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения». При известных размерах скопления расчетные и экспериментальные исследования позволяют определить минимальную температуру среды и длительность хранения дисперсных материалов, при которой может произойти их самовозгорание. Разработана отечественная методика расчета условий самовозгорания веществ

, базирующаяся на теории теплового взрыва Франк-Каменецкого
. В работах
,
по данной методике проведены теоретические и экспериментальные исследования для ряда органических веществ. В работах
,
рассмотрены показатели процесса самонагревания органических веществ растительного происхождения с учетом влияния генерации теплоты и теплоотвода. В работе
получено аналитическое решение задачи самовозгорания материала, исходя из совместного рассмотрения уравнений адсорбции кислорода и теплопроводности. В работе
определяется склонность веществ и их смесей к самовозгоранию путем расчета энергии Гиббса некоторых реакций. В работах
,
проведен анализ различных исследований в области теории теплового взрыва, представлены зависимости, которые были положены в основу расчетных методов определения условий теплового самовозгорания насыпей и отложений материалов. Пожарная опасность объектов хранения растительного сырья в силосах и бункерах исследована в работах
,
,
. При этом изучались процессы, связанные с жизнедеятельностью микрофлоры. В работе
проведено сравнение результатов расчета условий теплового самовозгорания по различным методическим подходам. Показано, что достаточно удовлетворительные результаты дает усовершенствованный метод калориметрирования, разработанный профессором Я.С. Килесевым
.

На первом этапе, согласно усовершенствованному методу калориметрирования Я.С. Киселева

, определяется критическая температура в центре скопления дисперсного материала, при которой начинается процесс его самонагревания:

img
(1)

где Е – энергия активации дисперсного материала, Дж.моль-1

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж.моль-1.К-1

Т0 – температура окружающей среды, К.

На втором этапе определяется параметр охлаждения дисперсного материала:

img
(2)

где С – предэкспоненциальный множитель адиабатической скорости самонагревания дисперсного материала, К.с-1.

На третьем этапе определяется диаметр скопления дисперсного материала:

img
(3)

где k и n – коэффициенты формы скопления дисперсного материала; 

λ – коэффициент теплопроводности дисперсного материала, Вт.м-1.К-1

ρ – плотность дисперсного материала, кг.м-3

Ср – теплоемкость дисперсного материала, Дж.кг-1.К-1

α – коэффициент теплоотдачи дисперсного материала, Вт м-2.К-1.

3. Результаты и обсуждение

Оценка возможности самовозгорания пшеничного зерна на предприятии ООО «Иркутский элеватор» проводилась при температуре окружающей среды, которая соответствует максимальной температуре воздуха для рассматриваемого региона. В соответствии с СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» максимальная температура воздуха в г. Иркутске равна 36 °С.

Согласно выражению (1) критическая температура в скоплении, при которой начинается самонагревание зерна, составила:

img
(4)

где Е – энергия активации пшеничного зерна, равная 74,3.103 Дж.моль-1

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж.моль-1.К-1

То – температура окружающей среды, равная 309 К (36 ºС) согласно СП 131.13330.2020.

По формуле (2) параметр охлаждения составил:

img
(5)

где С – предэкспоненциальный множитель адиабатической скорости самонагревания пшеничного зерна, равный 3,56.107 К.с-1

.

Поскольку пшеничное зерно хранится в силосах, имеющих форму вертикальных цилиндров, то по формуле (3) критический диаметр вертикального цилиндрического скопления зерна составил:

img
(6)

где k и n – коэффициенты формы скопления пшеничного зерна, равные для вертикального цилиндра соответственно 2 и 2,89

λ – коэффициент теплопроводности для пшеничного зерна, равный 12 Вт.м-1.К-1

ρ – плотность пшеничного зерна, равная 500 кг.м-3

Ср – теплоемкость пшеничного зерна, равная 2600 Дж.кг-1.К-1

α – коэффициент теплоотдачи пшеничного зерна, равный 5 Вт.м-2.К-1

.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что фактический диаметр вертикальных цилиндрических силосов (3 м) не превышает указанного выше критического значения (4,8 м). Это говорит о том, что на предприятии ООО «Иркутский элеватор» при хранении пшеничного зерна в вертикальных цилиндрических силосах его самовозгорание исключается даже при температуре окружающей среды, равной максимальному значению для климатической зоны г. Иркутска (36 ºС). В связи с этим можно сделать вывод о том, что процесс хранения зерна на предприятии ООО «Иркутский элеватор» с точки зрения самовозгорания осуществляется в достаточно безопасных условиях.

4. Заключение

Таким образом, с помощью известного и достаточно точного научного метода (усовершенствованный метод калориметрирования Я.С. Киселева) были проведены численные исследования для вертикальных цилиндрических силосов, применяемых на предприятии ООО «Иркутский элеватор». В результате проведенных исследований установлено, что на предприятии при хранении пшеничного зерна созданы условия, при которых оно не может самовозгореться даже при максимальной температуре окружающей среды, характерной для климатической зоны г. Иркутска. Практическая значимость полученных результатов состоит в их использовании для уточнения противопожарных мероприятий, предусмотренных на предприятии.

Article metrics

Views:123
Downloads:4
Views
Total:
Views:123