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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.
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.
Is the UN H.4 test a suitable test to determine the SADT for solids in a 50 kg packaging or not?
(2003)
The main gaseous products and the mass loss during the self-ignition of combustible materials
(2006)
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.
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.