Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz

Potenzialkenngrößen

Im Gegensatz zu Gasen und Dämpfen sind bei Stäuben keine oberen Explosionsgrenzen bekannt. Das liegt sowohl daran, dass sich die experimentelle Ermittlung äußerst schwierig gestaltet als auch durch Sedimentation mit einer Entmischung gerechnet werden muss. Auch das Fahren einer Anlage unter 50 % der unteren Explosionsgrenze gestaltet sich schwierig. Bei sicherheitstechnischen Betrachtungen, zum Beispiel in Mischern, gibt es jedoch oftmals Erleichterungen, wenn Füllgrade über 70 % garantiert werden können. Für Stäube ist daher nur die untere Explosionsgrenze (UEG) tabelliert (Beispiele siehe Tabelle 1).

Tab. 1: Beispiele für Stäube und deren untere Explosionsgrenze

Korngrößenverteilung

Das Explosionsverhalten von Stäuben ist in starkem Maße abhängig von der Feinheit und damit von der Korngrößenverteilung. Mit den Explosionskenngrößen sollte daher gleichzeitig die dazugehörige Korngrößenverteilung oder zumindest in erster Näherung hierfür der Medianwert angegeben werden.

Ist die Korngröße höher als 1 mm, besteht keine Explosionsgefahr. Bei Korngrößen kleiner als 0,5 mm muss mit Staubexplosionsgefahr gerechnet werden, da der Staub in Schwebe bleibt. Im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm sind experimentelle Untersuchungen hinsichtlich der Staubexplosionsfähigkeit erforderlich.

In Abb. 1 ist für unterschiedliche Stäube die Abhängigkeit des maximalen Explosionsüberdruckes und des maximalen zeitlichen Druckanstiegs vom Medianwert aufgetragen. Es zeigt sich, dass mit abnehmender Korngröße die Neigung der Stäube zu Explosionen zunimmt. Feinere Stäube sind leichter entzündbar und reagieren heftiger als gröbere.

Ein Erhöhen des Grobkornanteils in der Staubprobe, zum Beispiel durch Beimischen von für sich allein nicht explosionsfähigem Granulat zu explosionsfähigem Feinstaub, führt nur zu einer Dämpfung des Explosionsablaufes und damit zu verringerten Werten von p_max und K_St beziehungsweise zu höheren Werten, zum Beispiel für die Mindestzündenergie oder die Sauerstoffgrenzkonzentration.

Abb. 1: Einfluss des Medianwertes auf das Explosionsschutzverhalten (V = 1 m³, E_{z =}10.000 J)

Solange der Feinstaubanteil im Gemisch mit Luft oberhalb seiner unteren Explosionsgrenze liegt, ist im Allgemeinen eine Staubexplosion möglich. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass in der Praxis aus den verschiedensten Gründen aus grobem Material durch Abrieb Feinstaub entstehen kann.

Anhand der auf einem Kubikmeter normierten Druckanstiegsgeschwindigkeit (K_St-Wert) erfolgt eine Einteilung der Stäube in Staubexplosionsklassen.

In Luft dispergierbare Feststoffpartikel weisen hinsichtlich ihres Explosionsverhaltens folgende Besonderheiten auf:

• Zündfähigkeit und Verbrennungsverlauf werden maßgeblich durch die Feinheit beziehungsweise die Korngrößenverteilung des Staubes beeinflusst, was anhand der in Tabelle 2 für Aluminiumstaub angegebenen Daten erkennbar ist. Bei Anwendung der STK für Stäube muss  8.5.2 Sicherheitstechnische Kenngrößen brennbarer Stäube – Seite 3 – 01.12.2013<<>>demzufolge sichergestellt werden, dass die Kennwerte jeweils für die im technischen Maßstab anfallende Korngrößenverteilung repräsentativ sind.

• Die Explosionsfähigkeit zahlreicher Naturprodukte (zum Beispiel Kohle-, Holzstaub) wird maßgeblich durch deren Gehalt an leichtflüchtigen Produkten bestimmt und kann deshalb stark variieren. So nimmt (bei gleicher Staubfeinheit) die Zündbereitschaft von Anthrazit über Aktivkohle zu Braunkohle stark zu. Außerdem steigen die Explosionsheftigkeit und damit die K_St-Werte von Anthrazit über Aktivkohle zu Braunkohle gravierend an.

Tab. 2: Einfluss des Medianwertes der Korngrößenverteilung auf sicherheitstechnische Kenngrößen von Aluminiumstaub

Während die standardisierten STK für Gase und Dämpfe im ruhenden Ausgangszustand ermittelt werden, setzt die Erzeugung eines Staub/Luft-Gemisches immer einen Strömungsimpuls beziehungsweise eine Aufwirbelung voraus. Die ermittelten STK, insbesondere aber die Druckanstiegsgeschwindigkeit, können durch den Strömungsimpuls beeinflusst werden. Diese Abhängigkeit wird bei den zurzeit angewendeten Untersuchungsverfahren nur unzureichend berücksichtigt beziehungsweise nicht exakt erfasst.

Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) ist die maximale Sauerstoffkonzentration (Stoffmengenanteil) in einem Gemisch eines brennbaren Stoffes mit Luft und inertem Gas, in dem eine Explosion nicht auftritt; sie wird bestimmt unter festgelegten Versuchsbedingungen. Die Sauerstoffgrenzkonzentration (siehe Tabelle 3) ist zwingend erforderlich, wenn Inertisierungsmaßnahmen im Innern von Behältern durchgeführt werden.

Tab. 3: Sauerstoffgrenzkonzentration für verschiedene Stäube für das Inertisieren von Staub/Luft-Gemischen durch Stickstoff bei einer Gemischtemperatur von etwa 20 ˚C und einem Gesamtdruck von etwa 1 bar

Inertiierungskenngrößen

Die Mindestzündtemperatur einer Staubschicht ist die unter festgelegten Versuchsbedingungen ermittelte niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei der die Staubschicht entzündet wird.

Die Mindestzündtemperatur einer Staubschicht von 5 mm Dicke wird auch als Glimmtemperatur bezeichnet.

Die Mindestzündtemperatur einer Staubwolke ist die unter festgelegten Versuchsbestimmungen ermittelte niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche, bei der sich das zündwilligste Gemisch des Staubes mit Luft entzündet. Bei der Vielfalt industrieller Prozesse kann die Zündung einer Staubschicht von örtlichen Bedingungen abhängen. Dieses Untersuchungsverfahren ist nicht notwendigerweise repräsentativ für alle industriellen Gegebenheiten, wobei solche Faktoren wie Gegenwart dickerer Staubschichten und Temperaturverteilung in der Umgebung besonders zu beachten sind.

Bei der Durchführung der Untersuchung ist wesentlich, dass alle notwendigen Vorkehrungen zum Schutz der Gesundheit des Personals gegen Risiken durch zum Beispiel Feuer, Explosionen, Einatmen von Rauch und jeglichen toxischen Verbrennungsprodukten getroffen worden sind.

Die Zündtemperatur einer Staubschicht, die Glimmtemperatur und die einer Staubwolke bilden die Grundlage für die Beurteilung der Zündgefahr durch heiße Oberflächen (siehe Tabelle 4) und Festlegung der maximal zugelassenen Oberflächentemperatur von Betriebsmitteln.

Tab. 4: Beispiele für Stäube mit ihrer Glimmtemperatur bzw. Zündtemperatur der Staubwolke

In Zone 20 darf die Temperatur sämtlicher Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur in ˚C der betreffenden Staubwolke nicht überschreiten, auch nicht bei selten auftretenden Betriebsstörungen.

Darüber hinaus muss die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann, um einen Sicherheitsabstand niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann; dies muss auch bei selten auftretenden Betriebsstörungen gewährleistet sein. Falls die Schichtdicke unbekannt  8.5.2 Sicherheitstechnische Kenngrößen brennbarer Stäube – Seite 6 – 01.12.2013<<>>ist, muss die dickste vorhersehbare Schicht angenommen werden. Wenn in der Gefährdungsbeurteilung nichts anderes festgelegt wurde, ist ein Sicherheitsabstand von 75 K zwischen der Mindestzündtemperatur einer Staubschicht und der Oberflächentemperatur des Arbeitsmittels ausreichend.

Der Abstand von 75 K gilt nur für Staubdicken von maximal 5 mm. Bei dickeren Staubschichten tritt ein größerer isolierender Effekt auf, welcher zu höheren Oberflächentemperaturen des Arbeitsmittels führt.

In Zone 21 darf die Temperatur sämtlicher Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur in ˚C der betreffenden Staubwolke nicht überschreiten, auch nicht bei Betriebsstörungen.

Darüber hinaus muss die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann, um einen Sicherheitsabstand niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann; dies muss auch bei Betriebsstörungen gewährleistet sein.

Wenn in der Gefährdungsbeurteilung nichts anderes festgelegt wurde, ist ein Sicherheitsabstand von 75 K zwischen der Mindestzündtemperatur einer Staubschicht und der Oberflächentemperatur des Arbeitsmittels ausreichend.

In Zone 22 darf beim Normalbetrieb die Temperatur von Oberflächen, die mit Staubwolken in Berührung kommen können, 2/3 der Mindestzündtemperatur nicht überschreiten.

Darüber hinaus muss die Temperatur von Oberflächen, auf denen sich Staub ablagern kann, um einen Sicherheitsabstand niedriger sein als die Mindestzündtemperatur der dicksten Schicht, die sich aus dem betreffenden Staub bilden kann.

Zahlreiche Stäube sind im abgelagerten Zustand zu exothermen Oxidationsreaktionen mit Luftsauerstoff in der Lage. Staubschichten weisen infolge der zwischen den Staubpartikeln befindlichen Luftschichten eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, das heißt, es kommt bei einer exothermen Reaktion zu einem Wärmestau. Der resultierende Selbsterwärmungsprozess kann unterschiedliche Phänomene hervorrufen, die durch die in Tabelle 5 angeführten STK charakterisiert werden.

Tab. 5: Charakterisierung von Staubablagerungen und Zuordnung von Maßnahmen

Wirkungskenngrößen

Der maximale Explosionsdruck ist der Höchstwert, der bei der Bestimmung der Explosionsdrücke gemessen wird, wenn der Gehalt an brennbarem Stoff im Brennstoff/Luft-Gemisch variiert wird.

Der maximale Explosionsdruck und der K_St-Wert dienen der Dimensionierung von konstruktiven Explosionsschutzmaßnahmen (Bauweise für den maximalen Explosionsdruck, Druckentlastung, Unterdrückung, explosionstechnische Entkopplung usw.).

Der maximale Explosionsdruck ist in der Regel nicht volumenabhängig. Er liegt bei den meisten Stäuben im Gemisch mit Luft bei atmosphärischen Anfangsbedingungen bei etwa 6 bar bis 12 bar; er steigt proportional mit dem absoluten Anfangsdruck und ist der absoluten Anfangstemperatur umgekehrt proportional (Beispiele siehe Tabelle 6). Der maximale zeitliche Druckanstieg ist volumenabhängig; das Produkt aus dem maximalen zeitlichen Druckanstieg und der dritten Wurzel des betreffenden Volumens ist konstant (kubisches Gesetz):

(dp/dt)_max · V^1/3 = const = K_St = K_max

Der K_St-Wert (siehe Tabelle 7) ist somit der auf ein Volumen von 1 m³ bezogene maximale zeitliche Druckanstieg. Eine Übertragung des K_St-Wertes auf verschiedene Apparategrößen ist streng genommen nur bei ähnlichen Geometrien möglich. Der K_St-Wert steigt mit dem Anfangsdruck und der Turbulenz des unverbrannten Gemisches.

Tab. 6: Beispiele für Stoffe und deren maximalen Explosionsdruck

Tab. 7: Staubexplosionsklassen