Δυαδικά και τριμερή δείγματα για τον προσδιορισμό της ανάφλεξης στη σκόνη

Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία της Παγκόσμιας Τράπεζας, το 2014, τα ορυκτά καύσιμα παρείχαν το 80,8% της συνολικής ενέργειας που καταναλώθηκε παγκοσμίως. Τα περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση ορυκτών καυσίμων, εκτός από την εξάντληση των αποθεμάτων τους, είναι ο λόγος για πολλά παγκόσμια σχέδια για μείωση αυτής της εξάρτησης, εστιάζοντας στην ανάπτυξη νέων καθαρών ενεργειών.

Ένα παράδειγμα είναι οι «στόχοι 202020» από την Ευρωπαϊκή Ένωση, οι οποίοι δίνουν προτεραιότητα στην ανάκτηση ενέργειας από βιομάζα και μη ανακυκλώσιμα απόβλητα. Μία από τις βασικές ενέργειες αυτού του σχεδίου είναι η χρήση βιομάζας ως μερική ή πλήρη αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων.

Η βιομάζα είναι μια ευρέως διαθέσιμη πηγή ενέργειας που παράγει λιγότερες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου από τα ορυκτά καύσιμα. Πρόσφατα, πολλές έρευνες έχουν διεξαχθεί προκειμένου να συμπεριληφθούν περισσότερα υλικά στον όρο «βιομάζα», από ροκανίδια ξύλου ειδικά κατασκευασμένα για ενεργειακή χρήση μέχρι υλικά που προηγουμένως θεωρούνταν απόβλητα και τώρα χρησιμοποιούνται ως πηγές ενέργειας, όπως κοχύλια ή λυματολάσπη.

Στα χαρτιά, όλα αυτά τα οφέλη θα πρέπει να είναι αρκετά για να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα με αυτά τα υλικά, οπότε ποιο είναι το πρόβλημα; Γιατί ο κόσμος εξακολουθεί να εξαρτάται από προϊόντα υψηλής ρύπανσης όπως τα ορυκτά καύσιμα; Η βιομάζα έχει χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, επομένως απαιτείται περισσότερο υλικό για την παραγωγή της ίδιας ποσότητας ενέργειας και θα ήταν απαραίτητη μια μεγάλη επένδυση σε νέες βιομηχανικές εγκαταστάσεις για τη χρήση της.

Ωστόσο, μια ενδιάμεση λύση γίνεται πιο κοινή:η συν-πυροδότηση. Η ταυτόχρονη καύση είναι η καύση δύο ή περισσότερων διαφορετικών τύπων υλικών ταυτόχρονα και έχει εφαρμοστεί κυρίως με την ανάμειξη άνθρακα και βιομάζας, μειώνοντας τις ατμοσφαιρικές εκπομπές και τα σωματίδια. Αντί της χρήσης βιομάζας, η συν-φύση μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει απόβλητα υλικά, να ανακτήσει ενέργεια, να μειώσει τον όγκο απόρριψης και να καταστρέψει με ασφάλεια τα τοξικά οργανικά υπολείμματα.

Εφόσον μιλάμε για επεξεργασία στερεών καυσίμων, υπάρχει ένας βιομηχανικός κίνδυνος που πρέπει να ληφθεί υπόψη:κάθε στερεό υλικό παρουσιάζει κίνδυνο ανάφλεξης που πρέπει να προσδιοριστεί πλήρως πριν από την εργασία, το χειρισμό ή την επεξεργασία του. Όταν ένα υλικό σκόνης αναφλέγεται, μπορεί να εξελιχθεί μέχρι να συμβεί έκρηξη σκόνης. Για να αποφευχθεί αυτός ο κίνδυνος, κάθε βιομηχανική εγκατάσταση θα πρέπει να χαρακτηρίζει τα στερεά υλικά της και να γνωρίζει τις συνθήκες που πρέπει να αντιμετωπίσει για να έχει έναν ασφαλή χώρο εργασίας. Ωστόσο, τι συμβαίνει όταν αναμειγνύονται δύο τύποι σκόνης με διαφορετικές ιδιότητες; Είναι ο κίνδυνος το άθροισμα και των δύο; Πρέπει απλώς να χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες των πιο επικίνδυνων υλικών;

Προκειμένου να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα, η ευαισθησία ανάφλεξης των στερεών μιγμάτων μελετήθηκε σε μια συνεργασία μεταξύ του Laboratorio Official Madariaga (Universidad Politecnica de Madrid) και του Πανεπιστημίου του Leeds. Οι παράμετροι ευαισθησίας ανάφλεξης καθορίζουν την ευκολία ανάφλεξης ενός στερεού υλικού. Πρέπει να μελετηθούν δύο διαφορετικές καταστάσεις:όταν το στερεό υλικό εναποτίθεται ως στρώμα και όταν διασκορπίζεται σε ένα σύννεφο σκόνης.

Τα στρώματα σκόνης είναι μια πιθανή πηγή ανάφλεξης όταν αναφλέγονται, επομένως πρέπει να προσδιοριστεί η θερμοκρασία που δεν μπορεί να φτάσει η σκόνη για να αποφευχθεί η ανάφλεξή τους. Όταν γνωρίζουμε αυτή τη θερμοκρασία, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι ο εξοπλισμός που είναι εγκατεστημένος στην εγκατάσταση δεν φτάνει ποτέ αυτή τη θερμοκρασία (ή υψηλότερη). Εάν ένα στρώμα σκόνης διαταραχθεί και διασκορπιστεί στον αέρα, σχηματίζει ένα σύννεφο σκόνης, το οποίο μπορεί να αναφλεγεί από υψηλή θερμοκρασία ή ηλεκτρικό σπινθήρα, το οποίο εξελίσσεται σε έκρηξη σκόνης με σοβαρές συνέπειες. Η θερμοκρασία που μπορεί να προκαλέσει αυτές τις εκρήξεις, καθώς και η ενέργεια του ηλεκτρικού σπινθήρα, πρέπει να καθοριστεί. Όπως και στην περίπτωση των στρωμάτων, οι εγκαταστάσεις πρέπει να διασφαλίζουν ότι αυτές οι θερμοκρασίες και ενέργειες δεν επιτυγχάνονται ανά πάσα στιγμή για να αποφευχθούν οι εκρήξεις σκόνης.

Προσδιορίσαμε πειραματικά τις παραμέτρους που σχετίζονται με αυτές τις διεργασίες για μεμονωμένα υλικά και για μείγματα και τις συγκρίθηκαν. Τα υλικά που δοκιμάστηκαν ήταν σφαιρίδια ξύλου, θερμικά αποξηραμένη λάσπη λυμάτων και άνθρακας σε δέκα διαφορετικούς συνδυασμούς:εννέα δυαδικά δείγματα που σχηματίστηκαν από δύο υλικά με διαφορετικές αναλογίες και ένα τριαδικό που σχηματίστηκε από τα τρία δείγματα. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι ένας θεωρητικός προσδιορισμός αυτών των παραμέτρων μέσω των βασικών τιμών των προηγούμενων στοιχείων τους δεν είναι ακριβής και παρέχει πιο χαλαρές τιμές από αυτές που απαιτούνται σε αυτές τις εγκαταστάσεις. Αυτό σημαίνει ότι εάν χρησιμοποιήσουμε έναν μαθηματικό μέσο όρο για τον προσδιορισμό του κινδύνου, θα υποτιμούσαμε αυτόν τον κίνδυνο και θα σχεδιάσουμε μετρήσεις που δεν θα ήταν αρκετές για να αποτρέψουμε τις σχετικές εκρήξεις.

Η επίδραση των διαφορετικών τύπων υλικών έδειξε ότι στην περίπτωση των στρωμάτων σύννεφων, τα ελαφρά και επιμήκη σωματίδια ως σφαιρίδια ξύλου προκαλούν αύξηση της αντιδραστικότητας των δειγμάτων λόγω της ευκολίας διασποράς και εναιώρησης. Παραμένουν σε ανάρτηση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, κάνοντας την ανάφλεξη των νεφών τους πιο εύκολη, με χαμηλότερες θερμοκρασίες και ενέργειες, επομένως όσο υψηλότερη είναι η αναλογία αυτών των υλικών στο μείγμα, τόσο πιο εύκολη είναι η ανάφλεξη ενός σύννεφου σκόνης. Από την άλλη πλευρά, όταν η σκόνη εναποτίθεται ως στρώμα, τα βαριά και στρογγυλά σωματίδια όπως ο άνθρακας και η λάσπη λυμάτων – που έχουν υψηλότερη αδρανή περιεκτικότητα – προκαλούν ένα στρώμα που δυσχεραίνει την πρόσβαση στο οξυγόνο και προάγει την ανάφλεξη.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ευαισθησία ανάφλεξης μιγμάτων στερεών καυσίμων, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Fuel. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Nieves Fernandez-Anez από το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών της Δυτικής Νορβηγίας, τον Javier Garcia-Torrent από το Universidad Politecnica της Μαδρίτης και τον David J.F. Slatter, Muhammad Azam Saeed, Herodotos the E. Glakondus, HerodotosGarciandu N. του Λιντς.