Hodnocení dřevního materiálu z hlediska sklonu k samovznícení

Datum: 30.11.2015  |  Autor: Ing. Michaela Perďochová, Ph.D., VŠB - TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství  |  Recenzent: Ing. Vladimír Stupavský

Použití tuhých biopaliv se z důvodu náhrady fosilních paliv neustále zvyšuje, čímž stoupá také nebezpečí vzniku požáru v důsledku samovznícení. K samovznícení těchto materiálů dochází zejména při jejich skladování ve velkých hromadách. Tento sklon k samovznícení není stejný, ale je ovlivněn různými faktory. Tento článek se zabývá stanovením náchylnosti k samovznícení a hodnocením vlivu vlhkosti na teplotu samovznícení čtyř druhů dřevní štěpky. Hodnocení náchylnosti k samovznícení bylo provedeno podle normy EN 15188, a to v izotermické peci. Uvedené poznatky lze použít pro stanovení bezpečných podmínek pro skladování dřevní hmoty a volbu bezpečnostních opatření.

Úvod

Využití tuhých biopaliv pro výrobu elektrické energie a tepla zaznamenává v České republice vzrůst. Jedním z důvodů je snaha snížit spotřebu fosilních paliv a snížit emise, které znečišťují životní prostředí. Avšak také používání tuhých biopaliv s sebou přináší jistá rizika, která mohou být příčinou ohrožení osob i majetku. Tuhá biopaliva, která mají sklon k samovznícení, jsou příčinou řady požárů. K samovznícení rostlinných materiálů dochází zejména při jejich dlouhodobém skladování ve vysokých vrstvách, kdy vlivem biologických procesů dochází k uvolňování tepla uvnitř hromady a uvolňované teplo není dostatečně odváděno do okolí.

Aby byla dřevní hmota bezpečně skladována, je potřeba provést hodnocení nebezpečí její náchylnosti k samovznícení a přijmout vhodná preventivní opatření. Pro hodnocení nebezpečí při skladování tuhých hořlavých látek je vypracována řada metod. Pomocí těchto metod lze extrapolovat laboratorní výsledky na reálné podmínky. Mezi tyto metody patří např. metoda izotermická, která hodnotí závislost teploty, při níž dochází k samovznícení na objemu skladovaného materiálu.

Samovznícení je ovlivněno řadou faktorů. Existuje řada experimentálních studií zabývající se touto problematikou, nicméně každý materiál se za zvýšených teplot chová jinak. Proto by mělo být provedeno hodnocení sklonu k samovznícení pro konkrétní materiál a za konkrétních podmínek, které mají vliv na proces samovznícení.

Požáry způsobené samovznícením skladovaných materiálů jsou nesnadno rozpoznatelné a mohou tak představovat závažný bezpečnostní problém. Z tohoto důvodu je potřeba samovznícení věnovat velkou pozornost, protože pochopením této problematiky je možno navrhnout dostatečná bezpečnostní opatření a minimalizovat tak vznik samovznícení skladovaných a materiálů.

V tomto článku byly stanoveny teploty samovznícení u čtyř druhů dřevní štěpky a byl hodnocen vliv vlhkosti na jejich teplotu samovznícení. Poznatky z tohoto článku lze použít jako podklad pro vypracování bezpečného pokynu pro skladování výše uvedeného materiálu a materiálů mající podobné vlastnosti.

Materiály a metody

Zkoumané materiály

Předmětem výzkumu byly tyto materiály (obr. 1):

  • Vzorek č. 1 – štěpka z listnatých stromů – dřevní štěpka a drcené dřevní palivo, voda M45, popel A5.0 dle ČSN EN ISO 17225-1 [10], kategorie biomasy 2 podle vyhlášky 477/2012 Sb. [7]
  • Vzorek č. 2 – dřevařská, tedy bílá štěpka – dřevní štěpka a drcené dřevní palivo, voda M45, popel A5.0 dle ČSN EN ISO 17225–1 [10], kategorie biomasy 3 podle vyhlášky 477/2012 Sb. [7]
  • Vzorek č. 3 – lesní štěpka – dřevní štěpka a drcené dřevní palivo, voda M50, popel A10.0+ dle ČSN EN ISO 17225–1 [10], kategorie biomasy 2 podle vyhlášky 477/2012 Sb. [7]
  • Vzorek č. 4 – štěpka z topolů – tříděná dřevní štěpka třídy B1 dle ČSN EN ISO 17225–4 [9], kategorie biomasy 1 podle vyhlášky 477/2012 Sb. [7]
Obrázek 1 – Zkoumané materiály [6]
Obrázek 1 – Zkoumané materiály [6]

Tyto materiály byly odebrány z energetického podniku, který patří mezi významné lídry ve využívání obnovitelných zdrojů. V této teplárně byl uveden do provozu největší vysokotlaký parní kotel na spalování biomasy v České republice. Protože se v podniku převážně skladují různé druhy dřevní štěpky, bylo provedeno hodnocení sklonu k samovznícení právě pro tento materiál.

U všech zkoumaných vzorků byl proveden základní chemický a elementární rozbor – tab. 1.

Tabulka 1 – Základní chemický a elementární rozbor vzorků [6]
Vlastnosti/Zkoumaný materiálListnatá štěpkaDřevařská štěpkaLesní štěpkaListnatá štěpka – topol
Základní chemický rozbor [% hm.]
Popel Ad4,663,9511,902,86
Prchavá hořlavina Vdaf82,9383,3881,1085,07
Fixní uhlík Cdaff17,0716,6218,9014,93
Elementární rozbor [% hm.]
Uhlík veškerý Cdt49,3449,5446,8949,44
Vodík veškerý Hdt5,465,555,145,54
Dusík Nd0,180,090,340,16
Síra Sdt0,040,030,040,03
Kyslík Odd (dopočtem)44,9844,7947,5944,83

V tab. 2 jsou uvedeny naměřené hodnoty vlhkosti, sypné hmotnosti a střední velikosti zrna pro jednotlivé zkoumané vzorky.

Tabulka 2 – Souhrn výsledků jednotlivých zkoumaných vzorků – vlhkost, sypná hmotnost, sítová analýza [6]
Chemicko-fyzikální vlastnostVzorek
Listnatá štěpkaDřevařská štěpkaLesní štěpkaListnatá štěpka – topol
Vlhkost [%]43,3541,0247,7444,23
Sypná hmotnost [kg.m−3]330280320300
Střední velikost zrna [mm]8,8813,238,759,40
Metody

Vzorky byly odebrány ze skladovacích prostor v energetickém závodě. Odběr byl proveden podle normy ČSN EN 14778 – Tuhá biopaliva – Vzorkování [2]. Celkem byly odebrány čtyři druhy dřevní štěpky (čtyři kombinované vzorky – vzorky složené z dílčích vzorků odebraných z šarže, a to štěpka z listnatých stromů, dřevařská štěpka, lesní štěpka a štěpka z topolů) ze dvou skladovaných hromad. Z každého kombinovaného vzorku byl, podle normy ČSN EN 14780 – Tuhá biopaliva – Příprava vzorku [1], získán podvzorek (reprezentativní část z kombinovaného vzorku), u něhož byl bezprostředně stanoven obsah vlhkosti pomocí halogenového analyzátoru vlhkosti METTLER TOLEDO HS 153. Dále byl u podvzorků proveden základní chemický a elementární rozbor (posláno do geologické laboratoře Green Gas DPB a.s.), sypná hmotnost podle normy ČSN EN 15103 – Tuhá biopaliva – Stanovení sypné hmotnosti [4] a sítová analýza podle normy ČSN EN 933–1 – Zkoušení geometrických vlastností kameniva – Část 1: Stanovení zrnitosti – Sítový rozbor [8]. U všech kombinovaných vzorků byl stanoven sklon k samovznícení izotermickou metodou podle normy ČSN EN 15188 – Stanovení chování nahromaděného prachu z hlediska samovolného vznícení [3] (tzv. košíkový test). Toto stanovení bylo provedeno v peci pro samozáhřev pevných látek CLASIC CZ KK5006. Po provedení výše uvedených kroků byla u kombinovaných vzorků změněna vlhkost tak, aby mohl být zkoumán vliv tří úrovní vlhkostí na teplotu samovznícení. U kombinovaných vzorků se změněnou vlhkostí byla následně určena teplota samovznícení.

Experimentální měření bylo prováděno na zařízeních laboratoře PTCH prachů, Fakulty bezpečnostního inženýrství VŠB – TUO.

Na základě získaných výsledků z košíkového testu bylo provedeno vyhodnocení testovaných materiálů z hlediska požáru v důsledku samovznícení a jejich vzájemné porovnání. Byl také hodnocen vliv vlhkosti všech zkoumaných vzorků na teploty samovznícení.

Výsledky

Stanovení teplot samovznícení

Stanovení teplot samovznícení bylo provedeno u všech zkoumaných vzorků experimentální metodou podle evropské normy ČSN EN 15188 – Stanovení chování nahromaděného prachu z hlediska samovolného vznícení [3]. Jedná se o metodu, která slouží ke stanovení teploty samovznícení v závislosti na objemu, na základě zkoušek uložení v peci při konstantní teplotě. Sleduje se také doba mezi dosažením teploty uložení a vznícením (indukční doba).

Vyhodnocení výsledků zkoušky pro stanovení teplot samovznícení bylo provedeno pomocí závislosti mezi logaritmem poměru objemu k povrchu u daného tvaru a velikosti použitého košíku (lg [V/A]) a převrácené hodnoty teploty samovznícení (1/TSI v K) tzv. Pseudo – Arrheniův graf teplot samovznícení – obr. 2.

Obrázek 2 – Pseudo – Arrheniův graf teplot samovznícení pro zkoumané vzorky [6]
Obrázek 2 – Pseudo – Arrheniův graf teplot samovznícení pro zkoumané vzorky [6]

Z výše uvedeného grafu je patrné, že vzorky listnaté, lesní štěpky a topolu mají podobný průběh, zatímco průběh závislosti dřevařské štěpky je odlišný. V případě dřevařské štěpky je intenzita oxidace silněji závislá na teplotě než u ostatních vzorků, což může být dáno rozdílným složením vzorků a rozdílnou zrnitostí.

Z grafu vyplývá, že pro malé objemy vzorku se nejsnadněji samovzněcuje štěpka lesní, kdežto nejmenší sklon k samovznícení vykazuje štěpka dřevařská. Při extrapolaci na větší objemy však vyplývá, že náchylnější k samovznícení je štěpka listnatá, která jako lesní štěpka obsahuje kůru.

Z naměřených výsledků je dále možno určit indukční dobu hoření pro různé objemy jako závislost logaritmu indukční doby (ti) na logaritmu poměru objemu k povrchu u daného tvaru a velikosti použitého košíku (lg [V/A]) – obr. 3. Indukční doba hoření je definována normou ČSN EN 15188 [3] jako doba mezi dosažením teploty uložení a vznícením.

Obrázek 3 – Závislost indukční doby na poměru objemu/povrchu zkoumaných vzorků [6]
Obrázek 3 – Závislost indukční doby na poměru objemu/povrchu zkoumaných vzorků [6]
 

Z výše uvedených grafů (obr. 2 a obr. 3) lze tedy odhadnout teploty samovznícení a časy potřebné k samovznícení vzorků pro objemy přibližující se reálnému uložení hodnocených materiálů, tzn. pro větší objemy. Např. lesní štěpka o krychlovém objemu 1 m3 by se samovznítila při teplotě nad 98 °C (obr. 2). Pokud by byl tento vzorek uložen o této konstantní teplotě, došlo by k požáru za 15,4 dní (obr. 3).

Z extrapolovaných závislostí lze pak po úpravě vypočítat kritický rozměr uloženého prachu, který představuje nebezpečí vzniku samovznícení při dané teplotě okolí a také dobu, za kterou může při dané teplotě a při daném rozměru dojít k samovznícení.

Vliv obsahu vody na teplotu samovznícení

Za účelem zjištění vlivu vlhkosti na teplotu samovznícení byly vzorky ponechány v sušárně BINDER FD 53 po dobu 15 min. a 30 min. Po vysušení vzorků, byly bezprostředně zjištěny hodnoty obsahů vlhkosti a byly provedeny zkoušky náchylnosti k samovznícení podle ČSN EN 15188 [3] v peci pro samozáhřev pevných látek CLASIC CZ KK5006. Měření vlhkosti bylo provedeno za pomocí analyzátoru vlhkosti METTLER TOLEDO HS 153. V tab. 3 jsou uvedeny průměrné hodnoty obsahů celkové vody vč. intervalu spolehlivosti s pravděpodobností 95 po 15 a 30 min. sušení vzorků.

Tabulka 3 – Průměrné hodnoty obsahů celkové vody Mar po 15 a 30 min. sušení vzorků [28]
Obsah celkové vody ve vzorcích po 15 min. sušení
VzorekListnatá štěpkaDřevařská štěpkaLesní štěpkaListnatá štěpka – topol
Obsah vlhkosti [%]27,99 ± 0,3626,08 ± 0,2930,99 ± 0,4128,94 ± 0,64
Obsah celkové vody ve vzorcích po 30 min. sušení
VzorekListnatá štěpkaDřevařská štěpkaLesní štěpkaListnatá štěpka – topol
Obsah vlhkosti [%]18,11 ± 0,4516,89 ± 0,7621,12 ± 0,6519,94 ± 1,40

Výsledky košíkových testů spolu s výsledky košíkového testu vzorků s původní byly následně vyneseny do Pseudo – Arrheniových grafů teplot samovznícení. Na obr. 4 je uveden Pseudo – Arheniův graf teplot samovznícení – listnatá štěpka s různou vlhkostí.

Obrázek 4 – Pseudo – Arheniův graf teplot samovznícení – listnatá štěpka s různou vlhkostí [28]
Obrázek 4 – Pseudo – Arheniův graf teplot samovznícení – listnatá štěpka s různou vlhkostí [6]
 

Z výsledků měření všech vzorků vyplynulo, že vlhkost ovlivňuje jak teplotu samovznícení, tak i indukční dobu. Čím je vzorek sušší, tím je teplota samovznícení nižší a indukční doba se zkracuje. Vysušování materiálů tedy způsobuje zvýšení nebezpečí samovznícení. U měřených vzorků se vlhkost vzorků pohybovala v rozmezí cca od 17 do 48 %. Proto vlhkost je jedním z důležitých parametrů, který by měl být kontrolován a v pokynech pro skladování by mělo být uvedeno upozornění před tímto nebezpečím. Tento fakt však platí v případě oxidativního samovznícení. K vysušování skladovaného materiálu dochází dlouhodobým působením tepla v prostředí skladované hromady, proto, jak už bylo zmíněno, je nutné skladovanou hromadu chránit před zdrojem tepla, tzn. v blízkosti prostoru skládky neumisťovat zdroje tepla, jako jsou např. parovody, dálková topení atd. U biologického samovznícení naopak platí, že vlhkost podporuje samovznícení. [5] uvádí, že rozsah vlhkosti, která podporuje samovznícení, je 20 % až 45 %. Je-li vlhkost vyšší než 45 %, je k dispozici dostatek vlhkosti pro snížení teploty hromady v důsledku odpařování. Pokud je vlhkost nižší než 20 %, nedochází k biologické aktivitě.

Závěr

V rámci této práce byl proveden rozbor problematiky samovznícení dřevní štěpky. Z naměřených výsledků bylo zjištěno, že nejmenší náchylnost k samovznícení byla zaznamenána u dřevařské štěpky. Dále bylo zjištěno, že pro malé objemy se nejsnadněji samovzněcuje lesní štěpka, ale při extrapolaci na větší objemy je nejnáchylnější k samovznícení štěpka listnatá. Na rozdíl od ostatních vzorků, byl u dřevařské štěpky zaznamenán jiný průběh závislosti. Tato odlišnost může být způsobena různým složením a zrnitostí dřevařské štěpky. Jedním z faktorů ovlivňující teplotu samovznícení, je vlhkost materiálů. Proto posouzení vlivu vlhkosti na teplotu samovznícení byl jeden z předmětů této práce. Z výsledků bylo zjištěno, že s rostoucí vlhkostí vzorků se teplota samovznícení zvyšuje.

Výsledky mohou být využity pro stanovení bezpečnostních podmínek pro skladování a přepravu uvedené dřevní štěpky a také dřevní hmoty podobných vlastností.

Literatura

  • [1] ČSN EN 14780. Tuhá biopaliva – Příprava vzorku. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
  • [2] ČSN EN 14778. Tuhá biopaliva – Vzorkování. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
  • [3] ČSN EN 15188. Stanovení chování nahromaděného prachu z hlediska samovolného vznícení. Praha: Český normalizační institut, 2008.
  • [4] ČSN EN 15103. Tuhá biopaliva – Stanovení sypné hmotnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010.
  • [5] Bulk Green Waste Storage Fires. Dfes [online]. 2014 [cit. 2015–03–17]. Dostupné z: http://www.dfes.wa.gov.au/safetyinformation/fire/bushfire/BushfireInfoNotesPublications/DFES–InfoNote–GreenWaste.pdf.
  • [6] Perďochová, Michaela. Rizika samovznícení pevných biopaliv. Ostrava, 2015. Doktorská disertační práce. VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství.
  • [7] Vyhláška č. 477/2012 ze dne 20. prosince 2012 o stanovení druhů a parametrů podporovaných obnovitelných zdrojů pro výrobu elektřiny, tepla nebo biometanu a o stanovení a uchovávání dokumentů. In: Sbírka zákonů České republiky. 2013, 180/2012.
  • [8] ČSN EN 933–1. Zkoušení geometrických vlastností kameniva – Část 1: Stanovení zrnitosti – Sítový rozbor. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2012.
  • [9] ČSN EN ISO 17225-4. Tuhá biopaliva – Specifikace a třídy paliv – Část 4: Tříděná dřevní štěpka. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2015.
  • [10] ČSN EN ISO 17225-1 Tuhá biopaliva – Specifikace a třídy paliv – Část 1: Obecné požadavky. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2015.
 
Komentář recenzenta
Ing. Vladimír Stupavský

Tzv. samozahřívání tuhých průmyslových biopaliv (nejčastěji dřevní štěpka) s vyšším obsahem vody, které může vést až k zahoření paliva je známým problémem, s nímž se potýkají správci palivového hospodářství větších energetických zdrojů. Článek popisuje náchylnost k samovznícení čtyř druhů dřevní štěpky a vyhodnocuje vlivu obsahu vody na teplotu samovznícení.

Při recenzi jsem s autorkou článku diskutoval nad jednoznačným zatříděním jednotlivých vzorků biopaliv dle platných technických norem. Tříděná dřevní štěpka (představme si vyšší kvalitu štěpky průmyslového charakteru) podléhá normě ČSN EN ISO 17225-4, která tato paliva zatřiďuje do čtyř kvalitativních tříd A1, A2, B1, B2. Palivo náleží k té třídě, jejíž veškeré předepsané testované parametry bezezbytku splňuje. Pokud se jedná o štěpku „netříděnou“ (norma takový termín nezná) obvykle horší kvality, popis jakosti paliva se provádí dle obecné normy ČSN EN ISO 17225-1 pro veškerá tuhá „netříděná“ biopaliva. V takovém případě záleží na domluvě mezi dodavatelem a odběratelem, jaké parametry paliva je potřeba sledovat a popsat. V našem případě to byla např. dřevní štěpka s obsahem vody do 50 % v původním vzorku a popelnatostí přes 10 % v bezvodém stavu (hmotnostní poměr), tedy popsána jako: „voda M50, popel A10.0+“. Jednotlivé odstupňování tříd určitých parametrů si dodavatel nestanovuje nahodile, jsou předepsány normou.

English Synopsis
Evaluation of wood material in terms of tend to spontaneous combustion

Usage of solid biofuels increases due to substitution of fossil fuels. This fact contributes to increasing of danger of fire due to spontaneous combustion. Spontaneous combustion of these materials occurs during their storage in large piles. This tendency to spontaneous combustion is not the same, but is influenced by various factors. This article deals with the determination of tend to spontaneous combustion and evaluation of effect of moisture on self – ignition temperature of four kinds of wood chips. Evaluation of tendency to spontaneous combustion was performed according to standard EN 15188, in an isothermal furnace. The results have implications for the specification of safe conditions of storage of coal and wood substances and the selection of safety measures.

 

Hodnotit:  

Datum: 30.11.2015
Autor: Ing. Michaela Perďochová, Ph.D., VŠB - TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství   všechny články autora
Recenzent: Ing. Vladimír Stupavský



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Témata 2018

Partner - Biomasa

Slunce v domě on-line

Stav nabití BAT:--- %
Roční soběstačnost:--- %

Partneři - Obnovitelná energie

logo VIESSMANN
logo HOTJET
logo FENIX

Doporučujeme

 
 

Aktuální články na ESTAV.czPražští radní podpořili zbourání Libeňského mostu, schválit záměr musí zastupitelstvoProč se bránit výskytu tepelných mostů? Mohou způsobit i plísně. Jsou i další důvodyPardubice dojednaly odkup pozemků pro autobusový terminálVystrojený vrt kolektorem je jednou z nejdůležitějších částí systému XI.