Welche ATEX-Anforderungen gelten für Mischprozesse mit staubexplosiven Pulvern (Zone 20/21) und wie setzt man diese praxisnah um?
Bei Mischprozessen mit brennbaren Pulvern gelten in der Europäischen Union insbesondere die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG für Betreiber sowie die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU für Geräte und Schutzsysteme. Die praktische Umsetzung beginnt mit einer Gefährdungsbeurteilung und einem Explosionsschutzdokument. Darin werden die Staubeigenschaften, mögliche Freisetzungsstellen, Zoneneinteilung, Zündquellen und Schutzmaßnahmen für die gesamte Anlage festgelegt – also nicht nur für den Mischer, sondern auch für Dosierer, Silos, Filter, Förderer, Rohrleitungen, Austrag und Abfüllung.
Eine ATEX-konforme Auslegung lässt sich nicht allein aus der Bezeichnung eines Pulvers ableiten. Dass ein Pulver organisch oder sehr fein ist, bedeutet nicht automatisch, dass es staubexplosionsfähig ist; umgekehrt können auch anorganische Stoffe oder Stoffgemische eine entsprechende Gefährdung aufweisen. Grundlage sind repräsentative sicherheitstechnische Untersuchungen des konkreten Produkts, einschließlich möglicher Schwankungen bei Korngröße, Feuchte, Lösemittelgehalt und Rezeptur.
Zonen und Geräteauswahl
Bei brennbaren Stäuben werden die Bereiche nach der Häufigkeit und Dauer des Auftretens einer gefährlichen explosionsfähigen Staubatmosphäre eingeteilt. Zone 20 bezeichnet Bereiche, in denen eine explosionsfähige Staubwolke ständig, über lange Zeit oder häufig vorhanden ist. In Mischprozessen betrifft dies typischerweise das Innere geschlossener Behälter, Rohrleitungen, Filter oder Silos. Zone 21 bezeichnet Bereiche, in denen eine gefährliche Staubatmosphäre im Normalbetrieb gelegentlich auftreten kann, beispielsweise im Inneren bestimmter Apparate oder im unmittelbaren Bereich von Entnahme-, Befüll- und Austragsstellen. Zone 22 liegt vor, wenn eine gefährliche Staubatmosphäre im Normalbetrieb nicht oder nur kurzzeitig auftritt, etwa in weiter entfernten Bereichen bei seltenen Staubemissionen. Die genaue Zonengrenze ergibt sich aus der tatsächlichen Staubfreisetzung, Absaugung, Reinigung und Raumsituation – nicht aus pauschalen Entfernungswerten.
Für Zone 20 ist in der Regel Gerät der Kategorie 1D erforderlich. In Zone 21 dürfen Geräte der Kategorien 1D oder 2D verwendet werden; in Zone 22 sind Geräte der Kategorien 1D, 2D oder 3D zulässig. Die Kennzeichnung muss zur Staubatmosphäre, Temperaturklasse beziehungsweise zulässigen Oberflächentemperatur, Gerätegruppe und Zone passen. Dabei sind nicht nur elektrische Komponenten relevant. Auch nicht elektrische Einrichtungen wie Mischerwellen, Lager, Dichtungen, Klappen, Förderer, Kupplungen, Bremsen und Werkzeuge müssen hinsichtlich möglicher mechanischer Zündquellen bewertet werden.
Stoffdaten und Zündquellen
Die sicherheitstechnischen Kenndaten des tatsächlich verarbeiteten Pulvers bilden die Grundlage der Auslegung. Dazu gehören insbesondere KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur der Staubwolke, Mindestzündtemperatur einer Staubschicht, Korngrößenverteilung, Feuchte, elektrische Leitfähigkeit und – bei lösemittelhaltigen Rezepturen – die Eigenschaften möglicher Dampf-Staub-Hybridgemische. Die untere Explosionsgrenze kann ergänzend relevant sein, ist bei Stäuben jedoch in der betrieblichen Praxis oft schwieriger als verlässliche Steuergröße zu nutzen als die übrigen Kenndaten.
Die wichtigste Schutzstufe ist die Vermeidung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären und wirksamer Zündquellen. Im Mischer sind insbesondere heiße Oberflächen, Reibung und Überhitzung von Lagern oder Dichtungen, mechanische Schlagfunken durch Fremdkörper, blockierende Werkzeuge, elektrische Betriebsmittel und elektrostatische Entladungen zu bewerten. In Zone 20 dürfen selbst bei seltenen Betriebsstörungen keine Reib-, Schlag- oder Abriebvorgänge auftreten, die zu einer wirksamen Zündquelle führen können. Die TRGS 723 nennt außerdem für Staubschichten grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen Mindestzündtemperatur der Staubschicht und der Oberflächentemperatur, sofern die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung trifft.
Praxismaßnahmen sind temperaturüberwachte Lager und Dichtungen, Drehzahl- und Drehmomentüberwachung, Schutz gegen Blockieren, geeignete Fremdkörperabscheidung, vorbeugende Instandhaltung sowie eine sichere Erdung und ein durchgängiger Potentialausgleich. Leitfähige oder ableitfähige Anlagenteile, flexible Verbindungen, Filtermedien, Gebinde und Bedienpersonen müssen in das elektrostatische Schutzkonzept einbezogen werden. Ein einzelner Widerstandsgrenzwert wie 106 Ω ist jedoch nicht für jede Komponente und jede Erdungsfunktion uneingeschränkt anwendbar; die Anforderungen ergeben sich aus Werkstoff, Bauteilfunktion und dem konkreten Explosionsschutzkonzept.
Bei besonders empfindlichen Stoffen oder wenn Zündquellen nicht ausreichend sicher vermieden werden können, kann die Inertisierung des Mischraums eine geeignete Maßnahme sein. Dabei wird der Sauerstoffanteil mit Stickstoff oder einem anderen geeigneten Inertgas unterhalb einer stoff- und prozessspezifisch bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration gehalten. Eine Mindestzündenergie von unter 10 mJ ist kein allgemeingültiger Schwellenwert, ab dem Inertisierung zwingend erforderlich wäre. Ob sie notwendig ist, ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung, den Stoffdaten und der technischen Machbarkeit.
Konstruktiver Schutz
Wenn sich eine Explosion nicht mit ausreichender Sicherheit verhindern lässt, müssen ihre Auswirkungen begrenzt werden. Mögliche Maßnahmen sind explosionsfeste oder explosionsdruckstoßfeste Apparate, Explosionsdruckentlastung, flammenlose Druckentlastung, Explosionsunterdrückung und explosionstechnische Entkopplung. Die Schutzmethode muss zur Explosionsstärke, zum Behältervolumen, zur Innen- oder Außenaufstellung, zum Standort und zur angeschlossenen Anlagentechnik passen.
Berstscheiben oder Explosionsklappen können einen Druck in einen sicheren Bereich ableiten. Sie benötigen eine korrekt dimensionierte Entlastungsfläche und einen sicheren Abblasebereich. Für innen aufgestellte Anlagen kann eine direkte Druckentlastung ins Freie oder – wenn dies nicht möglich ist – ein geeignetes flammenloses Entlastungssystem erforderlich sein. Entlastungssysteme müssen nach anerkannten Regeln ausgelegt werden; EN 14491 enthält grundlegende Anforderungen an die Auswahl und Auslegung von Schutzsystemen zur Explosionsdruckentlastung bei Staubexplosionen.
Die Entkopplung ist erforderlich, wenn eine Explosion über Rohrleitungen auf Filter, Silos, Förderstrecken oder andere Apparate übergreifen könnte. Infrage kommen beispielsweise geeignete explosionsschutztechnisch geprüfte Zellenradschleusen, Rückschlagklappen, Explosionsschutzventile, Schnellschlussschieber oder Löschmittelsperren. Eine Zellenradschleuse verhindert eine Flammen- oder Druckübertragung nur dann, wenn sie ausdrücklich für diese Funktion geeignet, richtig dimensioniert, installiert, überwacht und betrieben wird. Die bloße Verwendung einer beliebigen Zellenradschleuse ist keine ausreichende Entkopplungsmaßnahme.
Betrieb und Dokumentation
Das Explosionsschutzdokument muss vor Aufnahme der Arbeit erstellt und bei Änderungen fortgeschrieben werden. Es dokumentiert unter anderem die Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung, Stoffdaten, ausgewählten Geräte und Schutzsysteme, Zündquellenbewertung, organisatorische Maßnahmen, Prüfungen und Wartungsanforderungen. Rezepturänderungen, neue Rohstoffquellen, abweichende Korngrößen, veränderte Feuchte, neue Lösemittel oder Umbauten können die Explosionseigenschaften und damit die Schutzstrategie verändern.
Ein praxistaugliches Konzept umfasst geschlossene und staubdichte Übergaben, eine wirksame Absaugung, ATEX-konform ausgelegte Filter, regelmäßige Beseitigung von Staubablagerungen und dokumentierte Inspektionen. Staubschichten dürfen nicht durch einen pauschalen Grenzwert wie „1 mm“ bewertet werden; bereits geringe Ablagerungen können abhängig von Fläche, Staubeigenschaften und möglicher Aufwirbelung eine Sekundärexplosion begünstigen. Reinigungsintervalle und zulässige Ablagerungsmengen müssen daher risikobasiert festgelegt werden.
Ergänzend sind Unterweisungen, Freigabeverfahren für Heißarbeiten, Regeln für mobile Geräte, Prüfung von Erdungsverbindungen und ein kontrolliertes Änderungsmanagement erforderlich. Druckentlastungseinrichtungen, Unterdrückungs- und Entkopplungssysteme sowie Temperatur-, Druck- und Drehzahlüberwachungen müssen nach den vorgesehenen Prüffristen durch befähigte Personen oder Fachstellen inspiziert und funktionsfähig gehalten werden.
So unterstützt amixon® den Explosionsschutz bei staubexplosiven Pulvern
ATEX-gerechte Apparateausführung
Bei Mischprozessen mit brennbaren Stäuben ist das Innere eines Mischers häufig als Zone 20 einzustufen. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die endgültige Zoneneinteilung der Gesamtanlage ist jedoch Bestandteil der Gefährdungsbeurteilung und liegt in der Verantwortung des Betreibers. Sie umfasst neben dem Mischer auch Dosierung, Befüllung, Austrag, Filter, Förderleitungen, Silos und den Aufstellbereich.
amixon® kann seine Mischer, Mischtrockner und Reaktoren für Anwendungen mit einem als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Dies betrifft – je nach gewählter Baureihe und Konfiguration – beispielsweise Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer, Vakuum-Mischtrockner, Mischreaktoren. Die konkrete ATEX-Kategorie, Gerätegruppe, Temperaturklasse beziehungsweise maximal zulässige Oberflächentemperatur, elektrische und nicht elektrische Ausrüstung sowie die erforderliche Dokumentation müssen für jedes Projekt anhand der Stoffdaten und Prozessbedingungen festgelegt werden.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU betrifft Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet den Betreiber zur Gefährdungsbeurteilung, zur Zoneneinteilung, zum Explosionsschutzdokument sowie zur Auswahl und Prüfung geeigneter Betriebsmittel. Für den Mischerinnenraum in Zone 20 ist grundsätzlich eine Ausführung mit dem sehr hohen Schutzniveau der Kategorie 1D erforderlich.
Zündquellen minimieren
Die Mischintensität und Umfangsgeschwindigkeit sind relevante Einflussgrößen für die Bewertung mechanischer Zündquellen. Viele amixon® Vertikalmischer können mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden; für VM- und HM-Mischer nennt amixon® einen einstellbaren Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Eine niedrige Werkzeuggeschwindigkeit kann Reibungs-, Prall- und Abriebenergie reduzieren und zugleich die Partikelstruktur schonen. Sie stellt jedoch keinen vollständigen Nachweis dar, dass keine wirksame Zündquelle auftreten kann.
Die Zündquellenbewertung muss unter anderem Lager, Dichtungen, Werkzeuge, Wellen, mögliche Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladung, elektrische Komponenten und Wartungszustände einschließen. Geeignete Schutzmaßnahmen können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, kontrollierte Drehzahlen, Fremdkörperabscheidung, geeignete Dichtungskonzepte, Potentialausgleich, Erdung und vorbeugende Instandhaltung umfassen. Insbesondere in Zone 20 dürfen auch bei seltenen Störungen keine wirksamen Zündquellen entstehen.
Dichtheit und konstruktiver Schutz
Fugenarm ausgeführte, verschliffene Mischräume und geeignete Inspektions- sowie Dichtungssysteme können die Staubdichtheit und Reinigbarkeit unterstützen. Clever-Cut®-Türen mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Ob eine Anlage dauerhaft staubdicht bleibt, hängt jedoch auch von Druckdifferenzen, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Einbau, Wartung und der tatsächlichen Prozessführung ab.
Staubdichte Prozessführung kann Staubaustritte und Ablagerungen im Aufstellraum verringern. Sie ersetzt jedoch kein Reinigungs- und Instandhaltungskonzept: Auch geringe Leckagen oder Produktverluste können zu ablagerungsfähigem Staub führen. Die Vermeidung von Sekundärexplosionen erfordert daher geschlossene Übergaben, wirksame Absaugung, geeignete Filtertechnik, risikobasierte Reinigung und die regelmäßige Kontrolle kritischer Bereiche.
Für Mischtrockner und Reaktoren der Baureihen VMT und AMT sind gas-, vakuum- und druckdichte Ausführungen möglich. Die Apparate können für Temperatur-, Druck- und Vakuumprozesse konstruiert werden. Die mögliche Vakuumhöhe, zulässige Druckstufe und die Frage, ob ein Behälter explosionsdruckfest oder explosionsdruckstoßfest ausgeführt werden muss, sind projektspezifisch festzulegen. Die Auslegung erfordert insbesondere pmax, KSt, Mindestzündenergie, Temperaturdaten, Produktfeuchte, mögliche Lösemitteldämpfe und die Bewertung von Hybridgemischen. Eine Druck- oder Vakuumfestigkeit allein ist nicht gleichbedeutend mit einer explosionsfesten Auslegung nach DIN EN 14460.
Inertisierung und Prozesskette
Inertisierung kann als vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme eingesetzt werden. Dabei wird der Sauerstoffgehalt des Prozessraums durch geeignete Inertgase, beispielsweise Stickstoff, unter einen für das jeweilige Stoffsystem festgelegten sicheren Wert abgesenkt. Bei Vakuum-Mischtrocknern oder Reaktoren kann dies durch wiederholtes Evakuieren und Fluten mit Inertgas erfolgen. amixon® beschreibt dieses Prinzip für seine Misch- und Vakuumtrocknungsapparate.
Eine Inertisierung ist nur wirksam, wenn der Apparatraum ausreichend dicht ist, die Inertisierungssequenz definiert wurde, Sauerstoffmessung und Sicherheitsverriegelungen vorhanden sind und der zulässige Sauerstoffwert mit Sicherheitsabstand unterhalb der stoff- und prozessspezifischen Sauerstoffgrenzkonzentration liegt. Das Inertisieren ersetzt nicht automatisch weitere Explosionsschutzmaßnahmen für angeschlossene Filter, Kondensatoren, Förderer oder Austragsstellen.
Geschlossene Prozessketten können die Zahl offener Übergaben und damit mögliche Staubfreisetzungen reduzieren. Dennoch müssen Dosierung, Beschickung, Probenahme, Entleerung, Filterung, Reinigung und Wartung separat in das Zonenkonzept einbezogen werden. Ob ein Prozessschritt wie Mischen, Granulieren und Trocknen sinnvoll im gleichen Apparat kombiniert wird, richtet sich nach Produkt, Rezeptur, Prozessziel und Sicherheitsbewertung.
Auslegung und Erprobung
Die projektspezifische Auslegung beginnt mit den sicherheitstechnischen Stoffdaten und der User Requirement Specification des Betreibers. Dazu gehören mindestens KSt, pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperatur von Staubwolke und Staubschicht, elektrische Leitfähigkeit, Feuchte, Korngröße sowie bei flüchtigen Stoffen die Daten möglicher Dampf-Staub-Hybridgemische. Auf dieser Grundlage werden Zonenkonzept, Gerätekategorie, Temperaturgrenzen, Erdungskonzept, Dichtheit, Inertisierung, Druckentlastung, Unterdrückung oder Entkopplung festgelegt.
Versuche mit Originalprodukt können anschließend Mischverhalten, Temperatureintrag, mögliche Anbackungen, Produktabrieb, Entleerung und Reinigbarkeit bewerten. Sie ersetzen jedoch keine normgerechte sicherheitstechnische Prüfung oder die Gefährdungsbeurteilung durch qualifizierte Fachleute. Die Ergebnisse können die verfahrenstechnische Auslegung unterstützen und die Auswahl geeigneter Misch- oder Trocknerbaureihen absichern.