ISO/TS 20049-2:2020

Solid biofuels - Determination of self-heating of pelletized biofuels - Part 2: Basket heating tests

This document specifies basket heating tests for the characterization of self-heating properties of solid biofuel pellets. This document includes: a) a compilation of basket heating test methods; b) guidance on the applicability and use of basket heating tests for solid biofuel pellets; c) information on the application of basket heating test data for calculations of critical conditions in storages. Data on spontaneous heat generation determined using this document is only associated with the specific quality and age of the sample material. The information derived using this document is for use in quality control and in hazard and risk assessments related to the procedures given in ISO 20024. The described methods can be used for other substances than solid biofuel pellets (e.g. wood chips).

Biocombustibles solides — Détermination de l'auto-échauffement des granulés de biocombustibles — Partie 2: Essais utilisant la méthode du point de croisement

Le présent document spécifie les essais utilisant la méthode du point de croisement pour la caractérisation des propriétés d'auto-échauffement des granulés de biocombustibles solides. Le présent document comprend les parties suivantes: a) une compilation des méthodes d'essai utilisant la méthode du point de croisement; b) des recommandations sur l'applicabilité et l'utilisation des essais utilisant la méthode du point de croisement pour les granulés de biocombustibles solides; c) des informations relatives à l'application des données d'essais utilisant la méthode du point de croisement pour le calcul des conditions critiques dans les lieux de stockages. Les données relatives à la production spontanée de chaleur déterminées à l'aide du présent document sont uniquement associées à la qualité et à l'âge spécifiques de l'échantillon de matériau. Les informations déduites à l'aide du présent document sont destinées à être utilisées dans le contrôle qualité et dans l'identification des dangers et l'évaluation des risques associés aux procédures fournies dans l'ISO 20024. Les méthodes décrites peuvent être utilisées pour d'autres substances que les granulés de biocombustibles solides (par exemple: les plaquettes de bois).

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 20-Dec-2020
• ICS: 27.190 - Biological sources and alternative sources of energy
• ICS: 75.160.40 - Biofuels
• Technical Committee: ISO/TC 238 - Solid biofuels
• Drafting Committee: ISO/TC 238/WG 7 - Safety of solid biofuels
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Start Date: 05-Jun-2024
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Consolidated By: ISO 7866:2012/Amd 2:2024 - Gas cylinders - Refillable seamless aluminium alloy gas cylinders - Design, construction and testing - Amendment 2
• Effective Date: 12-Aug-2023

Overview

ISO/TS 20049-2:2020 - Solid biofuels - Determination of self-heating of pelletized biofuels - Part 2: Basket heating tests - specifies basket heating test methods to characterize the self‑heating behaviour of pelletized solid biofuels. It compiles established basket heating methods, gives guidance on their applicability for pelletized biofuels (e.g., wood pellets), and explains how measured data can be used to calculate critical conditions in storages. Results are linked to the specific quality and age of the sample and are intended for quality control and hazard and risk assessments (related to ISO 20024). The methods can also be applied to other bulk materials such as wood chips.

Key topics and technical requirements

• Test principle: Basket heating tests monitor sample temperature in an elevated analysis (oven) temperature to determine the critical ambient temperature (CAT) where a sample just fails to self-heat. For a 1 L wood-pellet sample CAT is typically in the range 150 °C to 200 °C.
• Comparison with calorimetry: Complementary to isothermal calorimetry (ISO 20049‑1), which measures heat flow at lower temperatures (≈5 °C–90 °C). Basket tests operate at higher analysis temperatures and provide CAT-based, indirect assessment of self‑heating.
• Test methods compiled: Includes traditional and advanced basket heating approaches used for coals and organic materials, covering:
  • UN MTC Test N.4 (self‑heating substances) and associated UN/GHS/IMO classification considerations
  • Isoperibolic test methods
  • Crossing‑point method (including procedures to extract kinetic parameters)
  • Adiabatic hot storage tests
• Reaction kinetics: Procedures for determining reaction rates from basket tests (e.g., crossing‑point method) and use of kinetic data for storage safety calculations.
• Practical test elements: Sample handling (sampling, transport, storage, preparation, disposal), test reporting requirements, and normative references (ISO 14780, ISO 16559, ISO 18135).
• Limitations and cautions: Data apply to the tested sample’s quality/age. High‑temperature test data may not safely extrapolate to low‑temperature behaviour because different reaction mechanisms can dominate.

Applications and users

• Who uses it: pellet manufacturers, testing laboratories, storage and logistics managers, fire safety engineers, insurers, and regulatory bodies.
• Use cases:
  • Routine quality control to detect pellets with high self‑heating potential
  • Input for hazard and risk assessments and fire prevention planning for bulk storage
  • Calculation of critical storage conditions and emergency response scenarios
  • Assessment of alternative materials (e.g., wood chips) using the same test principles

Related standards

• ISO 20049‑1 (isothermal calorimetry for solid biofuels)
• ISO 20024 (procedures referenced for hazard/risk assessments)
• ISO 14780, ISO 16559, ISO 18135 (sample preparation, terminology, sampling)

Keywords: ISO/TS 20049-2:2020, solid biofuels, self-heating, pelletized biofuels, basket heating tests, critical ambient temperature (CAT), storage safety, reaction kinetics, crossing-point method.

Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 20049-2
First edition
2020-12
Solid biofuels — Determination of
self-heating of pelletized biofuels —
Part 2:
Basket heating tests
Biocombustibles solides — Détermination de l'auto-échauffement des
granulés de biocombustibles —
Partie 2: Essais utilisant la méthode du point de croisement
Reference number
©
ISO 2020
© ISO 2020
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Email: [e-mail]
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Published in Switzerland
ii © ISO 2020 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 3
5 Basket heating tests . 3
6 Tests for product classification . 4
6.1 UN classification . 4
6.1.1 General. 4
6.1.2 Test method for self-heating substances — UN MTC Test N.4 . 4
6.1.3 Classification criteria — GHS . 5
6.2 Classification criteria — IMO . 5
6.3 Applicability of UN MTC Test N.4 for pelletized biofuels . 5
7 Tests for determination of reaction kinetics . 6
7.1 General . 6
7.2 Isoperibolic test methods . 6
7.2.1 General. 6
7.2.2 Test procedure . 7
7.2.3 Determination of reaction kinetics . 7
7.2.4 Applicability for pelletized biofuels . 7
7.3 Crossing-point method . 8
7.3.1 General. 8
7.3.2 Test procedure . 8
7.3.3 Determination of reaction kinetics . 9
7.3.4 Applicability for pelletized biofuels . 9
7.4 Adiabatic hot storage tests .10
7.4.1 General.10
7.4.2 Test procedure .10
7.4.3 Determination of reaction kinetics .11
7.4.4 Applicability for pelletized biofuels .12
8 Sample handling .12
8.1 General .12
8.2 Sampling .12
8.3 Sample transport and storage .13
8.4 Sample preparation .13
8.5 Sample disposal .13
9 Test report .13
Annex A (informative) Example of calculating kinetic parameters from crossing-point
method tests .15
Annex B (informative) Use of data for calculations of critical conditions in storages .18
Bibliography .23
Foreword
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bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
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expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
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iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 238, Solid biofuels.
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Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2020 – All rights reserved

Introduction
There is a continuous global growth in production, storage, handling, bulk transport and use of solid
biofuels especially in the form of pelletized biofuels.
The specific physical and chemical characteristics of solid biofuels, their handling and storage can lead
to a risk of fire and/or explosion, as well as health risks such as intoxication due to exposure to carbon-
monoxide, asphyxiation due to oxygen depletion or allergic reactions.
Heat can be generated in solid biofuel by exothermic biological, chemical and physical processes.
Biological processes include the metabolism of fungus and bacteria and occur at lower temperatures;
the oxidation of wood constituents increases with temperature and dominates at higher temperatures;
the heat production from biological and chemical processes leads to transport of moisture in the bulk
material, with associated sorption and condensation of water, which both are exothermic processes.
In, for example, a heap of stored forest fuel or a heap of moist wood chips, all of these processes can be
present and contribute to heat production.
[6]
Solid biofuels such as wood pellets, however, are intrinsically sterile due to the conditions during
manufacturing (exposure to severe heat during drying, fragmentation during hammermilling and
pressure during extrusion) but can attract microbes if becoming wet during handling and storage
resulting in metabolism and generation of heat. Leakage of water into a storage of wood pellets can
also lead to the physical processes mentioned above. Non-compressed wood like feedstock and chips
typically have a fauna of microbes which under certain circumstances will result in heating. All the
processes mentioned above contribute to what is called self-heating although oxidation is likely to be
one of the main contributing factors in the temperature range under which most biofuels are stored.
The heat build-up can be significant in large bulk stores as the heat conduction in the material is low.
Under certain conditions the heat generation can lead to thermal runaway and spontaneous ignition.
The potential for self-heating seems to vary considerably for different types of solid biofuel pellets. The
raw material used, and the properties of these raw materials have proven to influence the propensity
for self-heating of the produced wood pellets. However, the production process (e.g. the drying process)
also influences the potential for self-heating. It is therefore important to be able to identify solid biofuel
pellets with high heat generation potential to avoid fires in stored materials.
Two intrinsically different types of tests methods can be used to estimate the potential of self-heating:
a) in the isothermal calorimetry method described in ISO 20049-1, the heat flow generated from the
test portion is measured directly;
b) in the basket heating tests described in this document, the temperature of the test portion is being
monitored and the critical ambient temperature (CAT), where the temperature of the test portion
just does not increase significantly due to self-heating, is used for indirect assessment of self-
heating.
These two methods are applied at different analysis temperature regimes. The operating temperature
for an isothermal calorimeter is normally in the range 5 °C to 90 °C whereas basket heating tests are
conducted at higher analysis (oven) temperatures. For basket heating tests with wood pellets, the CAT
is found for a 1 l sample portion in the range 150 °C to 200 °C.
NOTE 1 The two types of test methods referred to above do not measure heat production from physical
processes such as transport of moisture.
NOTE 2 It is likely that oxidation reactions taking place in the low respective high temperature regimes for
solid biofuel pellets are of different character and thus have different reaction rates and heat production rates.
In such a case, extrapolation of the data from a high temperature test series can lead to non-conservative results
and might not be applicable without taking the low temperature reactions into account. In the general case of
two reactions with different activation energies, the high activation energy is “frozen out” at low temperatures
[7]
and the low activation energy reaction is “swamped” at higher temperatures .
NOTE 3 It has been shown for a limited number of different types of wood pellets that the reaction rates in the
lower temperature regime measured by isothermal calorimetry were higher compared to the reaction rate data
[8]
determined from basket heating tests in the higher temperature regime .
Basket heating tests have been used traditionally for characterization of the tendency for spontaneous
ignition of predominantly coals, but also for other reactive organic materials such as, for example,
[9]
cottonseed meal, bagasse and milk powder . The principle used in this type of tests is to find the CAT
for a self-heating sample material of specific size and geometry.
There are several different methods described in the literature with different degrees of sophistication.
The variations span from simple pass and fail tests to more advanced tests from which data on reaction
[10]
rates can be extracted .
Basket heating tests are useful for assessment of self-heating of solid biofuel pellets. The test method
selected can be evaluated for its applicability based on the information given in this document.
A compilation of available basket heating test methods is given in this document. Guidance on the
suitability for application of these methods for tests with pelletized biofuels is provided.
Basic theory of the use of basket heating test data for calculations of critical conditions in storages is
provided in Annex B.
vi © ISO 2020 – All rights reserved

TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 20049-2:2020(E)
Solid biofuels — Determination of self-heating of pelletized
biofuels —
Part 2:
Basket heating tests
1 Scope
This document specifies basket heating tests for the characterization of self-heating properties of solid
biofuel pellets.
This document includes:
a) a compilation of basket heating test methods;
b) guidance on the applicability and use of basket heating tests for solid biofuel pellets;
c) information on the application of basket heating test data for calculations of critical conditions in
storages.
Data on spontaneous heat generation determined using this document is only associated with the
specific quality and age of the sample material.
The information derived using this document is for use in quality control and in hazard and risk
assessments related to the procedures given in ISO 20024.
The described methods can be used for other substances than solid biofuel pellets (e.g. wood chips).
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 14780, Solid biofuels — Sample preparation
ISO 16559, Solid biofuels — Terminology, definitions and descriptions
ISO 18135, Solid Biofuels — Sampling
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 16559 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
analysis temperature
temperature of the analysis environment, i.e. the oven temperature
3.2
Biot number
quotient of the convective heat transfer coefficient (between the sample boundary and the
surrounding air) and the conduction in the sample material normalized by the characteristic
dimension of the test basket
3.3
critical ambient temperature
CAT
ambient temperature [the analysis temperature (3.1) or the temperature of a storage] where the
internal temperature of the test portion (3.6) or the stored material increases significantly (due to self-
heating (3.4))
3.4
self-heating
rise in temperature in a material resulting from an exothermic reaction within the material
[SOURCE: ISO 13943:2017, 3.341, modified — “” has been deleted from the beginning of the
definition.]
3.5
spontaneous ignition
ignition caused by an internal exothermic reaction
Note 1 to entry: See the definitions of ignition in ISO 13943.
[SOURCE: ISO 13943:2017, 3.24, modified — “spontaneous ignition” has replaced auto-ignition” has the
preferred term and the other terms have been deleted. Notes 1 to 3 have been deleted and a new Note 1
to entry has been added.]
3.6
test portion
sub-sample either of a laboratory sample (3.8) or a test sample (3.7)
3.7
test sample
laboratory sample (3.8) after an appropriate preparation made by the laboratory
Note 1 to entry: In this document, the test sample is typically a representative sample from a batch of solid biofuel
pellets.
3.8
laboratory sample
combined sample or a sub-sample of a combined sample for use in a laboratory
[SOURCE: ISO 16559:2014, 4.124]
2 © ISO 2020 – All rights reserved

4 Symbols
Symbol Quantity Typical unit
−1
A pre-exponential factor in Arrhenius expression s
B dimensionless adiabatic temperature rise dimensionless
hL
Bi dimensionless
Biot number, (Bi= )
λ
c ambient oxygen concentration by volume fraction dimensionless
−1 −1
C specific heat capacity of the reaction products J kg K
−1 −1
C specific heat capacity of the bulk material J kg K
p
d diameter of body m
2 −1
D diffusion coefficient m s
−1
E activation energy J mol
a
−1
H gross calorific value J kg
−2 −1
h heat transfer coefficient W m K
−2 −1
h radiative amount on heat transfer coefficient W m K
r
−2 −1
h convective amount on heat transfer coefficient W m K
c
L characteristic length m
n order of reaction dimensionless
P constant, see Formulae (2) and (3) dimensionless
−3
heat generation term, see Formula (B.1) W m
′
q
−1
Q heat of reaction J kg
−3
Q heat of reaction by volume of oxygen J m
−1 −1
R universal gas constant J mol K
Ra Rayleigh number dimensionless
t time s
T temperature K
T ambient temperature K
T crossing point temperature K
p
x length coordinate m
δ Frank-Kamenetskii parameter, see Formula (B.4) dimensionless
δ critical value of δ dimensionless
c
RT
ε dimensionless
activation energy parameter, (ε = )
E
Ф oxygen diffusion parameter, see Formula (B.13) dimensionless
−1 −1
λ thermal conductivity of sample W m K
−1 −1
λ thermal conductivity of air W m K
air
−3
ρ bulk density kg m
−2 −4
σ Stefan-Boltzmann coefficient W m K
5 Basket heating tests
The detailed test procedure varies between different isoperibolic and adiabatic methods. Isoperibolic
methods include that the test portion is put in a wire-mesh basket, which is placed in an oven heated to
a fixed elevated temperature. The oven is equipped with a fan to keep the temperature uniform and to
[9][10]
give a relatively large convective heat transfer coefficient to the test specimen . For adiabatic tests,
[5]
the oven temperature is adjusted to the temperature at the centre of the sample .
Basket heating tests are based on the Frank-Kamenetskii theory of criticality of a self-heating isotropic
slab (see Annex B) and have been developed to determine the reaction kinetics of the global reaction
responsible for heat production in a self-heating material.
NOTE 1 The large gap volume of pelletized material can lead to convective heat transport in the bulk if the
furnace is equipped with a fan. In this case, it is recommended to keep the air flow in the vicinity of the sample at
a low level and to correct the critical Frank-Kamenetskii parameter (see B.1.3) or to prevent convective transport
within the sample by further measures (e.g. finer mesh wire of the basket).
NOTE 2 The CAT for the test portion in a basket heating tests is not equal to the CAT for spontaneous ignition in,
for example, large-scale storage. The critical size for spontaneous ignition (if only heat transfer is considered) is
directly related to the surface area-volume ratio of the self-heating specimen where heat is produced distributed
in the volume and heat is dissipated from the surface area only. The test sample in laboratory size basket heating
test has a very high surface area-volume ratio and has consequently a high CAT compared to a larger specimen.
6 Tests for product classification
6.1 UN classification
6.1.1 General
The United Nations (UN) Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals
[11]
(GHS) is the international convention for hazard communication and labelling of gases, vapours,
solid and liquid substances, and mixtures. The GHS defines limit values, classes and categories and
related measures in relation to the level of hazards during transportation, handling and storage.
[12]
The UN Manual of Tests and Criteria (MTC) prescribes specific test procedures in support of the GHS.
6.1.2 Test method for self-heating substances — UN MTC Test N.4
[12]
Test N.4 is described in the UN MTC Part III, 33.3.1.6 , sometimes called the “basket test”.
This basket heating test determines the ability of a substance to undergo oxidative self-heating with
exposure of it to air at temperatures of 100 °C, 120 °C or 140 °C in a 25 mm or 100 mm wire mesh cube.
The Test N.4 basket heating test is not intended for determination of self-heating kinetics but rather
prescribed to classify a material (e.g. solid biofuels) as meeting the criteria for self-heating set out by
[11]
the GHS for hazard communication and labelling purposes.
The test set-up consists of a hot-air circulating oven, cubic sample containers of 25 mm and 100 mm
sides made of stainless-steel net with a mesh opening of 0,05 mm, and thermocouples of 0,3 mm
diameter for the measurement of the oven temperature and the temperature of the centre of the
sample. The sample container is housed in a cubic container cover made from stainless-steel net with
a mesh opening of 0,60 mm, and is slightly larger than the test container. To avoid the effect of air
circulation, this cover is installed in a second steel cage, made from a net with a mesh size of 0,595 mm
and 150 mm × 150 mm × 250 mm in size.
The normal procedure is to start with a test at 140 °C with a 100 mm cube sample. The container is
housed in the cover and hung at the centre of the oven. The oven temperature is raised to 140 °C and
kept there for 24 h. A positive result is obtained if spontaneous ignition occurs or if the temperature
of the sample exceeds the oven temperature by 60 °C. If a negative result is obtained, no further test is
necessary.
If a positive result is obtained at 140 °C with a 100 mm cube sample, the substance is classified as a self-
heating substance and further testing shall be made to find the correct classification (see 6.1.3).
NOTE The bulk density tested can influence the test results. prEN 15188 suggests adjusting the bulk density
of the sample to the respective practical conditions (if known) and recording the tested bulk density. The UN
MTC contains no information on the bulk density to be tested.
4 © ISO 2020 – All rights reserved

6.1.3 Classification criteria — GHS
[11]
The classification criteria are given in chapter 2.11.2 of the GHS . The criteria are summarized in
Table 1.
Table 1 — Criteria in the GHS for self-heating substances and mixtures
Category Criteria
1 A positive result is obtained in a test using 25 mm sample cube at 140 °C.
2 a) A positive result is obtained in a test using a 100 mm sample cube at 140 °C and a negative
result is obtained in a test using a 25 mm cube sample at 140 °C and the substance or mixture
is to be packed in packages with a volume of more than 3 m ; or
b) A positive result is obtained in a test using a 100 mm sample cube at 140 °C and a negative
result is obtained in a test using a 25 mm cube sample at 140 °C, a positive result is obtained
in a test using a 100 mm cube sample at 120 °C and the substance or mixture is to be packed
in packages with a volume of more than 450 litres; or
c) A positive result is obtained in a test using a 100 mm sample cube at 140 °C and a negative
result is obtained in a test using a 25 mm cube sample at 140 °C and a positive result is
obtained in a test using a 100 mm cube sample at 100 °C.
NOTE Hazard packing groups classification is prescribed depending on the flammability characteristics of
[11]
the material, see Table 32.1 of the GHS .
6.2 Classification criteria — IMO
Handling guidelines and hazard classifications for all cargoes, including solid biofuels, transported
onboard ocean vessels are specified by the International Maritime Organization (IMO) in the
[13]
International Maritime Solid Bulk Cargoes Code . The code stipulates UN MTC Test N.4 to be used for
testing but adds additional criteria for solid possessing hazards compared to the GHS criteria in Table 1,
as follows:
a) Does the material undergo dangerous self-heating when tested in accordance with Test N.4 in a
100 mm sample cube at 140 °C?
If yes, Class 4.2 applies. Materials in this class are materials, other than pyrophoric materials,
which, in contact with air without energy supply, are liable to self-heating.
b) Does the material show a temperature increase of 10 °C or more when tested in accordance with
Test N.4 in a 100 mm sample cube at 140 °C?
If yes, test in a 100 mm sample cube at 100 °C and check the temperature increase is 10 °C or more:
1) if yes, material hazardous in bulk (MHB) applies;
2) if no, neither Class 4.2 nor MHB applies.
NOTE Wood pellets containing no binder and additives are given the designation MHB (OH) as a result of
a high emission of carbon monoxide and not MHB (SH), since wood pellets are not classified as self-heating in
accordance with the criteria specified under the GHS and the MTC.
6.3 Applicability of UN MTC Test N.4 for pelletized biofuels
Experience from the testing of wood pellets indicates that the CAT for this type of material always is
higher than 140 °C in 1,0 l basket heating tests; see, for example, Reference [8]. The 140 °C criterion
seems thus not to be generally applicable for solid biofuel pellets.
The reasons that this test is unsuitable as a general test method for solid biofuel pellets are the
following:
a) the criteria in Test N.4 is based on fix reaction kinetics of coal, which is not directly transferable to
solid biofuel pellets;
b) experience shows that the UN criteria based on self-ignition of the analytical sample in a 100 mm
sample cube test at 140 °C is not valid for solid biofuel pellets since the CAT of 1000 cm wood
pellets is normally higher;
c) there is no published information on the selectivity and the correlation to large scale storage of this
tests for solid biofuel pellets;
d) the self-heating process of wood pellets can undergo multi-step reactions at different temperature
ranges. Low temperature reactions are not covered by tests in accordance with the Test N.4 method.
7 Tests for determination of reaction kinetics
7.1 General
There are different basket heating tests available for the determination of reaction kinetics for self-
heating of reactive materials. The most important of these methods are summarized in 7.2 to 7.4.
7.2 Isoperibolic test methods
7.2.1 General
The original basket heating test method was developed at the Fire Research Station in UK and is
sometimes referred to as the “FRS method”. This is a rather time-consuming method to use because of
the large number of experiments that is needed for each material studied. This method does not exist in
[14] [9]
the form of a test standard but has been described in detail by Bowes and Beever .
Several investigations and interlaboratory comparisons in the past have shown significant differences
[15][16]
between the results of hot storage tests determined by different laboratories . Laboratory-specific
differences have been identified as possible reasons for the deviations, for example:
a) oven ventilation (enforced, natural convection);
b) oven size;
c) sample baskets (shape, size, construction);
d) radiation effects;
e) measuring precision (temperature difference between tests with ignition and no ignition);
f) minimum sample size.
For that reason, the original FRS method was modified and further developed in the European standard
EN 15188. The main difference is the use of an additional mesh wire screen and special volumes of the
sample baskets (cubes) to normalize/harmonize the test conditions in the surrounding of the samples
independent from used oven type and size. This is, however, an important deviation from the Frank-
Kamenetskii theory (see Annex B), which relies on a high Biot number of the test specimen to keep
the boundary of the tests specimen at the analysis (oven) temperature. On the other hand, the air flow
velocity in the vicinity of the sample is reduced to prevent convective mass and heat transport in the
sample. For these reasons, the critical Frank-Kamenetskii parameter shall be corrected in accordance
with B.1.3 if this method is used.
6 © ISO 2020 – All rights reserved

7.2.2 Test procedure
The general test procedure is to conduct the tests using a pre-heated oven with the sample placed in
a wire-mesh container in the centre of the oven. These methods involve a number of separate, rather
time-consuming, heating tests with at least three to four different sizes of sample containers. Thin
thermocouples are used for measuring the temperature in the oven and the temperatures at the centre
and the periphery of the sample. The CAT for each size of sample is determined by repetitive tests at
oven temperatures successively closer to the critical temperature. In this way, the critical value of the
temperature can be bracketed in as closely as desired. It is usually found that ignition is very sharply
defined and a difference in oven temperature of only 0,5 °C will produce a sharp rise in the recorded
[9]
central temperature . The closeness with which the critical temperature is determined is reflected
in the precision of the calculation of the lumped kinetic parameters. A maximum error of ±0,5 K is
recommended by Reference [9] if data should be used for extrapolations over a wide range of sizes.
The recommendation in prEN 15188 is that the oven temperatures of the test just producing ignition
and that of the test not producing an ignition differ by not more than 2 K. prEN 15188 requires to test
four different volumes with a minimum sample size of 100 cm ; the largest sample volume shall not be
smaller than 1 000 cm .
7.2.3 Determination of reaction kinetics
The indirect evaluation of the Frank-Kamenetskii parameter (see also Annex B) is based on the
determination of the critical temperature for a known size of a material in small-scale oven tests as
described above.
The Frank-Kamenetskii parameter δ is defined by Formula (1):
E
−
ρQA EL
RT
δ =⋅ ⋅e (1)
λ
RT
With Formula (2), Formula (1) can be rewritten as Formula (3):
E QA
 
P=ln ρ (2)
 
R λ
 
δT 
E
ln =−P (3)
RT
L
 
 
If the critical value of δ is inserted, the ambient temperature is equal to the CAT. A plot of ln(δ T /L )
c 0
versus for a number of tests with varying sample sizes (L) would form a straight line with –E/R as
CAT
the slope and P as intercept. The critical Frank-Kamenetskii parameters (δ ) for the geometries tested
c
have to be calculated in accordance with the principles discussed in Annex B. Thus, E and QA could be
extracted from such measurements.
Once the material parameters are determined from the small-scale tests, it would be possible to predict
the critical size for any full-scale configuration, see Formula (B.5), or to calculate the Frank-Kamenetskii
parameter for any specific configuration and compare with the critical parameter to get an assessment
of the criticality of such a configuration.
7.2.4 Applicability for pelletized biofuels
Isoperibolic tests of different sample volumes in accordance with prEN 15188 should be the most
appropriate basket heating method for testing solid biofuel pellets if the critical Frank-Kamenetskii
parameter is corrected in accordance with B.1.3. This recommendation is based on the following
observations:
a) the CAT of each size of test portion is accurately determined;
b) the determination of the CAT is based on measurement of the centre temperature of the test portion,
which shall reach thermal runaway, which means that the exact position of the thermocouple in the
sample is less important (in comparison to the alternative crossing-point method);
c) convective heat and mass transport in the sample is reduced or prevented even in bulks with large
gap volumes;
d) the method in accordance with prEN 15188 provides reproducible results independent of the type
of furnace used.
7.3 Crossing-point method
7.3.1 General
An alternative method for determination of the kinetic parameters in a self-heating substance is the
[17]
method described by Chen and Chong , commonly referred to as the “crossing-point temperature
method”. This method involves the periphery heating of an initially “cold” exothermic material being
subjected to a hot environment with a constant temperature and is based on analysis of the non-steady
solution of the energy conservation formula.
Consider a symmetrical sample specimen of a reactive material where the heat wave propagates
towards the centre. Initially, the centre temperature is lower than the periphery temperature and a
temperature in the material a small distance from the centre. At a certain time, the centre temperature
exceeds (by self-heating) the temperature measured a small distance from the centre. At that point
where the centre temperature just exceeds the other temperatures in the sample specimen, the centre
temperature is defined as the “crossing-point temperature” (T ).
p
[17]
It has been shown that the observation of T can be used as a physic-chemical property to indicate
p
the propensity of a solid material to self-heat. If T is identified experimentally, and a temperature–
p
time profile is recorded to determine the time derivate of the temperature at T , the kinetic parameters
p
could be derived.
The main advantage of the crossing-point method is that instead of carrying out a series of time-
consuming experiments with several sample sizes, as in the isoperibolic methods, each of the transient
experiments with the crossing-point method where only one sample size is needed produces a data
point in a rather short time. In order to obtain several data points for the plot, the initial temperature of
[17]
the oven is varied within certain limits .
[18]
NOTE Cuzzillo has evaluated the crossing-point method in detail. A detailed error analysis of the method
was made and Cuzzillo shows several advantages of the crossing-point method over the standard isoperibolic
method. First, the above-mentioned advantage that every test result gives a useful data point. Further, it
eliminates the need to measure or estimate the Biot number in the laboratory tests as the theory does not have
such a requirement. This means that the heat transfer properties of the oven and the conductivity of the sample
need not to be known in the laboratory tests for determining the kinetic parameters.
An example of calculating kinetic parameters using the crossing-point method is given in Annex A.
7.3.2 Test procedure
An example of a test procedure from Reference [8] is given in this subclause. The equipment used includes
a wire mesh basket (cubic) with 1,0 l volume made from 0,6 mm stainless steel mesh, a temperature-
controlled oven with a re-circulating fan, and six thermocouples to register the temperature: five to
record the temperature profile of the sample and one to measure the ambient gas temperature in the
oven. The first measurement point was in the centre of the basket, the second was 10 mm away from
the centre, the third was 10 mm further away, the fourth was additionally 15 mm further away and the
fifth was located at the edge of the sample material close to the wire mesh wall.
For a test, the thermocouples were attached to the basket (supported with a special frame to keep
them in position) and the basket was filled with the sample material. The prepared basket with the
test sample was then suspended in the centre of the oven, which had been preheated to the selected
8 © ISO 2020 – All rights reserved

ambient temperature for the specific test. The test continued until the temperature in all measurement
points inside the sample was higher than the one located at the edge of the sample material close to the
wire mesh wall. The crossing point temperature was subsequently determined from the temperature
recordings at the time when the centre temperature exceeds the other temperatures between the
centre and the periphery.
Tests with at least three furnace temperatures shall be conducted, but five tests at different furnace
temperatures are recommended.
7.3.3 Determination of reaction kinetics
[17]
It has been shown that the observation of this unique temperature can be used as a physic-chemical
property to indicate the propensity of a solid material to self-heat. Consider the energy conservation
formula for a one-dimensional slab, see Formula (4):
∂T ∂ T E
 
ρλC = +−QAρ exp (4)
 
p
∂t RT
∂x  
where
the left-hand side is the rate of enthalpy change within the solid;
the first term on the right-hand side is the conductive heat transfer;
the second term is the heat generation term of the lumped exothermic reactions.
The conductive heat transfer term in Formula (4) would initially have a value of zero in the centre of
the periphery-heated slab. The second derivative of temperature against distance would take a positive
increasing value initially as the slab is heated but would eventually decrease and become negative as
the centre temperature advances towards the periphery temperature and passes it. It is thus evident
that the conductive heat transfer term is zero at some point, and this is the stricter definition of the
“crossing-point temperature”. Thus, at the crossing-point temperature (T ) Formula (5) applies:
p
∂ T
=0 (5)
∂x
and Formula (4) is reduced to Formula (6):
∂T QA E
 
=−exp (6)
 
∂t C RT
 
p
which could be rewritten as Formula (7):
 
∂T QA E
 
ln =ln − (7)
 
 
 
 ∂t  C RT
p
 
Thus, if T is identified experimentally, and a temperature–time profile is recorded to determine the
p
∂T
 
time derivate of the temperature at T , the kinetic parameters could be derived from a plot of ln
 
p
∂t
 
at T against .
p
T
p
7.3.4 Applicability for pelletized biofuels
[17] [8]
Tests using the crossing-point method applied to solid biofuel and solid biofuel pellets have given
[20]
credible results and, in one case, correlation with large-scale validation tests has been demonstrated .
A disadvantage of the crossing-point method is that inaccuracies in the positioning of the thermocouples
in the sample basket significantly affect the quality of test results.
NOTE There is most probably a lower limit of the size of the test basket in relation to the size of the pellets.
[8]
A 1,0 l basket has proved to give credible results for standard 6 mm and 8 mm wood pellets . However, less
accurate results have been given for abnormally long pellets tested.
7.4 Adiabatic hot storage tests
7.4.1 General
Adiabatic hot storage tests can be an alternative to time- and material-consuming isoperibolic hot
storage tests. If carried out with sufficient precision, adiabatic tests are volume independent as no heat
conduction takes place in the bulk material.
7.4.2 Test procedure
[5]
The test procedure is described in prEN 15188:2019, Annex D .
The test setup corresponds to that for isoperibolic hot storage tests. In addition, the set-up shall have a
difference-temperature controller that enables the o
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 20049-2
Première édition
2020-12
Biocombustibles solides —
Détermination de l'auto-échauffement
des granulés de biocombustibles —
Partie 2:
Essais utilisant la méthode du point de
croisement
Solid biofuels — Determination of self-heating of pelletized
biofuels —
Part 2: Basket heating tests
Numéro de référence
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ISO 2020
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
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E-mail: [e-mail]
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 3
5 Essais utilisant la méthode du point de croisement . 3
6 Essais destinés à la classification des produits . 4
6.1 Classification ONU . 4
6.1.1 Généralités . 4
6.1.2 Méthode d'essai pour les substances auto-échauffantes — Épreuve N.4
MEC ONU . 4
6.1.3 Critères de classification — SGH . 5
6.2 Critères de classification — OMI . 5
6.3 Applicabilité de l'Épreuve N.4 du MEC ONU pour les granulés de biocombustibles . 6
7 Essais de détermination de la cinétique de réaction . 6
7.1 Généralités . 6
7.2 Méthodes d'essai isopériboliques . 6
7.2.1 Généralités . 6
7.2.2 Mode opératoire d'essai . 7
7.2.3 Détermination de la cinétique de réaction . 7
7.2.4 Applicabilité pour les granulés de biocombustibles . 8
7.3 Méthode du point de croisement . 8
7.3.1 Généralités . 8
7.3.2 Mode opératoire d'essai . 9
7.3.3 Détermination de la cinétique de réaction .10
7.3.4 Applicabilité pour les granulés de biocombustibles .10
7.4 Essais de stockage à la chaleur adiabatiques .11
7.4.1 Généralités .11
7.4.2 Mode opératoire d'essai .11
7.4.3 Détermination de la cinétique de réaction .12
7.4.4 Applicabilité pour les granulés de biocombustibles .13
8 Manutention des échantillons .13
8.1 Généralités .13
8.2 Échantillonnage .13
8.3 Transport et stockage de l'échantillon .14
8.4 Préparation des échantillons .14
8.5 Élimination des échantillons .14
9 Rapport d'essai .14
Annexe A (informative) Exemple de calcul des paramètres cinétiques à partir des essais
utilisant la méthode du point de croisement .16
Annexe B (informative) Utilisation des données pour le calcul des conditions critiques dans
les stockages .19
Bibliographie .24
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 238, Biocombustibles solides.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 20049 se trouve sur le site web de l'ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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Introduction
Partout dans le monde, on observe une croissance continue de la production, du stockage, de la
manutention, du transport en vrac et de l'utilisation de biocombustibles solides, en particulier pour
ceux présentés sous forme de granulés.
Les caractéristiques physiques et chimiques spécifiques des biocombustibles solides, tout comme
la manutention et le stockage de ces derniers, peuvent être à l'origine d'un risque d'incendie et/ou
d'explosion, ainsi que de risques pour la santé, tels qu'une intoxication due à l'exposition au monoxyde
de carbone, une asphyxie due à la diminution de la teneur en oxygène ou des réactions allergiques.
De la chaleur peut être générée dans les biocombustibles solides par des processus exothermiques
biologiques, chimiques et physiques. Les processus biologiques comprennent le métabolisme des
champignons et bactéries et se produisent à basses températures; l'oxydation des constituants du
bois augmente avec la température et domine à haute température; la production de chaleur due aux
processus biologiques et chimiques entraîne un déplacement de l'humidité dans le matériau en vrac,
qui s'accompagne d'une sorption et d'une condensation de l'eau, qui sont toutes deux des processus
exothermiques. Par exemple, dans un tas de combustible forestier stocké ou un tas de plaquettes de
bois humides, tous ces processus peuvent être présents et contribuer à la production de chaleur.
[6]
Les biocombustibles solides tels que les granulés de bois sont toutefois intrinsèquement stériles en
raison des conditions régnant pendant la fabrication (exposition à une chaleur extrême pendant le
séchage, fragmentation lors du concassage au marteau et pression lors de l'extrusion) mais peuvent
attirer les microbes s'ils deviennent humides lors de la manutention et du stockage, ce qui entraîne un
métabolisme et une production de chaleur. L'infiltration d'eau dans un stockage de granulés de bois
peut également entraîner les processus physiques mentionnés ci-dessus. Le bois non comprimé, tel que
la matière première et les plaquettes, abrite généralement quantité de microbes qui dans certaines
circonstances entraîneront un échauffement. Tous les processus indiqués ci-dessus contribuent à ce que
l'on appelle l'auto-échauffement, bien que l'oxydation soit susceptible d'être l'un des principaux facteurs
qui contribuent à cet effet dans la plage de températures dans laquelle la plupart des biocombustibles
sont stockés. L'accumulation de chaleur peut être importante dans les magasins en vrac de grande
taille, la conduction thermique dans le matériau étant faible. Dans certaines conditions, la production
de chaleur peut entraîner un emballement thermique et un allumage spontané.
Le potentiel d'auto-échauffement semble varier considérablement pour différents types de granulés de
biocombustibles solides. La matière première utilisée et les propriétés de ces matières premières ont
démontré avoir une influence sur la propension à l'auto-échauffement des granulés de bois produits.
Cependant, le processus de production (par exemple: le processus de séchage) influence également
le potentiel en matière d'auto-échauffement. Il est donc important d'être en mesure d'identifier les
granulés de biocombustibles solides présentant un potentiel de production de chaleur élevé afin d'éviter
les incendies dans les matériaux stockés.
Deux types de méthodes d'essai intrinsèquement différentes peuvent être utilisés pour estimer le
potentiel en matière d'auto-échauffement:
a) dans la méthode de la détermination calorimétrique isotherme décrite dans l'ISO 20049-1, le flux
thermique produit par la prise d'essai est mesuré directement;
b) dans les essais utilisant la méthode du point de croisement décrits dans le présent document,
la température de la prise d'essai est surveillée et la température ambiante critique (TAC), où
la température de la prise d'essai n'augmente pas de façon significative en raison de l'auto-
échauffement, est utilisée pour l'évaluation indirecte de l'auto-échauffement.
Ces deux méthodes sont appliquées à différents régimes de températures d'analyse. La température de
fonctionnement d'un calorimètre isotherme se situe normalement dans la plage de 5 °C à 90 °C, tandis
que les essais utilisant la méthode du point de croisement sont réalisés à des températures d'analyse
(étuve) plus élevées. Pour les essais utilisant la méthode du point de croisement avec des granulés de
bois, la TAC rencontrée pour une prise d'essai de 1 l est comprise dans la plage de 150 °C à 200 °C.
NOTE 1 Les deux types de méthodes d'essai mentionnées ci-dessus ne mesurent pas la production de chaleur
à partir de processus physiques tels que le déplacement de l'humidité.
NOTE 2 Il est probable que les réactions d'oxydation se produisant aux régimes de températures basses et
hautes pour les granulés de biocombustibles solides soient de nature différente et possèdent donc des vitesses de
réaction et des vitesses de production de chaleur différentes. Dans ce cas, l'extrapolation des données issues d'une
série d'essais à haute température peut donner lieu à des résultats non concluants et peut ne pas être applicable
sans prendre en compte les réactions à basse température. Dans le cas général de deux réactions présentant des
énergies d'activation différentes, l'énergie d'activation élevée est «gelée» à basses températures et la réaction de
[7]
faible énergie d'activation est «noyée» à températures plus élevées .
NOTE 3 Il a été démontré, pour un nombre limité de types de granulés de bois différents, que les vitesses de
réaction dans le régime de température inférieur mesurées par détermination calorimétrique isotherme étaient
plus élevées que les données de vitesse de réaction déterminées à partir des essais utilisant la méthode du point
[8]
de croisement dans le régime de température supérieur .
Les essais utilisant la méthode du point de croisement sont traditionnellement utilisés pour caractériser
la tendance à l'allumage spontané des charbons principalement, mais aussi pour d'autres matériaux
[9]
organiques réactifs tels que, par exemple, la farine de graines de coton, la bagasse et le lait en poudre .
Le principe utilisé dans ce type d'essais consiste à trouver la TAC pour un échantillon de matériau auto-
échauffant possédant une géométrie et des dimensions spécifiques.
Plusieurs méthodes différentes offrant des degrés variables de complexité sont décrites dans les
publications spécialisées. Les variations vont des simples essais de conformité/non-conformité à des
[10]
essais plus avancés à partir desquels il est possible d'extraire des données sur les vitesses de réaction .
Les essais utilisant la méthode du point de croisement sont utiles pour l'évaluation de l'auto-
échauffement des granulés de biocombustibles solides. La méthode d'essai choisie peut être évaluée en
termes d'applicabilité sur la base des informations fournies dans le présent document.
Une compilation des méthodes d'essai utilisant la méthode du point de croisement est fournie dans le
présent document. Il fournit également des recommandations relatives à l'adéquation d'une application
de ces méthodes aux essais sur les granulés de biocombustibles.
L'Annexe B fournit la théorie de base de l'utilisation des données des essais utilisant la méthode du
point de croisement pour le calcul des conditions critiques dans les lieux de stockage.
vi © ISO 2020 – Tous droits réservés

SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 20049-2:2020(F)
Biocombustibles solides — Détermination de l'auto-
échauffement des granulés de biocombustibles —
Partie 2:
Essais utilisant la méthode du point de croisement
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les essais utilisant la méthode du point de croisement pour la
caractérisation des propriétés d'auto-échauffement des granulés de biocombustibles solides.
Le présent document comprend les parties suivantes:
a) une compilation des méthodes d'essai utilisant la méthode du point de croisement;
b) des recommandations sur l'applicabilité et l'utilisation des essais utilisant la méthode du point de
croisement pour les granulés de biocombustibles solides;
c) des informations relatives à l'application des données d'essais utilisant la méthode du point de
croisement pour le calcul des conditions critiques dans les lieux de stockages.
Les données relatives à la production spontanée de chaleur déterminées à l'aide du présent document
sont uniquement associées à la qualité et à l'âge spécifiques de l'échantillon de matériau.
Les informations déduites à l'aide du présent document sont destinées à être utilisées dans le contrôle
qualité et dans l'identification des dangers et l'évaluation des risques associés aux procédures fournies
dans l'ISO 20024.
Les méthodes décrites peuvent être utilisées pour d'autres substances que les granulés de
biocombustibles solides (par exemple: les plaquettes de bois).
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 14780, Biocombustibles solides — Préparation des échantillons
ISO 16559, Biocombustibles solides — Terminologie, définitions et descriptions
ISO 18135, Biocarburants solides — Échantillonnage
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 16559 ainsi que les suivants,
s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp.
3.1
température d'analyse
température de l'environnement d'analyse, c'est-à-dire la température de l'étuve
3.2
nombre de Biot
quotient du coefficient de transfert thermique convectif (entre la limite de l'échantillon et l'air
environnant) et de la conduction dans l'échantillon du matériau normalisée par la dimension
caractéristique du panier d'essai
3.3
température ambiante critique
TAC
température ambiante [la température d'analyse (3.1) ou la température d'un stockage] où la
température interne de la prise d'essai (3.6) ou du matériau stocké augmente de façon significative (en
raison de l'auto-échauffement (3.4))
3.4
auto-échauffement
élévation de la température d'un matériau due à une réaction exothermique interne
[SOURCE: ISO 13943:2017, 3.341, modifiée — «» a été supprimé au début de la
définition.]
3.5
allumage spontané
allumage provoqué par une réaction exothermique interne
Note 1 à l'article: Voir les définitions du terme «allumage» dans l'ISO 13943.
[SOURCE: ISO 13943:2017, 3.24, modifiée — «allumage spontané» a remplacé «auto-allumage» comme
terme privilégié, et les autres termes ont été supprimés. Les Notes 1 à 3 ont été supprimées, et une
nouvelle Note 1 à l'article a été ajoutée.]
3.6
prise d'essai
sous-échantillon soit d'un échantillon pour laboratoire (3.8), soit d'un échantillon pour essai (3.7)
3.7
échantillon pour essai
échantillon pour laboratoire (3.8) ayant subi une préparation adaptée effectuée au laboratoire
Note 1 à l'article: Dans le présent document, l'échantillon pour essai est généralement un échantillon représentatif
d'un lot de granulés de biocombustibles solides.
3.8
échantillon pour laboratoire
échantillon composite ou sous-échantillon d'un échantillon composite pour utilisation en laboratoire
[SOURCE: ISO 16559:2014, 4.124]
2 © ISO 2020 – Tous droits réservés

4 Symboles
Symbole Grandeur Unité type
−1
A facteur pré-exponentiel dans l'expression d'Arrhenius s
B augmentation de la température adiabatique et adimensionnelle adimensionnel
hL
Bi adimensionnel
nombre de Biot, (Bi= )
λ
c concentration en oxygène ambiante par fraction volumique adimensionnel
−1 −1
C capacité calorifique spécifique des produits de réaction J kg K
−1 −1
C capacité calorifique spécifique du matériau en vrac J kg K
p
d diamètre du corps m
2 −1
D coefficient de diffusion m s
−1
E énergie d'activation J mol
a
−1
H pouvoir calorifique supérieur J kg
−2 −1
h coefficient de transfert thermique W m K
−2 −1
h quantité de rayonnement dans le coefficient de transfert W m K
r
thermique
−2 −1
h quantité de convection dans le coefficient de transfert thermique W m K
c
L longueur caractéristique m
n ordre de réaction adimensionnel
P constante, voir les Formules (2) et (3) adimensionnel
−3
terme de production de chaleur, voir la Formule (B.1) W m
′
q
−1
Q chaleur de la réaction J kg
−3
Q chaleur de la réaction par volume d'oxygène J m
−1 −1
R constante universelle des gaz J mol K
Ra nombre de Rayleigh adimensionnel
t temps s
T température K
T température ambiante K
T température du point de croisement K
p
x coordonnée de longueur m
δ paramètre de Frank-Kamenetskii, voir la Formule (B.4) adimensionnel
δ valeur critique de δ adimensionnel
c
RT
ε adimensionnel
paramètre d'énergie d'activation, (ε = )
E
Ф paramètre de diffusion de l'oxygène, voir la Formule (B.13) adimensionnel
−1 −1
λ conductivité thermique de l'échantillon W m K
−1 −1
λ conductivité thermique de l'air W m K
air
−3
ρ masse volumique apparente kg m
−2 −4
σ coefficient de Stefan-Boltzmann W m K
5 Essais utilisant la méthode du point de croisement
Le mode opératoire d'essai détaillé varie entre les différentes méthodes isopériboliques et adiabatiques.
Les méthodes isopériboliques prévoient que la prise d'essai soit placée dans un panier en treillis
métallique, qui est positionné dans une étuve chauffée à une température élevée fixe. L'étuve est équipée
d'un ventilateur destiné à maintenir la température constante, et à fournir à l'éprouvette d'essai un
[9][10]
coefficient de transfert thermique convectif relativement élevé . Pour les essais adiabatiques, la
[5]
température de l'étuve est réglée sur la température au centre de l'échantillon .
Les essais utilisant la méthode du point de croisement se fondent sur la théorie de Frank-Kamenetskii de
criticité d'une dosse isotrope auto-échauffante (voir l'Annexe B) et ont été élaborés afin de déterminer
la cinétique de réaction de la réaction globale responsable de la production de chaleur dans un matériau
auto-échauffant.
NOTE 1 Le volume interstitiel important entre les granulés de matériau peut provoquer un transfert thermique
convectif dans le vrac si l'étuve est équipée d'un ventilateur. Dans ce cas, il est recommandé de maintenir le débit
d'air à proximité de l'échantillon à un niveau réduit et de corriger le paramètre critique de Frank-Kamenetskii
(voir B.1.3) ou d'empêcher le transfert par convection au sein de l'échantillon par des mesures supplémentaires
(par exemple: un panier à treillis métallique plus fin).
NOTE 2 La TAC de la prise d'essai d'un essai utilisant la méthode du point de croisement n'est pas égale à la
TAC pour l'allumage spontané dans, par exemple, un stockage de grande taille. La taille critique pour l'allumage
spontané (si seul est pris en compte le transfert thermique) est directement liée au rapport superficie-volume
de l'éprouvette auto-échauffante où la chaleur est produite de façon répartie dans le volume et où elle se dissipe
uniquement à partir de la superficie. L'échantillon pour essai dans un essai utilisant la méthode du point de
croisement aux dimensions de laboratoire possède un rapport superficie-volume très élevé et affiche donc une
TAC élevée par rapport à une éprouvette plus grande.
6 Essais destinés à la classification des produits
6.1 Classification ONU
6.1.1 Généralités
Le Système général harmonisé de classification et d'étiquetage des produits chimiques (SGH) des
[11]
Nations unies (ONU) est la convention internationale pour la communication des dangers et
l'étiquetage des substances sous forme de gaz, de vapeurs, de solides et de liquides, et les mélanges. Le
SGH définit les valeurs limites, les classes et les catégories ainsi que les mesures associées en lien avec
les niveaux de danger pendant le transport, la manutention et le stockage.
[12]
Le Manuel d'épreuves et de critères (MEC) de l'ONU spécifié des modes opératoires d'essai
spécifiques à l'appui du SGH.
6.1.2 Méthode d'essai pour les substances auto-échauffantes — Épreuve N.4 MEC ONU
[12]
L'épreuve N.4 est décrite dans le MEC ONU Partie III, 33.3.1.6 , et est parfois appelée «épreuve au
panier».
L'essai utilisant la méthode du point de croisement détermine la capacité d'une substance à subir un
auto-échauffement oxydatif en l'exposant à l'air à des températures de 100 °C, 120 °C ou 140 °C dans un
cube en treillis métallique de 25 mm ou de 100 mm.
L'essai utilisant la méthode du point de croisement de l'Épreuve N.4 n'est pas destiné à déterminer la
cinétique d'auto-échauffement, mais est plutôt recommandé pour classer un matériau (par exemple: les
[11]
biocombustibles solides) comme satisfaisant aux critères d'auto-échauffement définis par le SGH à
des fins d'étiquetage et de communication des dangers.
La configuration d'essai se compose d'une étuve à circulation d'air chaud, de conteneurs d'échantillon
cubiques de 25 mm et 100 mm de côté fabriqués en maille d'acier inoxydable avec une ouverture de
maille de 0,05 mm, et de thermocouples de 0,3 mm de diamètre pour la mesure de la température
de l'étuve et de la température du centre de l'échantillon. Le conteneur d'échantillon est placé dans
une enveloppe à conteneur cubique en maille d'acier inoxydable possédant une ouverture de maille
de 0,60 mm, et est légèrement plus grand que le conteneur d'essai. Afin d'éviter l'effet de la circulation
de l'air, cette enveloppe est installée dans une seconde cage en acier, réalisée à partir d'un treillis ayant
une ouverture de maille de 0,595 mm et mesurant 150 mm × 150 mm × 250 mm.
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La procédure normale consiste à démarrer par un essai à 140 °C avec un échantillon cubique de 100 mm
de côté. Le conteneur est placé dans l'enveloppe et suspendu au centre de l'étuve. La température de
l'étuve est amenée jusqu'à 140 °C et maintenue à ce niveau pendant 24 h. Un résultat positif est obtenu
si un allumage spontané se produit ou si la température de l'échantillon est supérieure de 60 °C à celle
de l'étuve. Si un résultat négatif est obtenu, aucun essai supplémentaire n'est nécessaire.
Si un résultat positif est obtenu à 140 °C avec un échantillon cubique de 100 mm, la substance est
classée comme substance auto-échauffante et des essais supplémentaires doivent être effectués afin
d'identifier la bonne classification (voir 6.1.3).
NOTE La masse volumique apparente soumise à essai peut influencer les résultats de l'essai. Le projet de
norme prEN 15188 suggère d'ajuster la masse volumique apparente de l'échantillon en fonction des conditions
pratiques correspondantes (si elles sont connues) et d'enregistrer la masse volume apparente soumise à essai. Le
MEC de l'ONU ne contient pas d'informations sur la masse volumique apparente à soumettre à essai.
6.1.3 Critères de classification — SGH
[11]
Les critères de classification sont fournis au paragraphe 2.11.2 du SGH . Les critères sont résumés
dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Critères du SGH pour les substances et mélanges auto-échauffants
Catégorie Critères
1 Un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 25 mm de côté à
140 °C.
2 a) Un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 100 mm de côté à
140 °C et un résultat négatif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 25 mm
de côté à 140 °C et la substance ou le mélange sont destinés à être emballés dans des colis
d'un volume supérieur à 3 m ; ou
b) Un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 100 mm de côté à
140 °C et un résultat négatif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 25 mm
de côté à 140 °C, un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de
100 mm de côté à 120 °C et la substance ou le mélange sont destinés à être emballés dans
des colis d'un volume supérieur à 450 litres; ou
c) Un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 100 mm de côté à
140 °C et un résultat négatif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique de 25 mm
de côté à 140 °C et un résultat positif est obtenu lors d'un essai sur un échantillon cubique
de 100 mm de côté à 100 °C.
NOTE La classification des groupes d'emballage par danger est spécifiée en fonction des caractéristiques
[11]
d'inflammabilité du matériau, voir le Tableau 32.1 du SGH .
6.2 Critères de classification — OMI
Les lignes directrices relatives à la manutention et les classifications par danger pour tous les
chargements, y compris les biocombustibles solides, transportés à bord de navires hauturiers sont
spécifiées par l'Organisation maritime internationale (OMI) dans le Code maritime international des
[13]
cargaisons en vrac . Ce code indique d'utiliser l'Épreuve N.4 du MEC de l'ONU pour les essais, mais
rajoute des critères supplémentaires pour les solides présentant des dangers par rapport aux critères
du SGH au Tableau 1, comme suit:
a) le matériau subit-il un auto-échauffement dangereux lorsqu'il est soumis à essai conformément à
l'Épreuve N.4 dans un échantillon cubique de 100 mm de côté à 140 °C?
Si oui, la Classe 4.2 s'applique. Les matériaux appartenant à cette classe sont des matériaux
autres que les matériaux pyrophoriques qui, au contact de l'air et sans fourniture d'énergie, sont
susceptibles de s'auto-échauffer;
b) le matériau présente-t-il une augmentation de la température de 10 °C ou plus lors d'un essai réalisé
conformément à l'Épreuve N.4 dans un échantillon cubique de 100 mm de côté à 140 °C?
Si oui, soumettre à essai dans un échantillon cubique de 100 mm de côté à 100 °C et vérifier si
l'augmentation de la température est de 10 °C ou plus:
1) si oui, la classe «matières qui ne sont dangereuses qu'en vrac» (MHB) s'applique;
2) si non, ni la Classe 4.2 ni la classe MHB ne s'applique.
NOTE Les granulés de bois qui ne contiennent pas d'agglomérant et d'additifs se voient attribuer la
désignation MHB (OH) du fait d'une émission élevée de monoxyde de carbone et non pas MHB (SH), étant donné
que les granulés de bois ne sont pas classés comme étant auto-échauffants conformément aux critères spécifiés
par le SGH et le MEC.
6.3 Applicabilité de l'Épreuve N.4 du MEC ONU pour les granulés de biocombustibles
L'expérience acquise lors des essais sur des granulés de bois indique que la TAC pour ce type de
matériau est toujours supérieure à 140 °C dans les essais utilisant la méthode du point de croisement
sur un volume de 1,0 l; voir, par exemple, la Référence [8]. Le critère de 140 °C ne semble donc pas être
généralement applicable aux granulés de biocombustibles solides.
Les raisons pour lesquelles cet essai ne convient pas comme méthode générale d'essai pour les granulés
de biocombustibles solides sont les suivantes:
a) les critères de l'Épreuve N.4 reposent sur une cinétique de réaction fixe du charbon, ce qui n'est pas
directement transférable aux granulés de biocombustibles solides;
b) l'expérience a montré que les critères ONU basés sur l'allumage spontané de l'échantillon pour
analyse dans un essai par échantillon cubique de 100 mm de côté à 140 °C ne sont pas valides pour
les granulés de biocombustibles solides, étant donné que la TAC de 1 000 cm de granulés de bois
est généralement supérieure;
c) il n'existe pas d'informations publiées relatives à la sélectivité et à la corrélation aux stockages de
grande taille de ces essais pour les granulés de biocombustibles solides;
d) le processus d'auto-échauffement des granulés de bois peut subir des réactions en plusieurs phases
à différentes plages de températures. Les réactions à basse température ne sont pas couvertes par
les essais conformément à la méthode de l'Épreuve N.4.
7 Essais de détermination de la cinétique de réaction
7.1 Généralités
Il existe différents essais utilisant la méthode du point de croisement qui permettent de déterminer la
cinétique de réaction pour l'auto-échauffement des matériaux réactifs. Parmi ces méthodes, les plus
importantes sont résumées aux paragraphes 7.2 à 7.4.
7.2 Méthodes d'essai isopériboliques
7.2.1 Généralités
La méthode d'essai utilisant la méthode du point de croisement d'origine a été élaborée au sein de
l'organisme britannique Fire Research Station, et à ce titre est parfois appelée «méthode FRS». Il s'agit
d'une méthode assez chronophage en raison du grand nombre d'expériences nécessaires pour chaque
matériau étudié. Cette méthode n'existe pas sous la forme d'une norme d'essai mais a été décrite de
[14] [9]
façon détaillée par Bowes et Beever .
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Plusieurs études et comparaisons interlaboratoires réalisées dans le passé ont révélé des différences
[15]
significatives entre les résultats des essais de stockage à la chaleur établis par différents laboratoires
[16]
. Des différences propres aux laboratoires ont été identifiées comme causes possibles à l'origine de
ces écarts, par exemple:
a) ventilation de l'étuve (forcée, convection naturelle);
b) dimensions de l'étuve;
c) paniers à échantillons (forme, dimensions, construction);
d) effets des rayonnements;
e) précision de la mesure (différence de température entre les essais avec allumage et sans allumage);
f) taille minimale d'échantillon.
Pour cette raison, la méthode FRS d'origine a été modifiée et approfondie dans la norme européenne
EN 15188. La principale différence réside dans l'utilisation d'un filtre en treillis métallique
supplémentaire et de volumes spéciaux pour les paniers à échantillon (cubes) de façon à normaliser/
harmoniser les conditions d'essai dans l'environnement des échantillons, indépendamment du type et
des dimensions de l'étuve utilisée. Cela constitue toutefois un écart important par rapport à la théorie
de Frank-Kamenetskii (voir l'Annexe B), qui se fonde sur un nombre de Biot élevé de l'éprouvette d'essai
afin de maintenir la limite des éprouvettes d'essai à la température d'analyse (étuve). D'autre part,
la vitesse d'écoulement de l'air aux environs de l'échantillon est réduite afin d'éviter le transfert de
masse et de chaleur par convection dans l'échantillon. Pour ces raisons, le paramètre critique de Frank-
Kamenetskii doit être corrigé conformément au paragraphe B.1.3 si cette méthode est utilisée.
7.2.2 Mode opératoire d'essai
Le mode opératoire d'essai général consiste à effectuer les essais à l'aide d'une étuve préchauffée,
l'échantillon étant placé dans un conteneur en treillis métallique au centre de l'étuve. Ces méthodes
impliquent un certain nombre d'essais d'échauffement distincts, assez chronophages, avec au moins
trois à quatre tailles différentes de conteneurs d'échantillon. Des thermocouples fins sont utilisés pour
mesurer la température dans l'étuve et les températures au centre et à la périphérie de l'échantillon.
La TAC pour chaque taille d'échantillon est déterminée au moyen d'essais répétés à des températures
d'étuve se rapprochant progressivement de la température critique. Ce faisant, il est possible de définir
aussi étroitement que souhaité la plage des valeurs critiques de la température. Il est généralement
constaté que l'allumage est défini de façon très nette et qu'une différence de température de l'étuve
[9]
de seulement 0,5 °C produira une augmentation marquée de la température centrale enregistrée . La
justesse avec laquelle la température critique est déterminée est reflétée dans la précision du calcul
des paramètres de cinétique concentrés. La Référence [9] recommande une erreur maximale de ± 0,5 K
si les données sont destinées à être utilisées pour des extrapolations sur un large éventail de tailles.
La recommandation du projet de norme prEN 15188 est que les températures de l'étuve de l'essai
produisant uniquement l'allumage et celles de l'essai ne produisant pas d'allumage ne diffèrent pas de
plus de 2 K. Le projet de norme prEN 15188 exige de soumettre à essai quatre volumes différents avec
une taille d'échantillon minimale de 100 cm ; le volume d'échantillon le plus grand ne doit pas être
inférieur à 1 000 cm .
7.2.3 Détermination de la cinétique de réaction
L'évaluation indirecte du paramètre de Frank-Kamenetskii (voir aussi l'Annexe B) repose sur la
détermination de la température critique pour une taille connue de matériau dans des essais en étuve
de petite taille tel que décrit ci-dessus.
Le paramètre de Frank-Kamenetskii δ est défini par la Formule (1):
E
−
ρQA EL
RT
δ =⋅ ⋅e (1)
λ
RT
Avec la Formule (2), la Formule (1) peut être réécrite en tant que Formule (3):
E QA
 
P=ln ρ (2)
 
R λ
 
δT 
E
ln =−P (3)
L RT
 
 
Si la valeur critique de δ est insérée, la température ambiante est égale à la TAC. Une courbe de ln(δ T /
c 0
L ) en fonction de pour un certain nombre d'essai avec différentes tailles d'échantillon (L)
CAT
produirait une ligne droite avec –E/R comme pente et P comme intersection. Les paramètres critiques
de Frank-Kamenetskii (δ ) pour les géométries soumises à essai doivent être calculés conformément
c
aux principes évoqués à l'Annexe B. Ainsi, E et QA pourraient être déduits de ces mesures.
Une fois que les paramètres du matériau sont déterminés à partir des essais à petite échelle, il serait
possible de prédire la taille critique pour toute configuration en grandeur réelle, voir la Formule (B.5),
ou de calculer le paramètre de Frank-Kamenetskii pour toute configuration spécifique et de le comparer
avec le paramètre critique afin d'obtenir une évaluation de la criticité de ladite configuration.
7.2.4 Applicabilité pour les granulés de biocombustibles
Les essais isopériboliques de différents volumes d'échantillons conformément au projet de norme
prEN 15188 devraient être la méthode d'échauffement en panier la plus appropriée pour soumettre à
essai les granulés de biocombustibles solides si le paramètre critique de Frank-Kamenetskii est corrigé
conformément au paragraphe B.1.3. Cette recommandation se fonde sur les observations suivantes:
a) la TAC de chaque taille de prise d'essai est déterminée avec exactitude;
b) la détermination de la TAC se fonde sur la mesure de la température centrale de la prise d'essai, qui
doit atteindre l'emballement thermique, ce qui signifie que la position exacte du thermocouple dans
l'échantillon est moins importante (par rapport à l'autre méthode de point de croisement);
c) le transfert de chaleur et de masse par convection dans l'échantillon est réduit ou empêché, même
dans les vracs présentant des volumes interstitiels importants;
d) la méthode conforme au projet de norme prEN 15188 fournit des résultats reproductibles
indépendamment du type d'étuve utilisé.
7.3 Méthode du point de croisement
7.3.1 Généralités
Une autre méthode permettant la détermination des paramètres cinétiques d'une substance auto-
[17]
échauffante est la méthode décrite par Chen et Chong , couramment appelée «méthode de la
température du point de croisement». Cette méthode implique l'échauffement périphérique d'un
matériau exothermique initialement «froid» soumis à un environnement chaud ayant une température
constante, et se fonde sur une analyse de la solution non stationnaire de la formule de conservation de
l'énergie.
Prenons une éprouvette symétrique d'un matériau réactif dans lequel l'onde de chaleur se propage vers
le centre. Initialement, la température au centre est inférieure à la température périphérique et à la
température dans le matériau à une courte distance du centre. À un moment donné, la température au
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