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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.
This work presents results of investigations towards the emission of chemical reaction products and sound pressure during an outdoor and an indoor firework display. Potentially harmful and toxic gases, and aerosols, were measured as well as sound pressures. Aerosols were measured with a Differential Mobility Analyzer (DMA) as well as a Laser Particle Counter. The focus was on particles with diameters between 11 nm and 20 µm. A transportable Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy detector registered the concentrations of emitted reaction gases, simultaneously. During the outdoor firework display, peak particle concentrations of >550000 particles cm-3, equivalent to a mass concentration of approximately 3.95 mg m-3, were detected, revealing a concentration maximum at approximately 175 nm particle diameter. The time-averaged particle mass concentration did not exceed 1.58 mg m-3 over 15 minutes. Due to the large distances (110 m) to the firing points, no significant harmful or toxic gas concentrations were measured during the entire firework display. In contrast, concentrations of sulphur dioxide (SO2) rose after an indoor firework display in a large event hall. On two days, more than 23000 particles cm-3 (which equates to a mass concentration of approximately 0.41 mg m-3) were detected when the hall ventilation was turned off, and more than 11000 particles cm-3 (which equates to a mass concentration of approximately 1.18 mg m-3) when the hall ventilation was activated. Concentration maxima appeared at approximately 300 nm particle diameter. The time-averaged particle concentrations in this case did not exceed 0.56 mg m-3 (over 15 minutes).
Beim Abbrand einzelner Feuerwerkskörper für den Indoor-Bereich wurden als gasförmige Hauptreaktionsprodukte unter anderem CO2, CO, COS, nitrose Gase, diverse Kohlenwasserstoffe und Schwefelverbindungen (teilweise in sehr hohen Konzentrationen) mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie nachgewiesen. Zusätzliche Feinstaubmessungen parallel zum Abbrand in einem großen Raum illustrierten die zeitweise hohen Partikelkonzentrationen an unterschiedlichen Messpunkten.
The results of investigations on the emission of particulate matter from three outdoor firework displays are presented. During these events, possibly harmful and toxic aerosol emissions were measured. Aerosols in the size range from 30 to 450 nm were detected. The maxima in the observed particle size distribution were between 80 and 175 nm, and the highest value determined was ~1.3 · 106 particles per cm³, while the highest mass concentration was approximately 1.8 mg m–3. The time-averaged particle mass concentration did, however, not exceed 0.7 mg m–3 (over 15 min).