Flammen stoppen – Explosionen kontrollieren

Der Auftrag zur Reinhaltung der Luft ist mit der Verantwortung verbunden, die steigenden Luftqualitätsmaßstäbe der nationalen Regelwerke zu erfüllen. Den strengen Umweltvorschriften folgend sind verzweigte Sammelsysteme für Dämpfe in vielfältigen Bereichen von chemischen, petrochemischen und pharmazeutischen Anlagen zwingend erforderlich. Die geschlossenen Systeme stellen jedoch aufgrund der Gefahr eines Brandes oder einer Explosion der entzündbaren Gase oder Dämpfe ein erhöhtes Risiko dar. Die wichtigste Aufgabe im Schadensfall ist es, das weitere Ausbreiten des Brandes oder der Explosion zu verhindern. Zwei konstruktive Einrichtungen, die Flamm- und die Detonationssicherung, können das Auftreten von größeren Schadensszenarien verhindern.

Brennbare Stoffe werden durch ihre sicherheitstechnischen Kenngrößen wie Explosionsgrenzen, Sauerstoffgrenzkonzentration und Flammpunkt quantitativ charakterisiert und als explosionsfähige Gase/Dämpfe in Explosionsgruppen (z.B. IIA – IIC) eingeordnet. Grundsätzlich wird das Gefahrendreieck einer Entzündung vom gleichzeitigen Vorhandensein der drei Elemente Brennstoff, Sauerstoff und Zündquelle gebildet. Für die Verbrennung von Gemischen ist ein vierter Parameter bestimmend, das Verhältnis von Gemisch- und Sauerstoffanteil. Eine Explosion lässt sich somit durch den Entzug eines oder mehrerer ihrer bestimmenden Elemente unterbinden oder kontrollieren.

Eine Flammdurchschlag- bzw. Detonationssicherung ist ein passives Bauteil ohne bewegliche Teile. Kernstück sind die Elemente, die aus einer bestimmten Zahl definierter, kleiner Durchgänge oder Öffnungen bestehen. Die Konstruktion dieser Öffnungen erlaubt den freien Durchfluss von Flüssigkeiten oder Dämpfen bei normalen Betriebsbedingungen, stellt jedoch für den Durchgang einer Flammfront eine unüberwindbare Barriere dar. Die Flammdurchschlag- oder Detonationssicherung verhindert den Übergang einer Flammfront von der ungeschützten auf die geschützte Seite. Die Wirkungsweise beruht auf der gleichzeitigen Zerteilung und Kühlung der herannahenden Flammfront auf eine Temperatur unterhalb des Flammpunktes des Brennstoffes und eliminiert damit einen Parameter des Gefahrendreieckes.

Die Auslegung von Schutzeinrichtungen setzt die Kenntnis der Explosionsabläufe voraus. Wesentlich für die Auswahl und die Unterscheidung von Flammdurchschlag- und Detonationssicherungen ist der Raum und die Geschwindigkeit der Flammfront. Als Deflagration wird eine Flammfront bezeichnet, die sich offen mit einer unter der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit fortpflanzt. Beispiel hierfür ist eine entzündete Gaswolke an einer Belüftungsendarmatur. Eine Verbrennung in einer Rohrleitung, die sich unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegt ist eine eingeschlossene Deflagration. In den meisten Fällen bieten Flammdurchschlagsicherungen hier ausreichend Schutz.

Turbulenzen in den unverbrannten Dämpfen, eine entsprechende Rohrleitungsgeometrie und Anlaufstrecke können zu einer Beschleunigung der Flammfront führen, die so in eine Detonation übergeht. Eine stabile Detonation ist durch eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, ohne signifikante Veränderungen, gleich oder größer der Schallgeschwindigkeit (1600 m/s bis 2200 m/s) und der dabei entstehenden Druckwelle gekennzeichnet. Die Flamm-ausbreitungsgeschwindigkeit kann die Schallgeschwindigkeit auch deutlich übertreffen und extrem hohe Impulsbelastungen auslösen (instabile Detonation). Ein Beispiel für den rapiden Geschwindigkeits- und Druckanstieg in Abhängigkeit von der Rohrleitungsstrecke zeigen die Werte für ein 4,3 %iges Propan/Luft-Gemisch. Auf einer Explosionsstrecke von 6 m beträgt die Geschwindigkeit 168 m/s und der Druck 0,4 bar-ü, bei nur 5 m mehr sind es bereits 1950 m/s bei 40 bar-ü.

Die Absicherung von alleinstehenden Lagertanks ist eine relativ einfache Aufgabe, bei der in der Regel nur die Übertragung einer äußeren Flamme auf das im Tank eingeschlossene Gas-/Dampfvolumen ausgeschlossen werden muss. Flammdurchschlagsicherungen mit kurzen Anschlussrohrleitungen genügen meist den Anforderungen. Komplexe Tankanlagen und Sammelsysteme mit angeschlossener Rückgewinnung oder Fackelleitung erzeugen eine Vielzahl von Gefahrenpunkten. Die Wahrscheinlichkeit von Detonationen mit hohen Geschwindigkeiten muss hier besonders berücksichtigt werden. Zur Verhinderung von Kettenreaktionen sind alle Anlagenteile, eventuell auch Rohrleitungsabschnitte, durch Detonationssicherungen zu entkoppeln. Nur Detonationssicherungen, die bei Flammfronten mit einer Geschwindigkeit deutlich über der Schallgeschwindigkeit getestet wurden, sind in beliebiger Entfernung von der potenziellen Zündquelle installierbar.

In einem Anwendungsfall saugt eine mobile Absauganlage (Bild 1) Grubengas mithilfe von Drehkolbenverdichtern aus stillgelegten Schächten ab. In der Anlage wird der Druck durch einen drehzahlgeregelten Motor und durch ein Ventil von der Druck- zur Saugseite geregelt. Als Überwachungseinrichtungen sind jeweils ein Mindestsaugdruckbegrenzer, ein Maximaldruckbegrenzer und ein Temperaturbegrenzer auf der Druckseite eingebaut. Die Begrenzer schalten die Anlage ab, wenn Störungen an Regeleinrichtungen aufgetreten oder Absperrarmaturen zu den Verdichtern vor Inbetriebnahme nicht geöffnet wurden. Die Gasabsauge-Richtlinie fordert vor allem einen Temperaturbegrenzer. Bei einer unzulässig hohen Verdichtungsendtemperatur kann, als Folge der Wärmedehnung, der Drehkolben das Gehäuse berühren und eine Zündung bewirken. Auf der Saug- und Druckseite der Verdichter sind Flammenrückschlagsicherungen eingebaut, die die weiteren räumlichen Auswirkungen von Explosionen verhindern.

Bei der mobilen Grubengasabsauganlage mit Drehkolbenverdichter (Bild 2 und 3) erfolgt die Absaugung über eine Schachtleitung, an deren Mündung eine dauerbrandsichere Flammendurchschlagsicherung zur Passiventgasung eingebaut sein sollte, damit bei einem Anlagenstillstand eine passive Entgasung gewährleistet ist. Methangas wird in diesem Fall über zwei Kaltfackeln in die Atmosphäre abgeleitet. Bei einer Aufbauvariante (Bild 2) wird der Saug- und Förderdruck mit explosionsgeschützten Druckmessumformern gemessen. Die Anlage wird bei einem Saugdruck >400 mbar-a und einem Förderdruck von >1200 mbar-a abgeschaltet. Die temperaturüberwachten Deflagrationssicherungen in der Saug- und Druckleitung schützen die Rohrleitung und den Schacht vor Flammenübergriffen vom Verdichter.

Die Explosionsschutzrichtlinie sieht folgende Schutzmaßnahmen vor, wenn eine explosive Atmosphäre auftreten kann:

Das Schutzkonzept der bislang errichteten Grubengasabsauganlagen an stillgelegten Schächten besteht aus einer Kombination der oben genannten Schutzmaßnahmen. Die CH4-Konzentrationsmessung mit der abgeleiteten Abschaltung der Anlage vor Erreichen der oberen Explosionsgrenze ist eine primäre Maßnahme, die Förderung eines explosiven Gemisches zu verhindern. Soweit technisch möglich, werden Zündquellen vermieden. Die gasführenden Bauteile sind ausreichend leitfähig und mit dem Erdpotenzial verbunden, sodass eine Zündung durch statische Aufladung ausgeschlossen werden kann. Als potenzielle Zündquelle ist der Verdichter oder eine Zündung an einer Gasaustrittsöffnung anzusehen. Im Falle eines Lagerschadens am Verdichter kann durch Reibung der Kolben am Gehäuse oder Zermahlen eines Fremdkörpers im Gehäuse eine Zündung hervorgerufen werden. Als Schutzmaßnahme werden alle Bauteile so ausgelegt, dass sie im Falle einer Explosion nicht aufreißen.

Gemäß der Grubengasabsaugerichtlinie müssen die Gasausblase- und Gasabsaugeleitungen mit Explosionssperren (mechanischen Flammdurchschlagsicherungen) versehen werden. Die Sperren müssen im Zündungsfall die Fortpflanzung einer Explosion in Richtung zum Druckerzeuger und in Richtung Grube verhindern. In der Flammdurchschlagsicherung wird die Flammenfront durch die Aufteilung der Strömung auf viele Kanäle soweit gekühlt, dass ein Durchzünden durch die Sicherung verhindert wird. Der Abstand der Flammdurchschlagsicherungen zur Zündquelle darf einen gewissen Betrag nicht überschreiten, da sich bei zu großem Abstand eine Druckwelle aufbauen kann. Falls die Flammdurchschlagsicherung nicht dauerbrandsicher ist, muss die Temperatur überwacht werden.

Halle 8.0, Stand W30

Online-Info www.cav.de/0509533