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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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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.
Self-ignition Behaviour of Bulk Materials: How Reliable is the Extrapolation of Laboratory Tests?
(2022)
The self-ignition behaviour of bulks is usually determined with the aid of isoperibolic or adiabatic hot storage tests; the sample volumes here are typically in the range of approx. 100 cm³ to several litres. The extrapolation to technically relevant volumes holds, however, considerable uncertainties. To reduce these uncertainties, a test stand was set up that allows to investigation sample sizes of up to 1000 dm³. These allow the study of selfignition behavior closer to the conditions that prevail in practice. The suitability (or unsuitability) of the established methods (including dangerous goods classification tests) were to be demonstrated and influencing variables that cannot be measured on a laboratory scale were to be determined.
In addition, various analytical methods were used for the determination of reaction kinetic data of solid bulk materials and to predict the self-ignition behaviour of large storages. These are thermal analyses such as differential scanning calorimetry DSC, simultaneous thermal analysis STA as well as microcalorimetry for highprecision measurement of heat flows.
Complete test series using all mentioned test methods will be presented for crosslinked polyvinyl-pyrrolidone (PVP) and conclusions regarding the applicability of the extrapolation methods will be discussed. Hot storage tests up to semi-industrial scale and their combination with various thermoanalytical methods allow a much more precise prediction of the self-ignition behaviour of large bulks. A further promising approach to estimate their heat release rates, and hence, the risk of self-ignition under technical conditions, is the use of microcalorimetric methods.
Self-ignition Behaviour of Bulk Materials: How Reliable is the Extrapolation of Laboratory Tests?
(2022)
The self-ignition behaviour of bulks is usually determined with the aid of isoperibolic or adiabatic hot storage tests; the sample volumes here are typically in the range of approx. 100 cm³ to several litres. The extrapolation to technically relevant volumes holds, however, considerable uncertainties. To reduce these uncertainties, a test stand was set up that allows to investigation sample sizes of up to 1000 dm³. These allow the study of selfignition behavior closer to the conditions that prevail in practice. The suitability (or unsuitability) of the established methods (including dangerous goods classification tests) were to be demonstrated and influencing variables that cannot be measured on a laboratory scale were to be determined.
In addition, various analytical methods were used for the determination of reaction kinetic data of solid bulk materials and to predict the self-ignition behaviour of large storages. These are thermal analyses such as differential scanning calorimetry DSC, simultaneous thermal analysis STA as well as microcalorimetry for highprecision measurement of heat flows.
Complete test series using all mentioned test methods will be presented for crosslinked polyvinyl-pyrrolidone (PVP) and conclusions regarding the applicability of the extrapolation methods will be discussed. Hot storage tests up to semi-industrial scale and their combination with various thermoanalytical methods allow a much more precise prediction of the self-ignition behaviour of large bulks. A further promising approach to estimate their heat release rates, and hence, the risk of self-ignition under technical conditions, is the use of microcalorimetric methods.
Self-ignition of coal dust deposits poses a higher risk of fires in oxygen-enriched oxy-fuel combustion systems. In this work, we develop a numerical method, using the commercial software COMSOL Multiphysics, to investigate self-ignition behaviour of coal dust accumulations with a main emphasis on the roles of oxygen, diluent gas and dust volume. A one-step 2nd-order reaction kinetic model considering both coal density and oxygen density is used to estimate reaction rate using the kinetic parameters from previously conducted hot-oven tests. This model is validated to predict the transient temperature and concentration profiles of South African coal dusts until ignition. The computed self-ignition temperatures of dust volumes show a good agreement with experimental results. In addition, it is found that the inhibiting effect of carbon dioxide is comparatively small and oxygen consumption increases dramatically after ignition. Parameter analysis shows that the heating value and kinetic parameters have a comparatively pronounced effect on self-ignition temperature. The model provides a satisfactory explanation for the dependence of self-ignition behaviour on gas atmospheres, thus helping to further understand the fire risk of self-ignition in oxy-fuel combustion systems.
Vorgestellt wird ein 2018 gestartetes Projekt zur Überprüfung der Extrapolation von im Labormaßstab ermittelten Selbstentzündungstemperaturen auf technisch relevante Volumina. Für die Ermittlung reaktionskinetischer Daten von Feststoffschüttungen stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Dies sind thermische Analysen wie z. B. die differential scanning calorimetry DSC sowie Mikrokalorimetrie zur hochgenauen Messung von Wärmeströmen, bei denen sehr geringe Probenmengen zum Einsatz kommen. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mithilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm3 bis zu einigen Litern. Die Extrapolation über mehrere Größenordnungen auf technische Volumina birgt Unsicherheiten, da mit Zunahme des Lagervolumens veränderte Start- und Randbedingungen vorliegen können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass bei in technischen Lagern vorherrschenden niedrigen Temperaturen Reaktionen ablaufen, die in Standard-
Laborversuchen nicht erfasst werden, aber einen wesentlichen Einfluss auf das Selbstentzündungsverhalten aufweisen können. Hauptziel des Projektes ist es daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm3 zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen
Methoden zulässig ist.
Validation of the new ignition source 'exploding wire' for dust explosion testing in the 20-L-sphere
(2014)
The safety characteristics Maximum Explosion Pressure pniB, Maximum Explosion Pressure Rise (dp/dt)™* and Lower Explosion Limit LEL are determined in closed vessels such as the 20-L-sphere according to international Standards. Dust ignition is carried out using pyrotechnical igniters which are defined in the Standards. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. Studies at the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) with ignition units which were able to generate ignition energies up to 2000 J showed that the so-called “exploding wire” or “fuse wire“ is suitable as an alternative ignition source. The paper presents further test results for the Validation of the exploding wire for the determination of Pm» and (dp/dt)mx in the 20-L-sphere. The tests were performed with a new ignition unit and improved electrodes which allowed ignition energies up to 10000 J. The paper also analyses propagation of flame and electrical arc on basis of high speed camera recordings. Turbulence measurements with a LDA System in the 20-L-sphere allowed investigation whether the activation of the ignition sources has an influence on the turbulence field generated during dust dispersion and whether the influence differs depending on the ignition source.
Vorgestellt wird ein 2018 gestartetes Projekt zur Überprüfung der Extrapolation von im Labormaßstab ermittelten Selbstentzündungstemperaturen auf technisch relevante Volumina. Für die Ermittlung reaktionskinetischer Daten von Feststoffschüttungen stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Dies sind thermische Analysen wie z.B. die differential scanning calorimetry DSC sowie Mikrokalorimetrie zur hochgenauen Messung von Wärmeströmen, bei denen sehr geringe Probenmengen zum Einsatz kommen. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mit Hilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm³ bis zu einigen Litern. Die Extrapolation über mehrere Größenordnungen auf technische Volumina birgt Unsicherheiten, da mit Zunahme des Lagervolumens veränderte Start- und Randbedingungen vorliegen können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass bei in technischen Lagern vorherrschenden niedrigen Temperaturen Reaktionen ablaufen, die in Standard- Laborversuchen nicht erfasst werden aber einen wesentlichen Einfluss auf das Selbstentzündungsverhalten aufweisen können. Hauptziel des Projektes ist es daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm³ zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen Methoden zulässig ist.
Zur Bestimmung der reaktionskinetischen Daten von Schüttgütern und iur Vorhersage des Selbstentzündungsverhaltens großer.Lager kommen verschiedene Analysemethoden zum Einsatz. Dabei handelt es sich .um thermische Verfahren wie die Differential-Scanning- Kalorimetrie OS(. die simultane Thermoanalyse STA sowie die Mikrokalorimetrie zur hochpräzisen Messung von Wärmeströmen. Für die oben genannten Methoden werden sehr kleine Probenmengen verwendet. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mit Hilfe von isoperibolen oder adiabatischen Warmlagerungsversuchen ermittelt: die Probenvolumina liegen hier meist im Bereich von ca. 100 cm3 bis zu mehreren Litern.
Die Extrapolation auf technisch relevante Volumina birgt jedoch erhebliche Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten zu identifizieren und zu reduzieren ist das Hauptziel eines 2018 gestarteten Forschungsprojekts. Dies soll in erster Linie durch den Aufbau eines Versuchsstandes zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu. 1000 dm 3 geschehen.
Sowohl Warmlagerungsversucl1e im Labormaßstab als auch thermoanalytische Verfahren. die mit Hilfe verschiedener Methoden ausgewertet werden. lassen, einzeln betrachtet. häufig nur bedingt zuverlässige Aussagen über das Selbstentzündungsverhalten von großen Schüttgütern zu. Es werden komplette Versuchsreihen mit allen genannten Prüfverfahren vorgestellt und Aussagen zur Anwendbarkeit der Extrapolationsmethoden diskutiert.