Vorbeugender und konstruktiver Explosionsschutz nach ATEX

Grafik einer Staubexplosion

Ermittlung der Explosionsgefahr
nach ATEX 137 (Betreiberrichtlinien)


Zoneneinteilung

Die Betriebsräume sind nach Wahr-
scheinlichkeit und Dauer des Auftretens
explosionsfähiger Atmosphären nach fol-
gender Systematik in Zonen einzuteilen
(VDI 2263-6 / BGR 104):

Atmosphäre: Gas/Nebel/Dämpfe

Gefahr mehr als 50 % der Betriebsdauer
bis ständig Zone 0

Gefahr gelegentlich bis weniger als 50%
der Betriebsdauer Zone 1

Keine Gefahr im Normalbetrieb oder
selten und kurzzeitig Zone 2

Atmosphäre: Staub

Gefahr mehr als 50 % der Betriebsdauer
bis ständig Zone 20

Gefahr gelegentlich bis weniger als 50%
der Betriebsdauer Zone 21

Keine Gefahr im Normalbetrieb oder
selten und kurzzeitig Zone 22

Einstufung in eine Geräte-Kategorie
nach ATEX 95 (Herstellerrichtlinien)


Gerätegruppe I

umfasst Geräte für den Übertage- und
Untertagebergbau.
(Ist nicht Teil dieser Abhandlung)

Gerätegruppe II

Dazu gehören alle Geräte in den übrigen
explosionsgefährdeten Bereichen. Alle
nachfolgenden Informationen beziehen
sich auf die Gerätegruppe 2.

Geräte-Kategorie 1

Gefahrenpotential: ständig, häufig oder
über längeren Zeitraum
Anforderung: sehr hohe Sicherheit

Geräte-Kategorie 2

Gefahrenpotential: gelegentlich
Anforderung: hohe Sicherheit

Geräte-Kategorie 3

Gefahrenpotential: selten und kurzzeitig
Anforderung: normale Sicherheit

Einsatzbereiche nach den Produkt-
richtlinen ATEX 95


In der Zone 20 dürfen nur Betriebsmittel
der Geräte-Kategorie 1 eingesetzt wer-
den.

Für die Zone 21 sind Geräte der
Geräte-Kategorie 2 (+1) zugelassen.

Für die Zone 22 eignet sich die
Geräte-Kategorie 3 (+2 und 1).

Zoneneinteilung nach ATEX am Beispiel einer  VARIO Entstaubungsanlage

Zoneneinteilung
entsprechend am Beispiel VARIO

rot: Zone 20
grün: Zone 22

Liste der prozessbedingten
Zündquellenarten nach ATEX 95


– Funken
– Flammen
– Hohe Oberflächentemperaturen
– Lichtbögen
– Schallenergie
– Strahlung im optischen Bereich
– Elektromagnetische Wellen
– Elektrostatische Aufladung
– Elektrische Streu- und Leckströme
– Erwärmung durch Reibvorgänge
– Erwärmung durch Schlagvorgänge
– Stoßwellen oder Kompression
– Chemische Reaktion

Beispiel: Staubabsaugung bei der
Bearbeitung von Aluminium


Bei der mechanischen Bearbeitung von
Aluminium können durch Kollisionen mit
Stahlteilen heiße, brennbare Späne und
Funken entstehen.

Durch die Absaugung der Emissions-
stäube können diese Zündquellen in den
Filterbereich der Absauganlage gelangen.

Die Zündgefahrenbewertung muss durch
die vielen Einflüsse bei der Absaugung
von Metallstäuben unter prozessnahen
Bedingungen erfolgen.

Beispiel: Staubabsaugung beim Wiegen,
Dosieren und Mischen in der Kunststoff-
industrie

Wesentlicher Bestandteil von organischen
Stoffen und damit auch von Kunststoffen
(mit Ausnahme einiger Silikone) ist das
Element Kohlenstoff.

Die speziellen Eigenschaften der ver-
schiedenen Kunststoffe werden durch
das Ausrüsten mit Zuschlagstoffen erzielt.

Das Brandverhalten von Kunststoffen und
die Explosionsfähigkeit von Kunststoff-
stäuben ist entsprechend vielfältig.

Anlageninterne- und prozessbedingte
Zündquellen können ausgeschlossen
werden.

Vorbeugender Explosionsschutz


Um Gefährdungen durch Explosionen zu
vermeiden, muss der Explosionsschutz
methodisch erfolgen.

Die Informationen zu den primären und
sekundären Explosionsschutzmaßnah-
men finden Sie auf den Seiten „Vermei-
dung einer explosionsfähigen Atmo-
sphäre“ und „Zündquellenfreier Betrieb“.



Oft erweist es sich als sinnvoll, die Mög-
lichkeiten des vorbeugenden Explosions-
schutzes mit den Vorteilen des konstruk-
tiven Explosionsschutzes zu kombinieren.

Damit kann ein sehr hoher Sicherheits-
level erzielt werden, der gegebenenfalls
in der Lage ist, auch Fehlerquellen zu
tolerieren.

Restrisiko


Bei allen getroffenen Maßnahmen ist ein
Restrisiko durch das Zusammentreffen
unvorhersehbarer Ereignisse nicht aus-
zuschließen.

Die VDI-Richtlinie 2236 Blatt 6 erläutert
an Beispielen die Durchführung von
Risikobeurteilungen und die Ableitung
geeigneter Schutzmaßnahmen.

Vermeidung einer explosionsfähigen
Atmosphäre


Die Vermeidung einer explosionsfähigen
Atmosphäre erscheint als naheliegende
Schutzmaßnahme – doch nicht alle Pro-
zesse sind dafür geeignet.
(Primärer Explosionsschutz)

1. Nassabscheidung


Bei diesem Verfahren werden evtl. Zünd-
quellen benetzt und die Entstehung einer
explosionsfähigen Atmosphäre im Staub-
abscheider vermieden. Prozessbedingt
kann diese Technik nicht universell einge-
setzt werden.

Weitere Infos (Keller Website) >


2. Inertisierung


Bei der Inertisierung handelt es sich um
die gezielte Zuführung von Inertstoffen zur
Verhinderung der Entwicklung einer ex-
plosionsfähigen Atmosphäre.

Dafür eignen sich Inertgase wie Stick-
stoff, Kohlenstoff oder Edelgase, aber
auch pulverförmige Inertstoffe wie Kalk-
steinmehl (Feststoffinertisierung). Bei
Verwendung pulverförmiger Inertstoffe
kann die Zugabe bis zum Neunfachen
der explosionsfähigen Staubmenge nötig
sein, um eine Inertisierungswirkung zu
erreichen.

Bei einer Entzündung wird die Reaktions-
energie und die Reaktionsgeschwindig-
keit so weit reduziert, dass die Merkmale
einer Explosion nicht mehr zum Tragen
kommen.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist
abhängig von der anfallenden Staub-
menge bzw. dem Bedarf an Inertmaterial.

Zündquellenfreier Betrieb



Bei einem explosionsfähigen Staub-Luft–
Gemisch kommt es nur dann zur Explo-
sion, wenn eine Zündquelle in dieser
Atmosphäre wirksam werden könnte.
(Sekundärer Explosionsschutz)



1. Organisatorische Maßnahmen

Damit lassen sich alltäglich denkbare
Zündquellen wie Schweißen, Rauchen
und sonstiger Umgang mit offenen Flam-
men ausschließen.

Grafik: Pentagramm Staubexplosion

Explosions-Pentagon
Trotz der explosionsfähigen Atmosphäre
ist bei einem zündquellenfreien Betrieb
keine Explosion möglich



2. Vermeidung von Zündquellen in der
Absauganlage


Nicht ausreichend ist dies bei besonders
zündempfindlichen Stäuben oder Dämp-
fen mit MZE < 10mJ und bei hybriden
Gemischen.

Alle Komponenten innerhalb der Ex-Zo-
nen müssen nach ATEX zugelassen sein,
um als Zündquelle auszuscheiden.

Kann ein Zündquelleneintrag von außer-
halb der Entstaubungsanlage sicher aus-
geschlossen werden und können z. B.
beim Dosieren organischer Werkstoffe
Reib- oder Schlagvorgänge im Rohgas-
bereich der Anlage ebenfalls ausge-
schlossen werden, genügt die Erdung der
Anlagenausrüstung. Damit ist die Entstau-
bungsanlage gesichert gegen elektrische
Streu- und Leckströme.

Mit einem durchgängigen Potentialaus-
gleich wird eine elektrostatische Funken-
entladung vermieden.

Anwendungsspezifisch werden zusätzlich
ableitfähige und geerdete Filterelemente
eingesetzt.



2.1 Zündquellenüberwachung




Für Prozesse mit denkbarer Funkenbil-
dung (z. B. Aluminiumverarbeitung) kann
das Ansaugsystem durch einen Funken-
sensor überwacht werden.

Wird ein Zündfunkeneintrag detektiert,
kann über die SPS die nächst fällige Ab-
reinigung der Filterelemente (explosions-
fähige Atmosphäre) verhindert werden.

Weitere Infos (Keller Website) >


3. Abreinigen bei Anlagenstillstand

Wird zur Abreinigung der Filterelemente
die Absaugung unterbrochen, kann im
Moment der Abreinigung keine Zünd-
quelle eingeführt werden.

Weitere Infos (Keller Website) >

Konstruktiver Explosionsschutz
nach BGR 104 und VDI 2263


Sind die vorgenannten Maßnahmen
(Primärer und sekundärer Explosions-
schutz) nicht ausreichend, um vor einer
Explosion bzw. ihren Folgen zu schützen,
muss der Explosionsschutz durch kon-
struktive Maßnahmen erfolgen
(Tertiärer Explosionsschutz).



BGR 104 und VDI 2263 unterscheiden
zwischen folgenden Schutzmaßnahmen:

– Explosionsfeste Bauweise
– Explosions-Druckentlastung
– Explosions-Unterdrückung
– Verhindern der Flammen- und
Explosionsübertragung

Gehäusebauweise



Explosionsdruckstoßfeste Bauweise

Ist eher selten mit einer Explosion zu rech-
nen, wird die Anlage entsprechend dieser
Kategorie ausgelegt. In der Regel wird
hier eine einfache Sicherheit vorgesehen.




Explosionsdruckfeste Bauweise

Berechnet nach dem maximalen Explo-
sionsdruck oder dem reduzierten maxima-
len Explosionsdruck muss der Rohgasbe-
hälter einer Explosion standhalten ohne
sich zu verformen.

Explosionsdruckentlastung
für organische Stäube


Bei Entstaubungsanlagen, die für den re-
duzierten Explosionsdruck druckstoßfest
ausgelegt sind und im Freien stehen oder
an einer Hallenaußenwand, können bei
geeignetem Sicherheitsabstand Berst-
scheiben
zur Explosionsdruckentlastung
eingesetzt werden.
Ein evtl. Flammenaustritt ist zu beachten.

Darstellung einer Berstscheibe

Berstscheibe

Durch die Integration einer flammenlosen
Druckentlastung können Flammen und
Hitze durch ein Edelstahlgeflecht absor-
biert werden.

Aufgrund der Staubausbreitung sind be-
stimmte Sicherheitsabstände dennoch
zu berücksichtigen.

Trockenabscheider VARIO mit ProVent
Animation >




Flammenlose Druckentlastung
bei Metallen


ProPipePlus und TR-1 ProVentPlus er-
möglichen eine gefahrenfreie Explosions-
druckentlastung in geschlossenen Räu-
men.

ProPipePlus ist ein patentiertes System
mit Flammenfalle und Staubrückhaltung
aus Edelstahl.

Dieses System benötigt keine Schutzzone.
Für Aluminiumstäube gibt es eine geson-
derte Ausführung.

Darstellung des ProPipePlus

ProPipePlus an VARIO 2
Animation >




TR-1 ProVentPlus eignet sich speziell zur Absaugung explosionsfähiger Stäube an Werkzeugmaschinen mit Trockenbearbei- tung oder Minimalmengenschmierung.

Die Verbrennungsprodukte der flammen-
losen Druckentlastung werden durch
einen Umlenkkanal nach oben abgeleitet.
Eine Schutzzone muss nicht ausgewiesen
werden.

Jedoch ist eine Einzelprüfung nach
DIN EN 16009 erforderlich.

Darstellung des TR-1 ProVentPlus

TR-1 ProVentPlus
Animation >

Weitere Infos (Keller Website) >

Unterdrückung der Staubexplosion



Geeignet für Anlagen, die für einen re-
duzierten maximalen Explosionsdruck
ausgelegt sind

Der bei einer anlaufenden Staubexplosion
im Filterraum entstehende Druck wird
durch ein Detektorsystem erkannt und der
unter Druck stehende Löschmittelbehälter
elektronisch aktiviert.

Innerhalb 50 ms wird das Löschmittel
gleichmäßig im Filterraum verteilt und die
Explosion unterbunden. Der sich im Auf-
bau befindliche und dann abgebrochene
Explosionsdruck erreicht i.d.R. 0,4 bar
Überdruck.

Das System ist für organische Stäube zu-
gelassen.




Ideal für toxische Stäube

Da die Auswirkungen auf das Innere be-
schränkt bleiben, eignet sich dieses Ver-
fahren insbesondere für toxische Stäube.




Bild eines Rundfilters mit Explosionsunterdrückung

Rundfilter mit Explosionsunterdrückung

Schutz vor Explosionsfolgen und
Personenschäden

Entstaubungsanlagen mit explosions-
fester Bauweise, mit Explosionsunter-
drückung oder mit Explosionsdruckent-
lastung müssen explosionstechnisch
entkoppelt werden.

Damit wird vermieden, dass schwerwie-
gende Folgeexplosionen und Personen-
schäden durch die Druckwelle und evtl.
Flammeinwirkungen entstehen können.

Situativ ist zu klären, ob eine vollständige
oder partielle Entkoppelung von Flamme
und Druck ausreichend bzw. notwendig
ist.




Entkopplung der Reingasleitung

In der Regel verhindern Filterelemente
das Durchschlagen von Flammen in die
Reingasleitung. Doch Filter sind keine
Schutzsysteme und können u. U. auch
brennen.

Die Reingasleitung muss dem reduzier-
ten Explosionsdruck standhalten können
und darf nur in ungefährlichen Bereichen
enden.

Alternativ können zur Entkoppelung der
Reingasleitung Druckentlastungsschlote
mit Berstscheiben eingesetzt werden.

Ebenso eignen sich Schnellschluss-
ventile
zur Entkopplung von Flamme und
Druck.




Entkopplung der Rohgasleitung

Eine sehr bewährte Methode ist die Ent-
kopplung von Druck und Flamme durch
die Rückschlagklappe ProFlap.

Die Rückschlagklappe wird durch den
prozessbedingten Volumenstrom offen-
gehalten. Im Falle einer Explosion wird
die Rückschlagklappe durch die Druck-
welle geschlossen. Damit wird eine
flamm- und durchschlagsichere Sperre
der Rohgasleitung gewährleistet. Die
Rohgasleitung ist entkoppelt.

Rückschlagklappe ProFlap
Weitere Infos (Keller Website) >


Löschmittelsperre (Flammensperre)

Die Löschmittelsperre wird durch einen
Detektor aktiviert und bläst im Falle einer
Staubexplosion unter Druck stehendes
Löschmittel in die Leitung ein.
Die Flammen werden erstickt, doch die
Druckwelle wird nicht aufgehalten. Des-
halb müssen auch die dahinterliegenden
Anlagenteile für den reduzierten Explo-
sionsdruck ausgelegt sein.

Schutz vor Explosionsfolgen und
Personenschäden


Entkopplung der Staubentsorgung

Zur Vermeidung einer Explosionsausbrei-
tung in den Staubsammelbehälter kann
die Sperrfunktion einer Zellenradschleuse
genutzt werden. Durch eine angepasste
Auslegung wird ein Zünddurchschlag
sicher verhindert.

Mit einer Taktschleuse wird die selbe
Wirkung erzielt.

Alternativ kann eine druckstoßfeste Aus-
führung des Staubsammelbehälters ge-
wählt werden.




Bild einer Zellenradschleuse

Zellenradschleuse