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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.
Data and prediction for the mass burning rate of a tert-butyl-peroxy-benzoat (TBPB) pool fire (pool diameter = 3 m) is presented. The mass burning rates of TBPB fires are up to six times higher and less dependent on pool diameter compared to hydrocarbon pool fires caused by an additional heat release rate due to exothermic decomposition reaction in the liquid phase. This heat release rate is calculated using a 1st order reaction kinetic obtained from micro calorimetric measurements. A new model is derived considering the heat release rate due to the decomposition reaction which is shown to be 100 % of the heat release rate radiated to the pool surface. With the presented model, including also physical quantities, especially the limiting fuel concentration for upward flame propagation, it is possible to predict the mass burning rates of large TBPB pool fires. The predicted values are in very good agreement with the experiments.
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.
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.