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Main Title: Einflussgrößen auf die Selbstentzündung von Schüttgütern und Stäuben - experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen
Translated Title: Influence parameters on the self-ignition of bulk materials and dusts - experiments and numerical simulations
Author(s): Lohrer, Christian
Advisor(s): Steinbach, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
The self-ignition of combustible bulk materials is influenced by many parameters. In recent years, various parameters, such as materials properties, geometry and ambient conditions, have been investigated. It is well known, that bulk materials may undergo self-ignition if stored under specific conditions. In some cases, large amounts of these materials are exposed to a humid surrounding, e.g. dried coal in a moist atmosphere. Due to the effects of condensation and adsorption of water, additional heat is generated and transported into the bulk material. If the pile is stored slightly below its self-ignition temperature, the bulk material can become supercritical and an ignition occurs. Moreover, the influence of uniform surrounding air flow on the self-ignition temperature and single-sided air flow on the bournout behavior of combustible bulk materials was investigated. Experiments were carried out for German lignite coal sampled in two different particle size fractions and cork dust. They showed, that subcritical deposits turned to supercritical behaviour if the relative humidity in the surrounding was suddenly increased or water was poured on the surface of the sample. Furthermore it was found, that the self-ignition temperature increased in a range of only 1 to 2 K with an increasing outside heat transfer coefficient. Measurements with a single-sided air flow led to the conclusion, that the ignition point shifted to the lee-side of the deposit. In addition, the influence of the slope of the geometry at a constant volume-to-surface ratio was investigated. It was found, that slopes between 39 ° and 66 ° had a more significant influence on the shift of the ignition point than deposits consisting of a vertical edge. Though, a systematic influence of the slope on the shift of the ignition point at single-sided air flows could not be observed. In addition it was shown, that the beginning of self-ignition is kinetically controlled and not depending on the oxygen supply. The self-ignition temperatures increased with a decreasing oxygen volume fraction in the surrounding. In addition, the type of reaction changed obviously, since the apparent activation energy significantly decreased at oxygen volume fractions below 6%. The presented results show that common criteria, to evaluate ignition and non-ignition of heat storage measurements, sometimes are not satisfying. As a result of these experiments an evaluation method is proposed. This method contains a combination of different criteria, for there are the expertise of the temperature evolution, the appearance of the specimen and the mass loss after the hot storage tests. A numerical model was established to describe the effects of self-heating, ignition and burnout behaviour of the deposit, including the transportation of moisture and the influence of the oxygen content in the surrounding on the self-ignition process. Simulations with this model led to satisfying results when compared to the experiments.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11355
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1543
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1246
Exam Date: 20-Oct-2005
Issue Date: 6-Dec-2005
Date Available: 6-Dec-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Feuchtigkeit
Kohle
Konvektion
Selbstentzündung
Simulation
Coal
Convection
Moisture
Self-ignition
Simulation
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