О горючести пивоваренного ячменя и ячменного солода

ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

И. С. Таубкин

канд. техн. наук, главный эксперт РФЦ Судебной экспертизы Минюста РФ, г. Москва, Россия

А. Р. Саклантий

канд. техн. наук, ведущий эксперт РФЦ Судебной экспертизы Минюста РФ, г. Москва, Россия

Т. А. Рудакова

канд. хим. наук, научный сотрудник ИСПМ им. Н. С. Ениколопова РАН, г. Москва, Россия

А. В. Сухов

старший эксперт РФЦ Судебной экспертизы Минюста РФ, г. Москва, Россия

УДК 536.46+536.2.022+544.427

О ГОРЮЧЕСТИ ПИВОВАРЕННОГО ЯЧМЕНЯ И ЯЧМЕННОГО СОЛОДА

Рассмотрены особенности горения пивоваренного ячменя и ячменного солода в насыпях под действием различных источников: раскаленной нихромовой спирали; пламени пропан-бутановой горелки. Проведена оценка теплового потока, действовавшего на ячмень и солод при их огневых испытаниях. Даны рекомендации по использованию экспресс-методики для определения пожарной опасности насыпей ячменя и ячменного солода для исследования пожарной опасности насыпей других зерновых культур.

Ключевые слова: горение; пожароопасность; ячмень; тление; тепловой поток; огневое воздействие; температура; обугливание.

В связи с пожарами в напольных зернохранилищах, с необходимостью их расследования, а значит, и судебно-экспертного исследования несомненный интерес представляют показатели пожаро-опасности различных зерновых культур. При расследовании уголовных дел, связанных с хищением зерна из зернохранилищ, последующим их поджогом и получением страховой выплаты, наряду с традиционными вопросами о технической и организационно-технической причинах пожара, встает вопрос о количестве сгоревшего зерна.

Для ответа на этот вопрос экспертам необходимо знать особенности процессов горения зерна, и в первую очередь нормальную скорость его выгорания (скорость распространения горения внутрь его насыпи) под воздействием как непосредственно пламени пожара, так и тепла от упавших на насыпь зерна горящих строительных конструкций хранилища. Рассмотрим решение этой задачи на примерах и результатах экспериментального определения пожарной опасности насыпей пивоваренного ячменя (далее — ячменя) и ячменного солода, подготовленных к хранению.

Зерно ячменя поставляется пивоваренной промышленности по ГОСТ 5060-86 [1].

Ячменный солод представляет собой пророщен-ное, высушенное ячменное зерно и является неза-

менимым компонентом в пищевой отрасли производства. Солод широко применяется в пивоварении и винокурении, в хлебопечении и производстве дрожжей, для приготовления кваса и во многих других отраслях производства.

Перечисленные материалы имеют следующие показатели пожарной опасности.

Ячмень (ГОСТ 16470-70)—визмельченном виде горючий порошок. Элементный состав, % масс.: углерод—43,47; водород — 6,00; азот—3,10;сера— 1,42; кислород — 46,01. Теплота сгорания 17,37 кДж/г. При дисперсности образца менее 100 мкм температура самовоспламенения аэровзвеси 430 °С; температура тления 290 °С; нижний концентрационный предел распространения пламени 47 г/м3; максимальное давление взрыва 645 кПа; максимальная скорость нарастания давления 11,4 МПа/с и минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) 12,3 % [2].

Солод ячменный — в измельченном виде горючий порошок. При дисперсности образца менее 74 мкм (влажность равна нулю) температура самовоспламенения аэрогеля 250 °С, аэровзвеси—400 °С; нижний концентрационный предел распространения пламени 55 г/м3; минимальная энергия зажигания 35 мДж [2].

© Таубкин И. С., Саклантий А. Р., Рудакова Т. А., Сухов А. В., 2011

Приведенные характеристики ячменного солода и ячменя получены для порошков вышеуказанной дисперсности. Пожароопасные характеристики зерен ячменя и солода в источниках [1-16] обнаружить не удалось. Для их определения была разработана специальная методика и проведены эксперименты с ее использованием.

В ходе экспериментов применялось следующее оборудование и приборы:

• вольтметр цифровой универсальный Ф283-3, № 1017, 1985 г., класс точности 1,5;

• хромель-копелевая термопара с диаметром спая 1,5 мм;

• хромель-алюмелевая термопара с диаметром спая 1,5 мм;

• весы электронные SCOUT-SC6010 ("Ohaus Europe" Ltd, USA), точность 0,1 г, максимальная масса 600 г;

• газовая горелка с диаметром отверстия сопла 14 мм, подсоединенная одним шлангом к редуктору 50-л баллона с пропаном, другим — к компрессору воздуха;

• газосчетчик барабанный с водяным затвором, тип ГСБ-400,№2136,1977 г., класс 1 по ГОСТ6463-53;

• фотоаппарат "Sony DSC-F717";

• инструментальная металлическая линейка миллиметровая по ГОСТ 427-75;

• секундомер, класс точности 2.

Исследование горения зерна ячменя

Опыты с раскаленной спиралью

В опытах с раскаленной электрической спиралью исследовалась возможность возгорания зерна ячменя от этого источника зажигания (имитирующего мощный источник тления), а также его способность выгорать и тлеть после обрушения деревянных строительных конструкций кровли зернохранилища, обугленные поверхности которых в начальный момент непосредственного контакта с зерном имеют температуру менее 800 °С вместо реализуемых при пожаре в верхних частях помещения (под коньком кровли) температур до 1100 °С. Связано это с тепловыми потерями в пламени при контакте поверхности горящей обрушившейся конструкции с более холодным зерном (и, как следствие, теплоотводом в слой зерна) и затрудненным доступом воздуха в зону горения — на границе контакта зерна с обугленной поверхностью деревянной конструкции.

Для проведения опытов было использовано зерно сухого ячменя с насыпной плотностью 720 кг/м3, для определения которой устанавливали массу зерна заданного объема на электронных весах с точностью до второго знака. Полученное значение насыпной плотности зерна ячменя соответствовало его насыпной плотности, приведенной в [16].

Рис. 1

Цилиндрическая многовитковая спираль из ни-хромовой проволоки диаметром 0,6 мм, которая использовалась в качестве источника зажигания зерна, имела диаметр 5,5 мм и форму, близкую к кругу диаметром 30 мм (рис. 1). Величина напряжения на автотрансформаторе, к которому подключалась спираль, была подобрана так, что температура ее поверхности достигала 750 °С.

В первом опыте зерно ячменя, сложенное горкой на подложке из асбоцементного листа, подвергалось с поверхности контактному воздействию раскаленной спирали в течение 15 с. Уже через 5 с с момента воздействия возникало пламенное горение зерна (см. рис. 1, а), которое прекращалось в течение нескольких секунд после удаления спирали. Тления зерна впоследствии не наблюдалось (см. рис. 1, б).

Таким образом, зерно ячменя оказалось неспособным самостоятельно гореть без воздействия на него мощного теплового потока, поддерживающего это горение. Как известно, вещества и материалы, способные гореть в воздухе под воздействием источника зажигания, но неспособные самостоятельно гореть после его удаления, относятся к трудногорючим [17]. Следовательно, зерно ячменя может быть отнесено к трудногорючим материалам, однако для подтверждения этого необходимы дополнительные испытания по методике ОТМ [18]. Для дополнительной оценки горючести зерна ячменя был проведен эксперимент, с одной стороны, моделирующий его горение при пожаре в зернохранилище, а с другой — обеспечивающий наименьшую тепло-

Рис. 2

отдачу из зоны горения, а значит, и наибольшую глубину его обугливания.

В опыте зерно ячменя было помещено в ячейку, изготовленную из асбоцементного листа толщиной 10 мм (рис. 2, а), размерами 85x110x100 мм (высота). В боковой стенке ячейки по ее высоте были сделаны 4 отверстия диметром 10 мм для установки термодатчиков. Высота слоя зерна, засыпанного на дно ячейки, составляла 40 мм. Через канал в боковой стенке ячейки была введена и закреплена предварительно отградуированная хромель-копелевая термопара, изготовленная из проволоки толщиной 0,8 мм. Спай термопары находился в центре ячейки, толщина слоя зерна над спаем составляла 20 мм. Электроды термопары были предварительно пропущены через каналы керамической двухканаль-ной соломки с внешним диаметром 3 мм, что обеспечивало их изоляцию.

Зерно в ячейке подвергалось длительному контактному воздействию раскаленной спирали. В первые несколько минут воздействия наблюдалось пламенное горение ячменя (рис. 2, б), которое прекратилось после обугливания его поверхностного слоя (рис. 2, в).

После устранения спирали от поверхности зерна его пламенное горение быстро прекращалось, и тления впоследствии также не наблюдалось. После "выжигания" ячменя раскаленной спиралью на поверхности появились зерна серого цвета, что вероятнее всего связано с выгоранием из исходного ячменя органической составляющей и образованием золы с большим содержанием минеральных солей (озолением зерна в результате длительного нагрева и окисления органических веществ).

На рис. 3 представлен график зависимости температуры насыпи ячменя, регистрируемой термопарой, от времени воздействия на него раскаленной спирали. Как видно из графика, за 60 мин воздействия фронт (граница) обугливания в вертикальном направлении сверху вниз не переместился даже на 20 мм, поскольку температура, зарегистрированная через час после начала действия раскаленной спирали на зерно, достигла только 230 °С. Согласно [2]

Т,° С 450 400 350 300 250 200 150 100 50

Солод Сосна

Ячмень (горелка) Ячмень

(тЬ

V

\

1

/ V

Ч / / ч

0 20 40 60 80 100 120 г, мин Рис.3

даже в измельченном зерне ячменя тление возникает лишь при температуре 290 °С.

Таким образом, эксперименты показали, что зерна ячменя не могут самостоятельно гореть в пламенном режиме после удаления от их поверхности источника зажигания с температурой 750 °С, а следовательно, невозможно инициирование его самостоятельного горения тлеющим источником зажигания (например, тлеющим табачным изделием) или электрическими искрами. Очевидно также, что при падении на слой зерна толщиной более 20 мм обугленных элементов деревянных конструкций он под действием тепла догорающей древесины полностью обуглиться не в состоянии.

Опыты по непосредственному огневому воздействию

Для оценки способности зерна ячменя выгорать при пожаре в наиболее жестких условиях при непосредственном воздействии пламени был проведен следующий эксперимент.

На поверхность слоя ячменя, помещенного в вышеописанную модельную ячейку, выполненную из асбоцементного листа (рис. 4, а), воздействовали пламенем пропан-бутановой горелки.

Рис. 4

Высота пламени горелки была отрегулирована и выбрана такой величины (15-20 см), чтобы при действии под углом на край ячейки оно "растекалось" по поверхности зерна, охватывая ее практически полностью. Общая высота слоя зерна в ячейке составляла 40 мм, а над спаем термопары, установленной в центре ячейки (как и в предыдущем опыте), — 20 мм.

Как и в опыте с раскаленной спиралью, после того как горелку отводили от поверхности зерна, наблюдалось непродолжительное самостоятельное пламенное горение, которое быстро прекращалось, а затем продолжалось в виде тления не более 10-15 с (рис. 4, б). После того как произошло обугливание верхнего слоя зерна, пламенного горения после удаления горелки не наблюдалось.

Зависимость температуры зерна, регистрируемой термопарой, от времени действия огня представлена также на рис. 3. Из графика видно, что в течение 45 мин после начала огневого воздействия значение температуры росло примерно с одинаковым темпом до достижения ею 350 °С, а затем скорость ее нарастания снизилась (перегиб на кривой). Вероятнее всего, это связано с полным выделением к тому времени из зерна всех летучих органических веществ и превращением его в карбонизованный остаток с примесью находившихся в исходном зерне минеральных веществ, о чем свидетельствует серый цвет остатков зерна на поверхности (рис. 5).

Можно полагать, что за 45 мин слой ячменя толщиной 20 мм под воздействием пламени горелки практически полностью карбонизовался. Измерение высоты слоя обугленного ячменя показало, что

Рис.5

она составляет не менее 17 мм, т. е. уменьшилась по сравнению с толщиной исходного слоя примерно на 15 %.

Таким образом, эксперимент показал, что скорость обугливания ячменя в условиях интенсивного пожара не превышает 0,45 мм/мин, само же обугливание определяется не способностью ячменя самостоятельно гореть, а исключительно воздействием тепла пожара, выделяющегося при горении строительных конструкций зернохранилища.

Исследование горения ячменного солода

Для опытов был использован сухой ячменный солод в виде зерен. Его измеренная насыпная плотность составила 580 кг/м3. По виду зерно солода напоминает зерно исходного ячменя, но более мягкое на ощупь. Как и в опытах с зерном ячменя, для установления скорости обугливания ячменного солода при пожаре, его способности распространять горение в режимах пламени и тления после прогорания и обрушения деревянных конструкций хранилища были проведены следующие эксперименты.

В первом опыте ячменный солод, сложенный горкой на асбоцементной подложке, подвергали с поверхности контактному воздействию раскаленной нихромовой спирали в течение 15 с. Как и в случае с ячменем, почти сразу возникло пламенное горение зерна, прекратившееся спустя примерно 15 с после устранения спирали. Тления солода впоследствии не наблюдалось. Таким образом, ячменный солод, как и исходный ячмень, оказался неспособным самостоятельно гореть без воздействия на него внешнего теплового потока, поддерживающего это горение.

Для оценки способности ячменного солода выгорать при пожаре в наиболее жестких условиях, т. е. при непосредственном воздействии пламени, были проведены эксперименты, аналогичные опытам с зерном ячменя.

Сначала на солод, сложенный горкой на асбоцементном листе, воздействовали пламенем пропан-бутановой горелки (рис. 6, а). Поверхностный слой при этом воспламенялся (рис. 6, б), однако горение прекращалось уже через 10-15 с, и тления впоследствии не наблюдалось.

В опыте с ячменным солодом, помещенным в вышеописанную модельную ячейку из асбоцементного листа, на поверхность слоя воздействовали пламенем пропан-бутановой горелки. Высоту последнего поддерживали 15-20 см, чтобы при действии под углом на край ячейки пламя "растекалось" по поверхности зерна, охватывая ее практически полностью. Общая высота слоя солода в ячейке составляла также 40 мм, а над спаем термопары, уста-

новленной в центре ячейки, как и в опыте с зерном ячменя, — 20 мм.

Как и в опыте с раскаленной спиралью, после удаления горелки от поверхности солода наблюдалось непродолжительное самостоятельное горение, которое быстро прекращалось, и тления в дальнейшем не наблюдалось. После выдерживания пламени горелки до обугливания верхнего слоя солода пламенного горения после устранения источника также не наблюдалось.

Зависимость температуры солода, регистрируемой термопарой, от времени действия пламени горелки представлена на рис. 3. Из рисунка видно, что, как и у ячменя, практически до достижения 400 °С (в течение 50 мин после начала огневого воздействия) температура росла примерно с одинаковым темпом, а затем скорость ее подъема снизилась (перегиб на кривой), что, вероятно, также связано с существенным выделением к этому времени из солода летучих органических веществ, завершением в основном протекания экзотермических реакций в газовой фазе и карбонизацией зерна. Окисление же карбонизованного зерна в толщине слоя оказалось замедленным из-за затрудненной диффузии воздуха через слой зерна.

Таким образом, как и в случае с ячменем, скорость продвижения фронта карбонизации солода примерно та же — 0,4 мм/мин. Однако в отличие от ячменя, у которого карбонизованный слой по толщине был примерно равен толщине слоя исходного зерна — 20 мм, слой солода, подвергшийся в тече-ние1чвоздействию высокойтемпературы, стал больше по толщине примерно в 1,7 раза за счет вспучивания (рис. 7), а почерневшие зерна спеклись в своеобразный "пирог".

После прекращения воздействия огня температура в слое практически сразу стала снижаться (см. рис. 3), хотя еще примерно полчаса продолжалось выделение из него дыма.

Таким образом, эксперимент показал, что скорость обугливания ячменного солода в условиях интенсивного пожара 0,4 мм/мин примерно такая

же, как и у ячменя. Обугливаться солод способен, как и ячмень, только под воздействием тепла пожара, выделяющегося при горении строительных конструкций зернохранилища.

Как известно, многие органические вещества (материалы) при тепловом воздействии образуют уголь, содержащий так называемые кольчатые структуры, т. е. переходят в наиболее устойчивое состояние существования в условиях высоких температур.

Оценка теплового потока, действовавшего на ячмень и солод при их огневых испытаниях

В приведенных выше опытах по непосредственному воздействию пламени газовой горелки на зерно ячменя и ячменный солод остался неисследованным весьма важный параметр — тепловой поток, под действием которого происходило их обугливание. Теоретически оценить поток тепла, под действием которого происходило обугливание (фактически выжигание) данных материалов, очень сложно. Для древесины же, которая так же, как ячмень и солод, состоит в основном из клетчатки (целлюлозы), зависимость скорости обугливания от действующего на нее теплового потока изучена. Она определяется выражением

V = 2,2 • 10-21,

где I — тепловой поток, кВт/м2 [19].

Если определить скорость продвижения фронта карбонизации древесины под действием на нее теплового потока при тех же условиях, что и в опытах по огневому воздействию на ячмень и солод, можно по формуле рассчитать тепловой поток, создававшийся при огневых испытаниях.

Для оценки этого параметра были проведены огневые испытания древесины. В опыте брусок из высушенной сосновой доски размером 85x110x45 мм (высота), помещенный в описанную выше ячейку из асбоцементного листа, подвергался воздействию пламени газовой горелки в течение 90 мин. Высота слоя древесины над спаем термопары для повыше-

ния точности эксперимента была увеличена до 35 мм. Зависимость температуры древесины в точке, где находился спай термопары, от времени представлена на рис. 3.

В результате опыта образовался карбонизован-ный фрагмент с крупноячеистой структурой и глубиной обугливания бруска местами (в трещинах) до 40 мм, что установлено после распиливания образца, т. е. почти на всю первоначальную высоту образца.

Таким образом, определенная опытным путем скорость продвижения фронта обугливания древесины составила примерно 0,39-0,44 мм/мин при тепловом потоке во всех огневых испытаниях 1820 кВт/м2. Такие характеристики тепловых потоков являются максимальными для нижних частей помещения, охваченного пожаром [19].

Обобщение результатов, полученных в экспериментах

Исходя из результатов, полученных при экспериментальных исследованиях, можно прийти к следующим заключениям:

• горение насыпей зерна ячменя и ячменного солода в воздухе возможно исключительно* при

* Авторы не рассматривают случаи возникновения пожара зерна при его самовозгорании.

воздействии на них источника зажигания и прекращается после его удаления. В связи с этим их горение в напольных зернохранилищах происходит только под воздействием тепловых потоков, возникающих во время пожара;

• скорость продвижения фронта обугливания зерна ячменя и ячменного солода в насыпи под действием одностороннего теплового потока 18-20 кВт/м2 примерно одинакова и не превышает 0,4-0,45 мм/мин;

• после огневых испытаний остается слой обугленного ячменя высотой примерно на 15 % меньше высоты слоя исходного зерна, а в опытах с солодом происходит не только обугливание, но и вспучивание обугленного слоя его зерен с кратностью вспучивания 1,7;

• после огневого воздействия экзотермические реакции окисления, сопровождающиеся дымооб-разованием, протекают в верхней части поврежденного слоя ячменя и солода, в то время как ниже обугленного слоя их тления не наблюдается.

Вывод

Методика определения пожарной опасности насыпей ячменя и ячменного солода, изложенная в данной работе, может быть использована в качестве экспресс-методики для исследования пожарной опасности насыпей других зерновых культур.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ5060-86. Ячмень пивоваренный. Технические условия. — Введ. 01.07.88. — М.: Изд-во стандартов, 1987.

2. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справ. изд. — В 2 кн. / А. Н. Баратов, А. Я. Корольченко, Г. Н. Кравчук и др. — М. : Химия, 1990.

3. Пожарная опасность веществ и материалов : справочник / Под ред. И. В. Рябова. — М. : Изд-во лит. по стр-ву, 1966.

4. Таубкин С. И., Баратов А. Н., Никитина Н. С. Справочник пожароопасных твердых веществ и материалов. — М. : Изд-во МКХ РСФСР, 1981.

5. Таубкин С. И. Пожар и взрыв. Особенности их экспертизы. — М. : ВНИИПО МВД России, 1999. — 599 с.

6. Васильев Я. В., Семенов Л. И. Взрывобезопасность на предприятиях по хранению и переработке зерна. — М.: Колос, 1983. — 224 с.

7. Вогман Л. П., Горшков В. И., Дегтярев А. Г. Пожарная безопасность элеваторов. — М.: Строй-издат, 1993. — 288 с.

8. Теплов А. Ф., Галкина А. В. Охрана труда на предприятиях по хранению и переработке зерна : справочник. — М. : Агропромиздат, 1989. — 384 с.

9. Клубань В. С., Петров А. П., Рябиков В. С. Пожарная опасность предприятий промышленности и агропромышленного комплекса. — М.: Стройиздат, 1987. — 477 с.

10. ГОСТ28672-90. Ячмень. Требования при заготовках и поставках. — Введ. 01.07.91 — М. : Изд-во стандартов, 1990.

11. ГОСТ 28418-89 (ИСО 2171-80). Зерновые, бобовые и продукты их переработки. Методы определения зольности. — Введ. 01.07.91. — М. : Изд-во стандартов, 1989.

12. ГОСТ29294-92. Солод пивоваренный ячменный. Технические условия. — Введ. 01.06.93. — М. : Изд-во стандартов, 1992.

13. СНиП 2.10.02-84. Здания и помещения для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции : утв. 13.06.84 Госстроем СССР; введ. 01.01.85. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1984.

14. СНиП2.10.05-85. Предприятия, здания и сооружения по хранению и переработке зерна: утв. 28.06.85 Госстроем СССР ; введ. 01.01.86. — М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

15. Инструкция по хранению продовольственно-кормового зерна, маслосемян, муки и крупы. № 9-2. — М. : Министерство заготовок СССР, 1978.

16. Правила организации и ведения технологического процесса на крупяных предприятиях. — М.: ВНИИЗ, 1990.

17. Терминологический словарь по пожарной безопасности /Сост. М. С. Васильев, Н. В. Бород-кина. — М. : ФГУ ВНИИПО, 2001. — 226 с.

18. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — Введ. 01.01.91. — М. : Изд-во стандартов, 1989; ИПК "Изд-во стандартов", 1996; 2001.

19. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ.; под ред. Ю. А. Кошмарова, В. Е. Макарова. — М. : Стройиздат, 1990.

Материал поступил в редакцию 28 октября 2010 г.

Электронный адрес авторов: igor-tau@mail.ru.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет новую книгу

ОГНЕТУШИТЕЛИ. УСТРОЙСТВО. ВЫБОР. ПРИМЕНЕНИЕ

Д. А. Корольченко, В. Ю. Громовой

В учебном пособии приведены классификация огнетушителей и конструкции основных их типов, средства тушения, используемые для зарядки огнетушителей, виды огнетушителей и правила их применения для ликвидации загораний различных веществ, рекомендации по расчету необходимого количества огнетушителей для разных объектов, по их размещению, хранению и техническому обслуживанию.

Рекомендации, содержащиеся в книге, разработаны на основе современных нормативных документов, регламентирующих конструкцию, условия применения, правила эксплуатации и технического обслуживания огнетушителей.

Учебное пособие рассчитано на широкий круг читателей: инженерно-технических работников предприятий и организаций, ответственных за оснащение объектов огнетушителями, поддержание их в работоспособном состоянии и своевременную перезарядку; преподавателей курсов пожарно-технического минимума и дисциплины "Основы безопасности жизнедеятельности" в средних и высших учебных заведениях; частных лиц, выбирающих огнетушитель для обеспечения безопасности квартиры, дачи или автомобиля.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mall@flrepress.ru