Vorbeugender und konstruktiver Explosionsschutz nach ATEX

Darstellung einer Staubexplosion
Im Zusammenhang mit Entstaubungsanlagen wird hier gezielt der Themenkreis ‘Explosion brennbarer Stäube mit Sauerstoff‘, auch als Staubexplosion bezeichnet,behandelt.

Eine Staubexplosion ist ein exothermes,
instationäres Reaktionsgeschehen, das
i. d. R. der Explosionskategorie Deflagration zugeordnet werden kann.

Weitere Kategorien sind Verpuffung und Detonation.

Deflagration

ist im Prinzip ein schneller Verbrennungs-
vorgang mit reaktionsschnellem und deut-
lichem Druckanstieg, der seine Ursache in
den sich ausdehnenden Gasen hat.

Die Flammgeschwindigkeit beträgt dabei
einige 100 Meter pro Sekunde.

Der Druck steigt bis 10 bar (1 MPa) und in
Abhängigkeit des Brennstoffes auch
höher.

Verdämmung

Die Reaktionsheftigkeit einer Staubexplosion wird bestimmt durch die Massen, durch die Verhältnismäßigkeit der Reaktionspartner sowie dem Grad der Verdämmung.

Filtergehäuse stellen als geschlossene Behälter eine vollständige Verdämmung dar.

Grafik: Pentagramm Staubexplosion

Eine Explosion kann nicht durch Zufall
eintreten. Mindestens zwei Reaktions-
partner mit geeignetem Mischungsver-
hältnis bilden die Grundlage für eine
explosionsfähige Atmosphäre.

Für Staubexplosionen kommen organi-
sche und brennbare metallische Stäube
als Reaktionspartner in Frage. Die Luft
liefert den Reaktionspartner Sauerstoff.

Explosionsfähige Atmosphäre

Voraussetzung für eine explosionsfähige
Atmosphäre ist dispergierter Staub, der
aus einer Vermischung von Staubpartikeln
unterschiedlicher Größe und von Gasmo-
lekülen besteht.

Der Dichteunterschied sorgt für ständiges
Umherwirbeln und Umwälzen, wodurch
ein homogenes Gemisch entsteht.

Ist eine bestimmte Staubdichte erreicht
und wird eine bestimmte Korngröße un-
terschritten, handelt es sich um eine
explosionsfähige Atmosphäre.

Allerdings lassen sich Explosionsgrenzen
wegen der unterschiedlichen Partikelgrö-
ßen brennbarer Stäube nicht allgemein
definieren. Nur durch spezifische Versu-
che können Explosionsgrenzen (UEG, un-
tere Explosionsgrenze) ermittelt werden.

Zündquelle

Eine explosionsfähige Atmosphäre ent-
wickelt noch keine Reaktion!

Um eine Explosion auszulösen, muss zu-
sätzlich eine Zündquelle vorhanden sein.
Dazu zählt auch die Selbstentzündungs-
fähigkeit eines Stoffes.

Der maximale Explosionsdruck pmax
wird maßgeblich von der Verdämmung
beeinflusst.

Der zeitliche Druckanstieg dp/dt gibt die
Explosionsheftigkeit wieder. Er ist als
erste Ableitung im Wendepunkt der
Druck/Zeit-Kurve definiert und wird als
Kenngröße (KSt-Wert) für die Zuordnung
in die Staubexplosionsklassen St 1, St 2
und St 3
genutzt.

Tabelle: Staubexplosionsklassen

Die Staubexplosionsklassen bilden, er-
gänzend zum Maximaldruck, die Grund-
lage zur konstruktiven Auslegung von
Schutzmaßnahmen.

Druckverlauf einer Staubexplosion im
1 m3-Kugel-Prüfbehälter

Schaubild: Druckverlauf einer Staubexplosion

Explosionskenngrößen aus realisierten Keller-Projekten

Tabelle: Explosionskenngrößen

Eine Gefahrstoffsammlung finden Sie
in der GESTIS-STAUB-EX Datenbank >

Die Prüfbedingungen
zur Ermittlung des
KSt-Wertes und pmax
sind in den Richtlinien
VDI 3673 Blatt 1 und
VDI 2263 Blatt 1 sowie
in ISO 6184-1 festgelegt

Mindest-Zündtemperatur

Unter festgelegten Versuchsbedingungen
wird die niedrigste Temperatur einer hei-
ßen Oberfläche ermittelt, bei der sich das
zündempfindlichste Gemisch einer explo-
sionsfähigen Atmosphäre (Staubwolke)
entzündet.

In Filteranlagen hat die Mindest-Zünd-
temperatur eine große Bedeutung, da der
Motor des Ventilators Oberflächen erhitzen
kann.

Daher muss die maximale Oberflächen-
temperatur 2/3 unter der Mindest-Zünd-
temperatur der Staubwolke liegen.

BeispieleDetails

  • Dargestellt ist die niedrigste Temperatur, die noch zur Zündung führt.

    Lackoverspray 350 °C
    Säge- und Frässtaub Kunststoff 430 °C
    Gummi-Schleifstaub 500 °C
    Aluminiumstaub mit Aerosolen
    aus Minimalmengenschmierung
    550 °C

Mindest-Zündenergie

Auch die Mindest-Zündenergie ist ein we-
sentlicher Faktor bei der Auslegung von
Schutzmaßnahmen.

Unter festgelegten Versuchsbedingungen
wird die kleinste in einem Kondensator
gespeicherte Energie ermittelt, die bei 20
nacheinander folgenden Entladungen das
zündempfindlichste Gemisch einer explo-
sionsfähigen Atmosphäre nicht entzünden
kann.

Bei einer Beurteilung ist der Prozessab-
lauf zu beachten, denn oft entsteht der
zündfreudigste Zustand beim Anfahren
oder Abschalten einer Anlage. Bei fetten
oder mageren Staub-Luftgemischen liegt
die Zündtemperatur höher.

BeispieleDetails

  • Dargestellt ist die geringste kapazitiv ge-
    speicherte Energie, die noch zur Zündung
    führt.

    Aluminium-Schleifstaub 5 mJ
    Stofffasern (Laminatreste) 3-10 mJ
    Zinkstaub 10 mJ
    Aluminiumstaub mit Aerosolen
    aus Minimalmengenschmierung
    > 10 mJ
    Polyethylenstaub 10-30 mJ
    Säge- und Frässtaub Kunststoff 10-30 mJ
    Gummi-Schleifstaub 100 mJ
    Zinn-Kupfer-Staub 100 mJ
    Lackoverspray 100 mJ
Schaubild: Zündenergie

Die Mindest-Zündenergie hat meist tem-
porären Charakter

Schaubild: Mindest-Zündwilligkeit

Die Klassen der Mindest-Zündwilligkeit

Druck und Temperatur

Steigen Druck und Temperatur an, ver-
schiebt sich die obere Explosionsgrenze
nach oben.

Eine Erhöhung des Ausgangsdrucks
(Arbeitsdruck der Anlage) führt zu einer
Steigerung des Explosionsdrucks und der
Explosionsheftigkeit. Dies kann sich bis
zu einer Detonation steigern.

Staubkorngröße

Die Verbrennungsreaktion einer Explosion
spielt sich auf der Partikeloberfläche ab.
Je feiner der Staub ist, umso mehr Ober-
fläche bietet er für die Reaktion – und um
so größer sind Explosionsdruck und Ex-
plosionsheftigkeit.

Die naheliegende Überlegung, groben
Staub zuzumischen, eignet sich nicht als
Schutzmaßnahme, denn 5 bis 10 % Fein-
staubanteil reichen weiterhin aus, um
eine Explosion zu zünden.

Turbulenz

Herrschen in einer explosionsfähigen
Atmosphäre Turbulenzen, kann dies bei
Zündung zu höheren Explosionsdrücken
und zu einer 10-fach größeren Explo-
sionsheftigkeit führen.


Selbstentzündung

Sind große Staubansammlungen nicht auszuschließen, ist auf deren Selbstent-
zündungstemperatur zu achten.

Organische Stäube

Hierzu zählen Kunststoffe wie CFK, GFK,
GMPU, Gummi, Polyester, PTFE, Isolier-
stoffe, aber auch Kohle, Mehl, Kakao,
Stärke, Holz, Cellulose, Futtermittel und
nicht zuletzt Lackier- und Sprühstäube.

Die Stäube aus der Be- und Verarbeitung dieser Produkte und Stoffe sind zündfähig und können in der Regel der Staubexplosionsklasse ST1 zugeordnet werden.

Metallische Stäube

Dazu zählen anorganische Stoffe wie Eisen, Stahl und insbesondere Magnesium und Aluminium.

Bei geringer Partikelgröße (Stäube)
können sich auch solche Metalle entzün-
den, die in fester Form als nicht brennbar
gelten.

Die in Relation sehr große Oberfläche
der Metallstaubpartikel ermöglicht eine
schnelle Wärmeaufnahme und ermöglicht
dadurch die Entwicklung einer zündfähi-
gen Atmosphäre.