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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.
Self-ignition of deposited combustibles is a possible reason for excessive fires occurring on deposits for recycling materials or on waste dumps. Two series of experiments were performed to assess the hazard of self-ignition: hot storage tests with different homogeneous mixtures of combustible material and inert material and tests with pockets of combustible material embedded in inert matter. In the first test series considerable exothermicity (ΔT>60K) was observed for mass fractions of combustible material as low as 2.5%. In the second series it could be shown that the heat transfer from a pocket of burning material through the inert matter can ignite a second pocket of combustible matter.
Based on the experimental data, numerical simulations were performed to predict self-ignition on real-scale waste deposits. For a deposit of specific size and shape, the influence of the ambient temperature on the occurrence of self-ignition has been investigated.
Chemical-analytical investigation of fire products in intermediate storages of recycling materials
(2012)
Organic materials like paper, cardboard, textiles or plastics are mostly flammable. In intermediate storages for recycling products, these materials are stored in large amounts. If fire occurs in these stores, large emissions of smoke and other potentially harmful products are likely. In the present study, the gaseous products released from fires of such materials—for example, because of self-ignition—were investigated. Different fractions (paper/cardboard, textiles and plastics) were crushed at low temperatures (about 80 K) and subsequently allowed to smoulder at different temperatures using the German standard Deutsches Institut für Normung 53436. The gases produced were sampled and analysed using Fourier transform infrared spectroscopy. The chemical composition of these gases differed considerably depending on fuel type. For flammable materials without heteroatom, the gases consisted predominantly of toxic compounds like carbon monoxide and carbon dioxide. Smouldering of materials containing heteroatoms showed, in addition to carbon monoxide, carbon dioxide and water vapour, further toxic components containing the heteroatom. Materials containing chlorine produced hydrogen chloride, and materials containing nitrogen produced ammonia and hydrogen cyanide.
Organische Produkte, wie Papier/Pappe, Textilien oder Kunststoffe, sind meist brennbar. In Recycling-Zwischenlagern werden solche Stoffe in großen Mengen gelagert. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche gasförmigen Produkte im Falle eines Brandes verursacht z. B. durch Selbstentzündung entstehen. Verschiedene Fraktionen (Papier/Pappe, Textilien und Kunststoffe) aus Recycling-Zwischenlagern wurden zunächst mechanisch zerkleinert. Dazu wurden die Proben aus den jeweiligen Fraktionen so zerkleinert, dass letztendlich homogene Verteilungen vorlagen. Mit Hilfe von verschiedenen Zerkleinerungsmühlen konnten auf diese Weise Korngrößen bis zu 0,2 mm erhalten werden. Diese homogenen Probenverteilungen wurden anschließend im DIN-Rohr nach DIN 53436 verschwelt.
Die entstehenden Rauchgase wurden mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie brandanalytisch untersucht. Dabei unterschied sich die Zusammensetzung der Rauchgase beim Verschwelprozess teilweise erheblich. Die bei der Verschwelung entstehenden Rauchgase enthalten bei Brandstoffen ohne Heteroatome in erster Linie toxische Bestandteile, wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Bei der Verschwelung von Kunststoffen mit Heteroatomen können zusätzlich zu den Hauptkomponenten Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser auch noch weitere toxische Rauchgaskomponenten nachgewiesen werden. Dabei kommt es bei chlorhaltigen Kunststoffen vorwiegend zur Bildung von Chlorwasserstoff, bei stickstoffhaltigen Kunststoffen zur Bildung von Ammoniak und Blausäure.