Welche Explosionsschutzkonzepte (druckstoßfeste Bauweise, Inertisierung, Entkopplung) sind bei Staubexplosionsrisiken üblich?
Bei Staubexplosionsrisiken werden vorbeugende und konstruktive Schutzmaßnahmen kombiniert. Zunächst sollen gefährliche explosionsfähige Staubatmosphären und wirksame Zündquellen vermieden werden. Ist dies nicht mit ausreichender Sicherheit möglich, begrenzen konstruktive Maßnahmen die Auswirkungen einer möglichen Explosion auf ein vertretbares Maß. Die TRGS 724 nennt dafür vier grundlegende Maßnahmen: explosionsfeste Bauweise, Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung sowie explosionstechnische Entkopplung von Flammen und Druck.
Die Wahl des Schutzkonzepts hängt von den sicherheitstechnischen Stoffdaten, der Apparategröße, den angeschlossenen Rohrleitungen, dem Aufstellort, dem Betriebskonzept und den möglichen Folgen eines Ereignisses ab. Relevante Daten sind insbesondere KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen, Korngröße, Feuchte, elektrische Leitfähigkeit sowie gegebenenfalls Daten zu Hybridgemischen.
Explosionsfeste Bauweise
Explosionsfeste Apparate, beispielsweise Mischer, Filter, Silos, Zyklone, Trockner oder Rohrleitungen, werden so ausgelegt, dass sie einer erwarteten inneren Explosion ohne Aufreißen standhalten. Nach einem Explosions- oder Detonationsereignis müssen betroffene Anlagenteile daraufhin überprüft werden, ob ihre Explosionsfestigkeit weiterhin gegeben ist.
Dabei wird zwischen explosionsdruckfester und explosionsdruckstoßfester Bauweise unterschieden. Explosionsdruckfeste Komponenten halten den maximalen oder reduzierten Explosionsdruck ohne bleibende Verformung aus. Explosionsdruckstoßfeste Komponenten dürfen sich plastisch verformen, dürfen jedoch nicht bersten oder gefährlich lecken. Eine explosionsdruckfeste Bauweise erfüllt zugleich die Anforderungen einer explosionsdruckstoßfesten Bauweise.
Die Auslegung kann auf den maximalen Explosionsdruck oder – wenn eine wirksame Druckentlastung oder Explosionsunterdrückung vorgesehen ist – auf den reduzierten Explosionsdruck pred erfolgen. Allgemeine Werte wie „8 bis 10 bar“ sind keine Auslegungsgrundlage für einen konkreten Apparat. Sie können je nach Staub, Hybridgemisch, Anfangsdruck, Temperatur und Geometrie erheblich abweichen. Erforderlich ist eine projektspezifische Auslegung anhand geprüfter Stoffdaten und anerkannter Regeln.
Inertisierung
Bei der Inertisierung wird der Sauerstoffgehalt im Prozessraum durch ein geeignetes Inertgas reduziert oder die Atmosphäre weitgehend durch Inertgas ersetzt. Dadurch soll eine Explosion oder ein Brand nicht entstehen oder sich nicht entwickeln können. Inertisierung ist damit eine vorbeugende und keine konstruktive Explosionsschutzmaßnahme.
Stickstoff wird häufig für organische Stäube und viele chemische Pulver eingesetzt. Kohlendioxid oder Argon können in bestimmten Fällen geeignet sein. Die Auswahl setzt jedoch eine Bewertung der chemischen Reaktivität, der Prozesstemperatur, möglicher Korrosion, Produktqualität, Arbeitsschutzanforderungen und des Stoffverhaltens bei Störungen voraus. Für reaktive Metallpulver kann ein ungeeignetes Inertgas selbst zusätzliche Risiken verursachen.
Der zulässige Sauerstoffwert muss unterhalb der für das konkrete Staub-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen. Er wird mit Sicherheitsabstand festgelegt und berücksichtigt Messunsicherheit, Leckagen, Druck- und Temperaturschwankungen, Feuchte, Produktwechsel und mögliche Sauerstofffreisetzung. Allgemeine Zielwerte für den Restsauerstoff sind nicht ausreichend.
Typische Verfahren sind die Vakuum-Druckwechselinertisierung bei Chargenprozessen, die Spül- oder Durchflussinertisierung bei kontinuierlichen Anlagen sowie die Überlagerung mit leichtem Inertgasüberdruck. Eine sichere Umsetzung erfordert eine ausreichend dichte Anlage, geeignete Inertgasversorgung, repräsentative Sauerstoffmessung, Alarmgrenzen, Verriegelungen und ein Konzept für Störungen oder Energieausfall.
Entkopplung und Folgeschutz
Die explosionstechnische Entkopplung verhindert, dass Druck, Flammen oder brennende Partikel über Rohrleitungen und Förderwege auf andere Anlagenteile übergreifen. Sie ist besonders wichtig an Schnittstellen zwischen Mischer, Filter, Silo, Zyklon, Förderer, Trockner und Abfüllung. Ohne eine geeignete Entkopplung kann eine Explosion in einem kleinen Apparatevolumen auf größere angeschlossene Anlagenbereiche übergehen.
Als Entkopplung kommen beispielsweise explosionsschutztechnisch geeignete Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Explosionsschutzventile, Löschmittelsperren oder zertifizierte Zellenradschleusen infrage. Die einzelne Maßnahme muss zur Staubexplosionsklasse, Rohrleitungsgeometrie, Fließrichtung, Durchsatz, Druckverhältnissen und Einbauposition passen. Eine Zellenradschleuse ist nur dann als Entkopplung wirksam, wenn sie ausdrücklich für diese Schutzfunktion ausgelegt, geeignet installiert und regelmäßig geprüft ist.
Druckentlastung und Explosionsunterdrückung ergänzen die genannten Konzepte. Bei der Druckentlastung öffnen Berstscheiben oder Entlastungsklappen, sodass Druck und Flammen in einen sicheren Bereich abgeführt werden. Ist eine Entlastung ins Freie nicht möglich, können flammenlose Entlastungssysteme oder Unterdrückungsanlagen erforderlich sein. Explosionsunterdrückungssysteme erkennen den Beginn eines Ereignisses und bringen Löschmittel ein, um den Druckanstieg zu begrenzen. Beide Verfahren benötigen eine abgestimmte Auslegung, Prüfung und Wartung.
So unterstützt amixon® den Explosionsschutz bei staubexplosiven Pulvern
ATEX-gerechte Auslegung des Produktraums
Bei staubexplosiven Pulvern ist das Innere eines Mischers, Granulators, Trockners oder Reaktors häufig als Zone 20 eingestuft. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die endgültige Zoneneinteilung der Gesamtanlage wird jedoch vom Betreiber im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung festgelegt. Sie umfasst neben dem Mischer auch Dosierung, Befüllung, Austrag, Filter, Förderleitungen, Silos, Abfüllung und den Aufstellraum.
amixon® kann Mischer, Granulatoren, Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren für Anwendungen mit einem als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Dies betrifft – abhängig von Baureihe, Baugröße und Projektkonfiguration – Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer sowie Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren der Baureihen VMT und AMT. Die konkrete Apparateausführung, Gerätekategorie, zulässige Oberflächentemperatur, elektrische und nicht elektrische Ausrüstung sowie erforderliche Dokumentation werden auf Basis der Stoffdaten und Prozessbedingungen projektspezifisch festgelegt.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU regelt Anforderungen an Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet Betreiber zu Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung und Explosionsschutzdokument. Für einen als Zone 20 eingestuften Produktraum ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das regelmäßig einer Ausführung der Kategorie 1D entspricht.
Zündquellen und Dichtheit
Niedrige Werkzeuggeschwindigkeiten können die mechanische Energieeintragung sowie Reib-, Prall- und Abriebenergie begrenzen. Für die Vertikalmischer VM und HM nennt amixon® einen einstellbaren Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Diese Betriebsweise kann bei empfindlichen Pulvern zusätzlich die Partikelbeanspruchung reduzieren. Sie ist jedoch kein allgemeiner Nachweis dafür, dass im Mischer keine wirksame Zündquelle auftreten kann. Auch bei niedrigen Drehzahlen müssen unter anderem Lager, Dichtungen, Wellen, Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladungen und elektrische Komponenten bewertet werden.
Mischräume und Mischwerkzeuge können fugenarm ausgeführt und verschliffen werden. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums konzipiert. Diese Merkmale können Staubaustritte und Ablagerungen verringern. Die tatsächliche Dichtheit wird jedoch auch durch Druckdifferenzen, Dichtungswerkstoff, Verschleiß, Montage, Wartung und die konkrete Prozessführung bestimmt. Eine staubdichte Bauweise reduziert das Risiko von Staubablagerungen, ersetzt aber weder ein wirksames Reinigungskonzept noch die Bewertung möglicher Sekundärexplosionen.
Für ein ATEX-konformes Gesamtkonzept können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, geeignete Lager- und Dichtungskonzepte, Fremdkörpermanagement, Erdung, Potentialausgleich und vorbeugende Instandhaltung erforderlich sein. Bei Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen der Mindestzündtemperatur der Staubschicht und der Oberflächentemperatur, sofern die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung zulässt.
Druckauslegung und Entkopplung
Die Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Diese Eigenschaften sind für Prozesse unter Vakuum, Überdruck oder Inertgasatmosphäre erforderlich. Sie bedeuten jedoch nicht automatisch, dass ein Apparat explosionsdruckfest oder explosionsdruckstoßfest ausgelegt ist. Eine entsprechende Auslegung muss ausdrücklich spezifiziert werden und beruht auf sicherheitstechnischen Stoffdaten wie KSt, pmax, Mindestzündenergie, Zündtemperaturen, Feuchte, Korngröße und möglichen Hybridgemischen.
Eine explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Konstruktion kann Teil eines konstruktiven Explosionsschutzkonzepts sein. Sie wird je nach Schutzstrategie auf den maximalen oder auf einen durch Druckentlastung beziehungsweise Unterdrückung reduzierten Explosionsdruck ausgelegt. Nach einem Ereignis müssen betroffene Bauteile auf ihre weitere Integrität und Einsatzfähigkeit geprüft werden.
Explosionstechnische Entkopplung ist erforderlich, wenn Druck, Flammen oder brennende Partikel über Verbindungsleitungen auf andere Anlagenteile übergreifen könnten. Dies betrifft insbesondere die Schnittstellen zwischen Mischer, Filter, Silo, Trockner, Förderer und Abfüllanlage. Geeignete Maßnahmen können explosionsschutztechnisch geprüfte Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Explosionsschutzventile, Löschmittelsperren oder geeignete Zellenradschleusen sein. Die Auswahl und Auslegung erfolgen für den konkreten Prozesszug, die Staubexplosionsklasse, die Rohrleitungsgeometrie, den Durchsatz und die Druckverhältnisse.
Inertisierung als vorbeugende Maßnahme
Inertisierung kann als vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme eingesetzt werden. Dabei wird der Sauerstoffgehalt im Prozessraum durch ein geeignetes Inertgas auf einen sicheren Wert unterhalb der für das konkrete Staub-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration reduziert. In Vakuumapparaten kann die Atmosphäre beispielsweise durch wiederholtes Evakuieren und anschließendes Fluten mit einem geeigneten Inertgas eingestellt werden. amixon® beschreibt dieses Prinzip für Vakuum-Mischtrockner und Synthesereaktoren.
Voraussetzung sind eine ausreichend dichte Anlage, eine geeignete Inertgasversorgung, definierte Evakuierungs- und Spülsequenzen, repräsentative Sauerstoffmessung, Alarmgrenzen und sicherheitsgerichtete Verriegelungen. Der zulässige Sauerstoff-Sollwert muss für die konkrete Rezeptur, das Inertgas, Druck, Temperatur, Feuchte und Messunsicherheit definiert werden. Allgemeine Sauerstoff-Sollwerte sind nicht ausreichend.
Die Inertisierung reduziert die Wahrscheinlichkeit einer explosionsfähigen Atmosphäre, ersetzt aber nicht alle weiteren Schutzmaßnahmen. Sie schützt nicht automatisch gegen Selbstentzündung, thermische Zersetzung, exotherme Reaktionen oder mögliche Brände in Ablagerungen. Bei oxidierenden Bestandteilen und reaktiven Pulvern ist die Eignung des Inertgases sowie die Wirkung der Inertisierung besonders sorgfältig zu prüfen.
Erprobung und Auslegung
Die Auslegung folgt den sicherheitstechnischen Stoffdaten, der User Requirement Specification des Betreibers und der Betrachtung des gesamten Anlagenverbunds. Versuche mit Originalprodukt können die verfahrenstechnische Eignung bewerten, beispielsweise Mischqualität, Temperaturentwicklung, Flüssigkeitsverteilung, Anbackungen, Austrag, Reinigbarkeit und Verhalten unter Vakuum. Sie ersetzen jedoch nicht die sicherheitstechnische Stoffprüfung, die Auslegung von Druckentlastung, Unterdrückung oder Entkopplung sowie die Gefährdungsbeurteilung durch qualifizierte Explosionsschutzfachleute.
amixon® gibt an, am Standort Paderborn mehr als 30 Testanlagen unterschiedlicher Baugrößen zu betreiben; ergänzende Technika stehen in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA zur Verfügung. Die Versuchsergebnisse können die Auswahl von Mischer, Werkzeugen, Dichtungen, Wärmeübertragung, Dosierkonzept und Prozessführung unterstützen.