Fighting flameless fires : initiating and extinguishing self-sustained smoldering fires in wood pellets

Abstract

Smoldering fires represent domestic, environmental and industrial hazards. This flameless form of combustion is more easily initiated than flaming, and is also more persistent and difficult to extinguish. The growing demand for non-fossil fuels has increased the use of solid biofuels such as biomass. This represents a safety challenge, as biomass self-ignition can cause smoldering fires, flaming fires or explosions. Smoldering and extinguishment in granular biomass was studied experimentally. The set-up consisted of a cylindrical fuel container of steel with thermally insulated side walls. The container was closed at the bottom, open at the top and heated from below by a hot surface. Two types of wood pellets were used as fuel, with 0.75-1.5 kg samples. Logistic regression was used to determine the transition region between non-smoldering and self-sustained smoldering experiments, and to determine the influence of parameters. Duration of external heating was most important for initiation of smoldering. Sample height was also significant, while the type of wood pellet was near-significant and fuel container height was not. The susceptibility of smoldering to changes in air supply was studied. With a small gap at the bottom of the fuel bed, the increased air flow in the same direction as the initial smoldering front (forward air flow) caused a significantly more intense combustion compared to the normal set-up with opposed air flow. Heat extraction from the combustion was studied using a water-cooled copper pipe. Challenges with direct fuel-water contact (fuel swelling, water channeling and runoff) were thus avoided. Smoldering was extinguished in 7 of 15 cases where heat extraction was in the same range as the heat production from combustion. This is the first experimental proof-of-concept of cooling as an extinguishment method for smoldering fires. Marginal differences in heating and cooling separated smoldering from extinguished cases; the fuel bed was at a heating-cooling balance point. Lower cooling levels did not lead to extinguishment, but cooling caused more predictable smoldering, possibly delaying the most intense combustion. Also observed at the balance point were pulsating temperatures; a form of long-lived (hours), macroscopic synchronization not previously observed in smoldering fires. For practical applications, cooling could be feasible for prevention of temperature escalation from self-heating in industrial storage units. This study provides a first step towards improved fuel storage safety for biomass.

Schwelbrände repräsentieren Brände die eine Gefahr im häuslichen, ökologischen und industriellen Umfeld darstellen. Diese flammenlose Form eines Brandes ist leichter zu starten, stabiler im Verlauf und schwieriger zu löschen als Flammenbrände. Die wachsende Nachfrage nach nicht fossilen Brennstoffen hat die Verwendung von festen Bioenergieträgern, wie Biomasse, erhöht. Daraus resultieren neue Sicherheitsanforderungen, da die Selbstentzündung fester Biomasse einen Schwelbrand, einen Brand oder eine Explosion verursachen kann. Schwelen und Löschen von granularer Biomasse wurde experimentell untersucht. Der experimentelle Aufbau bestand aus einem zylindrischen Brennstoffbehälter aus Stahl mit wärmeisolierten Seitenwänden. Der Behälter wurde unten geschlossen, oben offen gelassen und von unten durch eine heiße Oberfläche erhitzt. Als Brennstoff wurden zwei Arten von Holzpellets, in Proben von 0,75 kg bis 1,5 kg, verwendet. Um den Übergang von nicht Schwelen zu selbständigem Schwelen und die beeinflussenden Parameter zu bestimmen, wurde logistische Regression verwendet. Um Schwelbrand zu erzeugen, war die Dauer der externen Erwärmung am wichtigsten. Die Probenhöhe war ebenfalls signifikant, während die Art der Holzpellets nahezu signifikant war, wobei die Höhe des Brennstoffbehälters nicht signifikant war. Die Anfälligkeit des Schwelens gegenüber Änderungen der Luftzufuhr wurde untersucht. Mit einem kleinen Spalt am Boden des Behälters, ergab der erhöhte Luftstrom in der gleichen Richtung wie die anfängliche Schwelbrandfront (Vorwärtsluftstrom) eine signifikant intensivere Verbrennung im Vergleich zu der normalen Anordnung mit Rückwärtsluftstrom. Die Wärmeentnahme aus der Verbrennung wurde mithilfe eines wassergekühlten Kupferrohres untersucht. Dadurch wurden Probleme in Verbindung mit direktem Brennstoff-Wasser-Kontakt (Aufquellen des Brennstoffes, Wasserkanalisierung und -abfluss) vermieden. Der Schwelbrand wurde in 7 von 15 Fällen gelöscht, wobei die Menge des Wärmeverlustes durch die Kühleinheit und die Wärmeerzeugung durch die Verbrennung im gleichen Größenbereich lagen. Dies ist der erste "Proofof-concept" der sich mit Kühlen als Löschmethode bei Schwelbränden beschäftigt. Geringfügige Unterschiede in der Erwärmung und Abkühlung führten zu Schwelbränden oder gelöschten Schwelbränden und zeigten das Brennstoffbett im Gleichgewicht zwischen Erhitzen und Kühlen. Niedrigere Abkühlungsniveaus führten nicht zum Erlöschen, aber das Kühlen führte zu einem vorhersagbareren Schwelen und verzögerte möglicherweise die intensivste Verbrennung. An diesem Gleichgewichtspunkt wurden pulsierende Temperaturen beobachtet; eine Form von langlebiger (Stunden), makroskopischer Synchronisation, die bisher bei Schwelbränden nicht beobachtet wurde. Denkbar als praktische Anwendung wäre eine Kühlung in industriellen Lagereinheiten zur Verhinderung einer Temperaturerhöhung durch Selbsterwärmung. Diese Studie ist ein erster Schritt in Richtung Verbesserung der Lagersicherheit von Biomasse in industriellen Lagereinheiten.