Brennbare Stoffe
Werbung
Freiwillige Feuerwehr Rosenheim Verbrennungslehre Hans Meyrl Stadt Rosenheim Sachgebiet III/323 Brand- und Katastrophenschutz, ILS Verbrennungslehre Physikalische und chemische Grundlagen Verbrennungslehre Die chemischen und physikalischen Grundlagen der Verbrennung Grundbegriffe Selbstentzündung Schnell verlaufende Verbrennungsvorgänge Flashover / Backdraft Naturwissenschaften Physik Chemie Biologie Naturwissenschaften Physik = Lehre von den Zuständen u. den Zustandsänderungen der Materie Chemie = Lehre von den stofflichen Eigenschaften der Materie u. den Stoffänderungen Biologie = Beschreibt die lebenden Systeme (Mensch,Tier,Pflanze), ihre Beziehungen zueinander u. z. d. Umwelt sowie d. Vorgänge, d. sich in ihnen abspielen. Naturwissenschaften Beispiel Wasser Aggregatszustandsänderungen: < 0 °C fest 0 – 100 °C flüssig > 100 °C gasförmig Elemente Chemische Elemente Gesamt: 109 davon fest: 96 gasförmig: 11 flüssig: 2 Elemente, die für die Brandlehre von Bedeutung sind: Nichtmetalle: Metalle: H Wasserstoff C Kohlenstoff N Stickstoff Li Lithium O Sauerstoff Na Natrium F Fluor K Kalium Si Silicium Mg Magnesium P Phosphor Ca Calcium S Schwefel Al Aluminium Cl Chlor Br Brom Allgemeine Grundbegriffe Oxidation Verbrennung Feuer Flamme Glut Oxidation Chemische Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff unter Energiefreisetzung, das entstandene Produkt nennt man Oxid Langsam verlaufende Oxidation: Schnell verlaufende Oxidation: Gären Verbrennen Rosten Explodieren Verwesen Verbrennung Exotherme Reaktion Wird bei einer Reaktion Energie frei, so spricht man von einer exothermen Reaktion. Endotherme Reaktion Wird bei einer Reaktion Energie verbraucht, so spricht man von einer endothermen Reaktion. Verbrennung Chemische Vorgang, bei dem sich ein brennbarer Stoff unter Licht- und Wärmeentwicklung (Feuererscheinung) mit Sauerstoff verbindet. Erscheinungsformen der Verbrennung Flamme Glut Flamme und Glut Erscheinungsformen der Verbrennung Mit Flamme verbrennen: Flüssigkeiten und Gase Mit Flamme und Glut verbrennen: Feste Stoffe, Glutbildende Stoffe Mit Glut verbrennen: Feste entgaste Stoffe Erscheinungsformen der Verbrennung Feuer Flammen Glut Glut Dämpfe, Gase Flüssigkeiten Feste Stoffe Erscheinungsformen der Verbrennung Gase, sind Stoffe, welche bei Raumtemperatur, 21 °C, und Normaldruck, 1013 hPa, im gasförmigen Zustand vorhanden sind. Dampf, ist der gasförmige Aggregatszustand eines Stoffes, welcher bei Raumtemperatur, 21 °C, und Normaldruck, 1013 hPa, im flüssigen Zustand vorhanden ist. Erscheinungsformen der Verbrennung Feuer: Ist die äußere sichtbare Begleiterscheinung einer Verbrennung. Flamme: Ist ein brennender und dabei Licht und Wärme aussendender Gas- oder Dampfstrom. Glut: Ist die bei hohen Temperaturen eines festen Stoffes stattfindende Lichtausstrahlung. 4 Voraussetzungen für eine Verbrennung Brennbarer Stoff Richtiges Mengenverhältnis Zündtemperatur Sauerstoff 4 Voraussetzungen für eine Verbrennung Stoffliche Voraussetzungen: • brennbarer Stoff • Sauerstoff Zustandsbedingte Voraussetzungen: • Zündtemperatur • Mengenverhältnis Brennbare Stoffe Feste, flüssige und gasförmige Stoffe, einschließlich derer Nebel, Stäube oder Dämpfe, die im Gemisch oder im Kontakt mit Luft oder Sauerstoff zum Brennen angeregt werden können. Brennbare Stoffe Holz Brennbarkeit abhängig von Feuchtigkeitsgehalt und Verhältnis Oberfläche zu Masse ca. 50 % Kohlenstoff, erst verdampft Wasser, dann Schwelvorgang (H2, CH4, CO, CO2) zurück bleibt Holzkohle, die schließlich Glut bildet Brennbare Stoffe Metalle (grundsätzlich brennbar) Natrium, Kalium + Wasser in kaltem Zustand gefährlich Aluminium, Magnesium im Brandfall gefährlich, Knallgasbildung Metallstaub ist Atemgift mit Reiz- und Ätzwirkung hohe Verbrennungstemperaturen Wasserstoff Es entsteht Wasser Brennbare Stoffe Kohlenmonoxid (Stichflamme) C + O, CO + O unvollständige Verbrennung Eigenschaften: stark giftig, Wirkung auf Blut, Nerven, Zellen leichter als Luft, leicht entzündbar Kohlendioxid Brennbare Stoffe Schwefelwasserstoff H2S Eigenschaften: Gas, brennbar Giftig, Wirkung auf Blut, Nerven, Zellen etwas schwerer als Luft Vorkommen: Abwasserbereich, Kanal Brennbare Stoffe Cyanwasserstoff HCN Eigenschaften: farblose Flüssigkeit, wässrige Lösung Blausäure brennbar Giftig, Wirkung auf Blut, Nerven, Zellen etwas leichter als Luft Verbrennungsprodukt bei Kunststoffen Brandklassen nach DIN EN 2 Sauerstoff Verbreitetes Element unseres Lebensraumes Aktives u. verbindungsfreudiges Element Farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas In der Luft zu 21 % vorhanden Zweiwertiges Gas O2, schwerer als Luft Nicht brennbar, für Verbrennung notwendig Med. Sauerstoff in weißen Druckgasflaschen Techn. Sauerstoff in blauen Druckgasflaschen od. blau mit weißen Flaschenhals Sauerstoffeinfluss Senkung des Sauerstoffgehaltes Verbrennung wird gehemmt oder unterbrochen Langsamere Verbrennungsgeschwindigkeit Niedrigere Verbrennungstemperatur Unvollkommene Verbrennung: CO-Anstieg, mehr Rauch Sauerstoffeinfluss Erhöhung des Sauerstoffgehaltes Verbrennung wird beschleunigt Schnellere… Höhere… Weniger Rauch, weniger CO Verbrennung mit reinem Sauerstoff Verbrennungstemperatur steigt um ca. 800°C Sauerstoff wird gefährlich bei: Luftverbesserung (Tanks, enge Räume) Anlassen von Verbrennungsmotoren An Stelle von Pressluft (Füllen von Reifen, Fortblasen von Spänen etc.) Keine brennbaren Schmiermittel bei sauerstoffführenden Armaturen Oxidationsgeschwindigkeit Beeinflussung durch: Erhöhten Druck Erhöhte Temperatur (van´t Hoff) Erhöhte Sauerstoffkonzentration Feuchtigkeit (Katalysator) Katalysator Die meisten Reaktionen sind gehemmte Systeme Stoffe, die eine chemische Reaktion beeinflussen, ohne selbst verbraucht zu werden. Eine unmögliche Reaktion kann nicht ermöglicht werden Senkung der Zündenergie/Zündtemperatur Zündtemperatur Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur der erwärmten Oberfläche eines brennbaren Stoffes, an der dieser in Berührung mit Luftsauerstoff nach kurzer Einwirkung (max. 5 min.) gerade noch zum Brennen angeregt wird. Beispiele für Zündtemperaturen in °C Feste Stoffe Flüssigkeiten/Dämpfe Gase Holz 280-340 Benzin 220-450 Acetylen 305 Holzkohle 140-200 Heizöl 250 Butan 365 Dynamit 180 Aceton 540 Propan 460 Tabak 175 Teer 600 Wasserstoff 560 Baumwolle 450 Methanol 445 Stadtgas 560 Temperaturklassen T1 450 °C T2 300 °C T3 200 °C T4 135 °C T5 100 °C T6 85 °C Explosionsgruppen I, IIA, IIB, IIC Mengenverhältnisse Ist die Mischung zwischen brennbaren Stoff und Sauerstoff, welche besagt ob eine Verbrennung stattfinden kann. Zündgrenze und Zündbereich Zündbereich ist der Bereich innerhalb dessen eine Verbrennung stattfinden kann. Dieser Bereich wird begrenzt von der unteren bzw. oberen Zündgrenze. Zündgrenze und Zündbereich Unterhalb der Zündgrenze kann keine Verbrennung stattfinden, da es an brennbaren Stoff mangelt. Dieses Gemisch wird als zu mager bezeichnet. Oberhalb der Zündgrenze kann keine Verbrennung stattfinden, da ein Überschuss an brennbaren Stoff vorhanden ist. Dieses Gemisch wird als zu fett bezeichnet. Zündgrenze und Zündbereich Zündbereich weiten Acetylen Wasserstoff Kohlenmonoxid Schwefelkohlenst. Angaben in Vol % mittleren 1,5-82 4 -75 12 -74 1 - 60 engen Leuchtgas 5 - 25 Benzin 0,6 - 8 Stadtgas 4 - 40 Propan 2,5 - 9,5 Alkohol 3,5-20 Butan 1,5 - 8,5 Blausäure 4,5-46 Methan 5 - 15 Zündbereiche von Gasen und Dämpfen mit Luft Acetylen 1,5-82 Wasserstoff 4-75 Stadtgas 4-40 Leuchtgas 5-25 Methan 5-15 Benzin 0,8-8 0 Vol % 100 Vol % Beurteilung der brennbaren Stoffe Entzündbarkeit Brennbarkeit Verbrennungswärme (Heizwert) Verbrennungstemperatur Entzündbarkeit Bezieht sich auf die Einleitung der Verbrennung Schwer entzündlich, Streichholz nicht ausreichend, Lötlampe Normal entzündlich, Streichholzflamme erforderlich Leicht entzündlich, Funken, glimmende Zigarette ausreichend Selbstentzündlich, keine Zündquelle Entzündung • Die Fremdentzündung ist eine Entzündung durch eine dem brennbaren Stoff von außen zugeführte Zündenergie. Als Zündquellen können offene Flammen, Funken, Lichtbögen, warme Oberflächen oder Kompression dienen. • Die Selbstentzündung ist eine Entzündung ohne Energiezufuhr von außen durch die eigene Reaktionswärme des brennbaren Stoffes. Voraussetzung für eine Selbstentzündung Zusätzlich zu den vier Vorbedingungen müssen bei einer Selbstentzündung zwei besondere Voraussetzungen erfüllt sein: 1. Der brennbare Stoff muss bereits bei normaler Temperatur merklich oxidieren. 2. Die bei der Oxidation entstehende Wärme darf nicht vollständig an die Umgebung abgegeben werden. Selbstenzündung Van`t Hoffsche Regel bei einer Temperaturerhöhung von je 10 °C erhöht sich die Oxidationsgeschwindigkeit um das 2- bis 3- fache Gilt nur im Temperaturbereich bis 200 °C Selbstenzündung Beispiele: Ölgetränkte Faserstoffe Feucht eingebrachtes Heu Zu kompakt gelagerte Braunkohle Mit Öl verunreinigte Metallspäne Weißer Phosphor Brandursache Leinöl Heuwehrgerät Zündverzugszeit Ist die Zeitspanne von der Einleitung der Verbrennung bis hin zur ersten Feuererscheinung. Brennbarkeit Bezieht sich auf das Brennverhalten nach eingeleiteter Zündung. Schwer brennbare Stoffe, Zufuhr von Fremdwärme notwendig Normal brennbare Stoffe, normale Verbrennungsgeschwindigkeit ohne Zufuhr von Fremdwärme Leicht brennbare Stoffe, hohe Verbrennungsgeschwindigkeit, hohe Verbrennungswärme DIN 4102 Schwer entflammbare Stoffe B3 Normal entflammbare Stoffe B2 Leicht entflammbare Stoffe B1 Verbrennungswärme Beim vollständigen Verbrennen eines Stoffes, egal ob dies schnell oder langsam erfolgt, wird eine bestimmte Wärmemenge frei, welche Verbrennungswärme genannt wird. Für feste und flüssige Stoffe wird diese in KJ/kg Für gasförmige Stoffe in KJ/kg oder KJ/m3 angegeben. Verbrennungswärme Heizwerte für feste, flüssige und gasförmige Stoffe: Feste Stoffe Flüssige Stoffe MJ/kg: MJ/kg Holz ca. 17 Gasförmige Stoffe MJ/m3 o. KJ/kg Benzin 42 Acetylen 57 48 Steinkohle 30 Erdöl 41 Propan 93 46 Magnesium 25 Spiritus 25 Butan 123 45 Phosphor 25 Methanol 20 Wasserstoff 10 120 Verbrennungstemperatur Ist die bei einer Verbrennung tatsächlich erreichte Temperatur Man unterscheidet zwischen einer Mindestverbrennungstemperatur unterhalb derer eine Verbrennung nicht mehr stattfinden kann und einer maximalen Verbrennungstemperatur über die ein Stoff nicht mehr erhitzt werden kann. Löschen heißt: Abkühlen unter die Mindestverbrennungstemperatur Mindestverbrennungstemperatur Thermische Behandlung von Abfällen in Müllverbrennungsanlage Mindestverbrennungstemperatur: 850 °C evtl. Nachheizen mit Gasbrenner Verbrennungstemperatur über 1000 °C durch Einblasen von erwärmter Luft Verbrennungstemperaturen in °C Feste Stoffe Phosphor 800 Magnesium 3000 Zimmerbrand 1100 Flüssige Stoffe Gasförmige Stoffe Benzin Acetylen -3100 Wasserstoff -2500 CO 1680 1500 Verbrennungstemperaturen in °C Aufgrund der gleichen Verbrennungswärme bei Magnesium und Phosphor (25 MJ/kg) aber den unterschiedlich hohen Verbrennungstemperaturen, Magnesium 3000 oC Phosphor 800 oC, kann davon ausgegangen werden, dass Magnesium mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit verbrennt. Verbrennungstemperaturen in °C Die Verbrennung läuft so lange selbstständig ab bis, •Nicht mehr genügend Sauerstoff vorhanden ist oder •Kein brennbarer Stoff mehr vorhanden ist. Kerzenflamme Verbrennungszone Glühzone Gaszone Verbrennungstemperatur der Kerzenflamme ca. 1100 oC Brand Als Brand bezeichnet man ein Schadensfeuer, d.h. ein nicht bestimmungsmäßiges Brennen welches sich unkontrolliert ausbreiten kann. Nutzfeuer… Brand Vollständige Verbrennung: Entstehung von CO2 Unvollständige Verbrennung: Entstehung von CO Haupt- und Nebenprodukte bei Brandrauch CO2 Kohlenstoffdioxid CO Kohlenstoffmonoxid HCN Blausäure HCl Salzsäure SO2 Schwefeldioxid NxOY Stickoxidverbindungen Entstehung von “Nitrosen Gasen” Abbrand von Bettfedern Abbrand von Sprengstoff Abbrand von Düngemitteln Abbrand von Nitrolack Salpetersäure auf organische Stoffe Brandparallelerscheinung Brandrauch Toxisch Besteht aus verschiedenen Gasen, Aerosolen u. festen Partikeln Nimmt die Sicht (Panik) 1 kg fester Stoff kann bis zu 2 500 m³ Rauchgas erzeugen Brandparallelerscheinung Rauch ist ein Aerosol, das hauptsächlich aus Brandgasen und festen Teilchen besteht. Qualm ist ein sehr dichter Rauch in den neben Brandgasen und festen Teilchen Pyrolyse- und Destillationsprodukte enthalten sein können. Brandgase sind ein gasförmiges Gemisch aus bei Bränden entstehenden Oxiden, inerten Anteilen und Pyrolyseprodukten. Pyrolyse Unter Pyrolyse versteht man die Auflösung eines Stoffes unter dem Einfluss von Wärme, die thermische Zersetzung. Durch Temperaturerhöhung werden die Teilchen in Schwingungen versetzt und zerfallen. Verteilungsgrad Verhältnis zwischen Oberfläche des brennbaren Stoffes und dessen Masse. Je größer die Oberfläche eines Stoffes im Verhältnis zu seiner Masse, desto größer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Van`t Hoffsche Regel Die Van´t Hoffsche Regel besagt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 3-fache zunimmt bei einer Temperaturerhöhung um 10 oC. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigert sich also bei einer Temperaturerhöhung von 100 oC um mindestens das Tausendfache. Flammpunkt Der Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Temperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf/Gas-LuftGemisch entsteht. Beispiele für Flammpunkte Äther Benzin Spiritus Terpentinöl Heizöl Paraffin Olivenöl - 40 °C - 45 °C 16 °C 35 °C > 55 °C 160 °C 225 °C Einteilung brennbarer Flüssigkeiten nach VbF Erlaubnispflicht nach BetrSichV: Lageranlagen gr. 10000 Liter Füllstellen mit Umschlagkapazität gr. 1000l/h Tankstellen Einstufung nach Gefahrstoffrecht für flüssige Stoffe Einstufung nach Gefahrstoffrecht für flüssige Stoffe Bezeichnung Gefahren- R-Satz Kriterien symbol Hochentzündlich F+ R 12 flüssige Stoffe/Zubereitungen mit einem FP kl. 0 oC und einem Siedepunkt unter 35 oC Leichtentzündlich mit F R 11 R 15 flüssige Stoffe/Zubereitungen FP kl. 21 oC, aber nicht R 17 hochentzündlich Entzündlich mit - flüssige Stoffe/Zubereitungen FP von mind. 21 oC und höchstens 55 oC Betriebssicherheitsverordnung A I bzw. B Hochentzündlich oder Leichtentzündlich A II entzündlich A III --- Gefahrenklassen A I und B entsprechen jetzt leicht– oder hochentzündlich, Gefahrklasse A II entzündlich. Die Wasserlöslichkeit spielt keine Rolle A III Anlagen sind nicht mehr überwachungsbedürftig Schnell verlaufende Verbrennungsvorgänge Verpuffung Explosion Detonation Deflagration Schnell verlaufende Verbrennungsvorgänge Verpuffung: rasch verlaufende Verbrennung (schwache Explosion) mit geringer Druck- u. Geräuschentwicklung Beispiel: Gas- od. Dampf/Luft-Gemische in der Nähe ihrer Zündgrenzen Explosion Außerordentlich schnell verlaufende Verbrennung eines Stoffes od. Stoffgemisches unter starker Wärme-, Druck-, Licht- u. Geräuschentwicklung Beispiel: brennbare Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube im richtigen Mischungsverhältnis mit Luft Detonation Aufs äußerste gesteigerte Explosion, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zündung nicht mehr durch Wärmeübertragung sondern durch die Kompressionswärme ausgelöst wird, die in der Front der Detonations-Druckwelle entsteht z. B. Brennbare Gase od. Dämpfe im reinen Sauerstoff Deflagation Zersetzungsreaktion eines Explosivstoffes, die im Unterschied zur Detonation unterhalb der Schallgeschwindigkeit abläuft. Entstehender Druck max. 10 bar Verbrennungsgeschwindigkeit Verpuffung unterhalb Schall-v Deflagration unterhalb Schall-v Detonation oberhalb Schall-v Explosionsdrücke 0,5 - 1,5 bar Neuaufbau des betroffenen Gebäudes erforderlich 0,1 bar Fenster u. Türen werden herausgedrückt Detonation v. Sprengstoffen 350 000 bar Rechenbeispiele: Welche Kraft wirkt auf eine Wand? • • • • • • Wandbreite 5 m Wandhöhe 3m Explosionsdruck 0,3 bar A = 5 m x 3m = 15 m2 p = F/A F = p x A = 0,3 bar x 15 m² = F = 450 000 N = 450 kN ( = 45 t ) Ausbreitungsgeschwindigkeit Verpuffung Ausbreitungsgeschwindigkeit cm/s Explosion Ausbreitungsgeschwindigkeit m/s Deflagration Ausbreitungsgeschwindigkeit 300 m/s Detonation Ausbreitungsgeschwindigkeit km/s Sprengstoffe Militär Waffengeschäfte Steinbruch Feuerwerksbetriebe Transport Schießstände Stoffe mit chemisch gebundenem Sauerstoff Sprengstoffe Zellhorn Permanganate Düngemittel Stoffe mit chemisch gebundenem Sauerstoff Stichflamme Flashover Backdraft Fettexplosion Stichflamme Sehr heiße Flamme mit einer ausgeprägten Richtung. Diese Richtung wird verursacht durch bauliche Gegebenheiten oder andere Gegenstände und verleihen der Stichflamme eine schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit. Flashover Flashover – Rauchdurchzündung oder Feuersprung Voraussetzungen: ausreichende Luftzufuhr mangelhafte Wärmeableitung thermische Aufbereitung Bildung von Pyrolysegase,insbesondere CO Wärme und Rauchgase können nicht abgeführt werden Backdraft Backdraft – Rauchexplosion oder Rückzündung • Voraussetzungen : • unzureichende Luftzufuhr • mangelhafte Wärmeableitung • thermische Aufbereitung • Bildung von Pyrolysegase,insbesondere CO • Wärme und Rauchgase können nicht abgeführt werden Backdraft • • • • • • • • Backdraft – Rauchexplosion oder Rückzündung Verlauf vereinfacht Entstehungsbrand Rauch und Wärmebildung thermische Aufbereitung – Pyrolyse Sauerstoffmangel – Schwelbrand Erreichen der Oberen Explosionsgrenze OEG Unterdruckbildung Zufuhr von ausreichend Sauerstoff – Verwirbelung • Durchzündung – Explosion – Stichflamme - Backdraft Physikalische Explosion Fliehkraftzerfall Druckgefäßzerknall Eruption (Fettexplosion) Sind dennoch keine Explosionen im herkömmlichen Sinn. Fliehkraftzerfall Beim Fliehkraftzerfall kommt es aufgrund der hohen Kräfte bedingt durch die Rotation zum Zerfall. Bei großer Rotationsgeschwindigkeit lösen sich Bauteile oder Gegenstände vom Objekt. z.B. Rotoren oder Zentrifugen Fettexplosion Wasser in kochendes Fett Wasser ist schwerer als Fett 1 Liter Wasser ergibt 1700 Liter Dampf Beim plötzlichen Verdampfen des Wassers werden Fettteilchen mitgerissen Feine und erhitzte Fettteilchen vermischen sich mit Luft und verbrennen mit einem Feuerball
