mini|Detailblick in eine Spalte über einem Kohlebrand in China Ein Kohlebrand ist ein Erdbrand, der sich in einem Kohleflöz oder in umgelagerter Kohle entwickelt hat. Er entsteht oft spontan durch Selbstentzündung. Voraussetzung ist, dass die Kohle mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Bei Kohleflözbränden kann dies auf natürlichem Wege geschehen, wenn das Flöz durch Gebirgsbildung und Erosion an die Erdoberfläche tritt. Auch werden solche Brände durch den Untertagebau verursacht, wenn Luft durch Bewetterung (Frischluftversorgung) an die Flöze gelangt. Häufig entstehen die Brände unter Tage in einem Alten Mann (verlassenen Hohlraum), in dem sich noch Restkohle befindet.
Kohlebrände können ebenfalls nach der Umlagerung der Kohle entstehen. Bekannt sind hier brennende Halden – Brände in Kohle- und Kokshalden, Brände in Abraumhalden, die noch genügend Restkohle, vor allem an vereinzelten Stellen mit erhöhter Konzentration enthalten – und Brände während des Transports von Kohle in Schiffen und in Eisenbahnwagen.
Solange die Reaktionstemperaturen im Bereich von ca. 150 bis 500 °C liegen, spricht man von unvollständiger Verbrennung oder Schwelbrand. Diese Art der Verbrennung tritt bei Sauerstoffmangel auf. Oberhalb von 500 °C geht der Brand bei ausreichender Sauerstoffzufuhr in einen Glimmbrand (bis ca. 1000 °C) oder einen Flammbrand (bis 1200 °C) über, es erfolgt eine vollständige Verbrennung.
Arten von Kohlebränden Kohleflözbrände mini|Kohlebrand in Xinjiang (China) Kohleflözbrände können unterteilt werden in oberflächennahe Brände in ausstreichenden, also an der Oberfläche zu Tage tretenden Flözen, wo der Sauerstoff aus der Luft stammt, und in Brände in Bergwerken in größerer Tiefe. Dort stammt der Sauerstoff aus der Bewetterung.
Spontane Kohlebrände Ursache spontaner Kohlebrände ist die Entzündlichkeit der Kohle. Bei einem Kohlebrand reagiert der Sauerstoff mit den Feststoffmolekülen des Brennstoffs. Diese exothermen Reaktionen finden bei allen Temperaturen statt. Die Geschwindigkeit ist jedoch stark temperaturabhängig, so steigt die Reaktionsrate mit zunehmender Temperatur annähernd exponentiell an. Wenn ein Brennstoff in zerkleinerter Form vorliegt, etwa als Feststoffschüttung, oder wenn der Feststoff porös ist, ist im gesamten System Sauerstoff vorhanden.
Eine unterkritische Lagerung erfolgt, wenn die im Schüttungsinneren freigesetzte Wärmeenergie kleiner ist als die Wärmeenergie, die durch Wärmeleitung an den Rand der Schüttung transportiert und über die Schüttungsoberfläche an die Umgebung abgegeben werden kann. Wird jedoch im Inneren der Feststoffschüttung mehr Wärmeenergie freigesetzt, als nach außen abgeführt werden kann, geht das System in einen kritischen Zustand über. Die Temperatur im Inneren steigt an, führt damit zu einer weiteren Erhöhung der Reaktionsrate und in der Folge zur Selbstentzündung.
Zwei wesentliche Faktoren entscheiden, ob eine Selbstentzündung erfolgt oder nicht, die Umgebungstemperatur und die Schüttungsgröße: Je höher die Umgebungstemperatur ist, desto schneller laufen die Oxidationsreaktionen ab und desto größer ist die Wärmefreisetzungsrate im Schüttungsinnern. Je größer die Schüttung ist, desto schlechter kann die im Inneren entstehende Wärme nach außen abgeführt werden, das heißt, umso schneller entsteht ein Selbstentzündungsbrand. Die schlechte Wärmeabfuhr liegt daran, dass die porösen oder zerkleinerten Stoffe meist eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen; sie wirken dämmend.
Die meistgenannte Kenngröße für den Start dieses Prozesses ist die Selbstentzündungstemperatur (SET). Sie ist keine „Stoffkonstante“, sondern immer abhängig von der Schüttungsgröße und -geometrie, insbesondere dem Verhältnis von Volumen zu Oberfläche und nimmt mit steigendem Schüttungsvolumen ab. Natürlich ist die Selbstentzündungstemperatur auch von den Eigenschaften des jeweiligen Brennstoffes abhängig. Dazu zählen unter anderem der Brennwert, die Wärmeleitfähigkeit und die Korngröße. Ihre Angabe ist daher etwas heikel, da man immer die genauen Untersuchungsbedingungen angeben muss. Bei gleichen Bedingungen wird die Selbstentzündungstemperatur für Steinkohle höher liegen als die für Braunkohle.
Im Gegensatz zu einer „fassbaren“ Zündquelle, wie einer offenen Flamme oder einer heißen Oberfläche, läuft der Prozess der Selbstentzündung ohne fremde Einwirkung ab. Ist eine Schüttung hinreichend groß, kann dieser Prozess auch schon bei Temperaturen ablaufen, die im Bereich der Jahres-Mitteltemperatur eines Ortes liegen. Dies war zum Beispiel bei der sogenannten Senatsreserve in Berlin der Fall. Die dort auf Vorrat gehaltene Kohle war zum Teil überkritisch und entzündete sich demnach selbst. Dabei ist zu bemerken, dass die Induktionszeiten, also die Zeiten vom Beginn einer Lagerung bis zur Entzündung, umso kürzer werden, je größer die Schüttung und damit umso kleiner die Selbstentzündungstemperatur ist. Im Fall der Senatsreserve betrug die Induktionszeit mehrere Jahre.
Braunkohle kann schon bei Temperaturen von ca. 40 °C bis 60 °C spontan zu brennen beginnen, während dies bei der höchstwertigen Anthrazitkohle erst ab 140 °C möglich ist. Der Brand entsteht meist einige Dezimeter innerhalb der Kohle, in einer Tiefe, in der einerseits die Permeabilität der Kohle den Zutritt von Luft noch zulässt, andererseits die Durchlüftung die entstehende Wärme nicht größtenteils abführt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Kohle lässt eine Wärmeableitung ohne Fluidzirkulation nicht zu.
Faktoren, die die spontane Entzündung beeinflussen, sind unter anderem: Luftzirkulation Klima (arid oder semiarid) Luftfeuchte Kohlequalität und Kohleart (Kohlegehalt, Anteil flüchtiger Bestandteile, Inkohlungsgrad) Partikelgröße (bei kleinerer Körnung ist die Oberfläche und damit die Gefahr der Selbst- und Fremdentzündbarkeit größer) Geologische und geomorphologische Bedingungen Einflüsse des Bergbaus (Offene Gruben, Risse, Bergsenkungen) Hydrogeologische Einflüsse (Feuchtegehalt)
Die spontane Entzündung von Kohle braucht Zeit. Sie hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Umgebungstemperatur, aber auch von dem Volumen der Kohle, im Laborversuch also von der Probengröße (siehe dazu auch die erkannten Mechanismen der Heuselbstentzündung). Die Zeit bis zur Selbstentzündung ist ein weiteres Maß für die Entzündungsneigung der Kohle. Bei großen Kohlemengen, beispielsweise in situ, ist also zwar die notwendige minimale Umgebungstemperatur kleiner als bei kleinen Kohlemengen, anderseits dauert es sehr lange, üblicherweise Monate, bis sich eine Kohleprobe entzündet.
Wo ein Flöz nahe an der Erdoberfläche liegt, hat die Luft einen unmittelbaren und effektiveren Zutritt. Hier entstehen derartige Brände spontan und können jahrzehntelang brennen. Insgesamt werden auf der Welt mindestens 20 bis 30 Millionen Tonnen Kohle jährlich durch diese Brände vernichtet. Für den Bergbau unbrauchbar gemacht wird mindestens die zehnfache Kohlemenge, weil die verbleibende Restkohle nicht mehr zugänglich oder nicht mehr wirtschaftlich abbaubar ist.
Es gibt zwei wärmeproduzierende Adsorptions-Vorgänge: Die Physisorption von Sauerstoff ist bis etwa 50 °C möglich und liefert eine Energiemenge von 42 kJ/mol. Die Chemisorption von Sauerstoff erzeugt eine ganze Reihe von chemischen Verbindungen nach Überwindung der Aktivierungsenergie in der Kohleoberfläche. Aus den dort vorliegenden Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen entstehen unter Energieabgabe von mehr als 100 kJ/mol etwa Peroxide. Diese neu gebildeten Moleküle oxidieren unter Abgabe von Wärme bei weiter steigender Temperatur ebenfalls und entweichen hauptsächlich als Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid oder Wasserdampf.
Die wesentlichen Reaktionen des Kohlenstoffs mit dem Luftsauerstoff sind: C und O2 bilden unter Abgabe von 394 kJ/mol CO2 2 C und O2 bilden unter Abgabe von 170 kJ/mol 2 CO
Fremdentzündete Kohleflözbrände Kohleflözbrände entstehen zum überwiegenden Teil durch Prozesse der Selbstentzündung. In wenigen Fällen ist jedoch eine Fremdentzündung möglich. Dem Brand ist dann letztlich nicht anzusehen, wie er entstanden ist. Dies gilt insbesondere für Brände unter Tage, aber auch für oberflächennahe Brände, soweit sie im Zusammenhang mit oberflächennahem Bergbau stehen. Mögliche Ursachen sind elektrische Betriebsmittel in unsachgemäßem Zustand, heißgelaufene Rollen von Förderbändern sowie Unachtsamkeit bei Spreng-, Schweiß- oder Schleifarbeiten.
In aller Regel spielt auch das Zurücklassen von Restkohle in abgebauten Flözteilen oder die Ansammlung von Kohlestaub in größeren Mengen eine Rolle. Eine konsequente Einhaltung der bergmännischen Vorschriften schließt derartige Fremdentzündungen aus.
Untertägige Kohleflözbrände können in Wechselwirkung mit Methanexplosionen oder Kohlestaubexplosionen stehen. Oberflächennahe Kohleflözbrände entzünden häufig Waldbrände und umgekehrt. Dieses wurde aus den USA, insbesondere aber von der indonesischen Insel Sumatra berichtet.
Kohlebrände nach der Förderung Brände in Kohlelagern Die abgebaute Kohle, aber auch Koks wird auf großen Halden oft monatelang gelagert. Hierbei gibt es gesetzliche Vorschriften zur Vermeidung von Selbstentzündung. So wurde zum Beispiel für Kohlen- und Kokshalden im Bereich der Bergaufsicht von Nordrhein-Westfalen festgelegt, dass die Kohle in horizontalen Scheiben von jeweils höchstens sechs Meter Höhe zu lagern ist. Je nach Kohlenart und -sorte ist dabei eine maximale Schütthöhe festgelegt.Richtlinien für die Zulassung von Kohlen- und Kokshalden im Bereich der Bergaufsicht, Rundverfügung vom 9. Dezember 1971, Ziffer 4.22–4.223
In älteren Halden können oft noch erhebliche Mengen an Kohle enthalten sein. Großbritannien hatte erhebliche Probleme mit brennenden Halden. Diese sind jedoch inzwischen ausgegraben und begrünt. Die auch heute in Deutschland noch brennenden Halden werden teilweise aus der Luft mit Wärmebildgeräten überwacht. Diese vergleichsweise kleinen Brände werden durch Injektionen von Zement oder Anhydrit unterdrückt.
In Kohlenstaubanlagen wird Kohle mit einer Korngröße kleiner als 0,5 Millimeter verarbeitet. Auslöser eines Brandes ist dabei nur selten eine Selbstentzündung, sondern in der Regel eine fremdentzündete Staubexplosion. Hier sind die Brandschutzvorgaben der Berufsgenossenschaft sehr rigide. Derartige Anlagen werden oft unter dem Einsatz von Inertgas, zur Verringerung des vorhandenen Sauerstoffs, betrieben. Auf Schutz vor Funkenflug, hohen Temperaturen (max. 80 °C) und den Kohlenmonoxid-Wert zur Anzeige von Schwelbränden muss geachtet werden.
Kohlebrände beim Transport In der Zeit der Dampfschifffahrt kam es zu Bränden beim Transport von Kohle. Anfangs wurde die Kohle für die noch wenig verbreiteten Dampfschiffe auf Segelschiffen aus Holz transportiert. In der Zeit von 1871 bis 1880 kamen so 152 britische Schiffe zu Schaden, 68 waren Totalverluste und 84 wurden schwer beschädigt. (PDF-Datei; 642 kB) Nach ersten wissenschaftlichen Untersuchungen erkannte man den Zusammenhang, dass die Zahl der Brände mit zunehmender Reisedauer und mitgeführter Menge zunahm. Zwar wurde das erste Eisenschiff bereits 1838 gebaut, aber dieser Schiffstyp konnte sich nicht durchsetzen. Erst als nach 1881 die ersten Stahlschiffe in Großbritannien entstanden, verlor der Kohletransport einen Teil seiner Gefahr, weil die Kohle nun in nicht brennbaren Stahlbunkern transportiert werden konnte.