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Zunächst werden einige methodische Grundsätze der Bildung mathematischer Modelle dargestellt. Es wird gezeigt, wie auf den jeweils interessierenden Fall zugeschnittene Modelle abgeleitet werden können. Die wesentlichsten Bemühungen, den Ablauf von Explosionen mathematisch zu beschreiben, werden resümiert und kritisch bewertet.
Die Menge an genutztem, verarbeitetem und gelagertem Holz steigt von Jahr zu Jahr. In der Folge konnte in den letzten fünf Jahren eine deutlich gestiegene Zahl von Bränden in Holzlagern und -halden festgestellt werden. Viele dieser Brände sind durch Selbstentzündung des Materials verursacht worden. Sind die Ursachen der Selbstentzündung bekannt, kann die Brandentstehung durch geeignete Maßnahmen vermieden werden. Die Fachgruppe II.2 „Reaktionsfähige Stoffe und Stoffsysteme“ der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat in diesem Leitfaden das Thema aufgegriffen und die derzeit vorliegenden Erkenntnisse zusammenfassend dargestellt. Ziel des Leitfadens ist es, die Grundlagen der Selbstentzündung von Biomasse am Beispiel von Holz in übersichtlicher Form darzustellen und daraus praktische Hinweise zur Vermeidung der Selbstentzündung von Holzhalden abzuleiten, um so einen Weg für einen sicheren und nachhaltigen Umgang mit diesem Rohstoff zu ebnen. Dem Leitfaden liegen Ergebnisse des Forschungsvorhabens „Brandvermeidung bei der Lagerung von biogenen Brennstoffen“ zugrunde. Das Projekt wurde innerhalb der Fördermaßnahme „klimazwei – Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung finanziell gefördert (Förderkennzeichen 01LS05079). Für diese Förderung möchten die Autoren sich bedanken.
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.
On drafting a new European standard "Gas Explosion Venting Protective Systems" a lack of data has been identified for venting at low activation pressures. Therefore, experiments have been performed on vented gas explosions using bursting foils of different strength. Cylinders of different volumes and length-to-diameter ratios (L/D) have been used as explosion vessels. The vessels were made from glass to make the flame propagation observable by a high-speed video system. For the dependence of the reduced explosion pressure Pred on L/D a maximum occurred for L/D about 3. This could be shown for vessels of different volumes and for different vent sizes. Using bursting foils of different strength it could be shown that the pressure evolution after the vent had opened, depended on the activation pressure only, when the vent size was to small to prevent a second peak in the pressure- time curve.
Der maßgebliche Einfluss turbulenter Strömungsbewegungen auf den Ablauf von
Explosionen ist bereits seit längerem bekannt. Wegen der Schwierigkeit, Betrag und
Richtung der turbulenten Schwankungsgeschwindigkeit in-situ zu messen, existieren
jedoch nur wenige diesbezügliche experimentelle Daten.
Es wurde deshalb eine aus drei Glassegmenten bestehende Versuchsapparatur mit
etwa 100 l Volumen und einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von 4,7 errichtet, die
die gleichzeitige Messung der Strömungsgeschwindigkeit und deren turbulenter
Fluktuation, der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme, der zeitlichen Entwicklung
des Explosionsdruckes sowie im Falle von Staubexplosionen der Staubkonzentration
erlaubte.
Die Glassegmente wurden durch Metallflansche verbunden, an welche insgesamt
sechzehn gleichmäßig über Umfang und Höhe verteilte Ventilatoren zur kontrollierten
Erzeugung eines Turbulenzfeldes montiert waren.
Die Explosionsversuche wurden mit einem Propan-Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch
sowie mit einem Maisstärke-Luft-Gemisch durchgeführt. Die Zündung der
explosionsfähigen Gemische erfolgte durch einen Hochspannungsfunken.
Als Berstfolien wurden zwei Polyethylenfolien (Dicke 10 und 15 µm) und drei
Aluminiumfolien (Dicke 15, 20 und 22 µm) verwendet.
Die Versuche zeigten sowohl bei Gas- als auch bei Staubexplosionen eine Zunahme
des reduzierten Explosionsdruckes für wachsende turbulente Schwankungs-geschwindigkeiten
im Bereich von 0 m/s bis 0,45 m/s. Diese Zunahme war
besonders ausgeprägt für verhältnismäßig kleine Entlastungsflächen (Durchmesser <
70 mm) bei geringen Ansprechdrücken (Polyethylenfolie), während für höhere
Ansprechdrücke (Aluminiumfolie) der Einfluss der Turbulenz zurückging.
Zur Ergänzung der Experimente wurden Simulationsrechnungen mit dem
Computational Fluid Dynamics-Programm Fluent6 unternommen. Diese Rechnungen
dienten der Validierung der den Programmen zugrunde liegenden Modelle im
Hinblick auf ihre Anwendbarkeit zur Berechnung von Explosionsabläufen in
technischen Anlagen. Es konnte eine realistische Wiedergabe der Druck-Zeit-Verläufe
durch die Rechnungen erreicht werden.
The current paper presents experimental investigations as well as numerical simulations on the influence of water and humidity on the self-ignition of combustible bulk materials.
It is well known, that bulk materials may undergo self-ignition if stored under specific conditions. In some cases, large amounts of these materials are exposed to a humid surrounding, e.g. dried coal in a moist atmosphere. Due to the effects of condensation and adsorption of water, additional heat is generated and transported into the bulk material. If the pile is stored slightly below its self-ignition temperature, the bulk material can become supercritical and an ignition occurs.
Experiments were carried out for German lignite coal sampled in two different particle size fractions. They showed, that subcritical deposits turned to supercritical behaviour if the relative humidity in the surrounding was suddenly increased or water was poured on the surface of the sample. Besides the experiments, a numerical model was established to describe the effects of self-heating until ignition of the deposit, including the transportation of moisture. Simulations with this model led to satisfying results when compared to the experiments.
Modelling Dust Fires
(2004)
Identifikation explosionsgefährdeter Bereiche in technischen Systemen mittels Strömungssimulation
(1996)
The main gaseous products and the mass loss during the self-ignition of combustible materials
(2006)
Einfluss der Konvektion auf das Selbstentzündungs- und Abbrandverhalten von Schüttgütern und Stäuben
(2005)
Selbstentzündung und Brandausbreitung von brennbaren Schüttgütern und Stäuben werden von mehreren Parametern beeinflusst. Verschiedene Einflussgrößen auf die Selbstentzündungstemperatur, wie Materialeigenschaften, Geometrie sowie Feuchtegehalt des Schüttgutes und seiner Umgebung sind bereits früher untersucht worden. Die vorliegende Arbeit stellt experimentelle Ergebnisse zum Einfluss der Konvektion an den Oberflächen von Schüttgutablagerungen auf Selbstentzündung und Brandausbreitung vor. Die Versuche wurden mit Braunkohlenstaub und Korkmehl durchgeführt. Zusätzlich wurde der Einfluss des Neigungswinkels der Schüttung (bei konstantem Volumen-Oberflächenverhältnis) untersucht. Mit Hilfe eines numerischen Modells wurde außerdem ein in der Literatur beschriebener Großversuch an Kohlehalden simuliert und bewertet. Dabei wurde der Selbstentzündungsvorgang, gefolgt von einer Brandausbreitung, berechnet.
Many self-accelerating decomposition temperatures (SADTs) of solid organic peroxides and self-reactive substances have been determined with the UN test method H.4, which is a scaled down test in a small Dewar vessel. For solid organic peroxides and solid self-reactive substances Fierz has questioned this procedure in a recent paper. Fierz concluded that the Dewar test results should not be extrapolated to beyond 8 l packages, owing to the thermal insulation value of solids. On the other hand, long term experience with the test, with a great variety of solid organic peroxides and self-reactive substances show about equal critical temperatures in the small Dewar vessel and on 50 kg scale. In the present work, we first checked, by numerical simulations, the Dewar scale versus the larger scale, in a way comparable with Fierz method: both scales are simulated by spheres, consisting of a number of annular layers, for the large scale the usual external heat loss term is used but for the small scale the outside heat transfer is strongly limited. The outcome of these simulations, covering a variety of physical parameters, supports the concerns expressed by Fierz. After this, we performed accurate cooling and heating experiments with solid organic peroxide in the usual Dewar vessel, provided with a large set of thermocouples. The results of these experiments showed that the simulation model for the Dewar vessel has to be changed from a spherical analogue to a short cylinder of solid material with heat exchange mainly via its top (Utop 3.5 W/(m2 K), overall heat transfer coefficient) and some heat exchange (Uside 0.29 W/(m2 K)) through its cylindrical and bottom part. With this modified cylinder model (being neither an infinitely long cylinder nor a slab) of the Dewar vessel, we found that the UN method H.4 enables an accurate prediction of the SADT, with small deviations of 0 ± 2.5 °C. Further, by performing a truly three-dimensional (3D) finite element calculation in FEMLAB, the new heat characteristics of the Dewar vessel as well as a 50 kg package of dilauroyl peroxide, a solid organic peroxide, were checked. The outcome was compared with the critical ambient temperatures known for various package sizes, which agreed well.
Experiments were performed on the influence of pre-ignition turbulence on the course of vented gas and dust explosions. A vertical cylindrical explosion chamber of approximately 100 l volume and a length-to-diameter ratio (l/d) of 4.7 consisting of a steel bottom segment and three glass sections connected by steel flanges was used to perform the experiments. Sixteen small fans evenly distributed within the chamber produced turbulent fluctuations from 0 to 0.45 m/s. A Laser-Doppler-anemometer (LDA) was used to measure the flow and turbulence fields. During the experiments the pressure and in the case of dust explosions the dust concentration were measured. In addition, the flame propagation was observed by a high-speed video camera. A propane/nitrogen/oxygen mixture was used for the gas explosion experiments, while the dust explosions were produced by a cornstarch/air mixture.
It turned out that the reduced explosion pressure increased with increasing turbulence intensity. This effect was most pronounced for small vents with low activation pressures, e.g. for bursting disks made from polyethylene foil. In this case, the overpressure at an initial turbulence of 0.45 m/s was twice that for zero initial turbulence.
A numerical model is presented which consists of a set of partial differential equations for the transport of heat and mass fractions of eight chemical species to describe the onset of self-ignition and the propagation of smouldering fires in deposits of bulk materials or dust accumulations. The chemical reaction sub-model includes solid fuel decomposition and the combustion of char, carbon monoxide and hydrogen.
The model has been validated against lab-scale self-ignition and smouldering propagation experiments and then applied to predictions of fire scenarios in a lignite coal silo. Predicted reaction temperatures of 550 K and propagation velocities of the smouldering front of about 6 mm/h are in good agreement with experimental values derived from lab-scale experiments.
The exothermic reactions of thermally unstable materials have been studied using self-heating methods in a wire-mesh-reactor as well as temperature-programmed methods utilizing a differential scanning calorimeter (DSC). Samples of lignite coal dust, cork dust, detergent powder and riboflavin (vitamin B2) were investigated. The overall activation energy E could be determined for each method. For lignite coal and cork dust all techniques show very nice agreement in E. For the detergent powder, the values are comparable except for the heat-release (HR) rate method value which is about 5060 kJ/mol higher. Riboflavin on the other hand shows a different behaviour. The DSC-experiments lead to values being significantly higher compared to the self-heating values. The existing differences are clearly worked out.
Experiments were performed to investigate the self-ignition behaviour of accumulations of four different technical dusts at oxygen volume fractions ranging from 1.3 to 21%. For this purpose a laboratory oven used for hot storage testing was modified to allow flushing with the pre-mixed oxygen/nitrogen mixture of the desired composition. It was found that for all sample volumes investigated the self-ignition temperatures were higher the lower was the oxygen volume fraction. In addition, the type of reaction changed obviously, since the apparent activation energy significantly decreased at oxygen volume fractions below 6%. However, it was still possible to observe exothermic effects at oxygen volume fractions as low as 1.3%. A numerical model was established to simulate the process of self-ignition including the coupled heat and mass transfer within the dust accumulation using a finite element solver. The model consists of six balance equations for the heat transfer and the transport of five chemical species. It shows that the model reflects self-ignition in dust accumulations with satisfying accuracy, as long as the input data generated by preceding experiments are reliable.
Uncontrolled burning or smoldering of coal seams, otherwise known as coal fires, represents a worldwide natural hazard. Efficient application of fire-fighting strategies and prevention of mining hazards require that the temporal evolution of fire propagation can be sufficiently precise predicted. A promising approach for the investigation of the temporal evolution is the numerical simulation of involved physical and chemical processes.
In the context of the Sino-German Research Initiative Innovative Technologies for Detection, Extinction and Prevention of Coal Fires in North China, a numerical model has been developed for simulating underground coal fires at large scales. The objective of such modelling is to investigate observables, like the fire propagation rate, with respect to the thermal and hydraulic parameters of adjacent rock. In the model, hydraulic, thermal and chemical processes are accounted for, with the last process complemented by laboratory experiments.
Numerically, one key challenge in modelling coal fires is to circumvent the small time steps resulting from the resolution of fast reaction kinetics at high temperatures. In our model, this problem is solved by means of an operator-splitting approach, in which transport and reactive processes of oxygen are independently calculated. At high temperatures, operator-splitting has the decisive advantage of allowing the global time step to be chosen according to oxygen transport, so that time-consuming simulation through the calculation of fast reaction kinetics is avoided. Also in this model, because oxygen distribution within a coal fire has been shown to remain constant over long periods, an additional extrapolation algorithm for the coal concentration has been applied.
In this paper, we demonstrate that the operator-splitting approach is particularly suitable for investigating the influence of hydraulic parameters of adjacent rocks on coal fire propagation. A study shows that dynamic propagation strongly depends on permeability variations. For the assumed model, no fire exists for permeabilities k < 10-10 m2, whereas the fire propagation velocity ranges between 340 m a-1 for k = 10-8 m2, and drops to lower than 3 m a-1 for k = 5 × 10-10 m2. Additionally, strong temperature variations are observed for the permeability range 5 × 10-10 m2 < k < 10-8 m2.
Brände in Siloanlagen
(2008)
Seit langer Zeit ist bekannt, dass ungünstige Lagerungsbedingungen
bei brennbaren Schüttgütern und Stäuben zur
Selbstentzündung führen können. Die meisten Studien zu
diesem Thema beziehen sich allerdings auf Umgebungsbedingungen
(d. h. mit einem Sauerstoff-Volumenanteil von
21 % in der Schüttungsumgebung). In einigen technischen
Anwendungen jedoch wird brennbares Schüttgut oder Staub
unter einer Gasatmosphäre mit reduziertem Sauerstoff-
Volumenanteil gelagert und verarbeitet (Inertisierung). Dabei
ist zunächst nicht klar, bis zu welchem Ausmaß der Sauerstoff-
Volumenanteil reduziert werden muss, um bei einer
vorgegebenen Lagerungstemperatur Selbstentzündung auszuschließen.
Neben dem Sauerstoffvolumenanteil können
auch der Feuchtegehalt der Schüttung sowie die relative Luftfeuchtigkeit
in der Schüttungsumgebung den Vorgang der
Selbstentzündung beeinflussen.
Die hier vorgestellten experimentellen Untersuchungen beschreiben
zum einen den Einfluss des Sauerstoff-Volumenanteils
auf die Selbstentzündungstemperatur (SET) von
Schüttgütern und Stäuben. Es wurde beobachtet, dass die
SET mit abnehmendem Sauerstoff-Volumenanteil in der
Schüttungsumgebung anstieg. Jedoch traten auch bei sehr
kleinem Sauerstoff-Volumenanteil noch signifikante Temperaturerhöhungen
in den untersuchten Proben auf.
Zum zweiten wurde der Einfluss der Feuchte auf die SET
untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass unterkritisch
gelagerte Schüttungen durch Kondensation von Wasserdampf
oder Zugabe von Wasser auf die Oberfläche der
Schüttung in einen überkritischen Zustand gebracht werden
konnten.
Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein numerisches
Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich der
Selbsterwärmungsprozess bis hin zur Zündung von Schüttgütern
berechnen lässt. Anwendungen findet dieses Modell
für die Lagerung von Schüttgütern, Stäuben, Feststoffen
sowie Abfällen.
Seit langer Zeit ist bekannt, dass ungünstige Lagerungsbedingungen
bei brennbaren Schüttgütern und Stäuben zur
Selbstentzündung führen können. Die meisten Studien zu
diesem Thema beziehen sich allerdings auf Umgebungsbedingungen
(d. h. mit einem Sauerstoff-Volumenanteil von
21 % in der Schüttungsumgebung). In einigen technischen
Anwendungen jedoch wird brennbares Schüttgut oder Staub
unter einer Gasatmosphäre mit reduziertem Sauerstoff-
Volumenanteil gelagert und verarbeitet (Inertisierung). Dabei
ist zunächst nicht klar, bis zu welchem Ausmaß der Sauerstoff-
Volumenanteil reduziert werden muss, um bei einer
vorgegebenen Lagerungstemperatur Selbstentzündung auszuschließen.
Neben dem Sauerstoffvolumenanteil können
auch der Feuchtegehalt der Schüttung sowie die relative Luftfeuchtigkeit
in der Schüttungsumgebung den Vorgang der
Selbstentzündung beeinflussen.
Die hier vorgestellten experimentellen Untersuchungen beschreiben
zum einen den Einfluss des Sauerstoff-Volumenanteils
auf die Selbstentzündungstemperatur (SET) von
Schüttgütern und Stäuben. Es wurde beobachtet, dass die
SET mit abnehmendem Sauerstoff-Volumenanteil in der
Schüttungsumgebung anstieg. Jedoch traten auch bei sehr
kleinem Sauerstoff-Volumenanteil noch signifikante Temperaturerhöhungen
in den untersuchten Proben auf.
Zum zweiten wurde der Einfluss der Feuchte auf die SET
untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass unterkritisch
gelagerte Schüttungen durch Kondensation von Wasserdampf
oder Zugabe von Wasser auf die Oberfläche der
Schüttung in einen überkritischen Zustand gebracht werden
konnten.
Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein numerisches
Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich der
Selbsterwärmungsprozess bis hin zur Zündung von Schüttgütern
berechnen lässt. Anwendungen findet dieses Modell
für die Lagerung von Schüttgütern, Stäuben, Feststoffen
sowie Abfällen.
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.
Brandschutz ist Bautenschutz
(2007)
Die Kenntnis des Brenn- und Explosionsverhaltens von Stäuben ermöglicht die Festlegung geeig-neter Explosionsschutzmaßnahmen. Am Beispiel von Steinkohle- Mahlanlagen werden Untersu-chungen zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von Stäuben vorgestellt. Hier-bei erfolgt zunächst die auf den Anwendungsfall abgestimmte Auswahl geeigneter Untersuchungs-verfahren und deren Anpassung an vorliegende Randbedingungen. Aufbauend auf die gewonnenen Erkenntnisse werden Schlussfolgerungen für den sicheren Betrieb von Steinkohle- Mahlanlagen getroffen.
Bewertungskriterien für die Selbstentzündung von Schüttgütern, Stäuben und porösen Feststoffen
(2004)
Explosionsdruckentlastung
(2000)
Explosion Venting
(2004)
A new safety characteristic the 'dustiness' according to VDI 2263 – part 9 (Verein Deutscher Ingenieure, 2008) is investigated. Dustiness means the tendency of a dust to form clouds. The paper deals with the physical reasons for the different behavior of dusts, even if they have similar properties such as particle size and density and the influence of the dustiness on dust explosions. In order to study the effects of the dustiness on dust cloud formation for different dispersion methods experiments in a vertical dust dispersion glass tube apparatus were carried out. Furthermore vented dust explosion experiments were done for two different dispersion methods and two static activation pressures.
Experiments show that particle size and density are not the only factors which influence dispersibility. Particle shape, specific surface area, flow and dispersion method have an influence which can outweigh size and density. Preliminary explosion experiments showed that the dustiness has an influence on the reduced explosion pressure and flame speed in a vented 75 L test apparatus. In order to verify the results for applications in the process industries further tests with industrial scale experiments are planned.
Liaisons to national and EU authorities and transfer of research results from the iNTeg-Risk project
(2010)