Doutnání organických materiálů

Úvod

Doutnání můžeme definovat jako bezplamenné hoření. Tento jev je typický pro organické materiály, jako je dřevný prach, seno, sláma a mnoho dalších materiálů. Počátek doutnání může dvě příčiny. První z nich je iniciace externím zdrojem, např. horkým povrchem, jiskrami. Druhou jsou biochemické procesy probíhající přímo v organické hmotě. Organické materiály jsou skladovány suché s obsahem vlhkosti kolem 14–15 %. Materiály, které nejsou dostatečně suché, jsou ideálním místem pro rozvoj aktivit mikroorganismů. Za hranici pro tyto procesy je považováno 18–20 % [1]. V článku je podrobněji rozebrána iniciace na horkém povrchu a také biochemické procesy vedoucí k samozahřívání.

Iniciace organického materiálu na horkém povrchu

Obrázek 1: Souhrn výsledků měření teploty vznícení dřevného materiálu [6]

Teplota vznícení (tj. teplota horkého povrchu, při níž dojde ke vznícení) je důležitým parametrem pro jednotlivé materiály. Je jedním z kritérií, podle nichž je popsáno chování materiálu. Existují dvě různé definice [6]. Kritická teplota vznícení je teplota povrchu v okamžiku iniciace. Nebo také může být definována jako minimální teplota pece obsahující vzorek určený k iniciaci. Na obrázku 1 jsou uvedeny výsledky experimentů pro teplotu vznícení. Výsledky jsou sestaveny jako distribuce počtu jednotlivých naměřených teplot (obr. 1).

Termická degradace

Proces samozahřívání organických materiálů lze rozdělit do tří fází [1]:

1. Fyziologická – tato fáze je charakterizovaná jako progresivní. To znamená, že probíhá dýchání a rozmnožování mikroorganismů. Rostlinné enzymy rozkládají organické materiály, přičemž se uvolňoje teplo. Pokud je materiál skladován na hromadě, dochází pouze k omezenému odvodu tepla. Organický materiál je velmi špatný vodič tepla, to znamená, že v případě zvýšení teploty uvnitř skladované hromady nedochází k jejímu ochlazení rychle a proto jsou zde příznivé podmínky pro biochemické procesy. Při dosažení teploty 40–45 °C dochází k odumírání rostlinných buněk a zástavě procesu dýchání. V případě, že je obsah vlhkost v materiálu pod 28 % (a dále se snižuje vlivem vysoušení), zastavuje se rozvoj mikroorganismů a teplota začíná klesat (neprobíhají další procesy vedoucí k samozahřívání).
2. Mikrobiologická – vzhledem k rostoucí teplotě a vlhkosti jsou ideální podmínky pro rozvoj mikrooganismů (bakterie, plísně atd.). Okolo 30 °C se rozvíjejí mezofilní mikroorganismy. Ty při dalším zvyšováním teploty hynou a při teplotách okolo 50–60 °C přežívají už jen termofilní mikroorganismy. Při činnosti těchto mikroorganismů dochází k dalšímu uvolňování tepla, jeho hromadění a také produkci organických kyselin (především kyseliny octové), čímž je možné cítit charakteristický kyselý zápach (typický pro tuto fázi samozahřívání). Pokud nedojde k přerušení nárůstu teploty vlivem provedení preventivních opatření, dochází k dalšímu nárůstu teploty.
3. Chemická – při teplotě 70–80 °C hynou také termofilní mikroorganismy. V předchozí fázi vlivem jejich činnosti vznikly plynné produkty, mimo jiné také metan a vodík, jež jsou zápalné. Následkem chemických reakcí a změn dochází k dalšímu nárůstu teploty. Chemickou fázi lze také popsat jako suchou destilaci, přičemž produkty jsou prchavé uhlovodíky a aktivní uhlí. Aktivní uhlí vzniká až při teplotě kolem 120 °C. Čím pomaleji toto aktivní uhlí vzniká, tím je tzv. aktivnější (dle dosavadních poznatků v tom mohou hrát roli i katalyzátory, jako je např. železo).

První dvě fáze trvají v řádech týdnů až měsíců, poslední fáze v řádech dnů, někdy pouze hodin. Degradační procesy celulózových materiálů lze schématicky znázornit, jak je uvedeno na obrázku 2. Levá část představuje proces pyrolýzy (tepelného rozkladu), pravá pak procesy hoření.

Obrázek 2: Degradační procesy celulózových materiálů [2]

Obrázek 3: Rozdíl mezi doutnáním a plamenným hořením [5]

Doutnající materiál představuje vážné nebezpečí ze dvou důvodů. Za prvé se při doutnání uvolňuje vyšší množství toxických látek než při plamenném hoření. Za druhé k doutnání dochází v případech, kdy iniciace není dostatečná pro vznik plamenného hoření, a je většinou také jeho předchůdcem [3]. Vizuální rozdíl mezi doutnáním a plamenným hořením je uveden na obrázku 3 [5].

Rychlost doutnání a jeho šíření je ovlivněno rychlostí přístupu kyslíku do reakční zóny. Když doutnání dosáhne povrchové vrstvy materiálu, jeho šíření je ovlivněno nejen prouděním vzduchu nad povrchem, ale závisí také podmínkách přenosu tepla. [5]

Na obrázku 4 je patrné, jak je ovlivněna doba prostupu zóny doutnání ze spodní vrstvy směrem k povrchu v závislosti na tloušťce vrstvy prachu dřevných pilin [3].

Na obrázku 4 není dále zkoumáno šíření doutnání po povrchu vrstvy prachu. To lze pozorovat na vzorku rašeliny na obrázku 5. Na něm jsou viditelné jednotlivé zóny a procesy v nich probíhající. Na rozhraní vrstvy organického materiálu a procesu samotného doutnání je zóna předehřívání a vysoušení. Už v této fázi je vrstva organického materiálu připravována na následující proces doutnání.

Obrázek 4: Prostup zóny doutnání ze spodu k povrchu ve vrstvě smíšených dřevných pilin. Čtverce: vrstva prachu o tloušťce 0,025 m (čtvercový box o hraně 0,3 m), kosočtverce: vrstva prachu o tloušťce 0,052 m (čtvercový box o hraně 0,3 m), trojúhelníky: vrstva prachu o tloušťce 0,052 m (čtvercový box o hraně 0,6 m), kruhy: vrstva prachu o tloušťce 0,052 m (čtvercový box o hraně 0,9 m) [3]

Obrázek 5: Pohyb čela a teploty v doutnajícím vzorku rašeliny, jež je 100 mm dlouhý [5]

Obrázek 6: Závislost rychlosti šíření doutnání vrstvou prachu bukového dřeva na rychlosti proudění vzduchu nad vrstvou prachu. Kruhy: střední velikost zrna 120 μm, trojúhelníky: střední velikost zrna 190 μm, čtverce: střední velikost zrna 480 μm [3]

Každá fáze při šíření doutnání je specifická a je charakterizována:

1. předehřev – v přední části dochází k zahřívání materiálu, ale zatím ne k emisi plynů a vodní páry. K tomu dochází zároveň se ztrátou hmotnosti až v další části.
2. hoření – v této fázi jsou hlavními procesy uvolňování vodních par, pyrolýza a počátek tvorby uhlíkatého zbytku.
3. uhlíkatý zbytek – dochází k ochlazování zbytku a také popela. Zde již nedochází k žádnému uvolňování plynů.

Pro představu tohoto šíření v reálných podmínkách záleží ve velké míře na proudění vzduchu nad vrstvou materiálu. V publikaci [3] jsou uvedeny výsledky experimentů šíření doutnání při proudění kyslíku po a proti směru tohoto šíření (obr. 6).

Prevence proti vzniku ložisek doutnání

Aby se zabránilo doutnán, je dobré postupovat takto:

1. kontrola vlhkosti materiálu před vlastním uskladněním
2. instalace detekce plynů pro typické plyny uvolňované z materiálu a nastavení jejich signalizace na kritickou hodnotu
3. zabranit vniknutí vody do skladů nebo pokrytí povrchu skladovaného materiálu plachtou nebo jinou izolační vrstvou
4. pravidelné vzorkování kvality materiálu a jeho hodnocení, jako jsou např. jádrové vrty
5. sledování geometrického tvaru a barvy skladovaného materiálu – pro praktické využití jsou degradační procesy provázeny např. propadáváním materiálu, táním sněhu, silný charakteristický kyselý zápach. Odvětrávání a chlazení skladovaného materiálu je tudíž nutné.
6. je lepší uložit materiál na menší skládku než na jednu velkou. Účinnou prevencí je také dodržování maximální výšky skladování materiálu
7. homogenizace materiálu před jeho uskladněním (např. pomocí skládkových strojů)
8. skladování materiálu snižuje koncentraci O₂
9. samozřejmostí, která je v některých provozech výrazně zanedbávána, je pravidelné čištění technologií

Je-li během kontroly skladovaného materiálu zjištěna v některé jeho části zvýšená teplota, je nutné materiál přeskládat a ochladit. Podobné opatření, tj. přeskládání a chlazení materiálu, platí také v případě, že se objeví nějaké doutnající ložisko.

Obrázek 7: Termovizní snímek [7]

Závěr

Z hlediska požární ochrany a bezpečnosti je doutnání nebezpečným jevem z několika důvodů. Prvním z nich je, že doutnání může být iniciováno nižší energií než samotné plamenné hoření. Další nebezpečí je spojené s instalací detektorů kouře. Při doutnání je produkován relativně chladnější kouř, který díky svému složení a nedostatku vztlaku plynů je obtížně zaznamenatelný standartními detektory. Dalším nebezpečím je skutečnost, že doutnání může kdykoliv přejít v plamenné hoření. Posledním a ne zcela zanedbatelným nebezpečím je vývin nebezpečných toxických plynů. Při experimentech bylo zjištěno, že materiály s dobrou odolností vůči plamennému hoření jsou citlivější k doutnání a naopak. [5]

Pro proces samozahřívání organického především rostlinného materiálu je velmi důležitý obsah vlhkosti pro mikrobiální aktivitu. Druhou podmínkou je akumulace tepla, tzn. dochází pouze k omezenému ochlazování. Proces akumulace tepla musí probíhat dostatečně dlouho, aby došlo k rozvoji biologických a chemických reakcí. Monitorování vnitřní teploty skladovaného materiálů např. tyčovými teploměry, termovizními snímky (obr. 7), nebo IR kamery pro detekci koncentrace CO₂ lze doporučit jako další opatření k preventivním opatřením uvedeným výše.

Literatura

• [1] Balog, K. Samovznietenie. Samozahrievanie, vznietenie, vzplanutie. Ostrava: SPBI 21, 1999. ISBN 80-86111-43-1
• [2] Butt, D. Thermochemical processing of agroforestry biomass for furans, phenols, cellulose and essential oils. Rural Industries Research and Development Corporation. Publication, 2006. No. 6/121, 169 p. ISBN 1-74151-384-7
• [3] Ohlemiller T. J.: Smoldering Combustion. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2^nd Edition, DiNenno, P. M., et al., Editors. Chapter 11, Section 2, p. 2/171–179 [PDF document] [cit. 24. 11. 2013] available from: http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire95/PDF/f95127.pdf
• [4] Ohlemiller T. J.: Smoldering Combustion. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3^rd Edition, DiNenno, P. J.; Drysdale, D.; Beyler, C. L.; Walton, W. D., Editor(s), kapitola 9, p. 2/200–210, 2002 [PDF document] [cit. 12. 11. 2013] available from: http://fire.nist.gov/bfrlpubs/fire02/PDF/f02074.pdf
• [5] Rein G. Smouldering Combustion Phenomena in Science and Technology, International Review of Chemical Engineering, Vol 1, pp 3–18, 2009 [PDF document] [cit. 25. 10. 2013] available from: https://www.era.lib.ed.ac.uk/bitstream/1842/ 2678/1/Rein_SmoulderingReview_ IRECHE09.pdf
• [6] Shen D. K., Fang M. X., Chow W. K.: A Review on Ignition of Cellulose materials under External Heat Flux. International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, Volume 8, Number 1, p. 28–42, 2006 [PDF document] [cit. 25. 10. 2013] available from: http://www.bse.polyu.edu.hk/researchCentre/Fire_Engineering/summary_of_output/journal/IJEPBFC/V8/EPBFCv8n1p28.pdf
• [7] Termokamera v jámě. [HTML document] [cit. 1. 6. 2014] available from: http://www.zea.cz/konzervanty/termokamera-v-jame/