Temperatur: Selbstentzündung

Selbstentzündung von Steinkohle :

Feststoffe, in denen chemische Prozesse ablaufen, können sich unter bestimmten Voraussetzungen selbstentzünden. Das ist abhängig vom Temperaturzustand im Feststoff. Die Selbstentzündung ist ein Phänomen, das schon seit über 100 Jahren wohl bekannt ist. Die Selbstentzündung von Kohle wurde schon im 19. Jahrhundert beobachtet, als Segelschiffe, die zu Dampfschiffen umgebaut wurden, auf hoher See anfingen, zu brennen. Das lag an der eingelagerten Kohle im Rumpf des Schiffes, die den Dampfkessel befeuerte. Ein berühmtes Beispiel für den Untergang eines Dampfschiffes durch Selbstentzündung von Kohle ist der Untergang der Titanic am 15. April 1912 im Atlantik. Theoretisch war dieser Entzündungsvorgang damals nicht zu erklären.

Als Paradebeispiel für einen Prozess mit Selbstentzündung dient hier die Steinkohle, die zum Transport auf einer EURO-Palette gelagert ist. Die Steinkohle ist in Papiersäcken verpackt.

Die Selbstentzündungstemperatur der Steinkohle in dieser Verpackung liegt bei 48° C. In heißen Sommermonaten kann die Palette mit Steinkohle der Solarstrahlung ausgesetzt sein, d.h. es wird von außen ständig Solarstrahlung in die Steinkohle transportiert. Die Temperatur in der Verpackung kann leicht die Selbstentzündungstemperatur überschreiten. Die hier demonstrierte Simulation orientiert sich an einem realen Vorgang und ist keine akademische Betrachtung.

Die Steinkohle (grün) einschließlich Luftpolster (gelb) auf der Palette wird mit finiten Elementen abgebildet.

In die Berechnung mit ISAFEM3D gehen zahlreiche Parameter ein, die hier nicht wiedergegeben werden können. Einzelheiten sind in der Literatur

Krause, G. : Self-Ignition caused by Solar Radiation
CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, VOL. 48, 29-234,2016

 

zu finden.

Die Steinkohle in den Papiersäcken, gelagert auf der Palette, wird der Solarstrahlung ausgesetzt. Die von außen zugeführte Wärme heizt die Steinkohle tagsüber stärker auf als diese nachts abkühlt. Es kommt zur Wärmeexplosion.

Die Wärmeexplosion der Steinkohle tritt nach 14 Tagen ein. Das ist die sog. Induktionszeit. Die Lagerzeit muss nach der Theorie der Wärmeexplosion auf höchstens 10 Tage beschränkt werden.

Die numerische Simulation mit ISAFEM3D ist reales Beispiel dafür, dass mit Hilfe der Numerik chemisch/physikalische Prozesse im Detail analysiert werden können, die experimentell im 1:1 Versuch nicht oder nur sehr aufwendig untersucht werden können. Berechnungen dieser Art helfen kostengünstig Unfälle zu vermeiden.

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