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6.5.3 Brandschutz an Maschinen – nicht immer eine leichte Sa...
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Scheuermann
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Scheuermann
Abschnitt: 6 Anlagentechnischer Brandschutz → 6.5 Brandschutz an Maschinen
 

6.5.3 Brandschutz an Maschinen – nicht immer eine leichte Sache

Einleitung

Der Brand- und Explosionsschutz an Maschinen ist festes Element der Anlagensicherheit. Kurz gefasst: Eine Maschine bzw. ein Anlagenteil muss so konzipiert und gebaut sein, dass jegliche von der Maschine bzw. dem Anlagenteil selbst oder durch Gase, Flüssigkeiten, Stäube, Dämpfe und andere von der Maschine freigesetzte oder verwendete Substanzen verursachte Brand- oder Explosionsgefahr vermieden wird, und zwar bereits durch konstruktive bzw. verfahrenstechnische Maßnahmen. Im konkreten Fall wurden in einem Fließbettröster, s. Abbildung 1, der in eine Gesamtanlage zur Herstellung von Paniermehl eingebettet ist. Hier werden aus amerikanischen Weizenmehlteigen hergestellte Extruderpelletts getrocknet und geröstet. Durch den Anlagenhersteller wurde der Explosionsschutz beachtet und der Filter durch eine Explosionsunterdrückungsanlage geschützt. Dennoch sind die der Anlage nachgeschalteten zwei Filter abgebrannt.

Abb. 1: Prinzip-Darstellung einer Fließbett-Trockner/Röster-Anlage

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6.5.3.1 Schadensfall an einer Fließbett-Trockner/Röster-Anlage

Das Fließbett ist Kernstück eines Trocknungs-/Röstungs-/Kühlprozesses. Mit dieser Anlage können die Extrudate entsprechend thermisch behandelt werden. Der Trockner/Röster verfügt über zwei Temperaturzonen, die unabhängig über zwei direkte Gasbrenner befeuert werden. Die Prozesstemperaturen nach dem Gasbrenner betragen etwa T = 260˚C. Durch den Trocknungs-/Röstprozess wird die Abluft der Anlage auf T = 220–200˚C abgekühlt. Die Abluft wird über zwei räumlich getrennte Schlauchfilter geführt. Ziel ist es, aus energetischen Gründen etwa 60–80 % der erhitzten Reingase dem Verfahrensgang wieder zuzuführen. Grundlage der verfahrenstechnischen Auslegung sind brand- und explosionstechnische Kennzahlen, wie diese in Tabelle 1 übersichtsweise dargestellt sind.

Tab. 1: Brand- und explosionstechnische Kennzahlen verschiedener Mehle

Kenngröße

Untersuchungsergebnisse

Maismehl

Malzmehl

Hafermehl

Gerstenmehl

Weizenmehl 550

Weizenmehl 1600

Paniermehl

3501

3448

3400

3447

3364

3239

Muster

Korngröße [Gew.-%]

<500 µm

100

97

97

83

 

 

19

<250 µm

88

72

74

58

100

 

5

<125 µm

63

47

61

44

94

100

3

<70 µm

 

 

 

 

 

 

 

<63 µm

42

30

49

31

53/100

73

3

<32 µm

5

20

3

15

11

16

2

Medianwert [µm]

90

130

71

170

60

52

1.000

Feuchte φ [%]

8,0

3,8

7,6

4,9

5,2

12

11

untere Exgrenze EXu [g/m3]

 

 

 

 

30

60

>15

max. Explosionsüberdruck p [bar]

 

 

 

 

8,4

7,3

 

Kst-Wert [bar m s-1]

 

 

 

 

98

59

 

Ex-Fähigkeit

 

 

 

 

St 1

St 1

St 1

Zündtemp. G-G [˚C]

 

 

 

 

390

460

 

Glimm-Temperatur (isoterm) T [˚C]

 

310

 

 

 

 

310–350

Brennbarkeit BZ

2

2

2

2

2

2

2

Mindestzündenergie [mJ]

 

 

 

 

>10

>100

>300

Im hier beschriebenen Ereignisfall wurde der Röster betriebsmäßig mit TBren = 260˚C betrieben und jedoch längere Zeit ohne Produkt auf dieser Temperatur belassen. Dadurch erfolgte durch die Produktfeuchte keine Abkühlung der Gastemperatur und die erhöhten Verfahrenstemperaturen wurden über den Filter geführt. Beide Filter fingen gleichzeitig Feuer und brannten unabhängig voneinander und ohne Wechselwirkung zueinander ab. Der eingebaute Exschutz – Explosionsunterdrückung über Funken/Druckdetektion gesteuert – hat nicht angesprochen.

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Zur Bewertung dieses Schadenereignisses ist eine tiefergehende Beurteilung der stofflichen Zusammenhänge erforderlich, um die daraus zu folgernden Maßnahmen für einen sicheren Betrieb ableiten zu können.

6.5.3.2 Selbstzersetzliche Substanzen infolge exothermer Reaktionen

Da Fremdeinwirkung von außen auszuschließen war, stehen die stofflichen Reaktionen des Prozesses im Zentrum der Bewertung. Ein besonderes Gefahrenpotenzial geht von selbstzersetzlichen Stoffen aus, die aufgrund ihrer stofflichen Eigenschaften oder ihrer verfahrenstechnischen Vorbehandlung ein atypisches Brennverhalten ausweisen. Selbstzersetzliche Stoffen weisen ein sehr hohes Zersetzungspotenzial auf, folgen meist einer autokatalytischen Zersetzungskinetik1, neigen zu Eigenoxidationsprozessen und ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist oft abhängig vom vorherrschenden Temperaturgradienten. Die sicherheitstechnische Beurteilung selbstzersetzlicher Substanzen ist nach heutigem Stand in zweierlei Hinsicht unbefriedigend: Erstens fehlt ein Verständnis über den kinetischen Schlüsselmechanismus der Selbstzersetzung, insbesondere wenn diese deflagrativ verläuft, und zweitens muss zur Entscheidung über das Vorliegen eines selbstzersetzlichen Stoffes ein Charakterisierungsverfahren durchlaufen werden, das größtenteils auf empirischen, zeit- und kostenintensiven Tests beruht.

Eine Selbstzersetzung ohne Beteiligung von Luftsauerstoff äußert sich häufig als Wärmeexplosion bzw. kann Feuer auslösen. Viele selbstzersetzliche Substanzen zersetzen sich schon bei relativ niedrigen Temperaturen und können außerdem große Energie- und Gasmengen sehr schnell freisetzen. Reaktionen, die autokatalytisch verlaufen, stellen ein besonderes sicherheitstechnisches Problem dar, da das größte Gefahrenpotenzial erst nach einer scheinbar harmlosen Induktionsperiode auftritt. Nicht nur die Temperatur hat also Einfluss auf die Geschwindigkeit der Reaktion, sondern auch die vorhandene Katalysatorkonzentration. Herkömmliche Beurteilungsmethoden oder Faustregeln, z.B. die 100-K-Regel2, sind somit nicht unbedingt auf selbstzersetzliche Stoffe anwendbar, sondern müssen anders interpretiert oder neu definiert werden.

Eine Selbstzersetzung (exotherme Reaktion) ist eine unerwünschte Reaktion, die hauptsächlich bei gestörtem Betrieb auftritt, z.B. nach einer Kühlpanne (s. Abb. 2). Anhand dieses sogenannten Pannenszenarios werden auch die relevanten sicherheitstechnischen Kenngrößen deutlich.

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Um den gestörten Betrieb beurteilen und beschreiben zu können, kann man sicherheitstechnische Kenngrößen definieren, wie diese beispielsweise durch die Frank-Kamenetzkii-Konstante δ geschieht.

[1]

Hierin ist E Aktivierungsenergie (J mol-1), R ideale Gaskonstante (8,314 J mol-1 K-1), To Umgebungstemperatur, r charakteristische Lineardimension der Staubprobe, ρ Materialschüttdichte, Q Wärmeproduktionsrate (J kg-1), A Exponentialfaktor der Arrheniusgleichung, λ thermische Leitfähigkeit der Staubprobe. Daraus folgt der kritische Frank-Kamenetzkii-Faktor δc, der einen möglichen Entzündungszeitpunkt beschreibt. Die Gleichung 1 liegt der Auswertung in Abbildung 5 und 6 zugrunde.

Theoretisch müssen jedoch exakte oder vereinfachte Gleichungen für Wärme- und Stoffbilanz formuliert und simultan gelöst werden, damit der zeitliche Temperatur- und Gasverlauf und deren Maxima bekannt sind.

Abb. 2: Pannenszenario, möglicher Temperatur- und Druckverlauf (nach Gygax 1988)

Zur sicherheitstechnischen Beurteilung von Reaktionen müssen die chemische Stoffumwandlung und der Apparat sowie deren Zusammenspiel betrachtet werden. Hierzu kann man charakteristische Kenngrößen definieren, die z.B. Maß für den exothermen Effekt einer Reaktion, die Reaktionsgeschwindigkeit, die Kühlleistung eines Reaktors oder die Ein-

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trittswahrscheinlichkeit des Durchgehens einer Reaktion sind [Steinbach 1995]. Die beiden wichtigsten sind:

  • Die adiabatische Temperaturerhöhung3 ΔTad beschreibt den mit einer chemischen Reaktion verbundenen exothermen Effekt, wobei Werte von 400 K oder mehr für stark exotherme Reaktionen auftreten können. Sie ist aus der für adiabatische Fälle vereinfachten Wärmebilanz hergeleitet und berechnet sich aus:

    [2]

    wobei cA,o die Anfangskonzentration, -νA der stöchimetrische Faktor, ρ die Dichte und cp die spezifische Wärmekapazität der Substanz bezeichnet.

    Nimmt man vereinfachend das Worst-case-Szenario eines adiabatischen Batchreaktors und eine Reaktion nullter Ordnung (Vernachlässigung von Reaktandenverbrauch, Temperaturabhängigkeit nach Arrhenius) an, erhält man die sogenannte Time to Maximum Rate TMR [Townsend und Tou 1980].

  • Die TMR stellt ein Maß für die Zeit dar, die zum Eingreifen vor dem Runaway bleibt, und wird berechnet aus:

    [3]

    Es wird allerdings empfohlen, die Betriebstemperaturen so zu wählen, dass eine TMR von 24 Stunden realisiert ist, je nach Anlagengestaltung und firmenspezifischen Randbedingungen kann diese jedoch auch reduziert werden [TAA (Technischer Ausschuss Anlagensicherheit) 1994].

6.5.3.3 Theorie der Wärmeexplosion

Von besonderer Bedeutung für die Probleme bei Transport oder Lagerung (hierunter sind auch Entstaubungsverfahren in einem Filter zu subsumieren) ist die Wärmeexplosion, das Durchgehen einer Reaktion aufgrund einer Selbsterwärmung der Substanz ohne Zündfunken oder Erschütterung. Der Begriff Explosion in der Wärmeexplosionstheorie meint hierbei eine kinetische, keine gasdynamische Explosion. Die Theorie der Wärmeexplosion besagt, dass ein Runaway in einer reagierenden Masse gerade dann stattfindet, wenn die chemische Reaktionswärme nicht mehr durch die Kühlung abgeführt wird (s. Abb. 3), d.h.

[4]

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Überblicksartig werden die Grundformen der Theorie mit ihren Voraussetzungen und Randbedingungen in Abbildung 4 dargestellt. Vereinfachende Annahmen sind u.a. große Aktivierungsenergien und zu vernachlässigender Reaktandenverbrauch. Der Semenov'sche Grenzfall stellt ein ideal durchmischtes System dar, der Grenzfall nach Frank-Kamenetzkii berücksichtigt dagegen ein völlig ruhendes, ungerührtes System.

Der Hauptwiderstand für den Wärmeaustausch mit der Umgebung liegt hier also nicht mehr in der Behälterwand, sondern in der Reaktionsmasse selbst. Die kritischen Bedingungen für eine Wärmeexplosion werden demnach in Abhängigkeit der Probengeometrie formuliert, wobei analytische Lösungen für Ebene, Zylinder und Kugel existieren, kompliziertere Geometrien wurden später numerisch gelöst. Beide Grenzfälle findet man als Beurteilungstheorem wieder, die die generell endliche Wärmeleitung in der Probe sowie realen Wärmeaustausch mit der Umgebung (Newton'sches Gesetz) beschreibt.

Die Semenov'schen Bedingungen entsprechen am ehesten kleinen Probengrößen, guter Wärmeleitung der Probe, Rühren und/oder geringem Kontakt mit der Wärmeaustauschfläche, wohingegen die Bedingungen nach Frank-Kamenetzkii Anwendung für die Beschreibung von Feststoffschüttungen bei Trocknungs- und Lagerungsvorgängen finden, wo auch kleine Wärmen ggf. zu signifikanter Erwärmung führen.

Abb. 3: Grafische Illustration der Wärmeexplosionstheorie (nach Semenov)

Auf Seiten der Stoffbilanz ist bei den entscheidenden Erweiterungen die Berücksichtigung des Reaktandenverbrauch zu nennen, wobei dies vor allem für selbstbeschleunigende Reaktionen relevant ist. Bei nicht selbstbeschleunigenden Reaktionen ist der Reaktandenverbrauch bis zum

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Start einer Wärmeexplosion tatsächlich gering. Für selbstbeschleunigende Reaktionen ergibt sich im Semenovdiagramm (dQ/dt vs T) eine umsatzabhängige Kurvenschar für die Wärmeproduktionsrate (s. Abb. 3).

Abb. 4: Grundformen der Wärmeexplosionstheorie und deren Voraussetzung

Bezüglich der Wärmebilanz wird der instationäre Fall behandelt (gekühlte Systeme mit variierender Probentemperatur), wobei die Reaktionskinetik wieder einen besonders großen Einfluss hat. Außerdem wird der Fall von Starttemperaturen ungleich der Umgebungstemperatur adressiert, wodurch eine sogenannte Preheating-Zeit auftritt, die die Induktionszeit beeinflusst und vor allem bei Systemen mit limitierendem Wärmeaustausch in der Probe von Bedeutung ist. Dann kann das Temperaturmaximum u.U. nicht

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in das Innere der Probe vordringen und eine Zündung am Rand erfolgt bzw. ein Übergangsregime tritt auf.

Wichtig für eine Beurteilung ist, dass oft eine erste schwache Reaktion selbst nicht eine Wärmeexplosion ausmachen könnte, sehr wohl aber einen weiteren Reaktionsschritt auslösen kann, der dies dann tut.

Hierfür sind experimentelle Daten essentiell, um Informationen über den Temperaturverlauf der durchgehenden Reaktion, die Reaktionswärme und die kinetischen Parameter einerseits sowie den Verlauf des Drucks und die Wahrscheinlichkeit bzw. Charakteristika einer Explosion andererseits zu erhalten. Ausführliche Beschreibungen möglicher Testverfahren findet man in der Literatur (z.B. [Bartknecht 1993, Grewer 1994, Steinbach 1995]), lediglich zur Kalorimetrie einige Anmerkungen:

Wärme, die bei einem Prozess durch chemische Reaktion oder physikalische Umwandlung entsteht oder verbraucht wird und charakteristisch für diesen Prozess ist, kann nur mittelbar gemessen werden. Dies gelingt z.B. nach dem Leistungskompensationsprinzip (d.h., die Energie wird gemessen, die zur Kompensation der zu bestimmenden Wärme benötigt wird), dem Wärmestauprinzip (d.h., die Temperaturänderung wird gemessen, die eine Substanz aufgrund der zu bestimmenden Wärme erfährt) oder dem Wärmeflussprinzip (d.h., der Wärmestrom zwischen Probe und Umgebung aufgrund der zu bestimmenden Wärme wird gemessen).

6.5.3.4 Bewertung des Brandereignisses im Filter

Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass die Zündtemperatur (G-G) für Weizenmehle von 390–460˚C angegeben werden kann. Bei den Untersuchungen von Paniermehl selbst ist keine Zündtemperatur, dafür aber eine Glimmtemperatur angegeben. Diese beträgt für die Proben aus dem Produkt TR = 310–350˚C. Dabei ist anzumerken, dass bei Inbetriebsetzung des Rösters dieser auf T = 260˚C aufgeheizt und längere Zeit ohne Produkt auf dieser Temperatur belassen wurde. Dadurch war die Ablufttemperatur infolge mangelnder Wasserbeladung durch das Produkt bereits so hoch, dass auch der Filter mit hohen Temperaturen beaufschlagt wurde. Aus dem Temperaturprotokoll ist zu entnehmen, dass infolge des Einfahrbetriebes und der damit zusammenhängenden Austarierung der Temperatureinstellung diese im betrachteten Zeitabschnitt kurzzeitig bis auf tmax = 280˚C ausgewandert ist.

Das hätte entsprechend den Zündtemperaturdaten aus der Mehl- bzw. Paniermehlsammlung, wie auch der Glimmtemperaturuntersuchung des Produktes nicht zu einem Schaden führen dürfen. Infolgedessen sind die exothermen Reaktionen des Produktes genauer zu betrachten.

Hier ist auf das dem Mehl innewohnende Protein – beim Weizen der sogenannte Kleber –, das Gluten, hinzuweisen. Gluten ist in allen Mehlsorten enthalten und macht ca. 80 % des Gesamteiweißes im Weizen aus. Gluten besteht aus den beiden Proteinen Gliadin und Glutenin. Vom

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Produktionsprozess aus betrachtet, ist Gluten für die Backfähigkeit (Gashaltefähigkeit) von Weizenmehlen ausschlaggebend. Es sorgt also im Teig dafür, dass die Gärgase gehalten werden und somit das Gebäck aufgehen kann. Proteine sind Makromoleküle, die aus Ketten von Aminosäuren bestehen. Als Bindungskräfte wirken u.a. Disulfid-Brücken. Vereinfacht lässt sich die Bildung einer solchen Bindung als Oxidation (Abspaltung von Wasserstoff) verstehen. Die hier abgespaltenen Wasserstoffatome werden von einem Wasserstoff-Akzeptor gebunden und nicht etwa als Wasserstoffgas freigesetzt. Je nach Bindefähigkeit des Teiges und der Oberflächenspannung liegt der molekulare Wasserstoff mit einem hohen kovalenten Anteil vor. Ohne hier auf die weiteren chemischen Vorgänge einzugehen, lässt sich der Nachweis antreten, dass bei der Teigherstellung sich die Wasserstoffbrücken als Katalysator auswirken, die die Zündtemperatur erheblich senken können. In weiterem Verfahrensgang wird dem Mehl Ascorbinsäure (Vitamin C), ein wasserlösliches, leicht oxydierbares Vitamin, zugesetzt. Die chemische Summenformel für Ascorbinsäure ist C6H8O6. Der Schmelzpunkt liegt bei 190–192˚C. Vitamin C ist ein Radikalfänger und hat eine antioxidative Wirkung. Der Ascorbinsäurezusatz soll gleichfalls das Gashaltevermögen und damit das Volumen der Teige steigern. Dieses geht einher mit der zusätzlichen Ausbildung von Disulfid-Brücken (Atombindungen) und was damit zu einer weiteren Steigerung des molekularen Wasserstoffes führt.

Des Weiteren werden dem Mehl zur Anreicherung Enzyme (Alpha- und Beta-Amylasen, Malze und Maltodextrene) zugegeben. Diese Zugaben erfolgen hauptsächlich als Ausgleich schwankender Erntequalität. Diese Zusätze wirken im thermodynamischen Prozess ebenfalls als Katalysator und führen damit zu weiterer Herabsetzung der Zünd- bzw. Glimmtemperatur. Sie tragen unter Energiezufuhr (Aktivierungsenergie) dazu bei, dass die Endzündungsfähigkeit von staubförmigen Partikeln aus dem Produkt erheblich gesteigert wird.

6.5.3.5 Folgerungen aus den Ergebnissen der untersuchten Proben

In dem Bericht sind die verschiedenen Proben nach dem Frank-Kamenetskii-Theorem untersucht und unter Zugrundelegung der errechneten Frank-Kamenetzkii-Konstanten (FK-Konstanten) erfolgte eine Auswertung der Untersuchungsergebnisse, die in den folgenden Diagrammen dargestellt sind.

Die errechneten FK-Konstanten sind:

  1. a)

    für den Prüfkubus δC = 2,52

    Materialkonstante P = 67,12

und

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  1. b)

    für die Anwendung4 δC = 0,88

    Materialkonstante P = 66,07

Der in Abbildung 5 dargestellte Plot ist das Ergebnis der Umrechnung der Prüfapparatur nach Frank-Kamenetzkii – eines gleichmäßig und gleichförmig von Hitze umströmten kubischen Behälters, bei dem die Differenz von umströmender Außenluft (konstante Energiezufuhr) zu gemessener innerer Temperaturerhöhung durch Autokatalysation einen Temperaturunterschied von ΔT = 60˚K ausweist.

Abb. 5: Kritische Staubablagerungen bezogen auf die Prozesstemperatur Material: Teigpelletts, Mehl Typ SEM Nr. 29354 (gesiebt < 70 μm)

6.5.3.6 Interpretation der Untersuchungsergebnisse

Zusammengefasst lässt sich das Testergebnis wie folgt interpretieren:

Unter Einbezug der Frank-Kamenetzkii-Konstanten (FK-Konstante δ) ist in Abbildung 5 die Dicke einer Staubablagerungsschicht über der Temperatur aufgetragen. Dabei ist ersichtlich, dass bei einer Ablagerungsschicht von Δh ≈ 94 mm ein kritischer Zustand erreicht wird, bei dem bei Temperaturen von über TCRT = 175˚C mit einer Selbstentzündung zu rechnen ist. Diese Kurve ist mit Hilfe der FK-Konstanten δ berechnet und bezogen auf die Verhältnisse, die sich bei der Staubdicke und entsprechender Umgebungstemperatur in einer auf den Trockner oder den Filter bezogenen Geometrie ergeben würden.

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Wie aus der Kurve ersichtlich, nimmt die katalytische Selbstentzündungstemperatur von hohen Schichtdicken und niedrigen Temperaturen in ihrer Wirkung ab zu hohen Temperaturen und niedrigeren Schichtdicken (e-x-Funktion). Das bedeutet, wenn in der Geometrie Staubablagerungen von 100 mm zu erwarten sind, darf die Betriebstemperatur T = 170˚C nicht wesentlich überschritten werden. Bei Schichtdicken von 10 mm wäre eine kritische Betriebstemperatur von ca. 220˚C erreicht. Schichthöhen in Millimeterbereichen ab 250˚C sind als nicht relevant anzusehen.

Eine weitere wichtiger Parameter ist die Zeit zur Abschätzung einer Selbstentzündung bei den kritischen Verfahrensparametern: Höhe der Staubablagerung in mm und der kritischen Temperatur Tc in˚C. Die kritischen Verfahrensbedingungen werden in Abbildung 6 ausgewiesen. Die Regressionsgerade wurde aus den Messpunkten zur Ermittlung der kritischen Zeit gewonnen und folgt der lineare Gleichung y = 0,2234 x – 3,3, wobei mit die Staubablagerung und mit y die Zeit bis zur Zündung bezeichnet wird. Hieraus wird deutlich, dass die Induktionsphase bis zur Selbstentzündung der eigentlichen thermischen Belastung in beträchtlichem Abstand folgt. Das heißt, dass das Erreichen der kritischen Temperatur zur Selbstentzündung bei einer Staubdicke von 100 mm bis zu 18 Stunden betragen kann. Das bedeutet, dass der Prozess nach dem Abfahren über diesen Zeitraum hinweg beobachtet werden muss. Bei Ablagerungen von 20 mm beträgt die Nachwirkungszeit noch etwa drei Stunden.

Abb. 6: Voraussichtlicher Zündzeitpunkt in Stunden einer Staubablagerung in mm unter kritischen Prozessbedingungen Material: Teigpelletts, Mehl Typ SEM Nr. 29354 (gesiebt < 70 μm)

Diese Zeiten können sich verkürzen, wenn im Zuge des Transportweges durch Glimmpartikel der Energieeintrag auf noch nicht entzündete Partikel verkürzt wird. Allerdings gilt hier auch, dass die Glimmbrände sehr lange in den Ablagerungen vorhanden sind, ohne dass es zu offenen Branderscheinungen kommt.

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6.5.3.7 Verfahrenstechnische Maßnahmen zur Steuerung des Eigenoxidation bei Paniermehl in Trocknungs- und Filteranlagen – mögliche Schritte

Unter Beachtung der in Abbildung 5 dargelegten Abhängigkeiten von autokatalytischen Wirkungen bei der Ablagerung von Paniermehlstaub in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ist ein strenges Temperaturmanagement bei der Anlage Voraussetzung für den ungestörten Betrieb.

Aus Abbildung 5 folgt unter der Voraussetzung einer maximalen Ablagerungsschichtdicke von Δh = 100 mm, dass die Filter keiner Temperatur ausgesetzt werden dürfen, die die Betriebstemperatur von T = 170˚C überschreitet. Dieses bedingt verfahrenstechnisch eine Abkühlung der Rohgasseite. Wegen der langen Verharrungszeiten von Glimmpartikeln oder wegen der Eigenoxidation der Stoffe ist die Anlage auch beim Abfahren zu überwachen.

Abb. 7: Gemessene CO-Emission im Verlauf der Beprobung von Teigpellets, Mehl Typ SEM Nr. 29354 (gesiebt < 70 μm)

Sicherer Indikator für die katalytische Selbstentzündung sowie für glimmende Partikel ist die CO-Konzentration, die für die gemessenen Selbstentzündungen bei 186, 205 und 214˚C eindeutig nachgewiesen sind. Als Maßnahme insbesondere nach Abschaltung der Anlage empfiehlt sich die CO-Überwachung, wobei hier u.U. eine Differenzmessung erforderlich ist,

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da der CO-Eintrag an den Brennern das Messergebnis verfälschen kann. Abbildung 7 zeigt die CO-Emission bei T = 181˚C sowie den Beginn der katalytischen Selbstentzündung nach ca. 18 Stunden und in der Endtemperatur von T = 191˚C.

Zusammenfassung

Zu den Methoden der vorbeugenden Risikobewertung verfahrenstechnischer Prozesse gehört, die Risiken eingesetzter Stoffe zu ermitteln und zu bewerten. Diese Verfahren gilt es, auch in die allgemeine Beurteilung zum Brandschutz einfließen zu lassen und damit zu einer aktiven Brandvermeidung zu kommen. Anhand der Beprobung von Teigware zur weiteren Verarbeitung in einem thermischen Prozess zu Paniermehl konnte nachgewiesen werden, das durch autokatalytische Vorgänge der stofflichen Komponenten Brandereignisse im der eigentlichen verfahrenstechnischen Anlage nachgeschalteten Filter ausgelöst wurden. Da die Betriebsweise eines Filters nicht darauf ausgelegt ist, die maximale Ablagerungsdicke des gesammelten Staubes im Filter als verfahrenstechnische Größe heranzuziehen, bleibt als primärpräventive Maßnahme nur eine Temperaturregelung des Rohgasstromes, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Auch sind sekundärpräventive Maßnahmen des vorbeugenden Brandschutzes nicht geeignet, hier einen dauerhaft sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten.

Eine sehr gute Bestimmungsgröße zum Erkennen möglicher Gefährdungen und damit zum sicheren Betrieb ist die CO-Überwachung des Verfahrens. Hier kann weit im Vorfeld der gestörte Betriebszustand erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Literatur

Andrejs, B.; Kleinhans, S.; Radandt, S.: Development of a Method for Testing Chemical Emissions during Baking and Cooking, Mannheim 1997

Bartknecht, W.: Explosionsschutz, Springer, Heidelberg 1993

Eckhoff, R. K.: Dust Explosions in the Process Industries, Butterwoth-Heinemann, London 1991

Frank-Kamenetzkii, D. A.: Stoff- und Wärmeübertragung in der chemischen Kinetik, Springer-Verlag, Berlin Göttingen Heidelberg, 1959

Senecal, J. A.; Ergun, E.: Report No. CRC-2625 Rev 1 Re-Issued: April 28, 2006

Zalosh, R. G.: Industrial Fire Protection Engineering, John Wiley amp; Sons, 2003

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ASTM E2021-01: Standard Test Method for Hot Surface Ignition Temperature of Dust Layers; ASTM 2001

TRAS 410 (2001): Erkennen und Beherrschen exothermer chemischer Reaktionen, Bundesanzeiger, 53, Nr. 166 a

VDI-Richtlinie 2263 Blatt 1: 1990-05; Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von sicherheitstechnischen Kenngrößen von Stäuben

Als eine Autokatalyse (Selbstauflösung) bezeichnet man eine besondere Form der katalytischen chemischen Reaktion, bei der ein Endprodukt katalytische Wirkung auf die Reaktion selber hat. Mit fortlaufender Bildung des Produkts und Katalysators wird die Reaktion weiter beschleunigt, da ihre Aktivierungsenergie gesenkt wird (positive Katalyse).


Die 100-K-Regel besagt, dass ein Prozess unter betrieblichen Bedingungen kein thermisches Gefahrenpotenzial darstellen wird, wenn die vorgesehene Betriebstemperatur mindestens 100 K unterhalb der in Differential Thermo Analyse (DTA) oder Differential Scanning Calorimetry (DSC) bei einer Heizrate von 10 K/min ermittelten Onset-Temperatur liegt.


Als Adiabat wird die Grenze eines thermodynamischen Systems dann bezeichnet, wenn über diese Grenze kein Wärmetransport stattfindet. Das ist der Fall, wenn entweder die Temperaturen beiderseits der Grenze übereinstimmen oder die Grenze einen gegen unendlich gehenden thermischen Widerstand besitzt.


Als Anwendungsgeometrie wird die Annahme einer geschätzten Staubablagerung innerhalb der Verfahrensapparatur zugrunde gelegt.