Nguy cơ tự nóng lên của vật liệu sinh khối
Việc mở rộng ngành năng lượng sinh khối đã thúc đẩy nhu cầu tăng khả năng lưu trữ sinh khối quy mô lớn để đảm bảo nguồn cung cấp nhiên liệu ổn định. Khi yêu cầu lưu trữ tăng lên, các rủi ro về sức khỏe và an toàn cũng liên quan đến việc lưu trữ sinh khối, đặc biệt là nghẹt thở do khí thải, hỏa hoạn (đôi khi tự phát) và các vụ nổ bụi. Do đó, số lượng các sự cố được báo cáo tại các cơ sở sinh khối đang gia tăng đều đặn. Dữ liệu trực tuyến chỉ ra rằng mặc dù đã có 65 sự cố được báo cáo từ năm 2000 đến 2018, nhưng chúng chỉ tăng 9 sự cố trong năm 2017. Hơn nữa, 55 phần trăm các sự cố được báo cáo liên quan đến hỏa hoạn, 27,5 phần trăm trong số đó đã được xác nhận sự cố tự nóng lên. Sự cố cháy nổ bổ sung có thể là do sự tự nóng lên, nhưng không được chứng minh.
Sinh khối tự nóng lên là một vấn đề thực sự. Năm 2017, một vụ hỏa hoạn lớn tại nhà máy điện nông nghiệp tiên tiến đã xảy ra ở Thái Lan. Cảnh sát được trích dẫn nói rằng một đống nhiên liệu sinh khối nặng 500 tấn bốc cháy, rõ ràng là do nhiệt tích lũy.
Trở lại vấn đề cơ bản
Như chúng ta đều biết, hầu hết các vật liệu khối lượng lớn và bột được xử lý trong công nghiệp đều dễ cháy và trong điều kiện phù hợp có thể gây ra hỏa hoạn, cháy nổ hoặc nguy hiểm cháy nổ. Nguy cơ hỏa hoạn sẽ tồn tại nếu có ba thành phần ở cùng một nơi và cùng lúc đó là chất rắn dạng hạt dễ cháy, bầu không khí oxy hóa (điển hình là oxy trong không khí) và nguồn đánh lửa. Điều này thường được gọi là tam giác lửa. Trong trường hợp các nguy cơ cháy đám mây bụi (nguồn cháy), các điều kiện sau đây phải đồng thời có mặt: đủ số lượng bụi dễ cháy để lan truyền một nguồn cháy; Một cơ chế oxy hóa không khí; và nguồn đánh lửa.
Đáng chú ý là ba điều kiện đầu tiên thường được dự kiến tại một số điểm trong bất kỳ hoạt động xử lý vật liệu / bụi, dịch chuyển, xử lý, thu gom bụi hoặc hoạt động đóng gói. Và, tất nhiên, sự tồn tại đồng thời của một nguồn đánh lửa đáng tin cậy sẽ dẫn đến nguồn gây cháy của đám mây bụi. Nếu nguồn gây cháy tồn tại trong những nơi bị giam hãm như trên tàu phòng / tòa nhà, khí áp suất đủ lớn có thể gây ra một vị nổ bụi đủ để phá vỡ vỏ bọc chúng như một con tàu hay một tòa nhà.
Từ quan điểm pháp lý, trong một cơ sở nơi có nguy cơ cháy / bụi, cháy nổ và nguy cơ cháy nổ, Tiêu chuẩn NFPA 652 về Nguyên tắc cơ bản của Bụi dễ cháy, phiên bản 2019, yêu cầu chủ sở hữu / nhà điều hành của cơ sở phải chịu trách nhiệm đáp ứng an toàn tính mạng, tiếp tục nhiệm vụ và giảm thiểu cháy lan và nổ như sau:
• Bảo vệ một cách hợp lý những người cư ngụ không ở gần khu vực đánh lửa khỏi tác động của lửa trong thời gian cần thiết để sơ tán, di dời hoặc lánh nạn.
• Ngăn chặn hợp lý thương tích nghiêm trọng từ các vụ cháy nổ.
• Bảo vệ hợp lý các tài sản liền kề và công chúng khỏi tác động của hỏa hoạn, hỏa hoạn hoặc nổ.
• Hạn chế thiệt hại ở các mức đảm bảo nhiệm vụ, khả năng sản xuất hoặc hoạt động liên tục của cơ sở ở mức độ được chủ sở hữu / nhà điều hành chấp nhận.
• Ngăn chặn hoặc giảm thiểu các vụ cháy nổ có thể gây ra sự cố cho các tòa nhà, khoang, thùng, tài sản, kho lưu trữ, các yếu tố cấu trúc của cơ sở, hoặc hệ thống an toàn cuộc sống khẩn cấp.
Để đáp ứng các tiêu chí trên, NFPA 652 yêu cầu chủ sở hữu / nhà điều hành của cơ sở phải hoàn thành các nhiệm vụ sau:
• Xác định độ nguy hiểm cháy (lửa) và nguy cơ cháy nổ của vật liệu.
• Tiến hành phân tích nguy cơ bụi (DHA), đây là một đánh giá có hệ thống về nguy cơ cháy bụi, nguồn gây cháy và nguy cơ cháy nổ và đề xuất các biện pháp quản lý.
• Quản lý các nguy cơ cháy, cháy nổ và cháy nổ được xác định.
• Thiết lập hệ thống quản lý an toàn bằng văn bản.
Một bảng phân tích nguy cơ chát bụi (DHA) là một đánh giá có hệ thống nguy cơ cháy bụi, bùng nổ mối nguy tiềm ẩn trong một quá trình hoặc cơ sở, và khuyến cáo các biện pháp quản lý. Điều này liên quan đến việc xác định các vị trí nơi tích tụ bột dễ cháy hoặc khí quyển đám mây bụi nổ hoặc có thể xuất hiện trong cả điều kiện có thể thấy trước, và xác định các nguồn gây cháy tiềm ẩn trong điều kiện hoạt động bình thường và bất thường.
Đối với dự án xây dựng mới, một DHA phải được hoàn thành như là một phần của dự án. Các quy trình và cơ sở hiện tại phải hoàn thành các DHA trước ngày 7 tháng 9 năm 2020. Ngoài ra, DHA phải được xem xét và cập nhật ít nhất 5 năm một lần. Các DHA phải được tiến hành bởi một người có chuyên môn đã được chứng minh về các mối nguy liên quan đến việc xử lý và xử lý các chất rắn dạng hạt dễ cháy.
Tùy thuộc vào loại và tính chất của bột và quy trình, nguồn đánh lửa đáng tin cậy có thể bao gồm ngọn lửa mở, ngọn lửa cắt và hàn, gia nhiệt ma sát hoặc tia lửa, bề mặt nóng, tia lửa từ thiết bị điện, phóng tĩnh điện và sự tự nóng lên.
Đối với ngành sinh khối, có các tiêu chuẩn NFPA đặc thù của ngành hoặc hàng hóa khác cũng cần được tư vấn, tùy thuộc vào bản chất của vật liệu sinh khối. Trong bài viết này, chúng tôi chỉ tập trung vào các yêu cầu của tiêu chuẩn cấp độ cao nhất của NFPA 652.
Mối nguy từ sự tự nóng lên
Khi vật liệu bị dồn thành khối lượng lớn, các nguồn đánh lửa tinh tế liên quan đến các quá trình gia nhiệt đôi khi có thể tự hiện diện và có lẽ sự mất ổn định vốn có của chính vật liệu. Ví dụ, bột hoặc lớp bột số lượng lớn có thể tự làm nóng, cháy và bắt lửa do phản ứng hóa học tỏa nhiệt (phân hủy tỏa nhiệt hoặc oxy hóa tỏa nhiệt), hoặc các quá trình sinh học, cũng có thể tạo ra nhiệt. Chuồng trại, cánh đồng cỏ khô, đống phân ủ và đống gỗ vụn đã tự bốc cháy trong quá khứ. Trong trường hợp này, nước là chất xúc tác cho quá trình sinh học và sinh nhiệt.
Khi quá trình tự gia nhiệt bắt đầu, có khả năng đạt đến nhiệt độ tới hạn mà tại đó vật liệu khối sẽ âm ỉ và tiếp tục tăng tốc khi tăng nhiệt độ. Vật liệu chất thành khối đóng vai trò là khối cách nhiệt tốt, ức chế việc làm mát và thúc đẩy việc tạo và tích tụ năng lượng nhiệt từ bên trong khối nguyên liệu đó.
Tự nóng lên là một hiện tượng phức tạp bao gồm cả phản ứng hóa học sinh nhiệt hoặc quá trình sinh học và quá trình truyền nhiệt (mất nhiệt). Nói một cách đơn giản, khi tốc độ sinh nhiệt vượt quá tốc độ mất nhiệt, nhiệt độ có thể nhanh chóng tăng lên. Nếu không được bảo vệ, vật liệu tự nóng lên có thể dẫn đến âm ỉ. Tuy nhiên, nếu không có không khí quá trình đốt cháy không thể diễn ra. Trong trường hợp này, phần lớn tiếp tục quá nóng, nhưng không bắt lửa.
Khi không khí được đưa vào, vật liệu khối có thể bùng cháy. Ngay cả cào một đống vật liệu âm ỉ cũng có thể đạt được điều này. Nếu bụi sau đó bị bốc lên, có nguy cơ nổ bụi rất thực tế.
Trong tất cả các trường hợp tự nóng lên, thời gian là một yếu tố quan trọng, vì một số phản ứng tỏa nhiệt phải mất một thời gian để được thiết lập. Nó không phải là bất thường để có một ngày cháy hoặc nổ sau khi một phễu hoặc hầm đã được lấp đầy.
Các hoạt động công nghiệp dễ xảy ra hỏa hoạn và có thể là vụ nổ do sự tự nóng lên bao gồm các quá trình sấy khô bột và tự nóng lên. Nhưng nhiệt vô tình có thể gây ra cho các vật liệu bởi mặt trời, hoạt động xay xát và nghiền cơ học, hoặc khi một lớp bột tích tụ trên bề mặt nóng, chẳng hạn. Thông thường, khi vật liệu nóng lên được tích tụ thành khối hoặc lớp ở nhiều vị trí khác nhau trong thiết bị xử lý, hoặc cuối cùng, trong phễu, silo, túi lớn hoặc gói nhỏ hơn, vấn đề trở nên rõ ràng. Lưu trữ số lượng lớn vật liệu sinh khối là kịch bản phổ biến nhất cho sự tự nóng lên, và khối lượng càng lớn thì khả năng xảy ra càng lớn, với nguy cơ cháy nổ sau đó.
Cần lưu ý rằng nhiệt độ khởi động để tự nóng lên không phải là một thuộc tính nội tại của đống vật liệu cồng kềnh. Các yếu tố như thành phần, sự hiện diện của tạp chất trong vật liệu, kích thước của bột tích lũy, không khí / oxy và thời gian tiếp xúc bột với nhiệt độ nhất định đều có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ khởi phát của quá trình tự gia nhiệt.
Chế biến, lưu trữ và vận chuyển bột
Bước đầu tiên trong việc đảm bảo an toàn khỏi các vụ cháy và vụ nổ do sự tự nóng lên là có sự hiểu biết đúng đắn về các đặc tính tự nóng lên của nó (bao gồm cả tiềm năng phát sinh khí).
Đo hoạt động tỏa nhiệt thường bao gồm làm nóng mẫu trong các điều kiện được kiểm soát để xác định điểm tại đó nhiệt độ của nó bắt đầu tăng độc lập với nguồn nhiệt bên ngoài. Đối với thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để cung cấp chỉ dẫn về các mối nguy hiểm có thể sử dụng được, mẫu thử phải là đại diện của bột trong quy trình. Ngoài ra, các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm phải mô phỏng hợp lý các điều kiện mà bột gặp phải trong quá trình xử lý và xử lý, và bảo quản, đóng gói và vận chuyển tiếp theo. Thông thường, thử nghiệm sàng lọc ban đầu được thực hiện, trong đó nhiệt độ mẫu thử được tăng lên với tốc độ 1 độ C mỗi phút. Nếu tự gia nhiệt được quan sát ở nhiệt độ gần với quá trình hoặc nhiệt độ bảo quản, hoặc chu trình quá trình dài hơn thời gian thử nghiệm trên nhiệt độ quá trình, thì cũng cần phải thử nghiệm tự gia nhiệt đẳng nhiệt.
• Lò nướng Grewer: Vật liệu (mẫu thử) được làm nóng lên bằng luồng khí nóng thấm qua mẫu. Nhiệt độ xung quanh mà tại đó nhiệt độ mẫu bắt đầu tăng nhanh hơn mẫu tham chiếu trơ được lấy là nhiệt độ khởi động tự làm nóng của mẫu.
• Kiểm tra giỏ đẳng nhiệt: Được thực hiện bằng cách làm nóng các mẫu bột trong các giỏ dây hình khối có kích cỡ khác nhau (thường là ba kích cỡ) trong lò để xác định nhiệt độ tối thiểu mà mỗi cỡ mẫu tự nóng. Thử nghiệm này cho phép người ta quan sát ảnh hưởng của thang đo (nghĩa là kích thước / số lượng vật liệu) đối với nhiệt độ khởi động của vật liệu để tự làm nóng chính xác hơn.
• Kiểm tra bột số lượng lớn: Được sử dụng để đánh giá các đặc tính tự gia nhiệt của vật liệu với số lượng không quá 1 tấn trong các tình huống khi nó được nung ở dạng khối.
• Kiểm tra bột có ga: Mô phỏng các điều kiện trong quá trình gia nhiệt của vật liệu với số lượng không quá 1 tấn, trong đó luồng khí nóng chảy qua bột bulking.
• Kiểm tra lớp bột: Mô phỏng các điều kiện trong đó không khí nóng vượt qua một lớp hoặc lắng đọng vật liệu trong máy sấy. Ví dụ bao gồm máy sấy khay và cặn vật liệu trên bề mặt bên trong của tất cả các loại máy sấy.
Để lưu trữ số lượng lớn vật liệu sinh khối, kết quả sàng lọc hữu ích thu được từ các thử nghiệm trên, nhưng các thử nghiệm giỏ có thể được sử dụng trực tiếp để mô hình hóa hiệu quả của khối lượng lưu trữ phễu / hầm. Hãy nhớ rằng, khối lượng lưu trữ càng lớn, nhiệt độ tự sưởi ấm sẽ trở thành một vấn đề.
Thận trọng để tránh các mối nguy hiểm
• Giữ nhiệt độ vật liệu ở mức an toàn dưới nhiệt độ khởi điểm mà tại đó vật liệu bắt đầu tự nóng lên bằng các phương pháp thử nghiệm thích hợp trong phòng thí nghiệm.
• Hạn chế thời gian lưu trữ.
• Thiết kế cơ sở và thiết bị nên tránh các gờ, góc, vùng chết, v.v., nơi vật liệu có thể vô tình tích tụ bên trong thiết bị xử lý.
• Tránh tích lũy mức độ nguy hiểm của vật liệu lưu lại trên các bề mặt bên trong của thiết bị xử lý.
• Các biện pháp tránh các nguồn gây cháy và chống cháy nổ khác cũng phải được kiểm tra thông qua một bảng đánh giá nguồn gây cháy (DHA.)
Phần kết luận
Bột và vật liệu rời có thể cháy âm ỉ và bắt lửa do quá trình tự gia nhiệt do cả quá trình hóa học và/hoặc sinh học.
Ngăn chặn sự tự nóng lên và các vụ cháy nổ sau đó trong các hoạt động xử lý / xử lý hàng loạt đòi hỏi phải hiểu đúng các đặc tính không ổn định nhiệt của vật liệu thông qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cụ thể và phù hợp, mô phỏng hợp lý các điều kiện mà vật liệu gặp phải trong các giai đoạn xử lý và lưu trữ.