Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Šíření plamene po vrstvě prachu tvořené dřevní biomasou

11.3.2013

Ing. Ilona Uhrová

Recenzovaný

V úvodní části článku jsou rozebrány podmínky vzniku požáru a nebezpečí související s výskytem vrstev prachu. Další část článku se zabývá tepelnou degradací biomasy a přenosem tepla ve vrstvě prachu. Je zmíněna také souvislost výskytu vrstev prachu a zdůrazněna souvislost s úklidem prostor a jednotlivých zařízení v souladu s ČSN EN 60079-10-2.

Úvod

Hoření lze definovat jako fyzikálně chemický děj, který probíhá za vývoje tepla a světla. V pevném skupenství jsou jednotlivé molekuly nebo atomy uspořádány v pravidelných strukturách s vysokou vnitřní uspořádaností. Vlivem zvyšování teploty hořlavé látky se porušují vnitřní vazby a dochází k přechodu látky do kapalné, resp. plynné fráze a vzniku pevného zbytku.

Obrázek 1: Trojúhelník hoření

1. Hoření a biomasa

Pro vznik požáru lze definovat tři základní podmínky:

přítomnost hořlavé látky,
přítomnost oxidačního prostředku (např. vzdušného kyslíku) v dostatečném množství,
přítomnost účinného iniciačního zdroje.

Článek se zaměřuje na vrstvu prachu, jež je tvořena biomasou. Biomasou se rozumí [14] biologicky rozložitelná část produktů, odpadů a zbytků biologického původu z provozování zemědělství a hospodaření v lesích a souvisejících průmyslových odvětvích, zemědělské produkty pěstované pro energetické účely a biologicky rozložitelná část průmyslového a komunálního odpadu. Vzhledem k tomu, že se zde budeme zabývat převážně dřevní biomasou, je nutné zde přiblížit chování dřevní biomasy při tepelném zatížení. Obecně lze definovat, že při teplotě nad 100 °C dochází k dehydrataci. Samotný rozklad začíná při teplotě 130–150 °C, intenzivní rozklad s uvolňováním velkého množství plynů při teplotě 180–195 °C. Exotermický rozklad nastává při teplotě 270–280 °C. [11]

Jednotlivé složky biomasy, ze kterých se biomasy resp. dřevo skládá, jsou různě odolné vůči termickému rozkladu. Hemicelulózy se rozkládají v teplotním intervalu 170–240 °C. Celulóza je vůči teplotnímu namáhání odolnější, až od teploty 250 °C nastává intenzivní termický rozklad. Termicky nejodolnější složkou dřeva je lignin, který se rozkládá až při teplotě 300–400 °C. [11]

Termický rozklad a obsah vnitřní energie bude proto hrát jednu z nejdůležitějších rolí v závislosti rychlosti šíření plamene na teplotě (tepelném zatížení).

2. Teplo uvolněné při rozkladu biomasy

Základními stavebními prvky biomasy jsou uhlík, vodík, dusík a další prvky. Ze složení lze pak pomocí rovnic pro spalovací proces vyjádřit i energii, která se uvolní.

Z hlediska fází lze hoření uhlíku definovat jako heterogenní reakci. Reaguje zde totiž pevná látka (uhlík) a látka v plynném skupenství (vzdušný kyslík). Reakce tak probíhá na fázovém rozhraní pevná látka a plyn.

Za přítomnosti dostatečného množství kyslíku shoří uhlík na oxid uhličitý. Přitom se uvolní reakční teplo. Samotná reakce neprobíhá v jednom stupni, t.j. [15]:

C + O₂ = CO₂ + teplo (Q),

ale ve dvou stupních, přičemž v prvním stupni vzniká plyn – oxid uhelnatý (tuto reakci lze také nazývat jako zplyňování):

C + 0,5 O₂ → CO + teplo (Q₁).

Po tomto prvním kroku následuje druhý, ve kterém vznikají konečné produkty dokonalého spalování, a to oxid uhličitý:

CO + 0,5 O₂ → CO₂ + teplo (Q₂).

Pokud sečteme teplo Q₁ uvolněné v prvním stupni a druhém stupni Q₂, dostaneme v souladu s Hessovým zákonem celkové uvolněné teplo Q.

Existují dva typy mechanismu tvorby plynných produktů:

pevné látky sublimují, resp. tají a vypařují se. Tento proces probíhá bez změny chemického složení,
pevné látky vlivem zahřívání pyrolyzují a rozkládají se za vzniku prchavých látek (plynů) a uhlíkatého zbytku. Vlivem teploty a režimu ohřevu se mění množství a složení plynných produktů a také zbytku. [15], [16]

Obsah vnitřní energie ovlivňuje rychlost probíhající reakce, tzn, že v našem případě také hoření a šíření plamene. Čím vyšší je počáteční vnitřní energie, tím rychleji reakce probíhají.

3. Přenos tepla

Obrázek 2: Stacionární vedení tepla

V případě rychlosti šíření hoření teplotně namáhaného prachu musíme vzít do úvahy také přenos tepla. Hlavním procesem, který bude mít vliv na teplotu prachu od zařízení, je přenos tepla vedením. V takovém případě jde o přenos tepelné energie prostřednictvím kmitání atomů, kdy dochází k přenosu energie od molekul (T₁) (v našem případě zahřívající se zařízení) směrem k molekulám s nižší vnitřní energií (vrstva usazeného prachu) (T₂).

Tabulka 1: Součinitel tepelné vodivosti vybraných druhů dřev v závislosti na vlhkosti [10]
Vlhkost [%]	Součinitel tepelné vodivosti [W/m.K]
Vlhkost [%]	Buk	Dub	Smrk
0	0,140	0,123	0,080
5	0,150	0,133	0,087
10	0,159	0,144	0,094
15	0,169	0,154	0,101
20	0,180	0,165	0,108
25	0,189	0,175	0,115
30	0,200	0,186	0,122

V praxi to znamená, že rychlost přenosu tepla roste se zvětšujícím se rozdílem teplot mezi zařízením a okolím a zvětšováním tepelné vodivosti vlastního prachu a klesá s rostoucí tloušťkou prachové vrstvy.

Součinitel tepelné vodivosti je závislý na teplotě, hmotnosti a absolutní vlhkosti. V tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty tepelné vodivosti dřeva v závislosti na vlhkosti [10].

4. Vrstvy prachu

V technologiích musí být věnována pozornost i malým zdrojům úniku prachu z netěsností, které mohou po určitém čase vytvořit nebezpečnou vrstvu (za nebezpečnou vrstvu prachu je považována taková vrstva, jejímž rozvířením se v celém objemu místnosti vytvoří nebezpečná, resp. výbušná atmosféra). Zařízení i pracovní prostory je proto nutno v pravidelných intervalech čistit. Vhodné je zejména použití harmonogramu čištění, který stanovuje rozsah, četnost čištění a odpovědnost osob. Úklid prostorů od vrstev usazeného prachu řeší ČSN EN 60079-10-2 [2].

S tvorbou vrstev prachu v technologii souvisí tři hlavní rizika:

Rozvíření prachu do oblaku, který může být vznícen horkým povrchem a způsobit výbuch – v souladu s ČSN EN 60079-14 ed. 3 [3] nesmí maximální povrchová teplota zařízení překročit 2/3 minimální teploty vznícení dané směsi prachu se vzduchem.
Vznícení vrstvy prachu v důsledku tepelného namáhání zahřátého povrchu zařízení – maximální dovolená povrchová teplota zařízení se stanovuje odečtením bezpečnostního koeficientu 75 °C od minimální teploty vznícení daného prachu. Pokud se na zařízení může vytvořit vrstva prachu o tloušťce větší než 5 mm, je nutné snížit maximální dovolenou povrchovou teplotu.
Sekundární výbuch (viz obr. 3) v situaci, kdy dojde primárně k výbuchu v zařízení, přičemž dojde k rozvíření usazeného prachu a jeho výbuchu. Změny stavu prachu, např. absorpce vlhkosti, mohou znemožnit rozvíření vrstvy prachu. V tomto případě nemusí existovat nebezpečí sekundárního výbuchu, nebezpečí požáru však může zůstat nezměněno.

Obrázek 3: Sekundární výbuch [1]

Tloušťku nebezpečné vrstvy prachu S_NEB můžeme vypočítat [13]:

[m]

kde je

k_B: – bezpečnostní koeficient,
c_MIN: – dolní mez výbušnosti [g.m⁻³]
h: – výška místnosti [m]
ρ: – sypná hustota prachu [g.m⁻³]

U většiny prachů se tloušťka nebezpečné vrstvy pohybuje do výšky 1 mm. Na základě měření sedimentující prašnosti lze stanovit periodu úklidu. Samotná četnost úklidu (čistění) není dostatečná pro to, aby bylo zabráněno vzniku nebezpečné vrstvy prachu, záleží samozřejmě také na kvalitě prováděného úklidu.

Dle ČSN EN 60079-10-2 [2] jsou definovány tři úrovně úklidu:

Výborná – vrstvy prachu jsou udržovány na zanedbatelné tloušťce nebo neexistují bez ohledu na stupeň úniku. V tomto případě bylo nebezpečí vzniku výbušné atmosféry s prachem v důsledku rozvíření vrstvy a nebezpečí požáru vrstvy vyloučeno.
Dobrá – vrstvy prachu nejsou zanedbatelné, jsou však přítomny krátce (méně než 1 směnu). Prach je odstraňován dříve, než by mohlo dojít k požáru.
Špatná – vrstvy prachu nejsou zanedbatelné a jsou přítomny déle než jednu směnu. Nebezpečí požáru může být významné a mělo by být omezeno výběrem zařízení podle ČSN EN 60079-14 ed. 3 [3].

Špatný úklid společně s podmínkami vytvářejícími oblaka prachu z usazených vrstev by měl být vyloučen.

5. Šíření plamene po vrstvě prachu

Se šířením plamene po vrstvě prachu souvisí veličina nazývaná lineární rychlost šíření plamene. Ta je definována jako rychlost, kterou se plamen rozšíří ve sledovaném směru o stanovenou vzdálenost za jednotku času. Rychlost šíření plamene nelze považovat za konstantní veličinu. Všeobecně je rychlost šíření plamene závislá na rychlosti přípravy hořlavých látek k hoření, na fyzikálněchemických vlastnostech materiálů, na místě uložení a podmínkách větrání a již výše uváděných parametrech.

Rychlost šíření plamene může ovlivnit i výbuch nebo silný vítr, působení sálavého tepla, proudící horké spaliny a další. V praxi se nejčastěji používá střední hodnota lineární rychlosti šíření plamene. [17, 18]

V následující části jsou popsány některé zkušební metody, které se používají pro měření rychlosti šíření plamene po vrstvě usazeného prachu tvořené dřevní biomasou.

Zkušební metoda klasifikující hořlavé pevné látky dle rychlosti šíření plamene

Zkušební metoda používaná pro stanovení rychlosti šíření plamene po vrstvě usazeného prachu byla popsána v české technické normě ČSN 01 5140. Tato norma byla ovšem v roce 2003 zrušena bez náhrady, přesto je tento postup zapracován do pracovních postupů laboratoří a je podle něj prováděna zkouška.

U této zkoušky se měří čas, za který se proti proudu kyslíku přenese hoření po vrstvě prachu na vzdálenost 10 cm. Z naměřené hodnoty se vypočítá rychlost šíření hoření dle vztahu, kdy rychlost se rovná dráha za čas.

Legenda:

tlaková láhev s kyslíkem,
redukční ventil,
průtokoměr s regulátorem průtoku,
podložka pod vzorek,
křemenná trubice o průměru 25 mm ± 0,5 mm,
vzorek.

Obrázek 4: Zkušební zařízení [4]

Jako pomůcky pro provedení měření je nutné použít: stopky, formu na vzorek a síto o velikosti ok 0,5 mm.

Ke stanovení rychlosti šíření hoření se používá vzorek v granulometrickém stavu:

s propadem sítem s velikostí ok 0,5 mm,
s minimálním propadem 90 % sítem s velikostí ok 0,063 mm,
s uvedením sítové analýzy.

Dle zkušební metodiky se provádí měření ve dvou modifikacích vždy pětkrát. Z výsledků se vypočítá průměrná hodnota, směrodatná odchylka a rychlost hoření.

Měření se provádí v následujících dvou modifikacích výšky vrstvy prachu [4]:

vrstva prachu cca 5 mm:
vzorek se připraví do polokruhového průřezu, výšky cca 5 mm a délky cca 120 mm. Na podložce jsou dvě značky vzdálené od sebe 100 mm. Průtok kyslíku se nastaví na 0,5 l.min⁻¹ s přesností 3 mm na trubici průtokoměru. Podložka se vzorkem se vloží do trubice tak, že konec hraničky/kupky vzorku vyčnívá z trubice. Vzorek se zapálí a měří se čas, za který vzorek prohoří od jedné značky ke druhé.
vrstva prachu cca 1 mm:
vzorek se prosévá přes síto 0,5 mm, které je umístěno cca 1 mm nad podložkou, dokud se nezaplní otvory síta. Na vzorku se vyznačí místo vzdálené 100 mm od konce vrstvy prachu. Stejně jako v předchozím postupu se vzorek vloží do trubice (ryska je směrem v trubici), nastaví se průtok na 0,5 l.min⁻¹ a vzorek se zapálí na vyčnívajícím konci. Při přechodu čela hoření přes vyznačenou rysku se začíná měřit čas do doby dosažení hoření do konce vzorku.

Tabulka 2
Rychlost hoření [cm.s⁻¹]	Hodnocení
> 10	Velmi dobře šíří požár
1–10	Dobře šíří požár
do 1	Šíří požár
0	Vzorek v podmínkách zkoušky nehoří

Rychlost šíření plamene se vypočítá z hodnot naměřeného času a vzdálenosti na zkušebním zařízení, na které se daný čas měří. Nejistota měření je 20 % z rychlosti šíření plamene.

Vyhodnocení výsledků se hodnotí slovně dle rychlosti hoření (viz tabulku 2).

Stanovení hořlavosti dle evropské legislativy

Obrázek 5: Zkušební zařízení [8]

Níže uvedená metodika je přebrána z nařízení komise (ES) č. 440/2008, kterým se stanoví zkušební metody podle nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1907/2006 o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek [8].

V první fázi se provede tzv. předběžná screeningová zkouška (viz obrázek 5). Cílem této zkoušky je stanovit, zda se po zapálení vrstvy prachu plamenem plynového hořáku šíří plamen nebo vzorek pouze doutná. Pokud se hoření za předepsanou dobu rozšíří na definovanou vzdálenost (minimálně 200 mm za dobu maximálně 4 minuty), musí se provést úplná zkouška pro stanovení rychlosti hoření.

Dle této zkoušky se za vysoce hořlavé považují látky (práškovité, zrnité nebo pastovité), jejichž doba hoření je menší než 45 sekund v každé zkoušce provedené podle zkušebního postupu.

6. Závěr

V různých technologiích, ve kterých jsou dopravovány a skladovány pevné látky, nebo je s nimi jakkoliv manipulováno, se zpravidla vyskytují také jejich prachové podíly. S rostoucím podílem využívání biomasy nelze u tohoto materiálu vznik prachu a jeho vrstev podceňovat. S výskytem prachových vrstev, které nejsou dostatečným úklidem odstraňovány, souvisí tři hlavní rizika, a to rozvíření prachu do oblaku, který může být iniciován horkým povrchem a způsobit výbuch, dále vznícení vrstvy prachu v důsledku tepelného namáhání zahřátého povrchu zařízení, a v neposlední řadě také sekundární výbuch. Proto je požadováno dle normy ČSN EN 60079-10-2 provádět pravidelný úklid tak, aby prachové vrstvy v provozech nevznikaly.

Zda se po vrstvě prachu, která je tvořená dřevní biomasou (ale také jinými hořlavými materiály), šíří plamen, lze ověřit dvěma zkouškami používanými dle pracovních postupů používaných v ČR a dle evropské legislativy – „Zkušební metoda klasifikující hořlavé pevné látky dle rychlosti šíření plamene“ a zkušební metoda „Stanovení hořlavosti“. Dle evropské legislativy se první provádí tzv. předběžná zkouška a až na základě pozitivního výsledku se provede úplná zkouška. Rozdílem v obou zkušebních metodách je tvar vzorku – u zkoušky prováděné dle pracovních postupů je to vrstva v průřezu obdélníku, dle evropské legislativy průřezu trojúhelníku. Druhým rozdílem je vzdálenost, která je určena pro měření, v pracovním postupu používaném v ČR je to 100 mm, u zkoušky dle evropské legislativy je to 200 mm.

Literatura

[1] Combustible Dust in Industry: Preventing and Mitigating the Effects of Fire and Explosions [HTML dokument] [cit. 15. 9. 2012] dostupný z: www: http://www.osha.gov.
[2] ČSN EN 60079-10-2 Výbušné atmosféry – Část 10-2: Určování nebezpečných prostorů – Výbušné atmosféry s hořlavým prachem
[3] ČSN EN 60079-14 ed. 3 – Výbušné atmosféry – Část 14: Návrh, výběr a zřizování elektrických instalací.
[4] DAMEC, J., ŠIMANDL, L.: Laboratorní praktikum protivýbuchové prevence technologických procesů. Učební texty. Sdružení požárně bezpečnostního inženýrství, Ostrava 2005. ISBN 80-86634-57-4
[5] ECKHOFF, R. K.: Dust Explosions in the Process Industries, 3. edice, Gulf Professional Publishing, Elsevier Science 2003, ISBN 0-7506-7602-7
[6] Energie biomasy. [PDF dokument] [cit. 12. 11. 2011]
[7] European Biomass Industry Association [html dokument] [cit. 10. 1. 2011] dostupný z http://www.eubia.org/
[8] NAŘÍZENÍ KOMISE (ES) č. 440/2008, kterým se stanoví zkušební metody podle nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1907/2006 o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek [PDF dokument] [cit. 10. 1. 2011] dostupný z http://www.mvcr.cz
[9] PALMER, K.N.: Dust Explosions and Fires, Chapman and Hall Ltd, London 1973, ISBN 412 09430 4
[10] STANĚK, K.: Tepelná vodivost dřeva v závislosti na vlhkosti [WORD dokument] [cit. 6. 10. 2012] dostupný z: kps.fsv.cvut.cz/file_download.php?fid=699
[11] ŠEVĚČEK, P.; NETOPILOVÁ, M. Nauka o materiálu II: Požárně-technické vlastnosti syntetických a přírodních materiálů. 2. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská Ostrava, 1986.
[12] VYBÍRAL, B.: Mechanika pružného tělesa. Studijní text pro řešitele FO a ostatní zájemce o fyziku [cit. 10. 1. 2010] [PDF dokument] dostupný z: fo.cuni.cz/texty/pruznost.pdf
[13] DAMEC, J.: Protivýbuchová prevence. Edice SBPI Spektrum 8. 1. vydání. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2005. ISBN 80-86111-21-0.
[14] Zákon č. 165/2012 Sb. o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů
[15] MÜLLEROVÁ, J., MIKULÍK, M.: Technology and safety of biomass combustion . Saarbrücken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. ISBN 978-3-8443-8055-2
[16] VALÍČEK, J [et. al].: Emission distribution and regulation of local heat source.
In: Defect and diffusion forum. – ISSN 1012-0386. – Vol. 326-328 (2012), [Spoluautori: Müllerová, Jana ; Kuběna, Vlastimil ; Koštial, Pavol ; Harničárová, Marta ; Mikulík, Marian ]
[17] VALÍČEK J, [et al.].: A new procedure for the determination of the main technology parameters of rolling mills. Design and analysis of materials and engineering structures. – Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. – ISBN 978-3-642-36694-5. – S. 15–25. (Advanced structured materials, 32. – ISSN 1869-8433). [Spoluautori: Müllerová, Jana ; Szarková, Veronika; Rokosz, Krzysztof; Łukianowicz, Czesłav; Kozak, Dražan ; Koštial, Pavol ; Harničárová, Marta ]
[18] VRÁBLOVÁ,Ľ. MÜLLEROVÁ, J., FLACHBART, J.:Nelineárne formy šírenia požiaru, simulátor bacdraftu = Nonlinear forms of fire spread, fire simulator of bacdraft
In: Advances in fire & safety engineering 2012 : zborník príspevkov z I. medzinárodnej vedeckej konferencie : Zvolen, Technická univerzita vo Zvolene, 15.–16. november 2012. – Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2012. – ISBN 978-80-228-2375-3. – S. 30-339.

English Synopsis

Flame Spread over Dust Layer Formed by Wood Biomass

The paper focuses on the conditions of fire and risk connected with dust layer. The next part is about thermal degradation of biomass and heat transfer on dust layer. The next part shows test methods for flame spread. The connection of dust layer and possible secondary explosion. In the article is highlighted connection with space and equipment cleaning due to ČSN EN 60079-10-2.