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Im Ergebnis des Vorhabens steht für die praktische Anwendung eine wissenschaftlich fundierte Methode der Gefahrenbewertung für Selbstentzündungsvorgänge bei der Lagerung von Massenschüttgütern, Deponiestoffen und Recyclingmaterialien zur Verfügung. Diese Methode besteht aus drei Bestandteilen:
- Experimentelle Bestimmung der relevanten physiko-chemischen Eigenschaften des Materials,
- Experimentelle Bestimmung des Reaktionsverhalten mittels thermischer Analyseverfahren,
- Vorhersage der Selbstentzündung und des Brandverlaufes durch numerische Simulation anhand der realen Geometrie der Lageranordnung.
Eine solche Methode wurde bisher nicht systematisch angewendet, weshalb sowohl bei der Erstellung von Brandschutzkonzepten durch die Betreiber von Deponien oder Recyclinglagern als auch bei der Genehmigung solcher Anlagen durch die Behörden große Unsicherheit bezüglich des vorbeugenden Brandschutzes bestehen. Diese Unsicherheiten können mit den Ergebnissen des Vorhabens ausgeräumt werden. Den Nutzen hieraus ziehen vor allem KMU, die den Hauptteil der Betreiberfirmen von Deponien und Recyclinglagern stellen. Darüber hinaus erwuchsen aus dem Vorhaben auch grundlegende Erkenntnisse zum thermischen und Reaktionsverhalten solcher Lager:
- Gemische von Kunststoffen mit zellulosehaltigen oder faserartigen Stoffen sowie Gemische von Kunststoffen mit inerten Stoffen zeigen eine stärkere Selbstentzündungsgefahr als reine Kunststoffe.
- Auch bei sehr geringen Anteilen brennbarer Stoffe kommt es noch zu gefährlicher Wärmefreisetzung.
- Bei heterogener Verteilung der brennbaren Komponente (brennbare Einschlüsse in nicht-brennbarem Material) kann eine „Übertragung“ der Zündung zwischen brennbaren Einschlüssen erfolgen.
Dies spiegelt z.B. die Situation in Lagern für Baumischabfälle wieder. Mit dem im Vorhaben entwickelten mathematischen Modell können Selbstentzündungsprozesse in beliebigen Lageranordnungen vorhergesagt werden. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht. Weiterer Forschungsbedarf wurde zu folgenden Teilaspekten erkannt:
- Selbstentzündungsverhalten von Abfällen, die als sogenannte Ersatzbrennstoffe aufbereitet werden (Pressballen mit und ohne Folieumwicklung),
- tiefer gehende Klärung der Reaktionsmechanismen beim Abbrand von Abfallgemischen.
Data and prediction for the mass burning rate of a tert-butyl-peroxy-benzoat (TBPB) pool fire (pool diameter = 3 m) is presented. The mass burning rates of TBPB fires are up to six times higher and less dependent on pool diameter compared to hydrocarbon pool fires caused by an additional heat release rate due to exothermic decomposition reaction in the liquid phase. This heat release rate is calculated using a 1st order reaction kinetic obtained from micro calorimetric measurements. A new model is derived considering the heat release rate due to the decomposition reaction which is shown to be 100 % of the heat release rate radiated to the pool surface. With the presented model, including also physical quantities, especially the limiting fuel concentration for upward flame propagation, it is possible to predict the mass burning rates of large TBPB pool fires. The predicted values are in very good agreement with the experiments.
A kinetic model of smouldering of pine wood is determined by thermo-gravimetric analysis (TGA), describing the reactions of wood pyrolysis, wood oxidation and char oxidation. Thermo-gravimetric experiments were conducted with constant heating rates ranging from 2.5 to 10 K/min in atmospheres of pure nitrogen and mixtures of nitrogen and oxygen (with 20.5%, 8.2% and 4.3% O2). At first wood pyrolysis and char oxidation experiments are carried out in an independent way. Then smouldering experiments are conducted, which combine the two previous reactions with wood oxidation. Finally, the heats of the reactions are determined by differential scanning calorimetry (DSC). The results are discussed, compared with the literature and the derived kinetic model is presented, which includes five components: three pseudo-components of wood – representing roughly cellulose, hemi-cellulose and lignin – as well as char and ashes.
Anhand von 5 verschiedenen Zimmerbrandversuchen wurde der Einfluss von Brandbeschleunigern auf den Brandverlauf experimentell untersucht. Es wurden verschiedene brandtechnologische Kennwerte, wie der Massenverlust des gesamten Brandraums, Brandraumtemperaturen, die Wärmefreisetzungen sowie die Rauchgasemissionen ermittelt und beurteilt. Die Rauchgasanalyse erfolgte im Schlot, im Brandraum sowie in der Brandraumöffnung mittels Fourier Transformierte Infrarot-FTIR-Spektroskopie. Neben diesen brandtechnologischen Untersuchungen erfolgten auch chemisch-analytische Untersuchungen nach dem Brand, mit dem Ziel, den eingesetzten Brandbeschleuniger nachzuweisen. Im Anschluss an die jeweiligen Zimmerbrandversuche wurden verschiedene Brandrückstandsproben aus dem Brandschutt, Wischproben von den Wänden und den übriggebliebenen Gegenständen sowie Proben in Form von Adsorbensmaterialien und Tenax-Röhrchen genommen und mit Hilfe der HSSPME-GC-MS-Methode (Headspace-Solid Phase Micro Extraction-Gas Chromatographie-Massenspekrometrie) in Hinblick eines möglichen Brandbeschleunigernachweis analysiert.
Self-ignition of deposited combustibles is a possible reason for excessive fires occurring on deposits for recycling materials or on waste dumps. Two series of experiments were performed to assess the hazard of self-ignition: hot storage tests with different homogeneous mixtures of combustible material and inert material and tests with pockets of combustible material embedded in inert matter. In the first test series considerable exothermicity (ΔT>60K) was observed for mass fractions of combustible material as low as 2.5%. In the second series it could be shown that the heat transfer from a pocket of burning material through the inert matter can ignite a second pocket of combustible matter.
Based on the experimental data, numerical simulations were performed to predict self-ignition on real-scale waste deposits. For a deposit of specific size and shape, the influence of the ambient temperature on the occurrence of self-ignition has been investigated.