Way to assess the possibility of spontaneous combustion of microbiological products at storage

Full Text

На объектах складского назначения России хранится огромный перечень материалов растительного и животного происхождения, некоторые из них хранятся длительное время. Различные зернопродукты хранятся на элеваторах, в крытых складских помещениях содержатся овёс, натуральный каучук, хлопок, шерстяные изделия, крупы, мука и т.п. Вся эта продукция характеризуется невысокой теплопроводностью, что способствует аккумуляции тепла, выделяющегося в результате процессов термоокисления. Если характеристический размер ёмкости с сыпучим материалом или зоны компактной укладки (штабеля) продукции превышает критическую для заданных температурных условий величину, то в результате непрерывного разогрева массы материала произойдёт самовозгорание. Ограничивая размер бункера или штабеля, можно самовозгорание хранящейся продукции предотвращать. В этом случае будет обеспечиваться эффективный теплоотвод. В последнее время популяризуются такие мероприятия по снижению возможности самосогревания материалов (прежде всего – зерна), как предварительная сушка и обеспечение охлаждения продукции при хранении. Это, прежде всего, способствует замедлению процессов жизнедеятельности микроорганизмов, сопровождаемых выделением тепла. Но самовозгорание многих органических веществ может происходить без участия микрофлоры и при относительно невысоких температурах (близких к условиям хранения). Любая термообработка продукции приводит к дополнительным осложнениям – необходимо контролировать время пребывания частиц материала в зоне повышенных температур (возможно застревание зёрен и т. п.) и требуемую степень охлаждения перед засыпкой в бункер (формированием штабеля). Если тлеющая частица попадёт в ёмкость хранения, она может стать источником зажигания всей массы продукции. Если материал нагрет выше температуры окружающей среды, возможна реализация механизма «очагового» самовозгорания.В этом случае охлаждения засыпанной в силос или сложенной в штабель массы не произойдёт из-за плохого отвода тепла, температура продукции начнёт расти. Гарантированно избегать самовозгорания продукции можно только в результате расчётного обоснования (с помощью современных методов) и практической реализации безопасных условий хранения материалов. В настоящее время появилась возможность научного обоснования мероприятий по профилактике как теплового (без участия микроорганизмов), так и микробиологического самовозгорания хранимых материалов. Профилактика самовозгорания продукции очень важна, так как пренебрежение соответствующими мероприятиями может приводить к внезапному возгоранию зоны хранения на большой площади (в большом объёме). Бороться с масштабным возгоранием всегда трудно, избежать серьёзного материального ущерба скорее всего не удастся. Самовозгорание может приводить к наиболее масштабным и быстрым потерям хранимой продукции. В данной статье рассматриваются вопросы профилактики микробиологического самовозгорания, неконтролируемого роста температуры материала в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Такие процессы характерны, прежде всего, для продукции растительного и животного происхождения (зерно, натуральный каучук, шерсть и т. д.). Пожарная опасность объектов хранения растительного сырья исследовалась давно, особенно ценные с практической точки зрения результаты получены в 80-х – 90-х гг. [1]. При этом изучались хранилища, в которых развивались процессы, связанные с жизнедеятельностью микрофлоры. Причины взрывов внутри корпусов оборудования хранилищ растительного сырья впервые объяснены выделением горючих газов в результате протекания микробиологических процессов. Дегтяревым А.Г. приближенно и численно решена задача о распространении тепла в самонагревающейся насыпи при пластовом и сферическом очагах внутри нее. Экспериментально показано, что температура в центре влажной массы растительного сырья достигает величины 55-65 °С за 3-5 суток. Предложенные профилактические мероприятия связаны прежде всего с ранним обнаружением развития микробиологических процессов (контроль самонагревания растительной массы, начала выделения газообразных продуктов и т. п.). В работах, выполненных под руководством Г.Б. Манелиса и А.В. Крестинина [2], представлена математическая модель процесса жизнедеятельности микроорганизмов с учетом окисления питательного субстрата кислородом воздуха в неизотермических условиях. Характер изменения некоторых параметров, учитываемых моделью, подтвержден надежными экспериментальными данными. Этот метод позволяет с достаточной точностью описать процессы самонагревания различной увлажненной органической массы растительного происхождения. Процессы самонагревания, связанные с жизнедеятельностью микрофлоры, с учетом испарения содержащейся в питательной среде влаги и оценкой влияния повышения температуры на снижение численности популяции микроорганизмов смоделированы в работах Ю.И. Рубцова с сотрудниками [3]. Представленные этими исследователями экспериментальные результаты позволяют выделить диапазоны изменения температуры среды, при которых последовательно превалируют процессы питания микрофлоры, гидролиза и деструкции зерновой массы. С 70-80 ºС тепловыделение в увлажненной массе связано в основном с гидролизом. После достижения температур 160 ºС влиянием гидролизации можно пренебрегать. Существенную роль при 143 ºС играет термическая деструкция зерна, эти процессы при возможности дальнейшего разогрева массы и приводят к возгоранию. Отмечено также, что начинающееся с 50-60 ºС влияние интенсификации поглощения тепла (за счет испарения влаги) во многих случаях будет препятствовать достижению режима теплового взрыва. Главным результатом этих работ является теоретическое описание процессов микробиологического самонагревания. Расчетные методы могут применяться также при оценке возможности перехода микробиологического самонагревания к режиму неконтролируемого роста температуры с последующим возгоранием хранимого продукта. Критические условия такого перехода целесообразно оценивать по алгоритмам методов расчета для «очагового» самовозгорания (для продукции, нагретой выше температуры окружающей среды). Подобная методика была принята на вооружение специалистами МЧС России [4] для обоснования профилактических мероприятий по пожарной безопасности объектов складского назначения. Для подготовки положений упомянутой методики в диссертации одного из авторов [5] решена задача для условий теплообмена очага с нереакционноспособной средой по закону Ньютона и граничных условиях третьего рода. Тепловое состояние реагирующей системы в безразмерном виде описывается уравнением: . (1) Задача решалась при следующих условиях однозначности: , (2) , (3) где: – безразмерная координата; – радиус реакционной зоны; – значение параметра Франк-Каменецкого; – температура окружающей среды; – теплота реакции; – предэкпоненциальный множитель; – теплоёмкость вещества; – плотность вещества; – коэффициент теплопроводности; – характерный размер очага; – координата; – безразмерное время; – энергия активации; – универсальная газовая постоянная; – безразмерная температура; – температура предварительного прогрева материала; – текущая температура. Для решения использовались допущения работы Б.С. Сеплярского с сотрудниками [6]. В результате решения задачи получены соотношения, связывающие критический размер зоны реакции с начальным перепадом температур: · для плоскопараллельного очага: , (4) · для сферического очага: , (5) · для цилиндрического очага: , (6) где: = – радиус зоны реакции; – критическое значение параметра Франк-Каменецкого (при критической температуре окружающей среды). На основании обработки данных расчётов по формулам (4)-(6) критические условия самовозгорания представлены более простыми выражениями: для пластины ( ) , (7) для цилиндра ( ) , (8) для сферы ( ) , (9) где: – фактор формы. Расчет критических условий для куба и прямоугольных брусов проводился по предложенному Томасом соотношению: для куба ( ) , (10) Приближенные выражения для прямоугольного бруса представлены в виде : при , (11) , (12) где: – отношение среднего и наименьшего размера бруса. Экспериментальное изучение этого явления в лабораторных условиях [5, 7] выполнялось в следующей последовательности. Предварительно в термошкафу прогревались тонкие слои материалов. Затем исследуемый продукт помещался в кубические контейнеры, выполненные из металлической сетки, различного размера с высотой от 0,1 до 0,5 м. В большинстве экспериментов прогретый материал остывал при комнатной температуре. Контейнеры с ребром 0,1 м подвешивались в объеме рабочей камеры термостата с температурой среды несколько ниже температуры предварительного прогрева. Показано, что расчет критической температуры очагового самовозгорания материала с помощью формулы (10) приводит к погрешности, не превышающей 8 ºС, по сравнению с экспериментом. Пользуясь приведёнными выше выражениями, можно определить безопасный размер штабеля продукции или бункера (силоса) для сыпучих материалов, в которых нагретый до определённой температуры продукт не самовозгорится, а постепенно остынет. По этим же формулам определяется безопасная температура прогрева материала, складываемого в штабель или ёмкость заданных размеров. Профилактика микробиологического самовозгорания может обеспечиваться при использовании безопасных размеров штабелей и емкостей для температур прогрева материала до 100 ºС (согласно авторам [8-10]). Если же критическая для данного размера скопления продукции температура оказывается ниже, необходимо оценивать время индукции процесса очагового самовозгорания. Известно, что в процессе жизнедеятельности микроорганизмы разогревают среду своего обитания до температур 70-100 °С [8-10]. Эти температуры являются предельными для существования микрофлоры, при таком прогреве она погибает. Разогретый материал после гибели микроорганизмов начинает остывать. Процесс самонагревания зерновой массы [11] характеризуется инкубационным периодом (с малой скоростью повышения температуры), продолжающимся обычно от 2 до 25 суток. За ним следует резкое повышение скорости разогрева массы растительного материала (в 2-22 раза), приводящее к достижению максимальной температуры материала. Температура, близкая к максимальной, сохраняется в материале от 3 до 8 суток. Затем происходит постепенное охлаждение продукции. Если расчётное значение периода индукции процесса очагового самовозгорания превышает 10 суток (или другое установленное экспериментом время сохранения материалом околопредельных для самонагревания температур) при заданной степени разогрева продукции, микробиологического самовозгорания в зоне хранения не произойдёт. Если же расчётная величина периода индукции оказывается меньше, необходимо предусматривать мероприятия по профилактике самовозгорания (уменьшать размер применяемых для хранения бункеров, штабелей и т. п.). Приемлемое для практического использования решение задачи в нестационарной постановке (для возможности расчёта периода индукции) получено авторами [12]. В первой части этой статьи выведена формула, расчет по которой с удовлетворительной погрешностью (не более 10 %) соответствует результатам лабораторных экспериментов [5, 7]. Эти опыты выполнялись при начальном разогреве материала выше температуры окружающей среды (начальном температурном напоре θ0), близком к критическим значениям для кубических образцов со стороной не более 0,5 м. Величина θ0 при этом менялась от 6,9 до 9,2. При увеличении размера зоны компактной укладки или засыпки продукции (например – нагретый материал засыпается в бункер или формируется в штабель) значения критической температуры нагрева ТГ =ТКР и величины θ0 будут снижаться. Как показывают расчеты, критическое значение θ0 для штабеля продукции шириной 1,8 м может приближаться к 3. Область применения полученного в первой части статьи [12] выражения оказывается существенно уже. В первой части упомянутой статьи также было показано, что функция под знаком интеграла в полученном решении имеет разрыв. Этот разрыв связан с условиями баланса функций, характеризующих тепловыделение и теплоотвод из реакционной зоны, и смещается при изменении условий задачи. Для получения выражения, определяющего решение поставленной задачи в надкритической области, требуется ввести следующие обозначения: – безразмерная температура, (13) – начальный температурный напор, (14) , (15) где: – начальная температура очага; – критическая температура прогрева очага (при превышении которой происходит самовозгорание). Решаемая задача для ньютоновского охлаждения химически реагирующих тел в предположении Аррениусовской кинетики и реакции нулевого порядка может быть представлена в виде следующей системы уравнений: , (16) ; ., (17) ; , (18) ; , (19) где: – безразмерное время; (20) – критическое значение параметра Франк-Каменецкого; (21) – параметр Био; (22) – температура в центре образца; – коэффициент теплоотдачи. Задача в сформулированном виде не имеет аналитического решения, в связи с чем снова необходимо использовать приближенные методы. Считаем, что распределение температуры в очаге может быть описано полиномом второй степени: , (23) где коэффициенты полинома являются функциями только времени и должны быть определены из граничных условий. Далее приведём основные этапы решения. Распределение температуры в тепловом очаге записывается следующим образом , (24) где: (25) Интегрирование уравнения (16) по координате: , (26) приводит с учетом (24) к следующим результатам: , (27) . (28) Для экспоненциального члена уравнения (26) получаем , (29) где: – интеграл вероятности Гаусса [13]. Для величин >> 1, характеризующих изучаемый процесс, интеграл вероятности практически равен единице и, с учетом , выражение (29) можно записать в виде: , (30) После интегрирования выражения (26) и умножения всех его членов на δ (параметр Франк-Каменецкого для текущей температуры процесса Т в надкритической области) получаем следующее дифференциальное уравнение для изменения температуры очага: , (31) где: (32); (33); (34); (35). Уравнение (31) является дифференциальным уравнением с разделенными переменными и может быть преобразовано к интегралу: , (36) Функция под интегралом (36) также имеет разрыв, так как уравнение (31) может характеризовать и докритические режимы процесса (с превалированием теплоотвода над тепловыделением). Разрыв рассматриваемой функции соответствует обнулению знаменателя формулы (36). Так как разность в знаменателе выражения (36) характеризует баланс функций тепловыделения и теплоотвода, нулевой баланс определяет критическое условие задачи. Кроме того, прогрев материала до критической температуры (Т=Ткр) соответствует . Учитывая вышеизложенное, остывание очага становится невозможным при условии: . (37) В этом случае функция под интегралом (36) асимптотически приближается к оси ординат при и к оси абсцисс при , графически характеризуя весь диапазон сверхкритических для процесса условий (см. рисунок 1). Максимальная величина периода индукции процесса самовозгорания может определяться по выражению , (38) где: . (39) Интеграл (38) не берется в конечном виде, но может быть определен численно в пределах изменения переменной θ* от θн до ∞. Для более широкого практического использования полученного решения целесообразно найти приближенную зависимость, экстраполирующую имеющиеся экспериментальные результаты изучения процесса очагового самовозгорания [5]. Если при определении параметров θ* и δ принять Т=Тн, экспериментальные данные работы [5] характеризуются изменением величин от 7 до 9,1; значений θ* в диапазоне 0,076-0,85; параметра δкр от 5 до 18,1; величин от 5,3 до 24,9; значений Δ от 1,07 до 1,94. Рисунок 1 – Вид функции (при θ0 = 8,19 и ) Результаты эксперимента описываются с погрешностью не более 30 % (см. таблицу 1) следующей зависимостью: , (40) где: А= ; (41) ; (42) при δкр ≤ 6,5 В= ; (43) при δкр> 6,5 В= . (44) Таблица 1 Расчетные и экспериментальные значения периода индукции очагового самовозгорания Материал Ткр, К Тн, К Т0, К r, м θ0 θ* δкр Δ τр τэ Относи-тельная погрешность, % Сосновые опилки 424 429 293 0,25 8,19 0,281 13,60 1,293 1,099 1,556 29,35 424 432 294 0,25 8,13 0,500 13,60 1,574 1,733 1,523 9,57 436 443 295 0,20 8,46 0,118 17,07 1,115 1,480 1,513 2,14 448 451 294 0,15 8,62 0,168 18,15 1,166 1,538 1,506 2,14 448 453 292 0,15 8,74 0,280 18,15 1,290 1,656 1,524 8,61 477 484 293 0,07 9,09 0,846 16,02 1,366 1,408 1,489 5,45 Торф 390 391 298 0,25 7,02 0,076 4,99 1,074 1,747 1,720 1,56 397 402 298 0,20 7,29 0,368 5,21 1,403 1,835 1,696 8,19 397 403 298 0,20 7,29 0,472 5,21 1,500 1,496 1,660 9,88 408 419 298 0,15 7,67 0,732 6,10 1,941 1,713 1,670 7,94 Технический углерод 515 517 295 0,20 8,81 0,080 17,07 1,075 1,567 1,513 3,58 504 506 293 0,25 8,82 0,084 17,75 1,078 1,648 1,484 11,1 504 510 293 0,25 8,82 0,251 17,75 1,191 1,500 1,455 3,08 515 521 294 0,20 8,85 0,240 17,07 1,239 1,379 1,528 9,76 529 532 293 0,15 8,88 0,114 15,70 1,107 1,211 1,422 14,86 529 538 293 0,15 8,95 0,342 15,70 1,353 1,359 1,511 10,08 580 583 294 0,07 9,03 0,095 16,62 1,088 1,369 1,417 3,32 Максимальная ошибка оценки периода индукции отмечена лишь в одном случае, прочие экспериментальные результаты описываются зависимостью (40) с погрешностью не более 15 %. Величина усредненной относительной погрешности составляет 8,3 %. Выражение (40) не должно иметь ограничений к применению в наиболее широком диапазоне изменения учитываемых им параметров. Вполне удовлетворительное описание результатов лабораторных экспериментов с его помощью позволяет рекомендовать формулы (40)-(44) для оценки периода индукции очагового самовозгорания скоплений материала практически важных масштабов (в штабелях, бункерах и т. п.), прогретого выше температуры окружающей среды. С учетом значений теплофизических характеристик семян различных зерновых культур [6] выполнены расчеты условий очагового самовозгорания зернопродуктов в условиях хранения. В качестве примера можно привести результаты расчёта для зерна ржи, хранящегося в силосах цилиндрической формы (см. рисунки 2 и 3). На рисунке 2 представлена зависимость критического размера силоса (половина диаметра) от температуры прогрева загруженного в него материала. Очаговое самовозгорание ржаного зерна возможно в силосах с диаметром 4 м и более (соответствует критическим температурам менее 100 °С). В силосе диаметром 11 м зерно может самовозгореться при прогреве всего до 50 °С. Весь вопрос: за какое время? Рисунок 2 – Зависимость критического размера цилиндрической ёмкости от температуры разогрева ржаного зерна Рисунок 3 – Температурная зависимость периода индукции На рисунке 3 представлены результаты расчёта температурной зависимости периода индукции процесса очагового самовозгорания ржаного зерна в силосе «классического» размера (с диаметром горизонтального сечения 6 м). Как показывает перекрестье на рисунке 2, в таком силосе рассматриваемый продукт самовозгорится уже при разогреве до 74 °С. Но период индукции очагового самовозгорания становится меньше 10 суток при самонагревании массы материала до температур около 90 °С и выше. При таких разогревах микробиологическое самовозгорание ржаного зерна в силосах диаметром 6 м возможно. Если содержание микрофлоры в зерне допускает разогрев до температур менее 90 °С, зерновая масса благополучно остынет и самовозгорание продукта не произойдёт. В случае установления опасности самовозгорания продукции при хранении требуется выполнение комплекса профилактических мероприятий. Например, профилактика развития пожаров и взрывов в емкостях зернохранилищ должна предусматривать следующее: · непрерывный мониторинг температурного режима хранения; · мониторинг состава горючих компонентов газовой среды в случае аварийного режима самосогревания (при необходимости – с возможностью управления системами вентиляции и флегматизации); · ограничение размеров, секционирование емкостей для конкретных видов продукции (на основании расчета безопасных характеристик процесса); · расчётное обоснование режима выгрузки аварийного резервуара и определение способов защиты смежных с ним емкостей; · расчётное обоснование характеристик систем стабилизации температуры (флегматизация и охлаждение) выгружаемого из аварийных емкостей продукта. Вывод Представлена методология расчёта условий очагового самовозгорания хранимых материалов. Показана возможность микробиологического самовозгорания продукции в условиях хранения. Предложенные алгоритмы позволяют определить безопасные для самовозгорания условия хранения. Приведены основные направления деятельности по профилактике микробиологического самовозгорания на хозяйственных объектах.

About the authors

A. V Gavrilov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

I. A Korolchenko

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files