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Organisationseinheit der BAM
Paper des Monats
- ja (1)
Determination of measurement uncertainties in adiabatic hot-storage experiments for reactive dusts
(2013)
The formal kinetics of self-ignition of solid bulk materials theoretically can be derived from just one single adiabatic hot-storage test. The question arises how uncertainties in the measurements can be quantified and how these uncertainties affect the results of the subsequent predictions. Adiabatic and isoperibolic hot-storage basket tests were performed for samples of lignite coal, black coal, cork dust, a polymer dust, and wax-coated silicid acid. In the adiabatic experiments, the starting temperature and the temperature control of the oven were varied systematically to study the uncertainty margin of adiabatic tests. The apparent activation energy and the pre-exponential factor of the lumped reaction were derived from the adiabatic tests including average values and standard deviations and compared to isoperibolic experiments performed according to the European standard EN 15188. It could be shown that with a precise temperature control of the adiabatic oven combined with an automated computation of the maximum rate of temperature rise the uncertainty of the apparent activation energy can be limited to less than 10%.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung der veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das andersgeartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Deshalb wurden und werden z.B. die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien auf den menschlichen Organismus bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben untersucht.
Fundierte Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren bei der Herstellung und Handhabung von nanoskalig hergestellten brennbaren Materialien bzw. von Stoffen mit Partikelgrößen < µlpm liegen hingegen bisher kaum vor. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist jedoch bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da beispielsweise ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfmdlichkeit zunehmen.
Die Explosionseigenschaften brennbarer Stäube werden durch sicherheitstechnische Kenngrößen beschrieben. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben - welche die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen für Anlagen bilden - erfolgte bislang nur in geringem Umfang. Diese Untersuchungen wurden zudem großteils in Analogie zu den genormten Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde dabei jedoch nicht überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind. Darüber hinaus kann es durch aus den Prüfapparaturen freigesetzten Staub zu einer Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter kommen.
Da bisherige Untersuchungen zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben den Oxidationsgrad der Proben nicht berücksichtigt haben, bestand die Vermutung, dass das Gefahrenpotential von Nanostäuben bislang unterschätzt werden könnte. Deshalb wurde ein modifizierter Prüfaufbau der Prüfapparatur 20-L Kugel entwickelt, um Nanostäube und deren Gefahrenpotential richtig einschätzen und der Kernfrage im Titel dieses Beitrages näher auf den Grund gehen zu können.
Insbesondere metallische Nanostäube wurden bei den ersten Tests zur Bestimmung des Brand- und Explosionsverhaltens untersucht. Bei entsprechenden Stäuben ist zu erwarten, dass sich eine mögliche Oberflächenoxidation bzw. Passivierung besonders stark auf das Explosionsverhalten auswirken könnte. Darüber hinaus ist bekannt, dass metallische Stäube pyrophor reagieren oder sich aufgrund der hohen Scherkräfte bereites beim Eindüsen in die Versuchsapparatur entzünden können. Dies kommt gelegentlich bei Metallstäuben mit Medianwerten von wenigen Mikrometern vor. Da bei nanoskaligen Stäuben theoretisch wesentlich größere Oberflächen auftreten, ist davon auszugehen, dass sich dieses Verhalten bei solchen Stäuben verstärken könnte. Dies wurde von Wu et al. in für nanoskalige Eisen und Titanpartikel nachgewiesen.
Staubexplosionsschutz - Einfluss des Staubungsverhaltens auf druckentlastete Staubexplosionen
(2013)
Dieser Beitrag beschreibt einen modifizierten Versuchsaufbau für die Prüfapparatur 20-L Kugel, der es ermöglicht, die zu untersuchenden Staubproben bis kurz vor deren Entzünden unter Ausschluss von Sauerstoff zu handhaben. Dieser modifizierte Aufbau wurde entwickelt, um die Bestimmung Sicherheitstechnischer Kenngrößen von möglichst unpassivierten Nanostäuben zu gewährleisten. Das Ziel dieser Modifikationen ist es, festzustellen, ob es bei der Standardapparatur und -prüfverfahren zu einer Unterschätzung der Explosionsheftigkeit und Zündempfindlichkeit durch Passivierung von Nanonstäuben vor der eigentlichen Untersuchung kommen könnte.
Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Methoden (das sogenannte Inertisierungsverfahren und das modifizierte Verfahren mit Verteilerschale) verwendet. Beide Methoden sind in diesem Artikel beschrieben. Er umfasst experimentelle Ergebnisse von Mikrostäuben, welche zur Validierung verwendet worden und darüber hinaus erste Ergebnisse mit Eisen und Aluminium Nanostäuben, die bis kurz vor dem Entzünden unter inerten Bedingungen gehandhabt worden. Das getestete Nano Eisen reagiert pyrophor, sobald es mit Luft in Kontakt kam, während bei dem untersuchten Nano Aluminium solches Verhalten nicht generell beobachtet werden konnte. Die Versuche mit Nano Aluminium und dem Inertisierungsverfahren zeigten einen höheren Druckanstieg im Vergleich zum Standard-Prüfverfahren. Dies könnte auf einen unterschiedlichen Grad der Passivierung hindeuten. Um diese Beobachtung näher zu untersuchen, sind weitere Versuche mit einer größeren Anzahl an Stäuben notwendig.
Minimum explosion concentration (MEC) of three agriculture dusts and two coal dusts was studied via a 20-L explosion chamber to reveal the role of gaseous inhibitors. Both active method (CO2 diluting air) and passive method (CO2 replacing O2) were used. The TG and DTG thermal analysis tests were conducted to study the pyrolysis and combustion characteristics of dust samples. An alternative explosion criterion based on combustion duration time was used to determine MEC, and compared with the standardized overpressure method. Under 10-kJ ignition condition, as oxygen mole fraction (XO2) decreased from 21% to 10%, MEC of agriculture dusts and coal dusts respectively increased by around 5 times and 2 times. The active inerting method with a lower N2/CO2 ratio was found to have a better suppression effect on the explosion of the five carbonaceous dusts because the blend has a higher specific heat and a lower oxygen diffusion rate.
The explosion characteristics of anthracite coal dust with/without small amount of CH4 (1.14 vol %) were investigated by using a 20 L spherical explosion apparatus with an emphasis on the roles of oxygen mole fraction and inert gas. Two methods based on overpressure and combustion duration time were used to determine the minimum explosion concentration (MEC) or the lower explosion limit (LEL) of the pure anthracite coal dust and the hybrid coal-methane mixtures, respectively. The experiment results showed that increasing oxygen mole fraction increases the explosion risk of coal dust: with increasing oxygen mole fraction, the explosion pressure (Pex) and the rate of explosion pressure rise ((dp/dt)ex)) increase, while MEC decreases. The explosion risk of anthracite dust was found to be lower after replacing N2 with CO2, suggesting that CO2 has a better inhibition effect on explosion mainly due to its higher specific heat. However, the addition of 1.14% CH4 moderates the inhibition effect of CO2 and the promotion effect of O2 on anthracite dust explosion for some extent, increasing explosion severity and reducing the MEC of anthracite dust. For hybrid anthracite/CH4 mixture explosions, Barknecht’s curve was found to be more accurate and conservative than Chatelier’s line, but neither are sufficient from the safety considerations. The experimental results provide a certain help for the explosion prevention and suppression in carbonaceous dust industries.
MIKE III apparatus tests were conducted to investigate the minimum ignition energy (MIE) of coal dusts in air and O2/CO2 atmospheres with and without small amount of CH4/H2. The O2 mole fraction (XO2) in the gas mixtures varied from 21% to 50% with the CH4/H2 mole fraction from 0 to 2%. Experimental result showed that MIE of coal dusts significantly decreases even by three orders of magnitude in mJ with increasing XO2 and the addition of CH4/H2. Compared with CH4, H2 had a relatively strong promotion effect on the spark ignition of coal dusts. The inhibiting effect of CO2 was found to be much stronger than N2, but this inhibiting effect of CO2 could be eliminated by 9% increment of XO2. The effect on MIE of coal dusts thus followed by the order: 9% increment of XO2 > CO2 replacing N2 > 2% CH4 or H2 addition. Moreover, two empirical models were used to estimate the MIE of hybrid dust-gas mixture (HMIE), and the results showed that calculated data can well reflect the promoting effect of elevated XO2 and flammable gas addition, and the inhibiting effect of inert gas
Measurement and numerical simulation of local dust concentrations over time in a vessel can only be done with some uncertainty due to the complexity of the behavior of dust/air mixtures. Dust concentration was measured in a 50 m³ vessel and compared to simulations with a commercial CFD code. A 50 m³ silo was used with two different filling methods. In one setup dust was conveyed with pneumatic filling at the top. The other filling was done with pressurized air and a homogenous injection via eight nozzles. Experiments were repeated three to four times with two kinds of dusts and the results were used to evaluate reproducibility of dust concentration measurements over time in a vessel depending on the filling method. Dust concentrations over time varied up to 30% from the average for homogenous injection and even more for pneumatic filling.
Numerical investigations were done with maize starch. Measured concentrations were compared to simulated ones with the commercial CFD code ANSYS CFX R14 using an Euler/Lagrange approach. Drag force, turbulent dispersion force, particle size distribution, particle surface area and particle/particle interaction were modeled. A general agreement of measurement and simulation was achieved. Numerical simulations of filling processes were used to predict parts of the vessel where the lower explosion limit is reached and exceeded. This could help to improve dust explosion protection, if it is used to find configurations where the dust concentration exceeds the lower explosion limit only in small parts of the vessel during filling, e.g. using different injection points or injection angles. The volume where LEL is reached or exceeded in a 50 m³ silo is shown for pneumatic and homogenous filling. Volume of combustible atmosphere in the vessel over time is compared for two pneumatic filling configurations and one worst-case homogenous injection configuration.
This paper describes experiences and results of experiments with several metallic dusts within the nanometer range. The nano dusts (aluminium, iron, zinc, titanium and copper) were tested in a modified experimental setup for the test apparatus 20 L-sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was already introduced in earlier papers by the authors. It was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). Furthermore the influence of passivation on explosion behaviour is investigated and additional tests with deposited dust were carried out to describe the burning behaviour of all dusts. For a better characterisation all samples were tested with a simultaneous thermal analysis (STA). To minimise the influence of oxidation all samples were handled at inert conditions until shortly before ignition or start of the test respectively.