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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.
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.
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.
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.
Staubexplosionen können in nahezu allen Branchen auftreten, in denen brennbare Schüttgüter und Stäube gehandhabt werden oder entstehen können, vor allem dort, wo Stäube in aufgewirbelter Form vorkommen. Abgelagerte Stäube können bei starker Erwärmung zur Entzündung gelangen. Die Beurteilung daraus entstehender Gefahren und das Auslegen von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen erfolgt über sog. sicherheitstechnische Kenngrößen (STK). Im Rahmen eines vom Bundesland Sachsen geförderten Projekts sind von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) STK brennbarer Stäube zu Staubgruppen zusammengefasst und in den Gemeinsamen Stoffdatenpool Bund/Länder (GSBL) integriert worden. Grundlage für die Staubgruppen waren zahlreiche Datensätze, die in der Datenbank GESTIS-STAUB-EX des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) veröffentlich sind. Angegeben werden allerdings nicht mehr die dort enthaltenen Kenngrößen einzelner Stäube, sondern Bandbreiten, innerhalb derer sich die STK der in den Staubgruppen zusammengefassten Stäube bewegen können. Je nach Datenlage wurden die sicherheitsrelevanten Grenzen dieser Bandbreiten mit einem Ranking versehen.
For the classification and safe handling and use of the chemicals, special standardized testing proce-dures have been developed and are used world-wide. Safety experts must be able to fully rely on the precise execution of the respective laboratory tests and assessments. In this context interlaboratory tests (round robin tests, interlaboratory comparisons / intercomparisons) are a crucial element of a laboratory's quality system. Participation in interlaboratory tests is explicitly recommended by the standard ISO/IEC 17025.
The present document reports on the results of the interlaboratory test 2010/2011 on the test method DIN EN 15188:2007 “Determination of the spontaneous ignition behaviour of dust accumulations” [1] which was organized by the Center for Quality Assurance for Testing of Dangerous Goods and Haz-ardous Substances.
The test method DIN EN 15188:2007 is applied to characterize the self-ignition behaviour of combus-tible dusts. The experimental basis for describing the self-ignition behaviour of a given dust is the de-termination of the self-ignition temperatures (TSI) of differently-sized volumes of the dust sample by isoperibolic hot storage experiments (storage at constant oven temperatures) in commercially availa-ble ovens. The results thus measured reflect the dependence of self-ignition temperatures upon dust volume [1].
Several internal investigations and interlaboratory comparisons in the past have shown significant differences between the lab-specific results of hot storage tests.
Figure 2-1 shows the Pseudo-Arrhenius plot of hot storage tests of eight different laboratories (Round Robin Test 2002, BAM). The dust under this investigation was Lycopodium powder (spores). The par-ticipants of this interlaboratory test used different laboratory ovens (size, ventilation) as well as differ-ent sample baskets (shape, mesh size, single- and double-walled).
Figure 2-1 shows clearly that this test failed to produce reasonable reproducibility of the TSI between the different laboratories. As possible reasons for the deviations have been identified lab-specific dif-ferences, e.g.:
- oven ventilation (enforced, natural convection),
- oven size,
- sample baskets,
- radiation effects,
- measuring precision (temperature difference between tests with ignition and no ignition),
- minimum sample size.
To reduce the differences between the labs it was necessary to ameliorate the testing method and to improve the execution of the method by the lab. From there, the installation of an inner chamber into the laboratory oven was suggested as experimental set-up in EN 15188:2007 to provide more repro-ducible test conditions. The aappropriateness of this set-up has not been verified yet.
The current interlaboratory test 2010-2011 focuses on the use of a special mesh wire screen and spe-cial volumes of the sample baskets (cubes) to normalise/harmonise the test conditions in the different labs. In preparation for the interlaboratory test a joint program between Syngenta and BAM has been initiated in 2009. As a result of these investigations a modified set-up ( chapter 3) has been identi-fied to be probably more appropriate than the suggested set-up in DIN EN-15188:2007.
Due to the time-consuming test procedure and to optimize the workflow for the laboratories this in-terlaboratory test should be performed stepwise as a multi-level test ( chapter 5.4) on one typical test sample.
Validierte Messverfahren für die nichtgeometrische Größe Hydrophilie - Anwendung in der Mikrofluidik
(2011)
Innovative Technologien für die Erkundung, Löschung und Beobachtung von Kohlebränden - Phase B -
(2011)
Aufbauend auf den Erkenntnissen der Phase A, die sich auf das grundlegende Verständnis von Kohlebränden, sowie der Voraussetzung und des prinzipiellen Ablaufs der physikalischchemischen Brandprozesse konzentriert haben, erfolgte in Phase B eine Fokussierung auf Methoden zur Vermeidung von Kohlebränden, sowie der Löschung und Überwachung von Kohlebrandzonen, um einen Beitrag zur Verminderung von C02-Emissionen und zum Erhalt der nutzbaren Energieressourcen leisten zu können. Diese Arbeiten erfolgten insbesondere mit Bezug zu den „Clean Development Mechanisms“ (CDM), die im Rahmen des Kyoto-Protokolls entwickelt worden sind.
Eine Zertifizierung von Löschaktivitäten im Rahmen des Kyoto-Protokolls setzt dabei eine nachvollziehbare Ermittlung der kohlebrandbezogenen C02-Emissionen und eine belastbare Abschätzung der durch die Löschung verringerten Emissionsmengen voraus. Wesentliche Arbeiten konzentrierten sich auf die Entwicklung von Verfahren, die eine solche Abschätzung gewährleisten können. Dazu wurden unterschiedliche Ansätze entwickelt und anhand der erhobenen Felddaten überprüft. Die untersuchten Ansätze konzentrierten sich dabei auf Verfahren, die eine Ermittlung des vorhandenen Kohlevolumens, die Erfassung der emittierten Gase und die durch die Kohlebrände verursachten Temperaturanomalien an der Tagesoberfläche ermöglichen. Die direkten Arbeiten zum Thema CDM wurden dabei in einem Arbeitspaket unter Federführung der BGR gebündelt.
Die deutsche Initiative zur Erforschung der Kohlenbrände in der V.R. China leistete zweifelsfrei signifikante Beiträge zu den oben genannten Zielen. Durch die inventiven Ansätze im Bereich der Brandbewältigung konnte darüber hinaus auch in Teilen die ökonomischen Chancen für ein Engagement deutscher Unternehmen aufgezeigt werden.
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.
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.
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)
Miscanthus x giganteus energy crop grown in Ireland was harvested on 21st of February and 28th of March 2012 to examine the effects of harvesting time on self-heating during storage of Miscanthus chips in clamps (98 m³) under weather sheltered conditions. There was a relatively large difference in moisture content, of 21.4%, between Miscanthus crop harvested in February and March (41.6 and 20.2%, respectively). Temperature evolution over a storage period of up to 125 days was monitored at different heights and distances from the centre within the clamps. Maximum temperature in the February constructed clamp reached 69 °C compared to 28 °C in the March constructed clamp. Microbial activity was monitored via carbon dioxide and oxygen gas measurements. The high moisture clamp showed higher microbial activity and a volume yield loss of 4.3% due to decomposition in the top section of the clamp. Quality indices post-storage were also assessed. Calorific values from Miscanthus sampled 1 m below the top surface were similar after storage for both February and March constructed clamps, i.e. 18.52 and 18.70 MJ kg-1, respectively. A reliable assessment of self-heating in Miscanthus chip clamps has important consequences for both self-ignition risk and biomass quality.
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 Beurteilung des Gefahrenpotentials brennbarer Stäube erfolgt üblicherweise mit Hilfe so genannter sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK). Häufig werden hierfür in Datenbanken bereitgestellte Werte in der Vergangenheit untersuchter Stäube herangezogen. Insbesondere aufgrund stofflicher Unterschiede der untersuchten Stäube sind erhebliche Streuungen der ermittelten STK in Datenbanken enthaltener namentlich identischer Stäube festzustellen. Die Verwendung der Daten von Einzelstäuben kann daher zu unsicheren Einschätzungen hinsichtlich des Brand- und Explosionsschutzes führen.
Vorgestellt wird ein Konzept, Stäube zu praxisrelevanten Gruppen zusammenzufassen und bewertete Bandbreiten sicherheitstechnischer Kenngrößen anzugeben. Die im Rahmen eines vom Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Dresden geförderten Vorhabens generierten Staubgruppen und zugehörigen Bandbreiten der STK stehen in der Datenbank GSBLpublic für die freie Nutzung zur Verfügung.
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.