Emissions from wood pellets during storage

Abstract

Es wurde festgestellt, dass Holzpellets bei der Lagerung verschiedene Gase, unter anderem Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und eine Vielzahl anderer flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) emittieren. Erhöte Konzentrationen dieser Gase in der Atmosphäre eines Lagers können toxisch auf Personen wirken, welche sich im oder in der Nähe eines Pelletlagers aufhalten. Um dieses Ausgasungsphänomen möglichst vielschichtig zu untersuchen wurde das Thema in dieser Arbeit hinsichtlich dreier unterschiedlicher Aspekte untersucht. Der erste Aspekt behandelt Untersuchungen hinsichtlich des Bildungsmechanismus der oben genannten Emissionen, im Besonderen der CO Bildung aus Holzpellets, da von dieser geruchlosen und hochtoxischen Verbindung das größte Sicherheitsrisiko füur Personen ausgeht, welche einen Pelletlagerraum betreten. Zu diesem Zweck wurden eine Vielzahl von Lagerversuchen ausgeführt, in welchen das Ausgasungsverhalten verschiedener biogener Rohstoffsortimente und Pelletproben untersucht wurden. Der Einfluß von lagerungsbedingten Parametern, z.B. Lagertemperatur, Lagerdauer und Lageratmosphäre, wurde dabei ebenso untersucht wie Parameter, welche abhängig von der Pelletprobe sind, z.B. Holzsorte, Rohstofffraktion und Pelletierbedingungen. Von größter Bedeutung zeigte sich dabei der Einfluß der Holzsorte, gefolgt von der Lagertemperatur, der Lageratmosphäre und der Lagerdauer auf die Ausgasungsraten von CO, CO2 und VOC. Desweiteren wurden Ausgasungsexperimente mit reiner Linolsäure durchgeführt, welche Aufschluß über die zugrundeliegenden chemischen Prozesse des Ausgasungsphänomens liefern sollten. Dabei konnte eindeutig festgestellt werden, dass CO tatsächlich durch Autoxidationsreaktionen von Linolsäure mit Luftsauerstoff bei Raumtemperatur freigesetzt wird. Die höchste gemessene Ausgasungsrate betrug 78 mg/kg Linolsäure pro Tag. Der zweite Aspekt diente der Untersuchung der Relevanz der usgasungsproblematik in für Österreich typischen kleinen Endkundinnenlagern für Holzpellets. Dazu wurden Daten eines Monitoringprojektes, durchgeführt in 26 Endkundinnenlagern (mit einer Lagerkapazität kleiner 20 t), gesammelt und ausgewertet. Die Auswertung erfolgte hinsichtlich der konkreten Lagersituation, der Lagerdauer und der Entwicklung der CO Konzentration im Lager. Das Ergebnis der Untersuchung zeigte, dass auch bei der Lagerung geringer Mengen Holzpellets eine Anreicherung der Lageratmosphäre mit gefährlich hohen und potenziell tödlichen Konzentrationen an CO möglich ist. Die Höchstwerte der CO Konzentrationen wurden dabei in der Regel innerhalb der ersten Woche nach der Befüllung des Lagers mit frischen Pellets gemessen und nahmen dann kontinuierlich ab. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass die CO usgasungsaktivität bei frisch ausgelieferten Pellets besonders hoch war, unabhängig vom Produktionsalter der Pellets. Der dritte Aspekt schließlich, befasst sich mit der Bewertung von technischen Belüftungslösungen für Endkundinnenlager mit kleiner Lagerkapazität mit dem Ziel der Kontrolle der CO Emissionen im Lager. Hierzu wurden Experimente an verschiedenen, in Österreich häufig vorkommenden, Holzpelletlagertypen durchgeführt, um die Effektivität erschiedener natürlicher und mechanischer Ventilationsmaßnahmen zu testen. Dabei wurde der Einfluß der Parameter Größe des Lüftungsquerschnittsfläche, Temperaturunterschiede und Einbau eines Kamins auf die erreichbaren Luftwechselraten bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass natürliche Belüftung, bedingt durch die temperaturabhängigen Schwankungen der Luftwechselraten, nur bei Lagern mit kleinen Volumina (Lagerkapazität < 10 t) empfohlen werden kann. Größere Lager sollten nicht ohne vorherige Bestimmung der CO Konzentration im Lager betreten werden und nur wenn die gemesessene Konzentration unterhalb 60 ppm beträgt (akzeptierter Kurzzeitgrenzwert). Mechanische Belüftung wurde als beste Sicherheitsmaßnahme für größere Pelletlager identifiziert, da sie über den großen Vorteil verfügt konstante Luftwechselraten gewährleisten zu können. Jedoch konnte auch festgestellt werden, dass auf sachgerechte Installation der Lüftungsmasnahme in jedem Fall äußerster Wert gelegt werden muss, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Das Ziel einer größt möglichen Luftwechselrate kann nur durch Sicherstellung von Querlüftung mit Frischluft erreicht werden. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergbnisse bildeten eine wichtige Grundlager für die Entwicklung von Standards und Richtlinien zum sicheren Umgang und Lagerung von Holzpellets. Die Daten dienten als Basis zur Entscheidungsfindung in der Erstellung der ÖNORM M 7137 und der VDI Richtlinie 3464, welche sich mit den Anforderungen an Holzpelletlagerräume beschäftigen.

Wood pellets have been reported to emit various gases like carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and a variety of volatile organic compounds (VOC) during storage. Increased concentrations of these gases in storages cause the environment to become toxic to those who operate in and around these storages. To investigate this phenomenon on a broad basis the research described in this thesis was carried out dealing with the topic from three different perspectives. The first perspective deals with the investigation of the formation mechanism of the above mentioned emissions, especially the formation of CO gas from wood pellets, as this odorless and highly toxic component represents the highest immediate danger to people entering pellet storages. To this end, a series of storage experiments were conducted, in which off-gassing from various biomass raw material and pellet samples were investigated. The influence of storage related parameters such as storage temperature, time and atmosphere as well as of pellet related parameters such as wood species, raw material fraction and pelletizing conditions has been studied. The parameters which proved to be of the greatest impact on the off-gassing rates for CO, CO2 and VOC proved to be the wood species, followed by storage temperature and storage time. Furthermore, off-gassing experiments with pure linoleic acid were carried out to gain insight on the chemical processes relevant to the off-gassing phenomenon. In the course of the experiments it could be determined that CO is released in the autoxidation reactions of linoleic acid at room temperature and the highest detectable CO off-gassing rate was determined at 78 mg/kg linoleic acid in 24 hours. The second perspective discussed in this work deals with the relevance of the off-gassing issue for small-scale pellet storages. Data from CO emission monitoring experiment in 26 small-scale pellet storages (below 20 t of storage capacity) in Austria was collected and evaluated based on storage situation, storage time and development of CO levels within the storages. It could be determined that also in small-scale pellet storages CO build-up can reach levels harmful and potentially lethal to humans. The peak CO concentrations within the storages were typically reached within one week after delivery of new pellets but subsequently decreased in every monitored storage situation. Furthermore, it could be observed that the CO off-gassing activity for all freshly delivered pellets was very high, even though the pellets production age varied significantly. The third and final perspective deals with the assessment of technical solutions for ventilation of small-scale pellet storages to control the off-gassing issue, with respect to CO in particular. Experiments on various types of commonly used small-scale pellet storage systems have been carried out to test the effectiveness of ventilation solutions utilizing natural as well as forced ventilation. Also the influences of the size of the ventilation opening, temperature differences as well as the mplementation of a chimney on the achievable air exchange rate were investigated. Results show that all investigated natural ventilation solutions are operating with fluctuating air exchange rates, due to their dependence on temperature fluctuations. Therefore, natural ventilation can only be recommended as a safety measures for pellet storages with a capacity of no more than 10 t, where only small volumes of air need to be exchanged. Pellet storages of a larger capacity should only be entered after some form of CO concentration measurement has taken place and should only be entered when the CO concentration is below 60 ppm (accepted STEL). Forced ventilation solutions were found to be the best solution for pellet storages with a storage capacity of no more than 10 t as they have the big advantage, that the necessary ventilation rate at a specific point in time can be controlled. However, the experiments have also shown, that with any type of ventilation solution it is paramount that the equipment is installed properly in order for it to work effectively. The goal is to achieve the highest possible degree of ventilation, which can only be guaranteed if a corresponding cross ventilation supplies fresh air. The work presented in this thesis has been influential during the evelopment of guidelines and recommendation for safe handling and storage of wood pellets. The data presented provided useful information in the decision making process during the development of the ÖNORM M 7137 and of the VDI 3464 guidelines, both dealing with the requirements for pellet storage rooms.