Deutsch

In vielen Industrie- und Gewerbebereichen kommt es immer wieder zu Staubexplosionen, die regelmäßig zu erheblichen Sach- und Personenschäden führen. Zur Charakterisierung des Ex-plosionsverhaltens von Stäuben dienen verschiedene, experimentell ermittelte Kenngrößen. Diese beschreiben zum einen das Zündverhalten, zum anderen die Explosionsheftigkeit eines Staub/Luft-Gemischs. Gegenstand dieser Arbeit sind die Kenngrößen maximaler Explosions-überdruck und maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit, die beide die Explosionsheftigkeit be-schreiben. Diese Kenngrößen werden durch spezifische Untersuchungsverfahren in einer speziellen Appa-ratur, der 20 l-Kugel, bestimmt. Durch die Versuchsanordnung ergibt sich, dass die Kenngrößen nicht rein stoffspezifisch sind, sondern von den Randbedingungen des Experiments beeinflusst werden. Weiterhin erfordern die Untersuchungen einen hohen Aufwand in der Durchführung und eine in Maßstäben der Laboranalytik große Probenmenge. Ziel dieser Arbeit war es daher zu prüfen, ob die genannten Explosionskenngrößen aus der spezifischen Oberfläche und dem Brennwert des Staubes bestimmt werden können. Es ist bekannt, dass die Heftigkeit einer Staubexplosion mit abnehmender Korngröße zunimmt. Dieser Effekt beruht auf der größeren spezifischen Oberfläche feiner Partikeln, die eine größe-re reaktive Grenzfläche zwischen Partikeloberfläche und umgebender Atmosphäre darstellt. Durch Einbeziehung des Brennwertes wurde der chemische Energiegehalt der Proben berück-sichtigt. Die Erklärung des maximalen Explosionsüberdrucks beruht auf der Anwendung des allgemei-nen Gasgesetzes als thermodynamisches Modell. Zur Beschreibung der maximalen Druckan-stiegsgeschwindigkeit wird die chemische Kinetik genutzt. Die Stauboberfläche wird dabei als Repräsentant der Brennstoffkonzentration aufgefasst. Der Brennwert beeinflusst die Reaktions-temperatur und daher über die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante auch die Reaktionsge-schwindigkeit. Um eine Korrelation zwischen maximalem Explosionsüberdruck und maximaler Druckan-stiegsgeschwindigkeit einerseits und spezifischer Oberfläche und Brennwert andererseits zu identifizieren, wurden 121 Staubproben aus Betrieben verschiedener Gewerbebereiche unter-sucht. Die Bestimmung des Brennwertes erfolgte im Bombenkalorimeter. Mittels eines Adsorp-tionsverfahrens, der BET-Methode, wurde die spezifische Oberfläche ermittelt. Bei 56 Proben wurde zusätzlich die Oberflächenbestimmung durch ein photometrisches Verfahren angewandt. Die jeweils paarweise Korrelation der Kenngrößen miteinander ergab keine validen Zusammen-hänge. Es ließen sich aber in einigen Fällen Tendenzen in der gegenseitigen Abhängigkeit er-kennen, z. B. zwischen maximalem Druckanstieg und spezifischer Oberfläche. In einem nächsten Schritt wurde mittels multipler Regression untersucht, ob der maximale Ex-plosionsüberdruck bzw. die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit jeweils mit der Kombinati-on von spezifischer Oberfläche und Brennwert korrelieren. Es zeigte sich ein eindeutiger quali-tativer Einfluss von spezifischer Oberfläche und Brennwert sowohl auf den maximalen Explosi-onsüberdruck als auch auf die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit. Die quantitative Vor-hersage ist jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet, so dass eine valide Bestimmung der Explosionskenngrößen aus spezifischer Oberfläche und Brennwert nicht möglich ist. Ein Grund hierfür ist, dass das Modell die Turbulenz des Staub/Luft-Gemisches, die insbesondere die ma-ximale Druckanstiegsgeschwindigkeit beeinflusst, nicht berücksichtigt. Weiterhin weisen die un-tersuchten Proben eine große Bandbreite in der chemischen Zusammensetzung auf, die zu un-terschiedlichen Reaktionsmechanismen führt. Der Einfluss der spezifischen Oberfläche auf das Explosionsverhalten wurde gezielt an Proben homogener chemischer Zusammensetzung untersucht. Als Probenmaterial dienten Aktivkohle, Braunkohle, Polyethylen und Saccharose. Die Proben wurden in Korngrößenfraktionen geteilt; an jeder Fraktion wurden neben der spezifischen Oberfläche der maximale Explosionsüber-druck und die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit bestimmt. Ein eindeutiger Einfluss der Oberfläche auf das Explosionsverhalten aller Proben konnte nachgewiesen werden. Der Ein-fluss war bei den unterschiedlichen Stoffen unterschiedlich stark ausgeprägt. Es konnten daher Schlussfolgerungen zum Reaktionsmechanismus, z. B. heterogene oder homogene Verbren-nung, gezogen werden. Eine Simulation des maximalen Explosionsüberdrucks mittels des all-gemeinen Gasgesetztes belegt die Validität des thermodynamischen Ansatzes.

English

Dust explosions occur consistently in different industry branches and cause injuries, fatalities and massive losses of property. To describe the explosion behaviour of dusts different experi-mental characteristics are used. Some of these describe the ignition behaviour of dust while others refer to the violence of the explosion caused. Scope of this thesis are the characteristics maximum explosion overpressure and maximum rate of pressure rise. Both describe the vio-lence of an explosion. The explosion characteristics are determined by specific test procedures. A special apparatus, the 20 L-sphere, is used for these tests. The boundary conditions caused by the experimental set-up influence the results. Hence the characteristics cannot be taken as substance-specific. Additionally to the special apparatus a high experimental effort and a large sample amount in terms of laboratory analytics are required for the tests. Aim of this thesis hence was to deter-mine whether the mentioned explosion characteristics can be derived from the specific surface and the heat of combustion of a dust. It is commonly known that the violence of a dust explosion increases with decreasing particle size. This effect is based on a larger specific surface of fine particles which acts as a larger re-active interface between the particles surface and the surrounding atmosphere. The chemical energy content of the dust was taken into account by the heat of combustion. The explanation of the maximum explosion overpressure is based on the application of the ideal gas law as a thermodynamic model. The maximum rate of pressure rise is described by chem-ical kinetics. The dust surface is taken as representative for the fuel concentration. The heat of combustion influences the temperature of the reaction and hence via the rate constant also the reaction rate. To identify the correlation between the maximum explosion overpressure and the maximum rate of pressure rise on the one hand and the specific surface and the heat of combustion on the other 121 dust samples from plants from different industry branches were tested. The heat of combustion was determined using a bomb calorimeter. An adsorption method, the BET method, was used to measure the specific surface. On 56 samples the specific surface was additionally determined using a photometric method. Pairwise comparison of the characteristics did not result in valid correlations. There were never-theless by trend dependencies between some characteristics, e. g. maximum rate of pressure rise and specific surface. In a next step multiple correlation was used to determine whether the maximum explosion overpressure and the maximum rate of pressure rise are each influenced by the combination of specific surface and heat of combustion. There is a clear qualitative influence of specific sur-face and heat of combustion on the maximum explosion overpressure as well as on the maxi-mum rate of pressure rise. The quantitative prediction comes along with large uncertainties. Therefore a valid prediction of the explosion characteristics from specific surface and heat of combustion is not possible. One reason for this is that the model does not consider the turbu-lence of the dust/air-mixture, which strongly influences especially the maximum rate of pres-sure rise. Additionally there was a broad variation in the chemical composition of the dusts re-sulting in different reaction mechanisms. The influence of the specific surface on the explosion behaviour was investigated at dust of homogenous chemical composition. As samples active carbon, lignite, polyethylene and su-crose were used. The samples were divided into particle size fractions. Additionally to the spe-cific surface the maximum explosion overpressure and the maximum rate of pressure rise were determined for each fraction. A clear influence of the specific surface on the explosion behaviour of all samples was proven. The value of the influence was different at the different substances. Hence conclusions about the reaction mechanism, e. g. homogenous or heteroge-neous combustion, could be derived from the results. A simulation of the maximum explosion overpressure using the ideal gas law proofed the validity of the thermodynamic approach.