Die Entstehung einer Explosion ist vom Vorhandensein von Luftsauerstoff, einer Zündquelle sowie eines brennbaren Stoffes abhängig. Bei Staubexplosionen sind zudem das Mischungsverhältnis und die Staubverteilung entscheidend. Für jeden gängigen Staub können sogenannte Explosionsgrenzen ermittelt werden, innerhalb derer das Mischungsverhältnis explosionsfähig ist. Zusätzlich bedarf es einer wirksamen Zündquelle. Häufig auftretende Zündquellen sind heiße Oberflächen, elektrische Funken oder Glimmnester, die im Prozess entstehen. Per Definition bestimmen die Eintrittswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß die Höhe eines Explosionsrisikos. Eine systematische Risikobeurteilung bildet die Entscheidungsgrundlage dafür, ob und in welchem Umfang Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen.
Klassifizierung von Explosionen
Zunächst muss die Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären sowie potenziell wirksamer Zündquellen ermittelt werden. Die Häufigkeit kann beispielsweise nach VDI 2263 in sechs Klassen bewertet werden (A = häufiger als einmal pro Jahr, B = einmal pro Jahr, C = einmal in 5 Jahren, D = einmal in 30 Jahren, E = einmal in 100 Jahren und F = einmal in 1000 Jahren).
Danach wird die Heftigkeit der Auswirkungen einer Explosion klassifiziert. Diese Klassifizierung erfolgt am Beispiel der VDI 2263 in vier Stufen, je nach Auswirkungen auf Personen, Umwelt und das Unternehmen. Die Klassifizierung der Explosion nach Stufe 4 bedeutet, die Explosion hat keine verletzten Personen und keine Umweltschäden zur Folge. Der Schaden für das Unternehmen beträgt weniger als 500 000 Euro oder die Anlage steht wenige Tage still. Die Einordnung in Stufe 3 bedeutet, es gibt leicht verletzte Personen (weniger als drei Tage arbeitsunfähig), leichte Umweltschäden können innerhalb und außerhalb des Betriebsgeländes auftreten, dem Unternehmen entstehen Schäden von z. B. weniger als 2 Mio. Euro oder die Anlage steht für einige Wochen still. Eine Explosion, die mit der Stufe 2 bewertet wird, hat verletzte Personen zur Folge (mehr als drei Tage arbeitsunfähig) und die Umwelt wird kurzfristig belastet. Es entsteht dem Unternehmen ein Sachschaden von weniger als beispielsweise 10 Mio. Euro oder ein Anlagenstillstand von einigen Monaten. In Stufe 1 hat die Explosion Tote zur Folge. Der Umwelt entstehen langfristige Schäden. Zudem entstehen dem Unternehmen Kosten von mehr als 10 Mio. Euro oder sie verursacht einen Stillstand der Anlage für mehr als ein Jahr. Beide Bewertungen werden in einer Matrix zusammengeführt. Die so ermittelten Kennzahlen geben an, ob und in welchem Maße eine Anlage bzw. ein Anlagenteil geschützt werden muss.
Mögliche Explosionsschutzmaßnahmen
Die Gefährdungs- und Risikobeurteilung bestimmt den Einsatz der erforderlichen Schutzmaßnahmen. Diese werden in den vorbeugenden und konstruktiven Explosionsschutz unterteilt. Der vorbeugende Explosionsschutz sieht präventive Maßnahmen zur Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre vor und reduziert so die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Explosion. Brennbare Stoffe müssen, wann immer es möglich ist, durch Stoffe ersetzt werden, die keine explosionsfähigen Atmosphären bilden können. Eine andere Möglichkeit ist, durch Überlagerung des Stoff-Luft-Gemischs mit Inertgasen, den Luftsauerstoffgehalt so weit zu senken, dass sich keine Explosion mehr ereignen kann. Zum vorbeugenden Explosionsschutz gehört ferner die Vermeidung von vorhandenen, wirksamen Zündquellen. Hier geht es zum Beispiel um die Verwendung geeigneter Betriebsmittel, den Schutz vor dem Eintrag von Verunreinigungen und Fremdkörpern sowie die Erdungsüberwachung zur Verhinderung elektrostatischer Entladungen.
Der konstruktive Explosionsschutz befasst sich mit der Reduzierung der Auswirkungen einer Explosion. Konstruktive Schutzmaßnahmen sind die konventionelle Druckentlastung durch Berstscheiben, flammenlose Druckentlastung, explosionstechnische Entkopplung und die Explosionsunterdrückung. Konstruktiver Explosionsschutz ist in vielen industriellen Anlagen, die brennbare Stäube handhaben, unumgänglich, denn die absolut gesicherte Vermeidung wirksamer Zündquellen ist prozessbedingt fast nie realisierbar und Inertisierung ist meist zu kostenintensiv und/oder prozessbedingt nicht möglich.
Druckentlastung durch Berstscheiben
Bei Anlagen außerhalb von Gebäuden oder Anlagenteilen an einer Außenwand werden häufig Berstscheiben zur Explosionsdruckentlastung verwendet. Geschützt werden zum Beispiel im Außenbereich stehende Silos, Filter und Elevatoren. Im Fall einer Explosion öffnet die Berstscheibe, verringert so den Überdruck im Behälter und entlässt die Explosion nach außen. Da kaum ein Prozess dem anderen gleicht, gibt es unterschiedliche Berstscheibentypen, die sich in Form, Material, Temperatur- und Druck-/Vakuumbeständigkeit unterscheiden. Auch hygienisch anspruchsvolle Prozesse können heutzutage mit Berstscheiben gesichert werden. Die Berstscheibe EGV HYP von Rembe bestand mit großem Erfolg den EHEDG-Reinigbarkeitstest. Innerhalb dieses Tests wird die In-Place-Reinigbarkeit von Anlagenbauteilen geprüft, um in der Praxis hygienisch einwandfreie Produkte zu erhalten.
Flammenlose Druckentlastung
Bei Anlagen innerhalb von Gebäuden sind Berstscheiben zur Druckentlastung nicht geeignet, da kein ausreichend großer Sicherheitsbereich zum Entlasten der austretenden Stäube und Flammen vorhanden ist. Dies birgt eine enorme Gefährdung für Personen und Anlagenteile. Häufig wird dieses Problem durch Abblasekanäle gelöst. Dabei wird die sich ausbreitende Explosion über Kanäle nach Außen entlastet. Diese Methode verhindert allerdings ein prozessoptimiertes Anlagendesign und ist meist sehr kostspielig, da mit zunehmender Entfernung der Explosion vom Explosionsherd der Druck zunimmt, dem der Kanal und die Anlage standhalten müssen. Damit steigen die Kosten für den Abblasekanal.
Die flammenlose Druckentlastung stellt eine wirtschaftliche und effektive Alternative dar. Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Technologien, um eine flammenlose Druckentlastung sicherzustellen. Rembe bietet hierfür drei verschiedene Produkte an: Q-Rohr, Q-Box und Q-Ball. Das in den Produkten verarbeitete Spezial-Mesch-Gewebe kühlt Flammen effizient ab, sodass weder Flammen noch Druck austreten. Die für eine Explosion typische Druckerhöhung und Lärmbelästigung im Innenraum wird auf ein kaum wahrnehmbares Minimum reduziert. Neben dem Spezial-Edelstahl-Mesch-Filter bestehen Q-Ball, Q-Rohr und Q-Box aus einer Berstscheibe mit integrierter Signalisierung, die das Prozessleitsystem über das Ansprechen der Berstscheibe informiert.
Explosionstechnische Entkopplung
In jeder Produktion sind einzelne Anlagenteile durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Ziel der explosionstechnischen Entkopplung ist es, diese Rohrleitungen im Fall einer Explosion zu verschließen, um die Ausbreitung von Druck und Flammen zu verhindern und somit angrenzende Anlagenteile zu schützen. Dabei unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Entkopplungssystemen. Aktive Systeme nehmen über Sensoren oder Detektoren eine Explosion bereits in der Entstehungsphase wahr, indem sie den ansteigenden Druck oder sich bildende Flammen registrieren und das zugehörige Entkopplungsorgan, z. B. ein Quenchventil, aktivieren.
Die passive Entkopplung reagiert rein mechanisch durch ihre bauliche Beschaffenheit auf die Ausbreitung von Druck oder Druckverlust. Letzteres gilt u. a. für Rückschlagklappen. Diese werden im Normalbetrieb durch die in der Rohrleitung vorhandenen Ströme offen gehalten. Bei einer Explosion verschließt sich die Klappe durch die sich ausbreitende Druckfront und ein weiteres Ausbreiten von Druck und Flammen wird wirkungsvoll verhindert.
Explosionsunterdrückung
Bei der Explosionsunterdrückung wird die Explosion bereits in der Entstehungsphase eliminiert. Detektoren erkennen über Sensoren Funken oder Flammen und lösen das sofortige Öffnen der ebenfalls an der Anlage installierten Löschmittelbehälter aus. Diese bringen binnen Millisekunden hochwirksames Löschmittel ein und ersticken somit die Explosion bereits im Keim. Das gleiche Prinzip wird für Löschmittelbehälter zur explosionstechnischen Entkopplung verwendet: Man spricht dann von sogenannten Löschmittelsperren, die die Ausbreitung einer Explosion durch gezielte Ablöschung der Flamme verhindern.
Rembe
Halle 5, Stand 410
Autor: Dr.-Ing. Johannes Lottermann
Director Explosion Safety,
Rembe
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