Influence of the ignition source on the safety characteristics of hybrid dust-gas mixtures

Abstract

Safety characteristics like the lower explosion limit, the highest concentration for a given substance mixed with air that does not result in a self-propagating flame, or the maximum explosion pressure, the highest pressure that can be reached after ignition for a given combustible substance mixed with air at any concentration, are widely used in the industry to either prevent an explosion or to mitigate the effects of it. Safety characteristics are not physical constants, are determined experimentally and depend on the chosen experimental parameters such as the ignition energy or turbulence. For the determination of the safety characteristics lower explosion limit (LEL), limiting oxygen concentration (LOC), maximum explosion pressure (pmax) and maximum rate of pressure rise ((dp/dt)max) of gases and vapors the gas is filled via partial pressures into a test vessel and then ignited under quiescent conditions with a weak (2 J - 20 J) ignition source. For dusts, the same safety characteristics are determined under turbulent conditions to elevate the dust homogeneously and it is ignited with two chemical igniters with an ignition energy of 1000 J each (LEL and LOC) or 5000 J each (pmax and (dp/dt)max). For the determination of safety characteristics of hybrid mixtures (a mixture containing a combustible dust and a flammable gas) there is no existing standard. In the last 40 years most of the research on their safety characteristics was performed with dust testing equipment that was modified for the addition of flammable gas. Because of the different mixing procedures of gases and dusts with air and because of different ignition energies and sources that are normally used for the standard tests of gases or dusts, the results were hardly reproducible. Statements about the different safety characteristics were contradictory and left the reader or the person responsible for designing safety measures for a process plant or a facility behind with no clear suggestion about the behavior of hybrid mixtures. This thesis is aimed on determining the influence of the different ignition sources and energies on the safety characteristics pmax, (dp/dt)max, lower explosion limit, and limiting oxygen concentration of hybrid mixtures. Several test series were conducted to characterize different standardized ignition sources, that are already in use for the determination of safety characteristics of single-phase substances (gases, liquids, dusts). The burning duration, the igniting volume and the net energy were investigated. It was shown, that the chemical igniters and the exploding wire are suitable ignition sources for the determination of safety characteristics of hybrid mixtures in general. Their burning duration was long enough to ignite dusts and quick enough, that the decay of the turbulence or sedimentation of the dusts did not occur. Both ignition sources produced comparable results for the determination of pmax, LEL and (dp/dt)max of dusts when they had the same ignition energy. A reduced ignition energy of the exploding wire and the chemical igniters did not affect the pmax and (dp/dt)max. The LEL changed with lower energies. However, for the determination of the LOC of hybrid mixtures the exploding wires with an overall energy of 2 kJ produced the best results. The influence of the different mixing procedures that have already been used for hybrid mixtures and the requirements for them were also investigated experimentally for the gas concentration and the determined safety characteristics and compared to each other. It was shown, that the partial pressure method works for mixing hybrid mixtures but the pressures should be measured very accurately and the gas concentration should be validated. Furthermore, the influence of the turbulence that is inevitable when testing dusts, on the safety characteristics of gases was determined. It was found that the chemical igniters and exploding wires produced comparable results for the determination of pmax, LEL and (dp/dt)max under turbulence. For the LOC only exploding wires with two times 1 kJ worked. Finally, the safety characteristics of hybrid mixtures were determined with different ignition energies and sources and the data were compared. It was discovered, that the pmax of hybrid mixtures was the same value than the higher determined one of the single substances while (dp/dt)max of hybrid mixtures was about 10 % to 25 % higher than the value of the stoichiometric gas mixture under turbulence. The point was found at the stoichiometric gas concentration with very little amounts of dust. To prove the key findings of this work and for the establishment of a standardized procedure for the determination of safety characteristics of hybrid mixtures, an international round robin test was conducted with eleven participating facilities in seven countries. The results were comparable within a reasonable range and are presented in this dissertation in an extra chapter. Based upon the observations in this work a reliable solution for a new standardizable ignition source to determine the safety characteristics of hybrid dust-gas-mixtures is proposed.

Sicherheitstechnische Kenngrößen wie die untere Explosionsgrenze, die höchste Konzentration eines mit Luft vermischten Stoffes, der nicht zu einer sich selbst ausbreitenden Flamme führt, oder der maximale Explosionsdruck, der höchste Druck, der nach der Zündung eines mit Luft vermischten brennbaren Stoffes in beliebiger Konzentration erreicht werden kann, werden in der Industrie häufig verwendet, um entweder eine Explosion zu verhindern oder ihre Auswirkungen zu mildern. Die sicherheitstechnischen Kenngrößen sind keine physikalischen Konstanten, sondern werden experimentell ermittelt und hängen von den gewählten experimentellen Parametern wie Zündenergie oder Turbulenz ab. Zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen untere Explosionsgrenze (UEG), Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK), maximaler Explosionsdruck (pmax) und maximaler Druckanstiegsrate ((dp/dt)max) von Gasen und Dämpfen wird das Gas mittels Partialdruckmethode in ein Prüfgefäß gefüllt und dann unter ruhenden Bedingungen mit einer schwachen (2 J - 20 J) Zündquelle gezündet. Bei Stäuben werden die gleichen sicherheitstechnischen Kenngrößen unter turbulenten Bedingungen ermittelt, um den Staub möglichst homogen in der Luft zu verteilen und er wird mit zwei chemischen Zündern mit einer Zündenergie von je 1000 J (UEG und SGK) oder je 5000 J (pmax und (dp/dt)max) gezündet. Für die Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen (Gemisch aus brennbarem Staub und brennbarem Gas) gibt es derzeit keine Norm. In den letzten 40 Jahren wurden die meisten Untersuchungen zu deren sicherheitstechnischen Kenngrößen mit Staubprüfgeräten durchgeführt, die für die Zugabe von brennbarem Gas modifiziert wurden. Wegen der unterschiedlichen Mischverfahren von Gasen und Stäuben mit Luft und wegen der unterschiedlichen Zündenergien und Zündquellen, die normalerweise für die Standardprüfungen von Gasen oder Stäuben verwendet werden, waren die Ergebnisse kaum reproduzierbar. Aussagen über die unterschiedlichen sicherheitstechnischen Kenngrößen waren widersprüchlich und gaben dem Leser bzw. den Verantwortlichen für die sicherheitstechnische Auslegung einer verfahrenstechnischen Anlage keinen eindeutigen Hinweis auf das Verhalten hybrider Gemische. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der verschiedenen Zündquellen und -energien auf die sicherheitstechnischen Kenngrößen pmax, (dp/dt)max, untere Explosionsgrenze und Sauerstoffgrenzkonzentration von hybriden Gemischen zu ermitteln. Es wurden mehrere Versuchsreihen zur Charakterisierung verschiedener genormter Zündquellen durchgeführt, die bereits zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen von einphasigen Stoffen (Gase, Flüssigkeiten, Stäube) eingesetzt werden. Untersucht wurden die Brenndauer, das Zündvolumen und die Nettoenergie. Es wurde gezeigt, dass die chemischen Zünder und der explodierende Draht geeignete Zündquellen für die Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen im Allgemeinen sind. Ihre Brenndauer war lang genug, um Stäube zu entzünden, und schnell genug, dass das Abklingen der Turbulenz oder die Sedimentation der Stäube nicht eintrat. Beide Zündquellen lieferten vergleichbare Ergebnisse für die Bestimmung von pmax, UEG und (dp/dt)max von Stäuben, wenn sie die gleiche Zündenergie hatten. Eine reduzierte Zündenergie des explodierenden Drahtes und der chemischen Zünder hatte keinen Einfluss auf pmax und (dp/dt)max. Die UEG änderte sich bei niedrigeren Energien. Für die Bestimmung der SGK von hybriden Gemischen lieferten die explodierenden Drähte mit einer Gesamtenergie von 2 kJ jedoch die besten Ergebnisse. Der Einfluss der verschiedenen Mischverfahren, die bereits für hybride Gemische verwendet wurden, und die Anforderungen an sie wurden ebenfalls experimentell für die Gaskonzentration und die ermittelten sicherheitstechnischen Kenngrößen untersucht und miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass die Partialdruckmethode zum Mischen von hybriden Gemischen funktioniert, jedoch sollten die Drücke sehr genau gemessen und die Gaskonzentration validiert werden. Außerdem wurde der Einfluss der Turbulenzen, die bei der Prüfung von Stäuben unvermeidlich sind, auf die sicherheitstechnischen Kenngrößen von Gasen ermittelt. Es wurde festgestellt, dass die chemischen Zünder und die explodierenden Drähte vergleichbare Ergebnisse für die Bestimmung von pmax, UEG und (dp/dt)max unter Turbulenz liefern. Für die SGK funktionierten nur explodierende Drähte mit zwei mal 1 kJ. Schließlich wurden die sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen mit unterschiedlichen Zündenergien und Zündquellen bestimmt und die Daten verglichen. Es wurde festgestellt, dass der Wert für pmax von hybriden Gemischen derselbe wie der höhere ermittelte pmax der Einzelsubstanzen war, während (dp/dt)max von hybriden Gemischen etwa 10 % bis 25 % höher war als der Wert des stöchiometrischen Gasgemisches unter Turbulenz. Dieser Höchstwert wurde stets bei der stöchiometrischen Gaskonzentration mit sehr geringen Staubanteilen gefunden. Zum Nachweis der wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit und zur Etablierung eines standardisierten Verfahrens zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen wurde ein internationaler Ringversuch mit elf Teilnehmern in sieben Ländern durchgeführt. Die Ergebnisse waren vergleichbar und werden in dieser Dissertation in einem Extrakapitel vorgestellt. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit gemachten Beobachtungen wird eine zuverlässige Lösung für eine neue standardisierbare Zündquelle zur Bestimmung der sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Staub-Gas-Gemischen vorgeschlagen.