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C&M-5-2012 > Staubexplosionen als Gefahrenpotenzial

Staubexplosionen als Gefahrenpotenzial

Ein Funke genügt

In vielen Industriezweigen werden pulver- und staubförmige ­Produkte verarbeitet oder entstehen während des Produktions­prozesses. Unabhängig von der Ein­stufung als Nutzstaub oder Abfallstaub, geht von der überwiegenden Zahl aller staubförmigen Sub­stanzen eine Brand- und unter Umständen sogar Explosions­gefahr aus. Die meisten der in der Industrie vorkommenden Stäube sind brennbar und es reicht bereits eine kleine Staubschicht in einem ­geschlossenen Raum aus, um nach einer Aufwirbelung und Zündung eine Explosion auszulösen. Viele Betroffene sind sich der Gefahren einer möglichen Staubexplosion nicht bewusst – ein Grund, sich ­näher mit dem Thema zu beschäftigen.

Kleine Zündung mit großer Wirkung

Es war der 6. Februar 1979. Ein Feuer in der Bremer Rolandsmühle löste eine Katastrophe aus. In einer Kettenreaktion wirbelten zahlreiche Einzelexplosionen immer wieder neuen Mehlstaub auf, der wiederum explodieren konnte. Die verheerende Bilanz: 14 Tote, 17 Verletzte und ein Sachschaden von über 50 Millionen Euro.

Dass Mehl explodieren kann, ist nicht ­ungewöhnlich. Es gilt die Regel: Fein ­gemahlen kann jeder Stoff explodieren, wenn er aus brennbarem Material besteht, so z.B. Kohle, Mehl, Kakao, Kaffee, Stärke, Zellulose, Holzspäne oder -wolle. Auch ­anorganische Stoffe und Elemente wie ­Magnesium und Aluminium sind in dieser Form explosionsfähig oder zumindest brennbar. Damit es knallt, bedarf es wenig – neben brennbarem Staub müssen noch ausreichend Sauerstoff und eine wirksame Zündquelle vorhanden sein. Nur die richtige Mischung aus Staub und Luft ist explosionsfähig. 80 % aller in der Industrie vorkommenden Stäube sind brennbar. Luft ist überall vorhanden und als Zündquellen können ein unbemerktes Glimmnest oder auch Funken genügen, wie sie bei Schweißarbeiten entstehen.

Eine 1 Millimeter dicke Staubschicht genügt

Bereits eine 1 Millimeter dicke Staubschicht in einem geschlossenen Raum reicht aus, um nach einer Aufwirbelung und Zündung eine Explosion auszulösen. Dies kann fatale Auswirkungen für den Betrieb und die ­Beschäftigten haben. Trotzdem ist das ­Gefährdungsbewusstsein vieler Betroffener oft zu gering ausgeprägt. Der Grund: In ­einigen Unternehmen ist den Verantwortlichen gar nicht bewusst, dass sie mit brennbarem Staub arbeiten. Betroffen sind hauptsächlich die Industriezweige des lebensmittel- und holzverarbeitenden Gewerbes, der Papier- und Kunststoffherstellung, der Chemie und der Pharmazie, landwirtschaftliche Betriebe, die metallverarbeitende Industrie, Betriebe der Abfallwirtschaft usw. Pro Tag ereignet sich in Deutschland durchschnittlich eine Staubexplosion, von der etwa jede vierte durch Nahrungs- oder Futtermittelstäube ausgelöst wird.


Tab.1 Die Einteilung der Staubexplosionsgefährdeten Bereiche in Zonen hat sich bereits beim Explosionsschutz in Gasatmosphären bewährt


Tab.2 Staub-Zündschutzarten nach dem gegenwärtigen Stand der Normung

Den großen Knall verhindern – Staubexplosionsschutzmaßnahmen

Um eine Explosion zu verhindern, muss mindestens eine der auslösenden Faktoren verhindert oder eingeschränkt werden. Das kann unter anderem dadurch geschehen, dass die Konzentration des brennbaren ­Anteils gering gehalten wird, z.B. durch Absaugung oder indem die Freisetzung von brennbaren Substanzen komplett unter­bunden wird.

Durch die Vermeidung von Zündquellen wird die Zündung der gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Dies kann erreicht werden, indem in einem ersten Schritt die möglichen Zündquellen analysiert werden. Offenes Feuer, Flammen oder Glut können eine explosionsfähige Atmosphäre ebenso zünden wie heiße Oberflächen, mechanische oder elektrische Funken oder elektrostatische Entladung. Triviale Zündquellen, wie sie bei Reparaturarbeiten oder beim achtlosen Wegwerfen einer Zigaretten­kippe entstehen, dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Anschließend wird der erforderliche Umfang an Schutzmaßnahmen festgelegt und geeignete Betriebsmittel ausgewählt.


Abb.1 In Industriezweigen, in denen pulver- und staubförmige Produkte verarbeitet werden, besteht Explosionsgefahr


Abb.2 Zugeschnittene Lösungen für jeden Anwendungsfall

Vermeidung von Zündquellen oder Absaugung der brennbaren Stäube

In manchen Fällen können die oben ­beschriebenen Vorgänge nicht zuverlässig umgesetzt werden, da weder die Staubwolke zu vermeiden ist noch gewisse Zündquellen auszuschließen sind. In diesen Fällen müssen Maßnahmen ergriffen werden, die gefährliche Auswirkung einer angelaufenen Explosion begrenzen und auf ein unbedenkliches Maß reduzieren. Zum so genannten „konstruktiven Explosionsschutz“ gehören ­explosionsfeste Bauweisen, Explosionsdruckentlastungen, Explosionsunterdrückungen oder Explosionssperren.

Patentrezepte zu Staubexplosionsschutzmaßnahmen gibt es jedoch nicht. Keine Anlage ist wie die andere, sondern auf die speziellen Ansprüche des Betreibers sowie der Produktion zugeschnitten. Eine Hilfe zur Analyse der Gefährdungspotenziale bietet die Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen in Zonen. Dabei werden sie nach Häufigkeit und Dauer des Auftretens von gefährlicher explosions­fähiger Atmosphäre beurteilt. Je höher und länger die Wahrscheinlichkeit des Auftretens ist, desto höher sind die Anforderungen an die dort eingesetzten Geräte. Die Definition der Zonen ist der Tabelle unten zu entnehmen.

Hohe Anforderungen an die Betriebsmittel

Der ermittelten explosionsgefährdeten ­Zone entsprechend, in der ein Betriebsmittel eingesetzt werden soll, erfolgt dessen Einteilung in Gerätekategorien. Geräte der Kategorie 1 müssen ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten, d.h. auch beim Auftreten von zwei Fehlern am Gerät darf es selbst bei selten auftretenden Störungen nicht zur Zündung kommen. Sie dürfen in Zone 20 eingesetzt werden. Betriebsmittel der Kategorie 2 sind so zu gestalten, dass sie bei häufig auftretenden Störungen, mit denen üblicherweise zu rechnen ist, das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten und Zündquellen vermeiden. Sie können in Zone 21 eingesetzt werden. Geräte, bei denen im normalen Betrieb keine Zündquellen auftreten, dürfen in Zone 22 eingesetzt werden. Sie gehören der Gerätekategorie 3 an.
Durch technische Maßnahmen muss sichergestellt sein, dass entsprechend der sicherheitstechnischen Kennzahlen eines unterstellten explosionsfähigen Gemisches keine Zündquelle wirken kann. Nach dem derzeitigen Stand der Normung sind vier Staubzündschutzarten vorgesehen. Diese können der hier gezeigten Tabelle entnommen werden. Die Zündschutzart Schutz durch Gehäuse „t“ wird von vielen als wichtigste Ausführung gesehen. Sie beruht auf der Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur des Gehäuses und auf der Einschränkung des Staubeintritts durch die Verwendung von staubdichten und staubgeschützten Gehäusen. Die Zündschutzart „p“ ist eine an die Überdruckkapselung angelehnte Schutzart und könnte zum Beispiel für den Schutz von Schaltschränken in staubexplosionsgefährdeten Bereichen angewendet werden. Das Eindringen einer umgebenden Atmosphäre in das Gehäuse von elektrischen Betriebsmitteln wird dadurch verhindert, dass ein Zündschutzgas in seinem Inneren unter einem Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gehalten wird. Eigensichere Betriebsmittel mit der Kennzeichnung „i“ enthalten nur eigensichere Stromkreise. Das sind Stromkreise mit sehr niedriger Energie, in denen kein Funke oder thermischer Effekt eine Zündung eines Staub-Luft-Gemisches verursachen kann. Bei der Zündschutzart „m“ sind Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre durch Funken oder durch Erwärmung zünden könnten, in eine Vergussmasse eingebettet, sodass die explosionsfähige Atmosphäre nicht entzündet werden kann.

Drei Ex-Zonen – vier Zündschutzarten

Stehen die Anforderungen an die Betriebsmittel, die in staubexplosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden fest, erfolgt deren Auswahl. Hier ist Sorgfalt gefragt. Es sollten nur Maschinen und Komponenten zum Einsatz kommen, die für den Staubexplosionsschutz entwickelt wurden und die entsprechende Betriebsmittelkennzeichnung tragen. Wenn ein Betriebsmittel in einer explosionsfähigen Atmosphäre betrieben werden soll, darf seine maximale Temperatur weder die Zündtemperatur der Staubwolke noch die der Staubschicht erreichen. Dabei müssen gewisse Sicherheitsfaktoren beachtet werden.

Die Eignung von Geräten für die verschiedenen explosionsfähigen Bereiche (z.B. Gas oder Staub) wird in der Norm durch Gruppen festgelegt. Die Gruppe III steht für Geräte, die für Bereiche bestimmt sind, in denen mit explosionsfähiger Staubatmosphäre zu rechnen ist. Verschiedene Staubarten stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Geräte. Somit ist eine weitere Unterteilung vorgesehen:

// IIIA: brennbare Flusen

// IIIB: nicht leitfähige Stäube

// IIIC: leitfähige Stäube

Die Geräte können somit den verschiedenen Staubarten mit ihren unterschiedlichen Anforderungen zugeordnet werden.
Letzten Endes entscheidet jedoch die Produktqualität über die tatsächliche Schutzfunktion. Langjährig erfahrene Explosionsschutzexperten wie R. Stahl bieten neben einem vollständig zertifizierten Produktprogramm auch eine umfassende Beratung und Schulungen zum Thema.

Foto: ©panthermedia.net|Aloysius Patrimonio

Stichwörter:
Produktionsprozesse, Nutzstaub, Abfallstaub, staubförmige Substanzen, Explosionsgefahr, Staubexplosion, Mehlstaub, brennbarer Staub, Zündquellen, Staubexplosionsschutzmaßnahme, explosionsfähige Atmosphäre, konstruktiver Explosionsschutz, explosionsfeste Bauweisen, Explosionsdruckentlastungen, Explosionsunterdrückungen, Explosionssperren, Zone 21, Staub-Luft-Gemisch, Betriebsmittelkennzeichnung,

C&M 5 / 2012

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 5 / 2012.
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