Welche Sicherheitsfunktionen sind beim Umgang mit staubexplosionsgefährdeten Pulvern verpflichtend?
Beim Umgang mit brennbaren Stäuben ist kein einheitlicher Katalog einzelner Funktionen für jede Anlage verpflichtend. Verpflichtend ist vielmehr ein dokumentiertes, risikobasiertes Explosionsschutzkonzept. Es muss die konkrete Rezeptur, Stoffdaten, Zoneneinteilung, Prozessführung, Zündquellen, Aufstellort und den gesamten Anlagenverbund berücksichtigen. Die Schutzmaßnahmen ergeben sich aus der Gefährdungsbeurteilung und dem Explosionsschutzdokument.
In Deutschland konkretisieren die TRGS 720 bis 724 die Vorgehensweise: gefährliche explosionsfähige Atmosphäre vermeiden oder begrenzen, wirksame Zündquellen vermeiden und – wenn erforderlich – Auswirkungen einer Explosion durch konstruktive Maßnahmen begrenzen.
Gefährdung vermeiden
Geschlossene und möglichst staubdichte Prozessführung, geeignete Absaugung, Filterung und risikobasierte Reinigung sind grundlegende Maßnahmen. Sie sollen verhindern, dass sich gefährliche Staubwolken oder großflächige Staubablagerungen bilden. Ein allgemeiner Grenzwert wie „ab 1 mm Staubschicht ist es kritisch“ ist fachlich nicht belastbar. Bereits dünne Ablagerungen können sich über große Flächen ansammeln und bei Aufwirbelung eine Sekundärexplosion ermöglichen; zulässige Ablagerungen und Reinigungsintervalle müssen daher aus der konkreten Gefährdungsbeurteilung abgeleitet werden.
Inertisierung ist erforderlich, wenn sie als wirksame Maßnahme im Schutzkonzept festgelegt wurde. Sie senkt den Sauerstoffgehalt durch ein geeignetes Inertgas unter eine produkt- und prozessspezifische Sauerstoffgrenzkonzentration. Dafür sind eine dichte Anlage, eine definierte Inertisierungssequenz, die erforderliche Sauerstoffmessung, Alarm- und Abschaltwerte sowie Sicherheitsverriegelungen notwendig. Nicht jede staubexplosionsgefährdete Anlage muss inertisiert werden; ob dies erforderlich ist, hängt von Stoffdaten, Prozess und alternativen Schutzmaßnahmen ab.
Die Konzentration brennbarer Stäube dauerhaft unterhalb einer unteren Explosionsgrenze zu halten, ist in der Praxis bei Pulverprozessen häufig kein verlässliches primäres Schutzkonzept. Staubkonzentrationen sind schwer kontinuierlich und repräsentativ zu erfassen; zudem können lokale Aufwirbelungen und Ablagerungen auftreten. Daher wird meist eine Kombination aus geschlossener Prozessführung, Staubminimierung, Zündquellenvermeidung und gegebenenfalls konstruktivem Schutz gewählt.
Zündquellen vermeiden
Wenn eine explosionsfähige Atmosphäre nicht sicher ausgeschlossen werden kann, sind alle potenziellen Zündquellen zu bewerten und zu beherrschen. Dies umfasst elektrische und nicht elektrische Geräte, heiße Oberflächen, Reibung, mechanische Funken, blockierte Antriebe, Lager- und Dichtungsüberhitzung, Fremdkörper, elektrostatische Entladungen, offene Flammen und heiße Arbeiten.
Die zwingend erforderlichen Funktionen ergeben sich dabei aus der Auslegung. Typische Maßnahmen sind temperaturüberwachte Lager und Dichtungen, Drehzahl- oder Drehmomentüberwachung, Begrenzung von Oberflächentemperaturen, geeignete Werkstoffpaarungen, Fremdkörperabscheider, kontrollierte Wartung sowie passende ATEX-Geräte für die festgelegte Zone. Erdung und Potentialausgleich aller relevanten leitfähigen Teile sind zentrale Bestandteile des Schutzkonzepts. Die Anforderungen gelten auch für Rohre, Filter, flexible Schläuche, Fässer, IBCs, FIBCs, Einfüllstationen und gegebenenfalls Bedienpersonen.
Ein pauschaler Ableitwiderstand von höchstens 106 Ω ist nicht für jede Komponente und jeden Anwendungsfall korrekt. Anforderungen an ableitfähige Materialien richten sich nach Bauteil, Werkstoff und Einsatzfall. Für FIBCs des Typs C nennt TRGS 727 beispielsweise einen Ableitwiderstand unter 107 Ω zum Erdungspunkt. FIBCs des Typs D benötigen keine Erdung, dürfen aber nur eingesetzt werden, wenn die Anforderungen für den vorgesehenen Einsatz erfüllt sind.
Funkenmelde- und Funkenlöschanlagen sind nicht allgemein vorgeschrieben. Sie können in pneumatischen Förderleitungen, Absaugstrecken, Holzbearbeitungsanlagen oder anderen Anwendungen erforderlich sein, wenn heiße Partikel oder Funken als relevante Gefahr identifiziert wurden. Ihre Notwendigkeit, Einbauposition und Sicherheitsfunktion müssen aus der Gefährdungsbeurteilung folgen.
Folgen begrenzen
Wenn explosionsfähige Atmosphäre und Zündquellen nicht ausreichend sicher vermieden werden können, müssen konstruktive Schutzmaßnahmen eingesetzt werden. Die TRGS 724 nennt explosionsfeste Bauweise, Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung und explosionstechnische Entkopplung als Maßnahmen, die Explosionsauswirkungen auf ein unbedenkliches Maß beschränken sollen.
Druckentlastung kann über geeignete Berstscheiben, Entlastungsklappen oder flammenlose Systeme erfolgen. Explosionsunterdrückung erfordert eine sehr schnelle Detektion und ein geeignetes Löschmittel. Explosionstechnische Entkopplung verhindert, dass Druck und Flammen über Rohrleitungen auf Filter, Silos, Förderer, Trockner oder andere Apparate übergehen. Geeignet sein können Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Löschmittelsperren, Explosionsschutzventile oder dafür geprüfte Zellenradschleusen.
Die richtige Maßnahme hängt von Stoffdaten wie KSt, pmax, Mindestzündenergie und Korngröße sowie von Apparatevolumen, Rohrleitungsgeometrie, Durchsatz, Innen- oder Außenaufstellung und möglicher Personengefährdung ab. Ein konstruktives Schutzsystem schützt nicht automatisch jede Person in jeder Umgebung; besonders bei Druckentlastung müssen Abblaserichtung, Flammenaustritt, Druckwelle, freigesetztes Produkt und sichere Bereiche berücksichtigt werden.
Organisation und Prüfung
Verpflichtend sind eine Gefährdungsbeurteilung und ein Explosionsschutzdokument, sofern gefährliche explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Das Dokument muss vor Aufnahme der Arbeit erstellt, aktuell gehalten und bei relevanten Änderungen angepasst werden. Es enthält unter anderem Stoffdaten, Zoneneinteilung, Schutzmaßnahmen, Geräteauswahl, Prüfungen, Betriebsgrenzen und organisatorische Regeln.
Mitarbeitende benötigen Betriebsanweisungen und Unterweisungen zu Ex-Zonen, Staubfreisetzung, Erdung, Reinigung, Störungsbeseitigung, Alarmen und Notfallmaßnahmen. Für Heißarbeiten, Schleifen, Schweißen oder den Einsatz nicht freigegebener Geräte in Ex-Bereichen müssen Freigabeverfahren gelten.
Die Explosionssicherheit muss vor der erstmaligen Inbetriebnahme und nach prüfpflichtigen Änderungen geprüft werden. Die Prüfung umfasst das Explosionsschutzdokument, die technischen Schutzmaßnahmen und organisatorischen Vorkehrungen sowie ihre Wechselwirkungen. Dazu zählen unter anderem Lüftung, Gaswarnung, Inertisierung, Geräte, Schutzsysteme sowie Sicherheits-, Kontroll- und Regelvorrichtungen.
Sicherheitsgerichtete Funktionen müssen über eine risikobasierte Auslegung verfügen. Ob hierfür SIL nach IEC 61511, Performance Level nach EN ISO 13849 oder ein anderes Verfahren gilt, richtet sich nach Art der Steuerung, der Sicherheitsfunktion und dem verwendeten Regelwerk. Ein bestimmtes SIL oder ein bestimmter Performance Level ist nicht pauschal für alle O₂-Messungen, Unterdrückungssysteme oder Funkenlöschanlagen verpflichtend.
So unterstützt amixon® die Sicherheit bei staubexplosionsgefährdeten Pulvern
ATEX-gerechte Auslegung des Produktraums
Bei staubexplosionsgefährdeten Pulvern ist das Innere eines Mischers, Granulators, Trockners oder Reaktors häufig als Zone 20 einzustufen. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die Zoneneinteilung der gesamten Anlage – einschließlich Dosierung, Beschickung, Austrag, Filter, Förderstrecken, Silos und Aufstellbereich – ist Teil der Gefährdungsbeurteilung und liegt beim Betreiber.
amixon® kann Mischer, Granulatoren, Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren für Anwendungen mit einem als Zone 20 eingestuften Produktraum ausführen. Dazu zählen, abhängig von Baureihe und Projektkonfiguration, Einwellenmischer, Vertikal- und Konusmischer, Containermischer, Kontinuierlichmischer sowie die Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren VMT und AMT. Für Zone 20 ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das regelmäßig einer Ausführung der Kategorie 1D entspricht. Die konkrete Konfiguration von Apparateraum, Antrieb, Sensorik, Dichtungen, Temperaturgrenzen und Dokumentation wird projektspezifisch festgelegt.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU betrifft Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet den Betreiber zur Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung, Erstellung und Pflege des Explosionsschutzdokuments sowie zur Prüfung der Anlage. amixon® kann die Unterlagen für den gelieferten Apparat bereitstellen; die Beurteilung und Freigabe der Gesamtanlage bleiben Betreiberaufgaben.
Zündquellen und Staubaustritte begrenzen
Niedrige Umfangsgeschwindigkeiten können die Reib-, Prall- und Abriebenergie im Mischgut begrenzen. Für VM- und HM-Vertikalmischer nennt amixon® einen einstellbaren Umfangsgeschwindigkeitsbereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Das kann bei empfindlichen Schüttgütern gleichzeitig die Partikelbeanspruchung reduzieren. Eine niedrige Drehzahl ist jedoch kein alleiniger Nachweis dafür, dass keine wirksame Zündquelle entsteht. Lager, Dichtungen, Wellen, mögliche Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, heiße Oberflächen, elektrostatische Aufladung und elektrische Einrichtungen müssen zusätzlich bewertet werden.
Geeignete Sicherheitsfunktionen können Temperaturüberwachung an Lagern und Dichtungen, Drehzahl- und Drehmomentüberwachung, Fremdkörpermanagement, kontrollierte Wartung, Erdung und Potentialausgleich umfassen. Welche Funktionen tatsächlich erforderlich sind und wie sie ausgelegt werden müssen, ergibt sich aus der Gefährdungsbeurteilung. Bei Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen Mindestzündtemperatur der Staubschicht und Oberflächentemperatur, sofern keine andere Festlegung begründet wird.
Fugenarm ausgeführte, verschliffene Produktbereiche und geeignete Dichtungssysteme können Staubaustritte begrenzen. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die tatsächliche Dichtheit ist jedoch von Dichtungswerkstoff, Druckdifferenzen, Verschleiß, Montage und Wartung abhängig. Eine dichte Apparateausführung ersetzt deshalb weder Absaugung, Reinigung und Instandhaltung noch die Bewertung möglicher Staubablagerungen und Sekundärexplosionen.
Inertisierung und Druckprozesse
Die Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Sie eignen sich damit für Prozesse, bei denen Mischen, Reagieren, Konditionieren oder Trocknen unter Vakuum, Überdruck oder Inertgasatmosphäre stattfinden soll. Druck- und Vakuumfestigkeit sind jedoch nicht gleichbedeutend mit einer explosionsdruckfesten oder explosionsdruckstoßfesten Auslegung. Diese muss ausdrücklich projektspezifisch vereinbart und anhand der sicherheitstechnischen Stoffdaten ausgelegt werden.
Inertisierung kann eine vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme sein. Bei Vakuumapparaten wird der Mischraum beispielsweise evakuiert und anschließend mit einem geeigneten Inertgas geflutet. Durch wiederholte Druckwechsel lässt sich die Sauerstoffkonzentration weiter absenken. Die Inertisierung setzt eine dichte Anlage, eine geeignete Inertgasversorgung, definierte Spülsequenzen, eine repräsentative Sauerstoffmessung, Alarm- und Abschaltwerte sowie Sicherheitsverriegelungen voraus. Der zulässige Sauerstoffwert muss mit Sicherheitsabstand unterhalb der für das jeweilige Produkt-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen.
Inertisierung verhindert nicht automatisch Selbstentzündung, thermische Zersetzung, Brand oder exotherme Reaktionen. Sie ist deshalb nur ein Baustein eines vollständigen Explosionsschutzkonzepts. Die passende Schutzstrategie kann zusätzlich explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Apparate, Druckentlastung, Explosionsunterdrückung und die Entkopplung angeschlossener Anlagenteile erfordern.
Technikum und Auslegung
Die projektspezifische Auslegung beginnt mit den sicherheitstechnischen Stoffdaten, beispielsweise KSt, pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen, Feuchte, Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und möglichen Hybridgemischen. Diese Daten bestimmen Zonenkonzept, zulässige Oberflächentemperaturen, Gerätekategorie, Dichtheitsanforderungen, Erdung, Inertisierung sowie mögliche konstruktive Schutzmaßnahmen.
amixon® bietet nach eigenen Angaben Prozessversuche mit Originalprodukt im Technikum an. Dabei können Mischqualität, Temperatureintrag, Flüssigkeitsverteilung, Anbackungen, Entleerung, Reinigbarkeit und Verhalten bei Vakuum oder Inertgas untersucht werden. Solche Versuche können die verfahrenstechnische Auslegung unterstützen, ersetzen aber nicht die sicherheitstechnische Stoffprüfung oder die Gefährdungsbeurteilung der Gesamtanlage.