Explosionsschutz: Risikofaktor Staub
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 den Gefahren einer möglichen Staubexplosion nicht bewusst - ein Grund sich näher mit dem Thema zu beschäftigen.
1. Definition
Genau wie bei brennbaren Flüssigkeiten und daraus entstehenden explosionsfähigen Gas-Luft-Gemischen müssen auch bei brennbaren Stäuben bestimmte Voraussetzungen geschaffen sein, dass ein Staub-Luft-Gemisch durch eine geeignete Zündquelle entzündet und dadurch eine Explosion ausgelöst wird. Fehlt auch nur eine der Komponenten: brennbarer Staub, Luft oder Zündquelle, kann keine Explosion entstehen.
2. Unterschied zu Gasexplosionen
Im Vergleich zu Gasexplosionen zeigen aber Staubexplosionen einen unterschiedlichen Verlauf, der unter Umständen weitaus verheerendere Folgen hat. Kommt es zur Zündung eines Gas-Luft- Gemisches, so sorgt der entstehende Explosionsdruck für eine rasche Ausbreitung der Gaswolke und somit letztendlich zur Verdünnung des Gas-Luft-Gemisches unter die zur weiteren Verbrennung notwendigen Konzentration. Wird kein weiteres Gas zugeführt, ist die Explosion nach einigen Millisekunden dadurch beendet.
Anders bei brennbaren Stäuben: Wird beispielsweise lokal durch Luftzug eine Staubschicht aufgewirbelt bildet diese mit Sauerstoff ein brennbares Staub-Luft-Gemisch. Wird dieses Gemisch durch eine Zündquelle entzündet, kommt es zur Auslösung einer Explosion. Durch die entstehende Druckwelle werden weitere Staubschichten aufgewirbelt, die wiederum entzündet werden. Dieser Vorgang setzt sich weiter fort und in ungünstigen Fällen bewegen sich derartige »Kettenreaktionen« durch die gesamten Gebäudeoder Anlagenteile und zerstören diese.
Genau wie bei Gasen kommen auch bei Stäuben verschiedenartige Zündquellen wie beispielsweise elektrisch oder mechanisch erzeugte Funken, Lichtbögen, offene Flammen, elektrostatische Entladungen, elektromagnetische Wellen und andere in Frage.
3. Statistik
Abb. 2 zeigt das Ergebnis statistischer Erhebungen in Nordamerika bezüglich der Verteilung der verursachenden Zündquellen an untersuchten Staubexplosionen. Man erkennt, dass die mechanisch erzeugten Funken in fast einem Drittel der Fälle für Explosionen verantwortlich waren. Rechnet man dazu noch die 13 % Entzündungen durch offenes Feuer und Schweißvorgängen hinzu, wird offensichtlich, dass man sich sehr häufig der Gefahr von Staubexplosionen nicht bewusst ist. Abb. 3 veranschaulicht, dass von der Gefährdung durch Staubexplosionen viele unterschiedliche Industriezweige des lebensmittel- und holzverarbeitenden Gewerbes, der Papier- und Kunststoffherstellung, der Pharmazie und andere betroffen sind.
Bestätigt werden die oben genannten Ausführungen durch die deutschen Sachversicherer, die besagen, dass sich in der Bundesrepublik Deutschland durchschnittlich pro Tag eine Staubexplosion ereignet, von denen etwa jede vierte durch Nahrungs- oder Futtermittelstäube ausgelöst werden.
- Abb. 2
- Abb. 3
4. Vorbeugender (Primärer) Explosionsschutz durch Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre
Die Komplexität der Vorgänge, die zu einer Staubexplosion führen können, macht das Abschätzen der tatsächlichen Risiken beim Umgang mit explosionsfähigen Staub-Luft-Gemischen äußerst schwierig. Deshalb kommt dem vorbeugenden Explosionsschutz eine besondere Bedeutung zu. Hierunter versteht man, die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre (geA) zu verhindern oder einzuschränken. Das kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass die Konzentration des brennbaren Anteils auf Werte unterhalb der »Unteren Explosionsgrenze« reduziert wird, zum Beispiel durch Mischen mit nicht brennbaren Produkten. Eine weitere Möglichkeit ist die Freisetzung von brennbaren Substanzen zu unterbinden oder mindestens zu begrenzen. Beides kann durch sorgfältige und regelmäßige Reinigungsmaßnahmen und durch geeignete bauliche Maßnahmen wirksam unterstützt werden. Sollte die Freisetzung nicht zu verhindern sein, kann die umgebende Luft mit ihrem Sauerstoffanteil als Reaktionspartner durch ein nicht brennbares Gas (zum Beispiel Stickstoff) ersetzt werden (Inertisierung).
Die dabei entstehenden hohen Betriebskosten beschränken allerdings die Einsatzmöglichkeiten dieser Methode auf einige wenige Spezialanwendungen.
Sind alle diese Maßnahmen mit vertretbarem wirtschaftlichem Aufwand nicht sicherzustellen, stehen noch andere wirksame Möglichkeiten des Explosionsschutzes zur Verfügung.
5. Vorbeugender Explosionsschutz durch Vermeidung von Zündquellen
Durch diese Maßnahme wird die Zündung der gefährlichen, explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Das kann erreicht werden durch:
- die Analyse der möglichen Zündquellen
- die Festlegung des erforderlichen Umfangs an Schutzmaßnahmen
- die Verwendung geeigneter Betriebsmittel
Bei dieser Art des Schutzes werden also Zündschutzmaßnahmen ergriffen, mit denen man mögliche Zündquellen sicher ausschließen kann. Voraussetzung ist, dass der jeweilige Prozess hinreichend genau nach möglichen Zündquellen untersucht wird. Die Art der jeweiligen Schutzmaßnahmen und das erforderliche Sicherheitsniveau hängen von der jeweiligen Gefahrzone ab. Die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins einer explosionsfähigen Staubatmosphäre und die daraus hergeleitete Zoneneinteilung der gefährdeten Bereiche ist eine wichtige Vorgabe für die notwendigen Schutzmaßnahmen.
6. Konstruktiver Explosionsschutz
Durch den konstruktiven Explosionsschutz wird die Vermeidung gefährlicher Auswirkungen von Explosionen erreicht beziehungsweise die Auswirkung einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränkt. Dabei unterscheidet man:
- Explosionsfeste Bauweise, die eine Explosion auf das Innere von druck- oder druckstoßfesten Behältern beschränkt, das heißt aber auch, dass Nachfolgeeinrichtungen wie Rohre, Entkopplungsmaßnahmen, den gleichen Bedingungen genügen müssen. Explosionsdruckfest ist ein Behälter oder Apparat, der dem zu erwartenden Explosionsdruck – auch mehrfach – ohne bleibende Verformung standhält. Explosionsdruckstoßfeste Behälter oder Apparaturen sind so gebaut, dass sie dem zu erwartenden Explosionsdruck standhalten ohne aufzureißen; dabei dürfen jedoch bleibende Verformungen auftreten. Hier wird also eine höhere Ausnutzung der Materialfestigkeit zugestanden.
- Explosionsdruckentlastung (definierte Druckentlastung durch Berstscheiben, Entlastungsklappen usw.). Diese Maßnahme soll den Aufbau eines unzulässig hohen Explosionsdruckes im Inneren von Behältern durch die rechtzeitige Freigabe definierter Öffnungen verhindern. Sie ist eine nur mit den Auswirkungen der Explosion arbeitende Schutzmaßnahme, die ohne zusätzliche Steuerungseinrichtungen auskommt. Sobald der statische Ansprechdruck erreicht/ überschritten wird, beginnt ein Ausströmprozess aus der geschützten Apparatur in die Umgebung. Der mit der Explosionsdruckentlastung verbundene Ausströmprozess aus den Entlastungsöffnungen beinhaltet neben der Flamme und Druckwelle auch verbranntes und unverbranntes Produkt. Es ist immer zu prüfen, ob die Explosionsfolgen am vorgesehenen Standort beherrschbar sind.
- Explosionsunterdrückung: Dieses Verfahren kommt in der Regel in Behältern und Produktionseinrichtungen zum Einsatz, in denen mit einem Explosionsdruck gerechnet werden muss, der oberhalb der Explosionsdruckfestigkeit der betreffenden Anlage liegt. Es wird die anlaufende Explosion noch in der Entstehungsphase unterdrückt bevor ein gefährlicher Druckanstieg stattfindet. Hierzu wird nach der Explosionserkennung innerhalb von Sekundenbruchteilen ein Löschmitteleintrag im geschützten Bereich vorgenommen. Für die Explosionsunterdrückung (Löschmitteleintrag) ist ein rechtzeitiges Erkennen der Explosion erforderlich. Bei zunächst schwach verlaufenden Explosionen ist die Druckentwicklung für ein rechtzeitiges Erkennen nicht ausreichend. Zusatzmaßnahmen wie optische Flammenmelder oder zusätzliche Druckerkennung können notwendig werden.
- Explosionssperren (Verhinderung der Explosionsübertragung, explosionstechnische Anlagenentkopplung). Die explosionstechnische Entkopplung lässt die volle Ausbildung der Explosion zu, verhindert jedoch, dass die Explosion in andere ungeschützte Anlagenteile eindringt. Das wird erreicht, indem schlagartig mechanische Verschlüsse die Verbindungswegesperren oder eine chemische Löschmittelsperre aufgebaut werden.
