EP0069393B1 - Verfahren zur Früherkennung von Schwelbränden in Braunkohlenstaub enthaltenden Behältern durch Detektion von Methan - Google Patents
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- EP0069393B1 EP0069393B1 EP82106076A EP82106076A EP0069393B1 EP 0069393 B1 EP0069393 B1 EP 0069393B1 EP 82106076 A EP82106076 A EP 82106076A EP 82106076 A EP82106076 A EP 82106076A EP 0069393 B1 EP0069393 B1 EP 0069393B1
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- G08B17/117—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means by using a detection device for specific gases, e.g. combustion products, produced by the fire
Definitions
- the invention relates to a method for the detection of smoldering fires in containers containing lignite dust, with the aid of which certain gases that form in the lignite dust and possibly escape therefrom can be measured with a suitable detector and used as "indicator gases" for early smoldering fire detection.
- the method of measuring the carbon monoxide (CO) and / or carbon dioxide (C0 2 ) formed underground is used successfully for the early detection of fires or smoldering fires in hard coal (CH-A-586940).
- CH-A-586940 hard coal
- BK dust brown coal dust
- the carbon monoxide content of the gas volume above the bed is currently also being determined.
- the results of this method are not completely clear, since CO and C0 2 occur as degradation products of functional groups in brown coal even when the ignition temperature of the brown coal has not yet been reached.
- CO or C0 2 can, however, also occur as a degradation product of functional groups in brown coal if the ignition temperature of the coal has not yet been reached. This fact makes for practice, e.g. B. for a dust bunker, the specification of a limit concentration is necessary from which the probability of the presence of a smoldering fire in a lignite dust bed is given.
- H 2 and CH 4 only appear when a smoldering fire has occurred in the bed.
- This detection of a smoldering fire by detecting H 2 and CH 4 is, in addition to the previous early detection via CO, a further developed method for the detection of smoldering fires in lignite dust. It is not absolutely necessary to state a limit concentration for H 2 and CH 4 , since these gases are specific for the presence of a smoldering fire. However, since it is difficult to measure the hydrogen content under operational conditions, the measurement of CH 4 is particularly suitable for the detection of smoldering fires.
- a detector for detecting the gases in question is attached to the container containing lignite dust in such a way that it either engages with the probe in the emptying nozzle of the container or in the interior above the emptying nozzle, the probe both can reach in the area of the dumping height as well as in the gas space above the dumping height.
- a plurality of such probes can also be provided spaced apart from one another and / or distributed in the circumferential direction over the length of the container.
- the probes can either have detectors themselves or can be provided with connections which supply a mostly small amount of gas required for measurement to a suitable device, for example a gas chromatograph or other gas analyzer.
- a suitable device for example a gas chromatograph or other gas analyzer.
- the method according to the invention was first tested in the laboratory. For this purpose, smoldering fires were generated in a dust bed by heating the bed and introducing air.
- the aim of the laboratory method was to compare the composition of the gases formed by a smoldering fire in the lignite dust with a gas that is formed when there is no smoldering fire.
- the temperature in the bed was measured using thermocouples. After the above-mentioned temperatures in the bed had been reached, preheated air was introduced into the BK dust bed over a period of approximately 7.5 hours. The air flow rate was approx. 0.1 l / min.
- the composition of the gases leaving the test apparatus was determined by gas chromatography with regard to H 2 , CH 4 , CO and C0 2 .
- FIG. 1 The results of the tests are shown in a diagram in FIG. 1.
- the representation is not to scale, and in view of the relatively low values for hydrogen and methane.
- the diagram shows the proportions of the individual gas components H 2 , CH 4 , CO and C0 2 in volume percent (vol .-%) depending on the test temperature.
- H 2 and CH 4 While the gas components CO and C0 2 are already present at temperatures below the ignition temperature, H 2 and CH 4 only appear when the ignition temperature is reached in order to reach a maximum value relatively quickly and then decrease in concentration again. The relatively pronounced increase in the concentration of gases H 2 and CH 4 is therefore particularly well suited for the early detection of a smoldering fire.
- a lignite dust bunker 1 narrows in its lower part to form a funnel 2 which opens into an outlet element 3.
- This outlet member 3 consists in detail of a cellular wheel 4 with drive 5 and a bellows 6 for adaptation to different customers.
- the dust bunker 1 at the level of its funnel 2 has a ring line 7 for supplying compressed air so that the bed inside the dust bunker can be loosened if necessary.
- a CH 4 -IR gas analyzer (not shown) reaches with a probe 8 into the emptying nozzle of the container.
- three identical probes 9 are attached at almost the same distance and possibly distributed in the circumferential direction over the axial length of the container, the probes projecting both into the area of the dust bed 10 and into the gas space 11 above the bed. These probes are also connected to a CH 4 -IR gas analyzer. Dust filters (not shown) are installed between the probe 8 or the probes 9 and the CH 4 -IR gas analyzers to protect the measuring devices.
- the basic CH 4 value determined via probes 9 in the bunker was 5 to 33 ppm, and the basic CH 4 value measured via probe 8 when the bunker was emptied was approximately 10 ppm.
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Description
- 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 «IndikatorGase» 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) und/oder Kohlendioxids (C02) unter Tage erfolgreich angewandt (CH-A-586940). Zur Schwelbrandfrüherkennung während der Lagerung von Braunkohlenstaub (BK-Staub) in Bunkern wird gegenwärtig ebenfalls der Kohlenmonoxid-Gehalt des über der Schüttung befindlichen Gasvolumens bestimmt. Die Ergebnisse dieser Methode sind jedoch nicht vollkommen eindeutig, da CO und C02 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 Entzündbarkeit bzw. Neigung zur Selbstentzündung unbedingt erforderlich, 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 (Hz) und/oder Methan (CH4) enthaltende Gase normalerweise fast überhaupt nicht oder nur in fast nicht mehr nachweisbar geringen Mengen auftreten. Anders verhält es sich mit CO bzw. COz, die stets vorhanden sind.
- Grössere Mengen an CO bzw. C02 können sich erst in dem Augenblick bilden, in dem innerhalb der Staubschüttung ein Schwelbrand entsteht.
- CO bzw. C02 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 der 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 H2 und CH4 erst dann auftreten, wenn ein Schwelbrand in der Schüttung entstanden ist. Dieser Nachweis eines Schwelbrandes über eine Detektion von H2 und CH4 ist neben der bisherigen Früherkennung über CO eine weiterentwickelte Methode zur Erkennung von Schwelbränden in Braunkohlenstaub. Die Angabe einer Grenzkonzentration ist für H2 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 CH4 zur Detektion von Schwelbränden als besonders geeignet an.
- Infolgedessen konnte zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe angegeben werden, dass die Anwesenheit von Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen im bzw. am Behälter 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 eingreift 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 Braunkohlenstaub aus der Produktion einer Brikettfabrik in ein von aussen beheizbares Glasgefäss geschüttet, welches ein Fassungsvermögen von ca. 2,5 aufwies.
-
- 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 h in die BK-Staubschüttung eingeleitet. Der Luftdurchsatz betrug ca. 0,1 I/min. Die Zusammensetzung des die Versuchsapparatur verlassenden Gase wurde gaschromatographisch hinsichtlich H2, CH4, CO und C02 ermittelt.
- Während der Versuche 1 bis 3 bildeten sich durch Selbstoxidation, verbunden mit einem raschen Temperaturanstieg in den Staubschüttungen Schwelbrände. Im Verlauf der Versuche 4 bis 6 konnten auch nach 7,5 h 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 C02 bei Bildung eines Schwelbrandes auf einen Maximalwert anstieg.
- Hohe Hz-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 H2 konnte auch für CH4 festgestellt werden. Beispielsweise stieg der H2-Gehalt des Schwelgases im Verlauf des Versuches 1 (Anfangstemperatur 172°C) nach 1 h Luftzufuhr von 0 auf 2,16 Vol.- %, während der CH4-Gehalt unter den gleichen Bedingungen von 0 auf 0,15 Vol.-% anstieg. Wie die Versuche klar bestätigen, ist das Auftreten von höheren H2- und CH4-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 H2, CH4, CO und C02 in Volumenprozenten (Vol.-%) in Abhängigkeit 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 Grösse des Behälters, Feuchtigkeitsgehalt des Braunkohlenstaubes und dgl. kann die Zündtemperatur auch grösser oder kleiner sein, so dass man hier von einem Temperaturbereich auszugehen hat, innerhalb dessen die Zün- dung 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. C02 ihren Maximalwert erreicht haben bzw. kurz davor stehen, um anschliessend wieder abzunehmen, während die Bildung der «Indikatorgase» H2 bzw. CH4 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 höheren Kohlenwasserstoffen (CnH2n+2), wie Äthan (C2H6), Propan (C3H8), Butan (C4Hio), Pentan (C5H12) 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 C02 bereits bei Temperaturen unterhalb der Zündtemperatur vorliegen, treten H2 unc CH4 erst bei Erreichen der Zündtemperatur auf, um verhältnismässig schnell einen Maximalwert zu erreichen und anschliessend in der Konzentration wieder abzunehmen. Der relativ stark ausgeprägte Konzentrationsanstieg der Gase H2 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 C02 ist jedoch für die Praxis problematisch, da eine Grenzkonzentration festgelegt werden muss, die, wie ausgeführt, wiederum von vielen einzelnen Einflüssen abhängt. Die «Indikatorgase» H2 und CH4 sowie höhere Kohlenwasserstoffe hingegen sind weitgehend spezifisch zur Schwelbrandidentifizierung einsetzbar. Aufgrund der höheren Konzentrationen an H2 im Schwelgas müsste sich dieses Gas eher eignen als CH4. Wird jedoch eine Auswahl zwischen beiden «Indikator-Gasen» nach praxisgerechter Bestimmung oder Identifikation getroffen, so bleibt nur CH4 als «Indikator-Gas» der Wahl übrig.
- 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. 2 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 CH4-IR-Gas- analysator (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 11 oberhalb der Schüttung hineinragen. Auch diese Sonden sind mit jeweils einem CH4-IR-Gasana- lysator verbunden. Zwischen der Sonde 8 bzw. den Sonden 9 und den CH4-IR-Gasanalysatoren sind Staubfilter (nicht gezeigt) zum Schutz der Messgeräte eingebaut.
- Im Verlauf der einzelnen Versuche betrug der über die Sonden 9 ermittelte CH4-Grundwert im Bunker 5 bis 33 ppm, der über die Sonde 8 gemessene CH4-Grundwert bei der Entleerung des Bunkers ca. 10 ppm.
- Nach Erzeugung eines Schwelbrandes stieg der über die Sonden 9 gemessene CH4-Gehalt deutlich an. Ebenso nahm der während der Bunkerentleerung über die Sonde 8 registrierte CH4-Wert zu.
- Durch diese praxisnahen Untersuchungen wurden die zunächst labormässigen Versuche vollständig bestätigt.
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