Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz

1 Veranlassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Staubexplosionsrisiko an Mischern mit bewegten Werkzeugen zur Erstellung und Abgrenzung möglicher Explosionsschutzkonzepte“ gilt es die Staubexplosionsrisiken in Mischern systematisch zu untersuchen. Ziel ist es dabei, Muster-Gefährdungsbeurteilungen für verschiedene Mischer in unterschiedlichen Branchen mit divergierenden Betriebsparametern zu erarbeiten, um Herstellern sowie Betreibern von Mischern die Erstellung von geräte- sowie betriebsspezifischen Risiko- und Gefährdungsbeurteilungen zu erleichtern.

In der vorliegenden Muster-Gefährdungsbeurteilung wird beispielhaft das Staubexplosionsrisiko beim Betrieb eines horizontalen Zwangsmischers zur Herstellung von pulverförmigen Kunststoffadditiven in der chemischen Industrie betrachtet. Über die dargelegte Gefährdungsbeurteilung werden Maßnahmen aufgezeigt, die einen sicheren Betrieb mit extrem zündempfindlichen Stäuben gewährleisten.

2 Grundlagen

Grundlage für diese Muster-Gefährdungsbeurteilung bilden die nachfolgend aufgeführten Unterlagen und Informationen:

• Sicherheitsdatenblatt für Additive A

• Sicherheitsdatenblatt für Additive B

• Betriebsanleitung Mischer Typ ChemInd

3 Kurzbeschreibung der Anlage

Bei der zu betrachtenden Anlage handelt es sich um einen horizontalen Zwangsmischer mit 2 m³ Volumen, welcher zur Homogenisierung staubexplosionsfähiger Additive in Schüttgutform dient. Die Homogenisierung der Mischgüter erfolgt innerhalb des Mischbehälters durch rotierende, auf einer Welle versetzt angeordnete Mischwerkzeuge, die in Größe, Anzahl, Anordnung, geometrischer Form und Umfangsgeschwindigkeit derart auf die Geometrie des Mischbehälters abgestimmt sind, dass sie das Mischgut in eine dreidimensionale Bewegung zwingen. Der Antrieb der Welle erfolgt über einen außen aufgesetzten Getriebemotor.

Das Schüttgut wird in einem vorgeschalteten Behälter vorgelegt und verwogen. Anschließend gelangt die Schüttgutvorlage schwerkraftgestützt über ein kurzes Fallrohr und zwei auf  Muster-Gefährdungsbeurteilung für Explosionsgefahren durch brennbare Stoffe für einen horizontalen Zwangsmischer mit extrem zündempfindlichen Stäuben in der chemischen Industrie – Seite 4 – 01.06.2015<<>>der Oberseite angeordnete Befüllöffnungen in den Mischer. Das Befüllen erfolgt bei einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge von < 1 m·s^–1. Der Füllgrad steht hierbei in Abhängigkeit zur Rezeptur und wird über die zentrale Rezeptursteuerung zwischen 10 % und 60 % geregelt. Ist der Befüllvorgang abgeschlossen, werden die Befüllöffnungen durch eine geeignete Absperrarmatur verriegelt, der Antrieb wird auf Nenndrehzahl entsprechend einer Relativgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge von 4 m·s^–1 geregelt und die schnelllaufenden Messerköpfe werden zugeschaltet. Nach Ablauf der Mischzeit von 15 Minuten wird die Drehzahl des Mischers abgesenkt, so dass sich eine maximale Umfangsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge von < 1 m·s^–1 einstellt. Anschließend erfolgt das Entleeren über eine Entleeröffnung an der Unterseite des Mischers. Für eine bessere Zugänglichkeit zu Reinigungs- und Wartungsarbeiten besitzt der Mischer zwei Revisionsklappen, deren Verschluss über Endlagenschalter mit dem Antrieb der Mischwerkswelle verriegelt ist.

4 Explosionstechnische Beurteilung der vorhandenen Stoffe

In der nachstehenden Tabelle 1 sind die sicherheitstechnischen Kennzahlen der verwendeten Schüttgüter aufgeführt.

Tabelle 1: sicherheitstechnische Kennzahlen der verwendeten Rohstoffe

Anhand der beim Prozess verwendeten Rohstoffe wird deutlich, dass diese explosionsfähige Staub/Luft-Gemische bilden können. Es ist ersichtlich, dass die verwendeten Produkte aufgrund der zur Zündung ihrer explosionsfähigen Staub/Luft-Gemische notwendigen Energien als extrem zündempfindlich einzustufen sind (MZE < 3 mJ). Entzündliche, leicht- oder hochentzündliche Flüssigkeiten werden nicht verwendet.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Brenn- und Explosionskenngrößen der hier gehandhabten Schüttgüter Hinweise auf eine überdurchschnittliche Reaktivität und erhöhte Zündempfindlichkeit geben, so dass unterstellt werden muss, dass selbst Zündquellen von geringer Energie in der Lage sind, die auftretenden Staub/Luft-Gemische zu zünden.

5 Explosionsgefährdete Bereiche und Zoneneinteilung

Explosionsgefährdete Bereiche sind gemäß § 5 BetrSichV abhängig von Häufigkeit und Dauer des Auftretens von gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen einzuteilen. Bei den eingesetzten Stoffen können explosionsfähige Staub/Luft-Gemische auftreten, für die folgende Zoneneinteilung gilt:

• Zone 20 ist ein Bereich, in dem gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Stäuben ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden ist.

• Zone 21 ist ein Bereich, in dem sich bei Normalbetrieb gelegentlich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Stäuben bilden kann.

• Zone 22 ist ein Bereich, in dem bei Normalbetrieb eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Stäuben normalerweise nicht oder aber nur kurzzeitig auftritt.

Dementsprechend lassen sich die explosionsgefährdeten Bereiche der Anlage in folgende Zonen einteilen:

Mischerinneres

Durch die betrieblich bedingte Aufwirbelung von Schüttgütern und die sich beim Mischprozess einstellende inhomogene Staubverteilung ist trotz der gemittelt betrachteten hohen Staubkonzentration im gesamten Mischervolumen partiell von einem Auftreten explosionsfähiger Staub/Luft-Gemische auszugehen. Diese können dabei örtlich und zeitlich variierend über die gesamte Dauer des Mischvorganges vorliegen. Somit wird das Innere des Mischers in die Zone 20 eingeteilt.

Aufstellungsraum

Aufgrund der während Reinigungs- und Wartungsarbeiten nicht auszuschließenden Staubaustritte über die vorhandenen Revisionsöffnungen kann es zu Staubablagerungen im  Muster-Gefährdungsbeurteilung für Explosionsgefahren durch brennbare Stoffe für einen horizontalen Zwangsmischer mit extrem zündempfindlichen Stäuben in der chemischen Industrie – Seite 6 – 01.06.2015<<>>Aufstellungsbereich des Mischers kommen. Da diese jedoch unmittelbar nach ihrer Entstehung und zwingend vor Erreichen gefahrdrohender Schichtdicken (< 1 mm) durch geeignete und im Rahmen von Betriebsanweisungen festgelegte Maßnahmen entfernt werden, entfällt eine Zoneneinteilung in die Zone 22 für den Aufstellungsraum.

Da der Aufstellungsraum einen geschlossenen Boden besitzt, sind Staubverschleppungen in darunter liegende Geschosse nicht möglich.

6 Zündgefahrenanalyse und Schutzmaßnahmen

Gemäß Kapitel 5 ist für die Betrachtung möglicher Zündquellen im Inneren des Mischers die Zone 20 zu berücksichtigen. Daher ist für das Innere zu bewerten, ob und inwieweit im Normalbetrieb, bei üblicherweise zu erwartenden Betriebsstörungen und zusätzlich auch bei seltenen Betriebsstörungen wirksame Zündquellen auftreten können und durch welche Schutzmaßnahmen deren Wirksamkeit auf ein tolerierbares Maß reduziert werden kann. Unter Berücksichtigung der in der DIN EN 1127-1 bzw. in der TRBS 2152 Teil 3 genannten Zündquellenarten, kommen demnach folgende wirksame Zündquellen in den Arbeitsbereichen in Betracht:

• heiße Oberflächen

• mechanisch erzeugte Funken

• elektrische Anlagen

• statische Elektrizität

• Exotherme Reaktionen, einschließlich Selbstentzündung von Stäuben

Das hierfür zugrunde liegende Explosionsschutzkonzept basiert auf Maßnahmen zur Vermeidung von explosionsfähiger Atmosphäre in Verbindung mit Maßnahmen zur Vermeidung von wirksamen Zündquellen sowie Maßnahmen, welche die Auswirkung einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränken. Die getroffenen Schutzmaßnahmen unterteilen sich dabei in technische und organisatorische Maßnahmen, die im Folgenden näher beschrieben werden.

Zur Vermeidung des Auftretens gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre im Bereich des Mischeraufstellungsraumes werden mögliche Staubablagerungen umgehend durch Absaugen über einen für den Betrieb in staubexplosionsgefährdeten Bereichen geeigneten mobilen  Muster-Gefährdungsbeurteilung für Explosionsgefahren durch brennbare Stoffe für einen horizontalen Zwangsmischer mit extrem zündempfindlichen Stäuben in der chemischen Industrie – Seite 7 – 01.06.2015<<>>Staubsauger (Kennzeichnung II 3D) beseitigt. Die Einhaltung der Reinigungsmaßnahmen wird im Rahmen eines organisatorisch festgeschriebenen Reinigungsplanes geregelt und protokolliert.

Da die potenziellen Zündquellen nicht konsequent für sämtliche zu betrachtende Fehlerzustände sicher ausgeschlossen werden können, wurde der Mischer konstruktiv geschützt. Hierzu ist das Gerät für den maximalen Explosionsdruck ausgelegt und weist eine Explosionsdruckstoßfestigkeit von 10 bar nach DIN EN 14460 auf. Während des Mischbetriebs sind die Befüll- und Entleerklappe geschlossen und der geschlossene Zustand wird überwacht. Die Klappen sind im geschlossenen Zustand explosionsdruckstoßfest für 10 bar und zünddurchschlagsicher für die verwendeten Stäube (durch Explosionsversuche geprüft nach DIN EN 15089). Da die Maßnahme des konstruktiven Explosionsschutzes nur bei Auftreten des seltenen Fehlerfalls als Schutzmaßnahme wirksam werden soll, sind zudem Maßnahmen zur Vermeidung wirksamer Zündquellen im Inneren des Mischers umgesetzt und im Folgenden beschrieben.

Da die dem Mischer vorgeschalteten Apparate bestimmungsgemäß zur Handhabung der vorliegenden Stäube geeignet sind und keine Verfahrensschritte, die zu gefährlichen Temperaturerhöhungen innerhalb des Schüttgutes führen könnten, vor dem Mischprozess stattfinden, kann ein Eintrag von Glimmnestern in den Mischer ausgeschlossen werden. Im Rahmen der Inbetriebnahme hat sich zudem gezeigt, dass keine nennenswerte Erwärmung des Mischgutes innerhalb der Mischzeit stattfindet.

Zur Vermeidung reibungsbedingter heißer Oberflächen infolge eines Fremdkörpereintrages ist dem Mischer eine Siebanlage vorgeschaltet. Die Maschenweite des Schwingsiebes beträgt 8 mm. Aufgrund der Rohstoffvorsiebung und des Minimalabstandes von 10 mm zwischen bewegten Mischwerkzeugen und dem Mischbehälter, ist ein Verklemmen und Mitschleifen von nicht abgeschiedenen Fremdkörpern auszuschließen.

Die Schraubverbindungen im Inneren des Mischers sind gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert, so dass das Lösen und Anschlagen von Schrauben und Muttern für zu erwartende Fehlerzustände ausgeschlossen werden kann.

Das Auftreten zündwirksamer mechanisch erzeugter Funken infolge des Anlaufens oder Anschlagens der Mischwerkzeuge wird durch regelmäßige Wartung und Instandhaltung vermieden. Des Weiteren kommen geeignete Materialpaarungen, wie bspw. Edelstahl- Muster-Gefährdungsbeurteilung für Explosionsgefahren durch brennbare Stoffe für einen horizontalen Zwangsmischer mit extrem zündempfindlichen Stäuben in der chemischen Industrie – Seite 8 – 01.06.2015<<>>Edelstahl, zum Einsatz, die bei Eintritt von einzelnen Schlägen nicht zur Funkenbildung neigen.

Reibungsbedingte heiße Oberflächen an den Lagern und Wellendurchführungen werden durch Temperaturüberwachung vermieden. Zur Vermeidung eines Staubeintrittes sind die Dichtungen luftgespült. Die Temperaturüberwachungen sind hartverdrahtet und schalten den Antrieb bei Überschreitung einer Temperatur von 80 °C spannungsfrei. Wodurch auch Anbackungen von schmelzendem Produkt weitestgehend vermieden werden.

Die im Mischer eingesetzten elektrischen Betriebsmittel weisen eine maximale Oberflächentemperatur von 120 °C auf und sind für den Betrieb in Zone 20 geeignet. Bezüglich der Auswahl und Errichtung der elektrischen Betriebsmittel wurden die Vorgaben der DIN EN 60079-14 beachtet.

Zur Vermeidung von gefährlichen Aufladungen sind sämtliche leit- und ableitfähigen Anlagenteile in den betrieblichen Potenzialausgleich eingebunden und weisen einen Ableitwiderstand von < 10⁶ Ω auf. Isolierende Beschichtungen mit einer Durchschlagsspannung > 4 kV werden nicht verwendet. Die infolge des Mischguthandlings zu erwartenden Büschelentladungen sind für Stäube nicht zündwirksam.

Zur Vermeidung eines Lager- oder Dichtungsschadens erfolgen eine Verschleißprüfung sowie die Wartung des Mischers entsprechend den Herstellervorgaben in Intervallen von höchstens 8 Wochen je nach Anlagenauslastung. Hierbei werden die Lagerschmierung, der Mindestabstand zwischen dem Mischbehälter und den einzelnen Mischwerkzeugen sowie der feste Sitz aller Schraubverbindungen im Inneren kontrolliert.

Halbjährlich werden die Funktionsfähigkeit und das Ansprechverhalten der MSR-Einrichtungen mit Sicherheitsfunktion, wie die Temperaturüberwachung, Stellungsanzeiger der Befüll- und Entleerklappen sowie die Verriegelung der Revisionsklappen, geprüft. Festgeschrieben und protokolliert werden die Wartungen im Rahmen des betriebseigenen Wartungsplans.

Nach dem Austausch einer Dichtung wird der Mischer grundsätzlich zunächst ohne Mischgut betrieben und die Temperaturentwicklung im Bereich der neuen Dichtung hinsichtlich der normalen Betriebsparameter überprüft.

Zur Verhinderung von wirksamen Zündquellen ist für die Durchführung von Heißarbeiten, wie bspw. der Einsatz von Winkelschleifern oder Schweißgeräten, eine schriftliche Arbeitsfreigabe erforderlich. Heißarbeiten werden im Bereich des Mischers grundsätzlich erst nach Beseitigung sämtlicher Staubablagerungen und nur mit einer Brandsicherheitswache durchgeführt.

Die organisatorische Regelung zur Durchführung von Heißarbeiten ist in einer Betriebsanweisung dargelegt.

Eine tabellarische Zusammenfassung der Zündgefahrenanalyse und der entsprechend angewandten technischen sowie organisatorischen Schutzmaßnahmen ist im Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. in Tabelle 2 aufgeführt.

7 Zusammenfassung

Das auf Basis der vorliegenden Gefährdungsbeurteilung umgesetzte Explosionsschutzkonzept ist im betrieblichen Explosionsschutzdokument nach § 6 BetrSichV beschrieben.

Die Prüfung vor Inbetriebnahme nach § 14 (1) sowie Anhang 4 A Nr. 3.8 BetrSichV wurde durch eine befähigte Person mit besonderer Kenntnis auf dem Gebiet des Explosionsschutzes gemäß TRBS 1203 nach den Vorgaben der TRBS 1201 mit dem Teil 1 durchgeführt.

Die Wirksamkeit der Explosionsschutzmaßnahmen wird im Rahmen der ermittelten Prüffrist von 3 Jahren durch eine befähigte Person gemäß TRBS 1203 nach den Vorgaben der TRBS 1201 mit dem Teil 1 überprüft. Die Prüfergebnisse werden in Form von Prüfaufzeichnungen dokumentiert.

Anhang 1 Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins, der Aktivierung und des Wirksamwerdens von Zündquellen

Tabelle 2: Zündgefahren und Schutzmaßnahmen