Hodnocení dřevního materiálu z hlediska sklonu k samovznícení

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]

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.

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

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/T_SI v K) tzv. Pseudo – Arrheniův graf teplot samovznícení – obr. 2.

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 (t_i) 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]

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.

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 [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.