selbstentzündung von stäuben und schüttgütern bei vermindertem sauerstoffgehalt

3
Selbstentzündung von Stäuben und Schüttgütern bei vermindertem Sauerstoffgehalt MARTIN SCHMIDT, MARCUS MALOW, CHRISTIAN LOHRER UND ULRICH KRAUSE * 1 Problemstellung Verfahrenstechnische Prozesse mit brennbaren Schüttgü- tern oder Stäuben wie z. B. Trocknung, Umschlag oder Lage- rung werden häufig bei vermindertem Sauerstoffgehalt be- trieben, um die Zündung und Brandausbreitung im Schüttgut zu verhindern. Die Kenntnis des zulässigen Volu- menanteils von Sauerstoff im Sauerstoff/Inertgas-Gemisch ist dafür eine unabdingbare Voraussetzung. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurden deshalb experimentelle Untersuchungen zur Selbstentzündung von insgesamt fünf verschiedenen industriellen Stäuben bzw. Schüttgütern bei reduziertem Sauerstoffgehalt vorgenommen. Seit langem ist die Tatsache bekannt, dass die Selbstentzündungstemperaturen (SET) von Feststoffschüt- tungen von der charakteristischen Abmessung der Schüt- tung, dem Volumen/Oberflächen-Verhältnis V/A, abhängen, s. HENSEL u. a. [1]. Weniger untersucht ist die Abhängigkeit der SET vom Sauerstoff-Volumenanteil in der Umgebung einer Schüttung. Frühere Untersuchungen von BOWES und THOMAS [2] zeigten für Holzstaub (Sägemehl) eine Zunahme der SET mit abnehmendem Sauerstoff-Volumenanteil (bei vor- gegebenem Probenvolumen) im Bereich von 30 % bis 4 % O 2 -Anteil im Gemisch mit Stickstoff. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ex- perimentelle Untersuchungen zur Selbstentzündung bei vermindertem Sauerstoff-Volumenanteil an Braunkohlen- staub, Korkmehl, Waschmittel-Grundstoff sowie einem Vit- amin B 2 -Staub durchgeführt. 2 Versuchsaufbau und -durchführung Zur Untersuchung des Selbstentzündungsverhaltens von Stäuben nach VDI-Richtlinie 2263 [3] werden üblicherweise Labortrockenschränke verwendet, deren innerer Raumin- halt zwischen 50 und 120 Litern liegt und die bis 300 C beheizt werden können. Es werden sowohl Trockenschrän- ke mit freier als auch mit erzwungener Lüftung verwendet. Zur Erzielung des gewünschten Sauerstoff-Volumenanteils in der Umgebung der Staubprobe wurde eine zweite Kam- mer aus Stahl in den Trockenschrank eingebaut, die abge- dichtet und während der Versuche durch einen Federme- chanismus verschlossen gehalten wurde. Diese Kammer wurde mit dem Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch der ge- wünschten Zusammensetzung gespült. Die Versuchsanord- nung ist in Abb. 1 dargestellt. Das Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch der ge- wünschten Zusammensetzung wurde in einer Mischanlage auûerhalb des Trockenschrankes erzeugt. Mit Hilfe eines Sauerstoffanalysators vom Typ Servomex wurde der Volumenanteil des Sauerstoffs in der inneren Kammer kontinuierlich gemessen. Der Volumen- strom des Spülgases wurde mit einem Schwebekörper- Durchflussmesser ebenfalls kontinuierlich gemessen. Um eine Angleichung der Temperatur des Spülgases an die Ofentemperatur zu erreichen, wurde das Spülgas im Ofen- innern durch eine Rohrschlange aus Kupfer geführt. Wie bei Warmlagerungsversuchen üblich, wur- den die Temperatur im Mittelpunkt der Staubprobe sowie die Ofentemperatur, hier die Temperatur in der inneren Kammer, über der Zeit gemessen. Als Probenbehälter dien- ten Drahtnetzzylinder der Gröûen 11, 31, 100, 400 und 800 cm 3 mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von je- weils 1. Die charakteristische Abmessung V/A beträgt für diese Zylinder ein Sechstel des Durchmessers. Zu Versuchsbeginn wurde der Drahtnetzbehälter mit der Probensubstanz befüllt und in den auf die ge- wünschte Temperatur vorgeheizten Trockenschrank hin- eingestellt. Anschlieûend wurden das Thermoelement zur Messung der Probentemperatur im Mittelpunkt des Proben- behälters positioniert, die innere Kammer und der Trocken- schrank geschlossen sowie die Messwerterfassung der Tem- peraturen und der Sauerstoffkonzentration gestartet. In Vorversuchen wurde ermittelt, dass bei einer Spülrate von 100 L/h die Selbstentzündungstemperaturen unabhängig von der Spülrate sind. Die im Einzelnen untersuchten Parameterkombi- nationen von Probenvolumen und Sauerstoff-Volumenan- Abbildung 1. Versuchsaufbau zur Untersuchung der Selbstentzündungstemperaturen von Stäuben bei vermindertem Volumenanteil des Sauerstoffs; 1 ± Thermoelement zur Messung der Probentemperatur, 2 ± Thermoelement zur Messung der Temperatur in der inneren Kammer, 3 ± innere Kammer, 4 ± Staubprobe im Drahtnetzbehälter, 5 ± Spülgaszufuhr, 6 ± Spülgasabführung, 7 ± Heizelemente. ....................................................................................... * Dr.-Ing. M. SCHMIDT, Dr. rer. nat. M. MALOW, C. LOHRER , Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. U. KRAUSE (E-mail: [email protected]), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Laboratorium II.22 ¹Staubbrände und Staubexplosionenª, Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin. Selbstentzündung 1735 Chemie Ingenieur Technik (74) 12|2002 S. 1735±1737 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 0009-286X/2002/1212-1735 $17.50+50/0

Upload: m-schmidt

Post on 12-Jun-2016

223 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Selbstentzündung von Stäuben und Schüttgütern bei vermindertem Sauerstoffgehalt

�������������� �� ��������� ���������� ��� ��������������������������

� � � � � � � � � � � � � � � � � ! � � � " # $ � � � � � � � � � " # � � % �! � � ! " � � � � & � � ! � % '

� ������������

����������������� �� ����� �� ���������� ��������� ��� ������ ��� ���� �� ������ ������� ��� �������� ������ ������ ��� !���������� ������ ������� ���������� �� ��� "������ ��� ��������������� ������� �� !���������� #�� $������ ��� ���������� � ������������ ! � ������ �� �� ������ ��%&�������'������� ����� ���� ������������ � ����������� &� (���������� ) �������! ������� ������ ������� �*+���������������������� ��� �������������� ! � �������� ����!����������� ������������ ������ ���� �������� ������������� ������ ������� ! ���� �����

��� ������ �� ��� ������ ������� ���� ��������������������+������� ,�-�. ! � )��� ����������� ! � ��� �������������� /�������� ��� �������� ��� � �����%0������������������� �%�� ����������� � % � � % " �� �� 123� 4������ ������� �� ��� /������������� �-� ! � ������ ���� ���������� �� ��� ������������� �������

)������ ������������ ! � ( # $ % � ��� � � # � � �

153 ������ ��� 6 ������ ,��������. ���� "������ ����-� �� ����������� ������ ���� ���������� ,��� ! ����������� �� ���! �����. �� ������ ! � 78 9 ��� : 905�/���� �� '����� �� ���� ���

&� (����� ��� ! ���������� /���� ������ �*�+���������� ������������ ��� �������������� ���!���������� ������ ���� ���������� �� ������ ���������� $ ������� 4��������'����� �� � ��� ����� ������� �5����� �����������

� ������������ ��� ������������

"�� ���������� ��� ���������������!�������� ! ������� ��� �#&�(������� 55;7 173 ������ ������������ �� �� ���������� !�������� ����� ������� (��������� ������� <8 ��� 258 ���� ���� ��� ��� ��� 788 =>������ ������ �?����� -� ������ � � �� �� ����������� �� ������ ��� ��� �� ����������� ����� !��������"�� -�������� ��� ��������� ������ ���� ������������� ��� �������� ��� ����+� �� ����� ���� ����� $������ ��� ���� �� ��� �� ��������� ��������� ��� �����

���� ��� ������� ��� ������� ���� ����� )��������������� !����� ���� ������� ������ #���� $���������� �� ��� ������ ��%���� ���'����� ��� ���������� "������������� ���+��� #�� ��������� ������� �� �� /��� 2 ����������

#�� ������ ��%���� ���'����� ��� ���������� "������������� ����� �� ����� @�����������A������ ��� �� ����������� �������

@� 6���� ����� ������ ������B�� �� ! � �B+���! ��* ����� ��� � ���������� ��� ������ ��� �� ���������� $����� � ���������� ��������� #�� � �������� � ��� �+������� ����� �� ����� �������?�+���#�������������� ��������� � ���������� ��������� ������ /��������� ��� ���+����� ��� �+������� �� ���0�����+����� �� ��������� ����� ��� �+����� �� 0���������� ���� ���� ( ��������� ��� $�+��� �������

4�� ��� 4������������!������� ������ ������� ��� ���+����� �� @���+��� ��� ����+� �� � ������ 0�����+������ ���� ��� ���+����� �� ��� �������$������ ���� ��� "�� ��������� /�� �� ���������� ������� #�������B������ ��� '�?A�� 22� 72� 288� :88 ���C88 �7 �� ����� �����%#������������������� ! � D������� 2� #�� ������������� /�������� �%� ����� �������� "B������ ��� ������ ��� #�����������

"� ������������� ����� ��� #��������������� ��� �� ���������� ������ ��� �� ��� ��� ��� ��������� ���+����� ! ��������� �� ��������� �������������� /������A��� ������ ��� ����� ������ ���@������ ��� �� �����+����� ��@���+��� ��� �� ������������ + ��� ����� ��� ������ $����� ��� ��� �� ���������� ����� ���� � ��� ��� @��������������� ��� ����+������� ��� ��� ������ ��� ������� � ������� &�� �!������� ����� ������� ���� ��� ����� �+����� ! �288 %� ��� �����������������+������� ����������! � ��� �+����� �����

#�� �� -�������� ��������� ��������� ������� ��� ! � �� ���! ����� ��� ������ ���� ��������

��������� ������������ ��� � �������� � ��������� ��� �� ������������� �� ����� ������� ������ ������ � ���� ��� ����������� � ����������� � ��� ����� � ��� ���� ���������� ! � ����������� � ��� ����� � ��� ���������� � ���� ��� "����� # � � ��� "����� $ � �������� ��%���� ���������� & � ������������ ' � ������������ � ( � )�������� ��*

E #���&��� � ) � � � � � � �� #�� ���� ��� � ) � � " # $�� ) " # � � % � � ���!��# �� #���&��� ������!) & � �! � % ,-�����F ������������G������.������������ ��� @������� ������ ����+������� �� �� ���� &&�55 H������������� �����*+� �� ���I� ���� ��� -����CJ� #�2558< �������

� � � � � � � � � � � � � � 2J7<+����� , �� ���� ���� �- .($/ �� � ������ ������� � ���� � ������� ������ ���� � ��� ��� ! ��"#$�"����%��&'()����)�������� *����+�)�

Page 2: Selbstentzündung von Stäuben und Schüttgütern bei vermindertem Sauerstoffgehalt

��� ���� �� ���� 2 ��������������� -� �� �� �������������� ���� ��� D��� ��� �������� ��������!����� ��� �������� ���� ��� !��� -�����!������ ��� ������� ����� �� ���D��������� �����������������+������� ��������!�� �� ������ ��������� /��������� ��� ��� �������� H"�������I ���� HK���"������I � ������ ������ �������������

� �� �����

'������� ����� ���� ���� ��� � ������ �� ���! �������� �����������������+������� ,�-�. �� ������������ � ���������� ! � 05 �� �+����� ��������� )�� �� ����! ������ ! � 288 �7 �� ������ "����������� ��/��� 5 ����������

#�� L������� ��� �-� ��� ��� � ����� ! �288 �7 ���� ��� ��� !����������� � ��� ���������������� ���� &� �������� ��� �-� ��� 52 9 /���� ! � 05 ���+����� ������� ��� ��� �� ���� 5 ����������� #������������� �-��

#�� �� /��� 5 ��� �� ���! ������ ! � 288 �7 �������� /���������� ������� ��� ��� ��� ��� ������� ���������� �� ���! ������� /��� 7 ���� ���� �� ����+������ 4��������'����� �����

#�� �� ��� ���*�� ������ #��������� ��� /����������� ��� �����������������+����� ! � ��� ��������������� /�������� ��� ������ �� ��� � �,�%�.������2%�-��#�������� /����� ������ #��������� ���� ���������� ���� ��� /���������� ��� �-� ! � � �����%0�������������������� �%� ��� ��� !���������� � ����������

�� 05 ������� ������ /��� : ���� ������ "�������������� ������ ����

#�� -������� ��� ������ ���� ����������� ������ &����� ����� ����� ��� ! � ������ ������ ��������� �� ����� ,���� ��� &����� ����� ���� ���� ��� "���

��� �� ���������-��� ���� � �� ���� ������ � � ������ � ���� �� 0! .1 � � �������� ������ 2��� � ���� � ��������/*

� �����

22 �7 72 �7 288 �7 :88 �7 C88 �7

05�/���� �� 9 ; 25 2; 52 2�7 7 ; 25 2; 52 2�7 7 ; 25 2; 52 2�7 7 ; 25 2; 52 2�7 7 ; 25 2; 52

������ ��� * * * * * * * * * * * * * * * * * *

$ ������ * * * * * * * * * * * * * * * *

4��������'����� �� * * * * * * * * * * * *

������ �5 * * * * * * * *

��������� �3�� ���-��� ��� �4� ��� ������ � ���� �� 0! �� ��������� ���������� � ����� �� �� �� ���� ������ �� �55 ��#*

��� �� �%���� �� �6����� �� �4� �� ����� ������ 0!73 ����� � 8�� �� �55 ��# ���� ������ *

��-� �� $ � ���������� 05 �� 9

$ ������ 78 7

$ ������ 2; C

������ ��� :C 7

������ ��� 2< ;

4��������'����� �� 5J ;

������ �5 2: ;

��������� �3�� ���-��� ��� �4� �� 9����������7:�� ���� ��������� � ���� 0! �� ���������� � ���� ������ �*

��������� �;������ �� � �6����� �����-������������ 3����� � ���������� � �<3 � � �������-�� ������ ��� �� �������������� ���������� � ������ � ����� �� 0! �� =��� -����*

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � �2J7;+����� , �� ���� ���� �- .($/ �� � ����

Page 3: Selbstentzündung von Stäuben und Schüttgütern bei vermindertem Sauerstoffgehalt

�+���� ������� ������ ��� ������� ��� -������� ��������������� (���� � !���������.

&� /��� < ���� ��� ���+������"����������� ������ �������������� ! � $ ������ ��� ������� ��� �����0�����+����� ! � 58C => ��� !���������� ������ ���� ����������� ���������� #�� �� ���! ����� ����� D������� :88 �7� -� ����� ��� ��� ���� ������������ ����?������� ��� ���������������! ������� ��� ��������������� ������ ���� ����������� ! � 52 ��� ��� �� ; 9� )����� ������ ��� 7 9 ������ ���� ���������� ���� ��� ���&����� ����� ��� ����� ��������� �� �� ���� �� ������������ ���+����������� ���� � ��� ������ ��� �� ����� 0�����+����� ������ ��� #�� ���+�������*����! � 5;J => ���� ������ ���� ���� ��� 7 9 ������ ���� ����������� ��� ��� ���������� ��� �� �� ������� #������ ��� ����� �� ��������� ���� ��� �� �� ��� ��� ������� ����� /��� ������� � ����� ��� ����������� ��������� !������ ����

� �������� ���� ��

#�� (���������� ��� � ����������� ! � ������ �� �� ������������� /� �+���� ����� ��������� )��� ��������� ���� ��� ��� ������� ��� ���������� ! � ���������������� -� ����� ��� ���� ���� /������� ��� �-���� ���� ��� ���������� ����������+����� �� ���������� ������ ���� ����������� M�� � ���� ��� ��� ������������ ������ ���� ������������ �* ����� (���� ���� ���� ��� ��� ������������ ���+��������?���� ������� �������

#�� /���������� ��� �-� ! � ��� ��������������� /�������� ��� ������ ����� ��� ��� !����������� ������ ���� ���������� ��������

/������� ��� ! ���������� -��������� ���� ���&����������� ! � ��������� )��� ���������� ��� ����������� ! � �������������� ��� ������ ��� -�� �� !����+������ ��������� ������� �� ��� ��� ������ ���� ������������� ! � ��� 7 9 ��� ����������� ��� @��������������� �����

-���������� �� 5C� /���� 5885 1$ 722<3

�������

123 4� 6������ �� $������ �� ?������ ��������������� ����� � ��� ,��������A��� �����.� �������� ��� ��������������� ,-�F 6� ����.4���B��>6 ������� 4������� ����� $�+� 5� J��� 5<J�

153 �� >� � ���� �� 6� �� ���� ����� ����� ����� ���552�

173 �#&�(������� 55;7F ����������� ��� ������������������ ��� 2F H�����������!��������I� ����������� ������ �����

��������� ����������7;���7������� �� ��� ������ ��� �� � �� "��-���� .���� ������ >�6���� $55 ��#/ �� 8����� � ��!5? @+ � � �� � �������������� ��������7������ � ����� *

� � � � � � � � � � � � � � 2J7J+����� , �� ���� ���� �- .($/ �� � ����