Effects of changes in external conditios on smoldering in biomass pellets

Abstract

Smoldering fire is a hazard present during storage, handling, and transport of biomass materials. One such biomass material is wood pellets, where several storage incidents with such pellets have been reported. Onset of smoldering combustion has been investigated using a top-ventilated system with wood pellet samples with heights of 6, 8, 10 and 12 cm. Smoldering combustion is a complex event, where several factors affect the onset. The main factor impacting the possibility of smoldering combustion was the duration of heating. As the sample was heated was prolonged, the likelihood of smoldering increased. The temperature for smoldering in wood pellets sample was erratic, however, the mass loss seemed to be systematic. The mass loss was divided into three phases: before, during and after an intense combustion period. The findings showed an unexpected trend, were independent of sample height, 45 % of the mass was lost during external heating and low intensity smoldering, 15 % of the mass was lost during the intense combustion period, and 40 % was left afterwards. Two different biomass materials, wood pellets and oily pellets were tested in the top ventilated system. The natural oil content of the oily pellets impacted the smoldering combustion. Temperature development during external heating was similar for both pellet types, however, the self-sustained smoldering was different. Oily pellets endured a lower thermal runaway temperature, and a lower temperature of the intense combustion, however, the duration of the intense period was longer for the oily pellets. Reversed smoldering combustion resulted in an inhomogeneous smoldering front. Temperature measurements of the air flow above the wood pellets showed a surprising distribution of the air flow to and from the sample. Results showed surrounding air entering the sample in the middle, associated with the warmest area of the smoldering combustion, while the warm smoke exited along the pipe wall, above the cooler areas of the sample. Transition from smoldering to flaming fire occurred in long-run experiments, where the sample was refilled to initial sample mass in 8 h intervals. The transition to flaming fire was determined by high temperatures above the sample, and high mass-loss rate. Refill of sample caused an increased char layer in the lower parts of the sample, leading to a warmer hot spot, which resulted in conditions prone for transition to flaming fire. The impact of the external conditions such as air supply on the different materials, and the conditions inside the pipe (air flow and hot spots) is a step closer to understanding safe storage and handling of biomass materials, in order to reduce the hazards biomass materials present. The understanding of smoldering behavior is important to develop an extinguishment system for such a hazard.

Schwelbrände können bei der Lagerung, Handhabung und Beförderung von Biomasse entstehen und stellen damit eine große Gefahr dar. Beim Biomassematerial Holzpellets wurde über mehrere Zwischenfälle bei der Lagerung berichtet. Der Beginn des Schwelbrandes wurde in einem von oben belüftetem System mit Holzpellet-Proben einer Höhe von 6, 8, 10 und 12 cm untersucht. Ein Schwelbrand ist ein komplexer Prozess dessen beginn von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Der wichtigste Faktor, der sich auf die Möglichkeit einer schwelenden Verbrennung auswirkt, ist die Dauer der Erhitzung. Je länger die Probe erhitzt wurde, desto größer war die Wahrscheinlichkeit eines Schwelbrandes. Die Schwelbrandtemperatur in der Holzpellet-Probe war unregelmäßig, der Massenverlust schien jedoch systematisch zu sein. Der Massenverlust wurde in drei Phasen unterteilt: vor, während und nach einer intensiven Verbrennungsphase. Die Ergebnisse zeigten einen unerwarteten Trend: Unabhängig von der Probenhöhe gingen 45 % der Masse während der externen Erwärmung und des Schwelens mit geringer Intensität verloren, 15 % der Masse gingen während der intensiven Verbrennungsphase verloren, und 40 % blieben danach übrig. Zwei verschiedene Biomassematerialien, Holzpellets und ölhaltige Pellets, wurden in dem von oben belüftetem System getestet. Wobei der natürliche Ölgehalt der ölhaltigen Pellets die schwelende Verbrennung beeinflusste. Die Temperaturentwicklung während der externen Erhitzung war bei beiden Pellets Arten ähnlich, der selbstständig ablaufende Schwelbrand in sich jedoch unterschiedlich. Die ölhaltigen Pellets gingen bei niedrigen Temperaturen durch, hatten geringere maximale Verbrennungstemperaturen während der Phase der intensiven Verbrennung. Des Weiteren war die Phase der intensiven Periode bei ölhaltigen Pellets länger. Die rückwärtsgerichtete Verbrennung (reverse smoldering) führte zu einer inhomogenen Schwelbrandfront. Temperaturmessungen des Luftstroms über den Holzpellets zeigten eine überraschende Verteilung des Luftstroms zur und von der Probe. Die Ergebnisse zeigten, dass die Umgebungsluft in der Mitte in die Probe eintrat und mit dem wärmsten Bereich der schwelenden Verbrennung verbunden war, während der warme Rauch entlang der Rohrwand über den kühleren Bereichen der Probe austrat. Der Übergang von Schwelbrand zu Flammenbrand trat in Langzeitexperimenten auf, bei denen die Probe in 8-Stunden-Intervallen immer wieder auf die Ausgangsmasse aufgefüllt wurde. Der Übergang zum Flammenbrand wurde durch hohe Temperaturen über der Probe und hohe Massenverluste bestimmt. Das Nachfüllen der Probe führte zu einer höheren Holzkohleschicht in den unteren Teilen der Probe, dies führte zu einem wärmeren Hot Spot der wiederum die Voraussetzungen für den Übergang zu Flammenbrand schuf. Die Erkenntnisse über die Auswirkungen der externen Konditionen wie der Luftzufuhr auf die verschiedenen Materialien und die Konditionen im Inneren des Rohrs (Luftstrom und heiße Stellen) können zu einer sichereren Lagerung und Handhabung von Biomassematerialien beitragen und die Gefahren, die davon ausgehen verringern. Das Wissen über Schwelverhaltens ist wichtig, um Löschsysteme für solche Herausforderungen zu entwickeln.