DE3126864A1

DE3126864A1 - Verfahren zur frueherkennung von schwelbraenden in braunkohlenstaub enthaltenden behaeltern durch detektion von methan

Info

Publication number: DE3126864A1
Application number: DE19813126864
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Ing.(grad.) 5040 Kerpen Päffgen; Erhard Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. 5160 Düren Wolfrum
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1983-01-27
Also published as: CA1187718A; AU557814B2; EP0069393A1; ATE16429T1; EP0069393B1; AU8688682A; WO1983000247A1; CS245771B2; DE3126864C2; DE3267275D1; EP0082867A1; DD207438A1

Description

DIPL.-ING. HELMUT KOEPSELL <l 5 KÖLN 1 ,6.7.1981

PATENTANWALT Mittelstrasse 7

in 0221) 2194 23 rainaiadre'ist¹: Koepsel!pai*^irlt KoIi

Rheinische Braunkohlenwerke AG. Ri/lo4

fg. Nr bitte anc]f;bi'n

Verfahren zur Früherkennung von Schwelbränden in Braunkohlenstaub enthaltenden Behältern durch Detektion von Methan

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Schwelbränden in Braunkohlenstaub enthaltenden Behältern,mit dessen Hilfe bestimmte, sich in dem Braunkohlenstaub bildende und ggf. daraus austretende Gase mit einem geeigneten Detektor gemessen und als "Indikator-Gase" zur Schwelbrand-Früherkennung verwendet werden können.

Für die Früherkennung von Bränden oder Schwelbränden in der Steinkohle wird die Methode der Messung des dabei gebildeten Kohlenmonoxids (CO) untertage erfolgreich angewandt. Zur Schwelbrandfrüherkennung während der Lagerung von Braunkohlenstaub (BK-Staub) in Bunkern wird gegenwärtig ebenfalls der Kohlenmonoxid -G ehalt des über der Schüttung befindlichen Gasvolumens bestimmt. Die Ergebnisse dieser Methode sind jedoch nicht vollkommen eindeutig, da CO und Kohlendioxid (CO₂) als Abbauprodukte funktioneller Gruppen der Braunkohle auch dann auftreten, wenn die Zündtemperatur der Braunkohle noch nicht erreicht ist.

Für die sichere Lagerung, den Transport und den Umgang mit Braunkohlenstaub ist es jedoch wegen dessen Eigenschaft der leichten Enzündbarkeit bzw. Neigung zur Selbstentzündung unbedingt erfor-

derlich, das Vorhandensein von Schwelbränden im Staub möglichst frühzeitig zu erkennen. Die Frühzeitigkeit der Erkennung ist besonders geboten, da einmal in Brand geratener Braunkohlenstaub nur mit Mühe wieder gelöscht werden kann.

Die Zunahme der kommerziellen Nutzung von Braunkohlenstaub in den letzten Jahren hat es erforderlich gemacht, den Staub auf Vorrat zu lagern, zwischenzulagern und meistens auch über bisweilen weite Strecken zu transportieren.

Die Einhaltung der notwendigen Sicherheitsbestimmungen führte zur Formulierung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, wonach eine Methode anzugeben ist, die das Vorhandensein von Schwelbränden innerhalb von in Behältern befindlichem Braunkohlenstaub zu einem möglichst frühen Zeitpunkt und mit grosser betrieblicher Sicherheit gewährleistet.

Bei der Beobachtung der Schüttungen von Braunkohlenstaub wurde nun gefunden, dass darin Wasserstoff (H₂) bzw. Methan(CHj enthaltende Gase normalerweise fast überhaupt nicht oder nur in fast nicht mehr nachweisbar geringen Mengen auftreten. Anders verhält es sich mit CO bzw. CO-, die stets vorhanden sind.

Grössere Mengen an CO bzw. CO₂ können sich erst in dem Augenblick bilden, in dem innerhalb der Staubschüttung ein Schwelbrand entsteht.

- y-

CO bzw. CO .j können aber als Abbauprodukt funktioneller Gruppen der Braunkohle auch dann auftreten, wenn die Zündtemperatur der Kohle noch nicht erreicht ist. Dieser Sachverhalt macht für die Praxis, z. B. für einen Staubbunker, die Angabe einer Grenzkonzentration notwendig, ab der die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines Schwelbrandes in einer Braunkohlenstaub-Schüttung gegeben ist.

Grundsätzlich ist es so, dass die Werte für Grenzkonzentration an jedem Staubbehälter und für jede Staubsorte unterschiedlich sein und auch noch vom jeweiligen Füllungsgrad eines Behälters abhängen können.

Es wurde in Laborversuchen festgestellt, dass E und CH. erst dann auftreten, wenn ein Schwelbrand in der Schüttung entstanden ist. Dieser Nachweis eines Schwelbrandes über eine Detektion von H„ und CH, ist neben der bisherigen Früherkennung über CO eine weiterentwickelte Methode zur Erkennung von Schwelbränden in Braunkohlenstaub. Die Angabe einer Grenzkonzentration ist für H„ und CH₄ nicht unbedingt notwendig, da diese Gase für das Vorhandensein eines Schwelbrandes spezifisch sind. Da jedoch eine Messung des Wasserstoffgehaltes unter betrieblichen Bedingungen schwierig ist, bietet sich die Messung von CH zur Detektion von

4 Schwelbränden als besonders geeignet an.

Infolgedessen konnte zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe angegeben werden, dass die Anwesenheit von

CH. und/oder höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen in Braunkohlenstaub gemessen wird.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird an dem Braunkohlenstaub enthaltenden Behälter ein Detektor zum Aufspüren der in Frage kommenden Gase derart angebracht, dass er mit einer Sonde entweder in den Entleerungsstutzen des Behälters eingrift oder in den Innenraum oberhalb des Entleerungsstutzens, wobei die Sonde sowohl im Bereich der Schütthöhe als auch in den Gasraum oberhalb der Schütthöhe hineingreifen kann. Selbstverständlich können über die Länge des Behälters auch mehrere derartige Sonden im gegenseitigen Abstand voneinander und/oder auch in Umfangsrichtung verteilt vorgesehen sein.

Die Sonden können entweder selbst Detektoren aufweisen oder aber mit Anschlüssen versehen sein, welche eine zur Messung erforderliche, meist geringe Gasmenge einem geeigneten Gerät, beispielsweise einem Gaschromatographen oder anderen Gasanalysatoren zuführen.

Das erfindungsgemässe Verfahren wurde zunächst labormässig erprobt. Hierzu wurden in einer Staubschüttung Schwelbrände dadurch erzeugt, dass die Schüttung aufgeheizt und Luft eingeleitet wurde. Dabei hatte das labormässige Verfahren zum Ziel, die Zusammensetzung der durch einen Schwelbrand im Braunkohlenstaub gebildeten Gase mit einem Gas zu vergleichen, das dann gebildet wird,

wenn kein Schwelbrand vorhanden ist.

Bei dem Versuch wurden ca. 1200 bis 1300 g Braunkohlen-Staub aus der Produktion einer Brikettfabrik in ein von aussen beheizbares Glasgefäss geschüttet, welches ein Fassungsvermögen von ca. 2,5 aufweist.

Danach wurde der Staub auf die in nachfolgender Tabelle wiedergegebenen Anfangstemperatüren erhitzt:

Versuch Nr. Anfangstemperatur Einsatzmaterial Ergebnis

(⁰C)

172

140 115

getrockneter BK-S taub

Bildung

von Schwelbränden

101 83 83

BK-Staub (feucht)

getrockneter BK-S taub

Keine Bildung von

Schwelbränden

Die Temperatur in der Schüttung wurde mit Hilfe von Thermoelementen gemessen. Nachdem die oben angegebenen Temperaturen in der Schüttung erreicht waren, wurde vorgewärmte Luft über einen Zeitraum von ungefähr 7,5 Stunden in die BK-Staubschüttung eingeleitet. Der Luftdurchsatz betrug ca. 0,1 l/min. Die Zusammensetzung des die Versuchsapparatur verlassenden Gases wurde gaschromatographisch hinsichtlich H₂, CH-, CO und CO₂ ermittelt.

Während der Versuche 1 bis 3 bildeten sich durch Selbstoxidation, verbunden mit einem raschen Temperaturansteig in den Staubschüttungen Schwelbrände. Im Verlauf der Versuche 4 bis 6 konnten auch nach 7,5 Stunden Luftzufuhr keine Schwelbrände beobachtet werden. Die die Schüttung verlassenden Gase wurden analysiert; bei den Versuchen 1-3 wurde festgestellt, dass H₂ und CH₄ austraten und der Anteil an CO und CO₂ bei Bildung eines Schwelbrandes auf einen Maximalwert anstieg.

Hohe H₂-Konzentrationen wurden jedoch nur im Zusammenhang mit der Ausbildung von Schwelbränden festgestellt, dagegen war bei Abwesenheit eines Schwelbrandes kein H₂ nachzuweisen (Versuche 4 — 6). Ein ähnliches Verhalten wie das von H„ konnte auch für CH, festgestellt werden. Beispielsweise stieg der H„-Gehalt des Schwelgases im Verlauf des Versuches 1 (Anfangstemperatur 172° C) nach 1 h Luftzufuhr von 0 auf 2,16 VoI.%, während der CH.-Gehalt unter den gleichen Bedingungen von 0 auf 0,15 Vol.% anstieg. Wie die Versuche klar bestätigen, ist das Auftreten von höheren H₂- und CH.-Konzentrationen im Abgas immer mit der Ausbildung eines Schwelbrandes gekoppelt. Dieses schliesst jedoch nicht vollkommen aus, dass Spuren dieser Gase im Gasvolumen oberhalb grosser Braunkohlenmengen (Bunker) ebensowohl festgestellt werden können.

Die Ergebnisse der Versuche sind in der Fig. 1 in einem Diagramm dargestellt. Die Darstellung ist nicht maßstäblich, und zwar mit Rücksicht auf die im Verhältnis geringen Werte für Wasserstoff und Methan. Das Diagramm zeigt die Anteile der einzelnen Gaskomponenten H₃, CII4, CO und C0~ in Volumenprozenten (Vol.%) in Ab-

- ar-

hängigkeit von der Versuchstemperatur.

Alle Kurven zeigen einen im wesentlichen ähnlichen, glockenförmigen Verlauf mit nach oben gerichtetem Scheitelpunkt; von einer bestimmten Versuchstemperatur ab nimmt die Konzentration des jeweiligen Gases stetig zu, um nach Durchschreiten eines Maximalwertes, welcher für jedes untersuchte Gas unterschiedlich ist, wieder leicht abzufallen. Bei der Temperatur von 150° C setzte die Zündung bzw. Bildung eines Schwelbrandes ein; diese Temperatur ist durch eine vertikale, gestrichelte Linie markiert; sie wurde über ein Thermoelement ermittelt. In Abhängigkeit von den bei der Entzündung jeweils vorliegenden Bedingungen, wie Grosse des Behälters, Feuchtigkeitsgehalt des Braunkohlenstaubes und dgl, kann die Zündtemperatur auch grosser oder kleiner sein, so dass man hier von einem Temperaturbereich auszugehen hat, innerhalb dessen die Zündung einsetzt.

Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang in Fig. 1 zu erkennen, dass mit dem Erreichen des für die Zündung massgeblichen Temperaturbereiches die Konzentrationen von CO bzw. CO₃ ihren Maximalwert erreicht haben bzw. kurz davor stehen, um anschliessend wieder abzunehmen, während die Bildung der "Indikatorgase" H„ bzw. CH. in diesem Temperaturbereich erst einsetzt und seine Maximalkonzentrationen entsprechend später erreicht. Dabei konnte beobachtet werden, dass sich die Bildung und das Ansteigen der Konzentration von höherwertigen Kohlenwasserstoffen wie Äthan (C₂Hg), Propan (C₃Hg), Butan (C₄ H₁₀), Pentan (C₅H₁₃) usw.,

solange diese Stoffe gasförmig vorlagen, zu höheren Temperaturbereichen hin verschob. Messungen in solchen Temperaturbereichen können beispielsweise dann von Interesse sein, wenn sich die äusseren Bedingungen, wie z. B. Druck, Feuchtigkeitsgehalt des Braunkohlenstaubes, Volumen des Behälters sowie die Atmosphäre im bzw. am Braunkohlenstaub enthaltenden Behälter geändert haben.

Während die Gaskomponenten CO und CO- bereits bei Temperaturen unterhalb der Zündtemperatur vorliegen, treten H„ und CH₄ erst bei Erreichen der Zundtemperatür auf, um verhältnismässig schnell einen Maximalwert zu erreichen und anschliessend in der Konzentration wieder abzunehmen. Der relativ stark ausgeprägte Konzentrationsanstieg der Gase H~ und CH₄ ist daher besonders gut zur Früherkennung eines Schwelbrandes geeignet.

An sich gilt zwar, dass eine Detektion desjenigen Gases am geeignetsten ist, welches die höchste Konzentration im Schwelgas aufweist. Ein Schwelbrandnachweis über die zwar in höheren Konzentrationen vorliegenden Gase CO und C0_? ist jedoch für die Praxis problematisch, da eine Grenzkonzentration festgelegt werden muss, die, wie ausgeführt, wiederum von vielen einzelnen Einflüssen abhängt. Die "Indikatorgase" H- und CH₄ sowie höhere Kohlenwasserstoffe hingegen sind weitgehend spezifisch zur Schwelbrandidentifizierung einsetzbar. Aufgrund der höheren Konzentration an H^ im Schwelgas müsste sich dieses Gas eher eignen als CH.. Wird je*· doch eine Auswahl zwischen beiden "Indikator-Gasen" nach praxisgerechter Bestimmung oder Identifikation getroffen, so bleibt nur CII₄ als "Indi.kator-C.as" der Wahl übrig.

/to

- y-

In einem weiteren Versuch wurde die bis dahin labormässige Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens an einem mit Braunkohlenstaub gefüllten Bunker bei Vorliegen eines künstlich erzeugten Schwelbrandes erprobt. Die Anordnung ist in der Fig. dargestellt.

Ein Braunkohlenstaubbunker 1 verengt sich in seinem unteren Teil zu einem Trichter 2, der in ein Auslassorgan 3 mündet. Dieses Auslassorgan 3 besteht im einzelnen aus einem Zellenrad 4 mit Antrieb 5 und einem Faltenbalg 6 zur Anpassung an unterschiedliche Abnehmer. Weiterhin weist der Staubbunker 1 in der Höhe seines Trichters 2 eine Ringleitung 7 zur Zufuhr von Pressluft auf, damit die Schüttung im Inneren des Staubbunkers ggf. aufgelockert werden kann. Ein CH.-IR-Gasanalysator (nicht gezeigt) greift mit einer Sonde 8 in den Entleerungsstutzen des Behälters. Zusätzlich sind über die axiale Länge des Behälters drei gleichartige Sonden 9 in nahezu gleichem Abstand und ggf. in Umfangsrichtung verteilt angebracht/ wobei die Sonden sowohl in den Bereich der Staubschüttung 10 als auch in den Gasraum oberhalb der Schüttung hineinragen. Auch diese Sonden sind mit jeweils einem CH.-IR-Gasanalysator verbunden. Zwischen der Sonde 8 bzw. den Sonden 9 und den CH.-IR-Gasaialysatoren sind Staubfilter (nicht gezeigt) zum Schutz der Messgeräte eingebaut.

Im Verlauf der einzelnen Versuche betrug der über die Sonden 9 ermittelte CII.-Grundwert im Bunker 5-33 ppm der über die Sonde 8 gemessene CH.-Grundwert bei der Entleerung des Bunkers ca. 10 ppm.

Nach Erzeugung eines Schwelbrandes stieg der über die Sonden gemessene CH.-Gehalt deutlich an. Ebenso nahm der während der Bunkerentleerung über die Sonde 8 registrierte CH»-Wert zu.

Durch diese praxisnahen Untersuchungen wurden die zunächst labormässigen Versuche vollständig bestätigt.

Claims

- «MT-

Patentansprüche

IJ Verfahren zur Früherkennung von Schwelbränden in Braunkohlenstaub enthaltenden Behältern mittels Messung bestimmter aus dem Braunkohlenstaub austretender oder sich darin bildender Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwesenheit von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen im bzw. am Behälter gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt von Methan (CH₄) und/oder höheren Kohlenwasserstoffen (CnH₂n+2) gemessen wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Braunkohlenstaub enthaltenden Behälter ein Detektor für Wasserstoff bzw. Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase derart angebracht ist, dass er mit einer Sonde entweder in den Entleerungsstutzen oder in den darüber befindlichen Innenraum des Behälters eingreift.