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Selbstentzündungen von brennbaren Materialien können sowohl bei Prozessen in der Verfahrenstechnik als auch beim Transport oder Lagerung von Schüttgütern auftreten. Verschiedene Parameter, wie die Materialeigenschaften, die Lagerungsbedingungen und die Geometrie der Schüttung, beeinflussen den Selbstentzündungsvorgang. Eine zuverlässige Beurteilung der Lagerungs- und Transportsicherheit von Schüttgütern und Stäuben ist mit den bisher erarbeiteten Methoden nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde insbesondere der Einfluss der Lagerungsbedingungen auf das Selbstentzündungsverhalten von brennbaren Materialien untersucht. Die Untersuchungen wurden für verschiedene Kohlen und Korkmehl durchgeführt. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: 1. Zur besseren Bewertung des Zustandes Zündung und Nicht-Zündung bei Warmlagerungsvorgängen wurde eine verfeinerte Methode vorgeschlagen. Sie besteht aus der Kombination der visuellen Begutachtung einer Probe nach dem Versuch (Verfärbungen, Aschebildungen etc.), dem aufgetretenen Massenverlust und dem Temperatur-Zeitverlauf. 2. Es wurde nachgewiesen, dass eine Reduzierung des Sauerstoffvolumenanteils in der Schüttgutumgebung zu einer Erhöhung der Selbstentzündungstemperatur (SET) führt. 3. Sowohl durch eine Wasserzugabe ("Regen") als auch durch eine rasche Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit konnte eine zuvor unterkritisch gelagerte Schüttung in einen überkritischen Zustand gebracht werden. Zurückzuführen ist dies auf den zusätzlichen Wärmetransport in das Schüttgut durch Kondensation von Wasserdampf und Adsorption von Wassermolekülen an porösen Partikeloberflächen. 4. Versuche belegten, dass gleichförmige Konvektionsströmungen ("Wind") in der Schüttgutumgebung die SET kaum beeinflussten aber zu einer deutlichen Reduzierung der Induktionszeit führten. Einseitige Anströmungen der Proben sorgten bei überkritischen Lagerungstemperaturen für eine Verschiebung des Zündortes zur windabgeneigten Seite. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Anlaufphase der Selbstentzündung von Schüttgütern kinetisch kontrolliert und somit nicht vom Sauerstofftransport abhängig ist. 5. Es wurde ein mathematisches Modell erarbeitet, mit dessen Hilfe die Vorgänge der Aufwärmung, des Feuchtigkeitstransportes (Verdampfung, Kondensation und Adsorption), der Selbstentzündung sowie die Brandausbreitung von brennbaren Schüttgütern und Stäuben zu berechnen sind. Dieses Modell ermöglicht realistische Schätzungen über die Sicherheit von gelagerten Schüttgütern mit guter Übertragbarkeit auf große, experimentellen Untersuchungen schwer zugänglichen, Schüttungen wie z.B. Kohlenhalden.
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, Deponiestoffen und Stäuben zur Selbstentzündung führen können. Wesentliche Einflüsse üben dabei die charakteristische Abmessung der Schüttung (Verhältnis Volumen/Oberfläche V/A), die Lagerungstemperatur, die Gutfeuchte sowie die Feuchte der Umgebung, die Porosität der Schüttung bzw. damit verbunden das Kornspektrum des Schüttgutes sowie der Sauerstoff-Volumenanteil in der Umgebung der Schüttung aus.
Bei der experimentellen Bestimmung von Selbstentzündungstemperaturen (SET) durch isoperibole Warmlagerung nach VDI-Richtlinie 2263 [1] wird üblicherweise bei einem Sauerstoff-Volumenanteil von 21 % gelagert. Bedingungen, wie sie z. B. bei Inertisierung des Lagergutes auftreten, werden bei diesen Versuchen nicht erfasst. Der Einfluss von Gut- oder Umgebungsfeuchte kann ebenfalls nicht berücksichtigt werden, da die Lagerung meist oberhalb der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck erfolgt.
Auch die Extrapolation des Zusammenhanges zwischen SET und V/A vom Labor- in den technischen Maßstab unterliegt Einschränkungen, da zwischen den Laborproben und in der Praxis auftretenden Schüttungen im allgemeinen weder geometrische noch physikalische Ähnlichkeit besteht.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde ein mathematisches Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich der gesamte Prozess von Selbstentzündung und Brandausbreitung im Schüttgut unter Berücksichtigung des Gasaustausches zwischen Schüttung und Umgebung sowie des Feuchteeinflusses in seiner zeitlichen Entwicklung berechnen lässt. Beliebige Schüttungsgeometrien können untersucht werden, wobei eine Beschränkung lediglich durch den verfügbaren Rechenspeicher gegeben ist.
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.