Welche Sicherheitskonzepte (z. B. Inertisierung, Druckentlastung) sind für Staubexplosionsschutz state of the art?
Der Stand der Technik ist kein festes Paket aus immer denselben Maßnahmen. Er besteht aus einem risikobasierten Gesamtkonzept, das die tatsächlichen Stoffdaten, Apparate, Leitungen, Aufstellbedingungen und Betriebszustände berücksichtigt. Die Schutzstrategie folgt einer klaren Reihenfolge: explosionsfähige Atmosphäre vermeiden oder begrenzen, wirksame Zündquellen vermeiden und – falls das nicht ausreichend sicher gelingt – die Auswirkungen einer möglichen Explosion konstruktiv begrenzen.
Die wichtigsten Kenndaten sind unter anderem KSt, maximaler Explosionsdruck pmax, Mindestzündenergie, Mindestzündtemperaturen von Staubwolke und Staubschicht, Korngröße, Feuchte, elektrische Leitfähigkeit sowie gegebenenfalls die Daten von Dampf-Staub-Hybridgemischen. Ohne diese Daten ist keine belastbare Auswahl von Inertisierung, Druckentlastung, Unterdrückung oder Entkopplung möglich.
Vorbeugende Maßnahmen
Inertisierung ist eine wichtige vorbeugende Maßnahme für geschlossene Apparate wie Reaktoren, Mischer, Trockner, Mühlen oder Förderanlagen. Stickstoff, Kohlendioxid oder andere geeignete Gase senken den Sauerstoffgehalt unter eine für das konkrete Staub-Inertgas-System bestimmte Sauerstoffgrenzkonzentration. Dazu gehören eine ausreichend dichte Apparatur, geeignete Inertgasversorgung, repräsentative Sauerstoffmessung, Sicherheitsabstände, Alarmgrenzen und Verriegelungen. Das Gas muss zum Produkt, zur Temperatur, zur Chemie und zum Arbeitsschutz passen. Bei reaktiven Metallpulvern oder oxidierenden Produkten ist die Eignung besonders sorgfältig zu prüfen.
Die Konzentrationsbegrenzung unterhalb der unteren Explosionsgrenze ist bei Pulvern nur eingeschränkt als alleinige Maßnahme geeignet. Die TRGS 722 weist darauf hin, dass eine mittlere Staubkonzentration in einer Anlage wenig aussagekräftig sein kann: Wegen der inhomogenen Staubverteilung können lokal dennoch explosionsfähige Bereiche entstehen. Die Begrenzung der Staubkonzentration kann deshalb nur dann als Schutzmaßnahme verwendet werden, wenn sie verlässlich überwacht und unter allen relevanten Betriebszuständen eingehalten wird.
Zur Vermeidung von Staubablagerungen gehören geschlossene Übergaben, dichte Apparate, wirksame Absaugung, Filtertechnik, glatte und reinigungsfreundliche Oberflächen sowie dokumentierte Reinigungs- und Kontrollpläne. Staubablagerungen können bei Aufwirbelung Sekundärexplosionen begünstigen. Ein pauschaler Grenzwert für zulässige Schichtdicken ist jedoch nicht ausreichend; die Bewertung muss Staubeigenschaften, Fläche, mögliche Aufwirbelung und Zündquellen berücksichtigen.
Zündquellen beherrschen
Wenn explosionsfähige Atmosphäre nicht sicher ausgeschlossen werden kann, müssen mögliche Zündquellen systematisch vermieden werden. Dazu gehören heiße Oberflächen, Reibung, mechanisch erzeugte Funken, blockierende Antriebe, Fremdkörper, Lager- und Dichtungsüberhitzung, elektrische Betriebsmittel, elektrostatische Entladungen sowie Glimmnester.
Stand der Technik sind zonengerechte elektrische und nicht elektrische Betriebsmittel, Begrenzung zulässiger Oberflächentemperaturen, Temperaturüberwachung kritischer Lager- und Dichtungsstellen, geeignete Werkstoffpaarungen, Fremdkörperabscheider, Erdung, Potentialausgleich und vorbeugende Instandhaltung. Funkenmelde- und Funkenlöschsysteme können in Förder- und Absaugstrecken sinnvoll oder erforderlich sein, wenn heiße Partikel oder Funken als relevante Zündquelle festgestellt wurden. Sie sind jedoch keine allgemeine Pflicht für jede staubführende Anlage.
Konstruktiver Schutz
Kann eine Explosion nicht mit ausreichender Sicherheit verhindert werden, begrenzen konstruktive Schutzmaßnahmen ihre Folgen. Die TRGS 724 nennt explosionsfeste Bauweise, Explosionsdruckentlastung, Explosionsunterdrückung und explosionstechnische Entkopplung als zentrale Maßnahmen.
Die Druckentlastung verwendet beispielsweise Berstscheiben oder Explosionsklappen. Sie öffnen bei einem definierten Ansprechdruck und begrenzen den Innendruck auf einen für den Behälter zulässigen reduzierten Explosionsdruck. Die Auslegung berücksichtigt KSt, pmax, Behältervolumen, Geometrie, Öffnungsdruck, Entlastungsfläche, mögliche Entlastungskanäle sowie Druck- und Flammenwirkungen außerhalb des Apparats. EN 14491 behandelt die Auswahl und Auslegung von Explosionsdruckentlastungssystemen für Staubexplosionen; EN 14797 behandelt die Anforderungen an die Entlastungseinrichtungen selbst.
Eine Druckentlastung muss in einen sicheren Bereich führen. Bei Innenaufstellung können flammenlose Entlastungssysteme eine Option sein, sofern sie für den Prozess geeignet sind. Sie halten Flammen zurück, erfordern aber weiterhin eine Bewertung der Druckwelle, Wärme, Geräuschentwicklung, möglichen Produktausträge und der sicheren Umgebung. Eine flammenlose Entlastung ist daher keine pauschal für jede Innenaufstellung geeignete Standardlösung.
Explosionsunterdrückung ist ein aktives Schutzsystem. Schnelle Druck- oder Flammendetektoren erkennen den Explosionsbeginn; ein Löschmittel wird so eingebracht, dass der Druckanstieg auf einen zulässigen Wert begrenzt wird. Die erforderliche Reaktionszeit, Menge und Art des Löschmittels sowie die Auslegung der Steuerung sind an Stoff, Behälter und Prozess anzupassen. Das Verfahren ist besonders sinnvoll, wenn ein Abblasen nach außen nicht möglich oder eine Freisetzung von Flammen und Produkt nicht akzeptabel ist.
Explosionsdruckfeste und explosionsdruckstoßfeste Apparate werden so ausgelegt, dass sie einer inneren Explosion ohne gefährliches Versagen standhalten. Ob eine Auslegung auf den maximalen Explosionsdruck oder einen reduzierten Explosionsdruck erforderlich ist, folgt aus dem Schutzkonzept. Druckentlastung und Unterdrückung können die Belastung begrenzen, ersetzen aber nicht die erforderliche Festigkeit des geschützten Behälters.
Explosionstechnische Entkopplung verhindert die Weiterleitung von Flammen, Druck und brennenden Partikeln über Rohrleitungen und Förderwege. Geeignete Lösungen sind etwa Rückschlagklappen, Schnellschlussschieber, Löschmittelsperren, Explosionsschutzventile oder dafür qualifizierte Zellenradschleusen. Die Entkopplung muss die Schnittstellen zwischen Mischer, Filter, Silo, Trockner, Förderer und Abfüllung berücksichtigen. Ihre Eignung richtet sich unter anderem nach Rohrleitungsgeometrie, Staubklasse, Durchsatz, Strömungsrichtung, Druck und Einbausituation.
Organisation und Nachweis
Zum Stand der Technik gehören ein aktuelles Explosionsschutzdokument, Zonenpläne, Stoffdaten, Betriebsanweisungen, Reinigungs- und Wartungspläne, regelmäßige Prüfungen der Schutzsysteme, Unterweisungen und geregelte Freigaben für Heißarbeiten. Das Explosionsschutzdokument muss die technische und organisatorische Gesamtstrategie nachvollziehbar darstellen.
Die Explosionssicherheit ist vor der erstmaligen Inbetriebnahme und nach prüfpflichtigen Änderungen zu prüfen. Dabei werden nicht nur einzelne Komponenten, sondern auch das Zusammenspiel von Apparaten, Schutzsystemen, Steuerung, Inertisierung, Entkopplung und organisatorischen Maßnahmen bewertet.
So unterstützt amixon® einen zeitgemäßen Staubexplosionsschutz
Zone-20-gerechte Apparateausführung
Bei staubexplosionsgefährdeten Pulvern ist das Innere von Mischern, Trocknern, Reaktoren oder Granulatoren häufig als Zone 20 zu bewerten. Zone 20 bezeichnet einen Bereich, in dem eine explosionsfähige Staubatmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist. Die Zoneneinteilung der Gesamtanlage erfolgt durch den Betreiber auf Grundlage der Gefährdungsbeurteilung und umfasst auch Dosierung, Befüllung, Austrag, Filter, Förderstrecken, 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. Für einen Zone-20-Produktraum ist grundsätzlich ein sehr hohes Schutzniveau erforderlich, das in der klassischen ATEX-Kategorisierung regelmäßig Kategorie 1D entspricht. Die konkrete Ausführung einschließlich maximaler Oberflächentemperaturen, elektrischer und nicht elektrischer Komponenten, Dichtungen, Sensorik und Dokumentation wird aus den Stoffdaten und Prozessbedingungen abgeleitet.
Die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU betrifft Geräte und Schutzsysteme für explosionsgefährdete Bereiche. Die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG verpflichtet den Betreiber zu Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung und Explosionsschutzdokument. amixon® kann die Dokumentation für die gelieferte Apparateausführung bereitstellen; die Bewertung der Gesamtanlage und die Auswahl des übergeordneten Schutzkonzepts bleiben Betreiberaufgaben.
Zündquellen und Staubaustritte
Die Begrenzung von Zündquellen ist ein zentraler Teil des Explosionsschutzes. Viele amixon® Vertikalmischer können mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden. Für die Baureihen VM und HM nennt amixon® einen Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s. Niedrige Werkzeuggeschwindigkeiten können Reib-, Prall- und Abriebenergie begrenzen und die Partikelbeanspruchung reduzieren. Sie sind jedoch kein alleiniger Nachweis dafür, dass keine wirksame Zündquelle entstehen kann. Lager, Dichtungen, Wellen, Werkzeug-Wand-Kontakte, Fremdkörper, Blockaden, Oberflächentemperaturen, elektrostatische Aufladungen und elektrische Komponenten müssen zusätzlich bewertet werden.
Geeignete Sicherheitsfunktionen können Temperatur- und Drehmomentüberwachung, kontrollierte Drehzahl, geeignete Werkstoffpaarungen, Fremdkörperabscheidung, Erdung, Potentialausgleich und vorbeugende Instandhaltung umfassen. Für Staubschichten nennt die TRGS 723 grundsätzlich einen Sicherheitsabstand von 75 °C zwischen Mindestzündtemperatur der Staubschicht und Oberflächentemperatur, soweit die Gefährdungsbeurteilung keine andere Festlegung zulässt.
Fugenarm ausgeführte und verschliffene Produktbereiche sowie geeignete Dichtungen können Staubaustritte reduzieren. Clever-Cut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtung sind nach Angaben von amixon® für eine totraumarme Abdichtung des Produktraums ausgelegt. Die tatsächliche Dichtheit hängt jedoch von Dichtungswerkstoff, Druckdifferenzen, Verschleiß, Montage, Wartung und Prozessführung ab. Eine dichte Apparateausführung kann Staubablagerungen begrenzen, ersetzt jedoch weder eine wirksame Absaugung noch ein risikobasiertes Reinigungs- und Instandhaltungskonzept.
Inertisierung und konstruktiver Schutz
Inertisierung kann als vorbeugende Explosionsschutzmaßnahme eingesetzt werden. Vakuum-Mischtrockner und Mischreaktoren der Baureihen VMT und AMT können gas-, vakuum- und druckdicht ausgeführt werden. Bei geeigneter Auslegung lässt sich der Prozessraum evakuieren und anschließend mit einem geeigneten Inertgas fluten. Durch wiederholte Druckwechsel kann der Sauerstoffgehalt weiter abgesenkt werden.
Eine sichere Inertisierung setzt eine ausreichend dichte Anlage, geeignete Inertgasversorgung, eine auf das Produkt abgestimmte Spülsequenz, repräsentative Sauerstoffmessung, Alarm- und Abschaltwerte sowie Sicherheitsverriegelungen voraus. Der zulässige Sauerstoffwert muss mit Sicherheitsabstand unterhalb der für das konkrete Staub-Inertgas-System bestimmten Sauerstoffgrenzkonzentration liegen. Allgemeine Sauerstoff-Sollwerte sind nicht belastbar. Inertisierung schützt zudem nicht automatisch vor Selbstentzündung, thermischer Zersetzung, exothermen Reaktionen oder Bränden in Staubablagerungen.
Druck- und Vakuumfestigkeit allein sind nicht gleichbedeutend mit einer explosionsdruckfesten oder explosionsdruckstoßfesten Auslegung. Wenn ein Apparat im Explosionsfall einer bestimmten Druckbelastung standhalten soll, muss dies ausdrücklich spezifiziert und auf Basis von KSt, pmax, Mindestzündenergie, Zündtemperaturen, Feuchte, Korngröße und möglichen Hybridgemischen ausgelegt werden.
Wenn eine Explosion nicht mit ausreichender Sicherheit verhindert werden kann, kommen konstruktive Maßnahmen wie Druckentlastung, flammenlose Entlastung, Explosionsunterdrückung, explosionsdruckfeste oder explosionsdruckstoßfeste Bauweise und explosionstechnische Entkopplung zum Einsatz. Die Entkopplung ist insbesondere an Schnittstellen zu Filtern, Silos, Förderern und weiteren Apparaten erforderlich, wenn sich Flammen oder Druck über Rohrleitungen ausbreiten könnten. Die passende Maßnahme muss für den jeweiligen Anlagenverbund, die Staubkenndaten, Rohrleitungsgeometrie, Durchsatz und Aufstellort ausgelegt werden.
Auslegung durch Versuche
Die Auslegung beginnt mit den sicherheitstechnischen Stoffdaten und der User Requirement Specification des Betreibers. Versuche mit Originalprodukt können zusätzlich die verfahrenstechnischen Eigenschaften untersuchen, beispielsweise Mischqualität, Produkterwärmung, Partikelabrieb, Flüssigkeitsverteilung, Anbackungen, Entleerung und Reinigbarkeit. Diese Versuche unterstützen die Wahl der Apparateausführung und Betriebsparameter, ersetzen aber keine normgerechte Staubprüfung und keine explosionsschutztechnische Bewertung der Gesamtanlage.
amixon® gibt an, am Standort Paderborn mehr als 30 Testanlagen zu betreiben sowie weitere Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA zu unterhalten. Die Ergebnisse können zur Auslegung von Mischertyp, Werkzeugen, Dichtungen, Dosierkonzept, Wärmeübertragung und Prozessführung verwendet werden.