Industrielle Verfahren und Vermeidung von Explosions- und Brandrisiken durch industrielle Staubabscheider

In vielen industriellen Systemen werden entflammbare Pulverprodukte verwendet oder brennbare Stäube erzeugt. Der Betrieb dieser Produktionssysteme birgt Brand- und Explosionsrisiken. Risiken, die sich aus den Eigenschaften der eingesetzten Produkte und Verfahren ergeben. Die Gesetzgebung zur Sicherheit der Arbeitnehmer und zum Umweltschutz verpflichtet die Unternehmen daher, geeignete Präventions- und Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Die häufigste Präventionsmaßnahme ist die Kontrolle der Aufwirbelung von Partikeln und ihrer Konzentration in der Umgebungsluft oder in den Geräten. Hierzu gehören Absaug- und Filtersysteme zur Entstaubung von Prozessen.

Wie entsteht ein Feuer oder eine Explosion bei der Verwendung von pulverförmigen Produkten oder bei der Emission von Staub?

Bestimmte industrielle Aktivitäten, insbesondere solche, die mit Pulvern arbeiten, verteilen Staub in der Luft, der ein Explosions- oder Brandrisiko darstellt. Sie erzeugen eine Wolke aus brennbarem Staub, die eine explosive Atmosphäre (ATEX) bildet. Die ATEX wird explodieren, wenn sie die richtigen Bedingungen vorfindet.

Eine andere Möglichkeit ist, dass sich die Staubwolke absetzt. Der Staub sammelt sich dann als Schicht auf den Geräten und dem Boden der Werkstatt an. Abhängig von der Hitze des Geräts oder der chemischen Zusammensetzung der Partikel kann diese Staubmasse sich selbst erhitzen oder pyrolysieren, was zu einem Brand oder einer Explosion führen kann.

DasAuftreten dieser Phänomene erfordert spezifische Bedingungen, die wir im Folgenden zusammenfassen (für weitere Informationen siehe die detaillierten ATEX-Artikel).

Wie kommt es zur Selbsterhitzung von Staub und welche Folgen hat dies?

Die besondere chemische Zusammensetzung einiger Staubablagerungen kann eine spontane exotherme chemische Reaktion auslösen. Und die Bedingungen des Depots können dazu führen, dass die Wärme schneller erzeugt wird, als sie in die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Dies geschieht ohne externe Wärmezufuhr zum Reaktionssystem. Das ist Selbsterhitzung. Die Temperaturerhöhung beschleunigt die Reaktionsgeschwindigkeit und damit auch die Wärmeentwicklung. Die anfänglich langsame Erhitzung kann sich bis zur Erzeugung von Glut oder Selbstentzündung entwickeln. Je nach den örtlichen Umgebungsbedingungen (Vorhandensein von Material, das empfindlich auf den Wärmefluss reagiert, Vorhandensein einer Wolke aus brennbarem Staub, …) kann die Reaktion zu einem Brand oder einer Explosion führen. Daher ist das Phänomen der Selbsterhitzung dem des Feuers und der Explosion vorgelagert.

Wie kommt es zur Pyrolyse von Staub und was sind die Folgen?

Pyrolyse ist die chemische Zersetzung eines organischen Produkts unter dem Einfluss von großer Hitze und in Gegenwart einer sauerstoffarmen oder -freien Atmosphäre.

DieSelbsterhitzung einer Staubablagerung oder der Wärmefluss einer heißen Oberfläche, auf der sich die Staubablagerung befindet, kann Pyrolysegase erzeugen, und zwar im sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Teil der Ablagerung.

Diese Gase können sich in der Atmosphäre ansammeln. Diethermische Energie, die die Pyrolyse ausgelöst hat, oder eine andere Energiequelle kann diese Gase entzünden. Je nach Konzentration kann die Entzündung zu einem Brand oder einer Explosion führen. Wie die Selbsterhitzung ist auch die Pyrolyse von Staub ein Vorläuferphänomen für Feuer oder Explosionen.

Was sind die Bedingungen für einen Staubbrand?

Ein Staubbrand entsteht durch die Verbrennung von brennbaren Gasen, die bei der Zersetzung von Staub während der Pyrolyse entstehen. Ein Feuer entsteht, wenn drei Elemente in ausreichender Menge vorhanden sind: Brennstoff (Gas), Oxidationsmittel (Luftsauerstoff) und Aktivierungsenergie (Hitze, Funken, externe Flamme…). Die allmähliche Diffusion von brennbaren Gasen und deren Vermischung mit der Luft führt zur Entstehung der Brandflamme. Die Flamme erzeugt giftige Rauchgase und einen Wärmefluss, der die Ausbreitung des Feuers unterstützt. Die Abstrahlung des Wärmeflusses kann zur Explosion von Druckbehältern oder anderen brennbaren Materialien führen.

Was sind die Bedingungen für eine Staubexplosion?

Eine Explosion ist die sofortige Verbrennung einer explosiven Atmosphäre (ATEX) unter Freisetzung intensiver Energie. Sie geht mit einem rasanten Anstieg des Volumens, der Temperatur und des Drucks der ATEX-Gase einher.

Es gibt sechs Bedingungen für die Entstehung einer Staubexplosion. Drei davon sind identisch mit denen, die einen Brand verursachen: das gleichzeitige Vorhandensein von Luft, Staub und einer Zündquelle. Drei Faktoren beschleunigen die Verbrennungsreaktion: eine feine Korngröße, die eine gleichmäßige Aufwirbelung des Staubs in der Luft ermöglicht, eine Staubkonzentration in der Luft, die den Explosionsbereich erreicht, ein ausreichendes Containment, damit der Druck als Verbrennungsbeschleuniger wirkt.

Staub-ATEX bilden sich in Betriebsräumen und -einrichtungen. Die thermischen und Druckeffekte der Explosion bedrohen die Arbeitsumgebung und die Sicherheit von Personen.

Was ist der Unterschied zwischen Staubbrand und Staubexplosion?

Der Kontext, in dem eine Explosion ausgelöst wird, unterscheidet sich von dem eines Brandes, obwohl beide Phänomene zueinander führen können.

Bei einer Explosion ist das Gemisch aus brennbarem Staub und Luft bereits vorhanden. Die Vormischflamme breitet sich von selbst aus und bildet eine Verbrennungswelle.

Bei einem Brand liefert der Staub durch Pyrolyse den Brennstoff in Gasform. Es ist das Pyrolysegas/Luft-Gemisch, das sich entzündet. Und die Diffusionsflamme bleibt so lange bestehen, wie der Staub sie nährt.

Da die Reaktanten in einer Explosion vorgemischt werden, ist die Energieeffizienz viel höher als bei einem Brand. Bei einem Brand sind es die Geschwindigkeiten der Diffusion von brennbaren Gasen durch den Staub und die Mischung dieser Gase mit der Luft, die die Kinetik des Phänomens bestimmen; diese ist viel langsamer als bei einer Explosion.

Überblick über die Vorschriften für Brände und Staubexplosionen.

Durch Staub verursachte Explosionen und Brände beeinträchtigen die Sicherheit der Mitarbeiter und zerstören die Ausrüstung des Betriebsgeländes mit potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt. Das Arbeitsgesetzbuch und das Umweltgesetzbuch regeln daher die Prävention dieser Phänomene. Oftmals handelt es sich um eine Umsetzung von EU-Recht. DerArbeitgeber muss sicherstellen, dass die Räumlichkeiten, die Präventions- und Schutzvorrichtungen den Vorschriften entsprechen.

In Bezug auf Feuer regelt das Arbeitsgesetzbuch die Gestaltung der Räumlichkeiten (Bereitstellung von Mitteln zur Evakuierung der Räumlichkeiten), den Schutz der Arbeitnehmer (Installation von Alarmanlagen und Feuerlöschern usw.).

In Bezug auf Explosionen verpflichtet das Arbeitsgesetz den Arbeitgeber, die Risiken im Zusammenhang mit ATEX (explosiven Atmosphären) zu bewerten und spezifische Maßnahmen zur Vermeidung von Explosionen sowie zur Sicherheit und zum Schutz der Arbeitnehmer im Falle einer Explosion zu ergreifen. Er behandelt

• die Definition von Bereichen, in denen sich ATEX bilden könnte (siehe ATEX-Zoneneinteilung)
• organisatorische Vorkehrungen für Arbeitnehmer, die einem Explosionsrisiko ausgesetzt sind
• die Auswahl von Geräten, die in ATEX-Zonen betrieben werden können
• die Kennzeichnung von ATEX-Zonen

Wie bei der Staubwolke identifizieren die Vorschriften Staubschichten, -ablagerungen und -haufen als Quelle von ATEX.

Das Umweltgesetzbuch befasst sich im Allgemeinen mit Bränden und Explosionen, die sich auf Flächen in der Nähe von KPIs (KPIs = Classified Installations for the Protection of the Environment) auswirken. Die ICPE-Nomenklatur klassifiziert diese Anlagen nach den verwendeten oder produzierten Stoffen und nach der gefährlichen Natur der Aktivitäten. Die Nomenklatur bezieht sich auf die im Umweltgesetzbuch vorgeschriebenen Maßnahmen und die europäischen Vorschriften (insbesondere Seveso 3). Die Rubriken definieren entzündliche Stoffe (einschließlich entzündbarer Feststoffe, brennbarer Produkte) und explosive Produkte, die Feuer oder Explosionen verursachen können. Staub, der von Produkten oder Aktivitäten stammt, ist in dieser Nomenklatur zu berücksichtigen.

Industrielle Verfahren und Brand- oder Explosionsrisiken

Industrielle Prozesse, bei denen brennbare, pulverförmige Produkte verwendet werden, führen zwangsläufig zu Staubwolken und -ablagerungen. Es besteht daher die Gefahr eines Brandes oder einer Explosion. Die Installation einesEntstaubungssystems ist eine bevorzugte Präventionsmaßnahme.

Produkttransferprozesse und die Risiken von Explosionen und Bränden

Die Industrie nutzt verschiedene Verfahren zur Förderung von Pulvern, die an die Bewegungsachsen (horizontal, vertikal, Gefälle) angepasst sind: Förderband, Kettenförderer, Förderschnecke, Becherwerk, pneumatischer Transport.

Bei der pneumatischen Beförderung, die auf der Aufwirbelung von Produktpartikeln in der Luft beruht, kann sich innerhalb der Rohrleitung eine ATEX bilden. Bei anderen Transportarten verursachen das Ausgießen des Produkts an einem Ende des Geräts und das Entleeren am anderen Ende oder die Vibrationen des Transports Staubwolken. Wenn das Gerät abgedeckt ist, kann sich innerhalb und in der Nähe der Be- und Entladestellen eine ATEX bilden. Wenn er nicht abgedeckt ist, ist der gesamte Raum ATEX-gefährdet.

Die Sedimentation von in der Luft schwebendem Staub führt zu Ablagerungen. Selbst mit einer Abdeckung wird sich Staub unter und um das Gerät herum ansammeln, da es nie vollständig wasserdicht ist. Die Vorschriften betrachten Staubablagerungen als potenzielle ATEX.

Ereignisse wie Festfressen oder Reiben von mechanischen Teilen, die mit Fehlfunktionen der Geräte verbunden sind, erzeugen Hitze, die eine mögliche Quelle für die Entzündung einer ATEX sein kann. Beim pneumatischen Transport erzeugt die Hochgeschwindigkeitsreibung der Partikel an der Rohrwand eine entgegengesetzte elektrostatische Ladung der Partikel und des Geräts. Eine elektrostatische Entladung ist häufig die Ursache für eine ATEX-Explosion in diesen Geräten. Schließlich können Stöße durch metallische oder mineralische Elemente, die nicht zum Prozess gehören, eine ATEX entzünden.

Die Unfallstatistik der Transportprozesse berichtet insbesondere über: Brände von Förderbändern, Explosionen in Bechern von Aufzügen und in pneumatischen Leitungen.

Die Maßnahmen zur Verhinderung von Bränden und Explosionen umfassen :

• Absaugung der Staubwolken an den Abwurfstellen und/oder im Gehäuse der Geräte über ein Entstaubungssystem,
• Absaugen von Staubablagerungen außerhalb des Geräts (ATEX-Staubsauger),
• Erdung, um elektrostatische Entladungen zu vermeiden,
• Kontrollinstrumente zur Erkennung von Reibung und anormaler Erwärmung.
• Die Beseitigung von externen Zündquellen (heiße Stellen, Arbeiten,…)

Der Brand- und Explosionsschutz umfasst :

• Entkopplung von Geräten , um die Ausbreitung von Bränden zu verhindern,
• Ausstattung der Geräte mit Entlüftungsöffnungen oder Überdruckventilen, um die Explosion zu dämpfen.

Lagerungsprozesse und die Gefahr von Explosionen oder Bränden

Das Volumen, die Form der Behälter (Silo, Big Bag, …), die Lagerzeit und die Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, …) variieren je nach Aktivität.

DasBefüllen eines Behälters mit einem pulverförmigen Produkt kann eine ATEX erzeugen, indem Partikel im Himmel des Behälters suspendiert werden. Die Befüllung oder der Transport können auch elektrostatische Ladungen erzeugen, die sich im Himmel des Behälters wiederfinden. Eine elektrostatische Entladung kann dann die Entzündung der ATEX initiieren.

Bei der Kopplung von Einrichtungen zur Lagerung und zum Transport von Produkten ist der Durchgang zwischen den Geräten nie ganz dicht. Im Laufe der Zeit werden sich Ablagerungen bilden. Die Resuspension dieser Ablagerungen kann eine ATEX bilden.

Die Massenlagerung eines Pulvers kann zu einer Selbsterhitzung des Stoffes führen. Dies kann zu einer Verbrennung in Form eines Feuers oder eines Schwelbrandes führen, der wiederum eine ATEX in der Nähe entzünden kann. Die Unfallforschung zu Speicherprozessen zeigt, dass die Selbsterhitzung mehr als 80% der Brände und weniger als 10% der Explosionen verursacht.

Die Präventionsmaßnahmen sind :

• Absaugen des Staubs bei der Befüllung so nah wie möglich an der Abwurfstelle mit einem Entstaubungssystem.
• die Lagertemperatur unterhalb der kritischen Temperatur zu halten oder das Lagervolumen an die örtlichen Temperaturbedingungen anzupassen;
• den Lufteintritt am Boden des Depots verbieten, um die Verbrennung zu begrenzen,
• Geräte zur Erkennung von CO (Indikator für eine Verbrennung mit zu wenig Sauerstoff) und zur Temperaturerhöhung (Wärmesonde, Infrarotkamera) verwenden.

Die Schutzmaßnahmen umfassen :

• Inertisierung des Behälters , um die Verbrennung zu stoppen,
• dieInstallation von Entlüftungsöffnungen, um den Druckanstieg zu stoppen und die Speicherstruktur zu schützen.

Schredderverfahren und Explosions- oder Brandgefahr.

Es gibt drei Hauptverfahren für das Mahlen:

• Das Quetschmahlen komprimiert Produkte mit einer groben Ausgangskörnung.
• Bei der Luftstrahlmahlung und der Attritionsmahlung werden die Produktkörner durch Kollision in mehrere Partikel zerbrochen. Die Korngröße des Produkts ermöglicht es, dass es von einem Luftstrom getragen wird.

Die letzten beiden Verfahren verdünnen das pulverförmige Produkt in der Luft, so dass das Risiko einer ATEX gleich Null ist. Das Zerquetschen erzeugt jedoch Feinstaub, der in der Luft schwebt. Daher besteht ein ständiges Risiko einer ATEX im Inneren des Schredders.

Durch dasZerquetschen wird das Produkt erhitzt. Um eine Selbstentzündung zu vermeiden, muss es manchmal gekühlt werden, insbesondere wenn es leicht oxidierbar ist. Fremdkörper, die stärker zerquetscht werden, können die Reibung und damit die Temperatur der benachbarten Partikel erhöhen, was zu einem Brand des Produkts führen kann. Sie können auch Funken mit ausreichender Energie erzeugen, um die ATEX zu entzünden und eine Explosion herbeizuführen.

Präventionsmittel :

• ein Entstaubungssystem einrichten, um Feinstaub aufzufangen;
• Mahlen unter inerter Atmosphäre von Produkten, die sich bei niedriger Temperatur oder mit geringer Aktivierungsenergie (10 bis 100 mJ) entzünden;
• die Erhitzung zu begrenzen und das Eindringen von Fremdkörpern in den Prozess zu verhindern (Siebung, Metalldetektion,…) ;
• die Temperatur zu messen und glühende Partikel am Ausgang der Mühle zu erkennen

Schutzmaßnahmen :

• Verwenden Sie einen explosionsgeschützten ATEX-Schredder;
• Entkopplung des Entstaubungssystems und des Trichters, der das Mahlgut aufnimmt;

Mischverfahren: Explosions- und Brandgefahren

Das Mischen kann zwischen festen Stoffen (Trockenmischen) oder zwischen festen und flüssigen Stoffen (Flüssigmischen) erfolgen. Die Mischung stellt eine Feuer- oder Explosionsgefahr dar, wenn eines der Produkte entflammbar ist.

Beim Trockenmischen werden alle pulverförmigen Stoffe vor Beginn des Prozesses zugeführt. Das Befüllen des Mischers und das anschließende Vermischen der Produkte erzeugt eine Wolke aus Feinstaub. Bei beiden Vorgängen besteht die Möglichkeit einer ATEX, wenn ein Stoff brennbar ist. Dies geschieht im Fülltrichter, im Himmel des Mischers.

Der Fluss des Produkts durch den Mischer kann die Feststoffpartikel elektrisch aufladen. Es kann zu einer elektrostatischen Entladung kommen, die eine Entzündung der Staubwolke auslöst. Dieses Phänomen kann im Himmel des Mischers oder im Einfülltrichter auftreten.

Bei einer Mischung durch Homogenisierung in der flüssigen Phase werden die festen Produkte vor den flüssigen Produkten oder umgekehrt eingeführt. In beiden Fällen führt die Einführung von Pulver zu den oben beschriebenen Risiken. Die eingeführte Flüssigkeit kann die Eigenschaft haben, sich bei einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur zu entzünden (z.B. Lösungsmittel). Eine ATEX von Dämpfen wird sich im Himmel des Mischers bilden.

Im Falle einer flüssigen Mischung, die entflammbare Dämpfe produziert, besteht eine erste Vorbeugungsmaßnahme darin, den Mischer vor der Einführung des pulverförmigen Produkts zu inertisieren.

Selbst bei Inertisierung und geöffneter Klappe wird der Einfülltrichter beim Ausgießen des brennbaren Pulvers eine ATEX bilden. Die Erfassung der Staubwolke an der Quelle (Typ Pouyes-Ring) ist die gemeinsame Präventionsmaßnahme für beide Mischverfahren.

Der Trichter kann durch eine inertisierte Schleuse ersetzt werden, bevor er gefüllt wird und danach vor dem Einfüllen des Produkts in den Tank. Schließlich kann der Füll- und Inertisierungsvorgang mit einer Schleuse mit automatischen Ventilen robotisiert werden.

Mechanische Verfahren zur Oberflächenbehandlung: Explosions- und Industrierisiken.

Beizen, Strahlen, Polieren, Sandstrahlen… erzeugen eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit, aber alle entstehen durch das Aufspritzen von Schleifkörnern, meist durch einen komprimierten Strahl. Diese Körner reißen feine Partikel von der zu behandelnden Oberfläche ab, während sie sich durch den Schock teilen. Die feinsten Partikel bleiben in der Luft schweben.

Der Prozess wird in einer Kammer durchgeführt. Wenn das Material der Oberfläche oder der Behandlung brennbar ist, kann die Feinstaubwolke ATEX in der Kammer bilden. Dies kann zu einer Explosion führen. Ein Trichter fängt die schwersten Körner auf. Wenn die durch den Aufprall auf die Oberfläche erzeugte Wärme in den Körnern gespeichert wird, führt deren Ansammlung im Korntank zu einer Selbsterhitzung mit Brandgefahr.

Die Vorbeugung besteht in der Installation eines Absaugsystems, das mit einem industriellen Staubabscheider verbunden ist, der den Raum unter Unterdruck setzt und die Feinstaubwolke auffängt.

Oberflächenbeschichtungsverfahren und Explosions- und Brandrisiken.

Bei einigen Beschichtungsverfahren werden pulverförmige Feststoffe verwendet. Hierbei wird das Produkt in einem Druckluftstrahl suspendiert und auf die zu behandelnde Oberfläche gesprüht. Dieser Vorgang wird in einer speziellen Kabine durchgeführt. Anschließend wird der Beschichtungsfilm gewöhnlich gebrannt.

Je nach gespritztem Produkt handelt es sich bei dem Verfahren um Lackieren (schmelzbares oder polymerisierbares organisches Pulver), Beflocken (faseriges organisches Pulver), Metallisierung durch Heißspritzen oder Shooping (Pulver aus Aluminium, Zink, Kupfer).

Ein Teil des versprühten Sprays landet nicht auf der Oberfläche und verteilt sich in der Luft. Eine ATEX bildet sich hauptsächlich im Sprühkegel. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, werden die Pulverkörner in der Spritzpistole mit einer elektrischen Ladung versehen, die derjenigen der zu behandelnden Oberfläche entgegengesetzt ist. Die elektrostatische Kraft zieht sie auf die zu beschichtende Oberfläche. Aufgrund einer Fehlfunktion kann es zu einer elektrostatischen Entladung zwischen den Elektroden der Pistole und der Ausrüstung oder der zu behandelnden Oberfläche kommen. Das Risiko einer Explosion ist umso größer, je feiner die Körnung ist. Die Folge der Explosion kann zu einem Brand führen. Außerdem kann das Vorwärmen der zu behandelnden Oberfläche und die Nähe des Brennofens eine Entzündung des Produkts auslösen.

Die Maßnahmen zur Verhinderung von Bränden und Explosionen bei der Oberflächenbeschichtung mit Pulvern sind :

• Quellenerfassung mit einem Staubabscheider,
• dieVerwendung von Pistolen, die für die Mindestzündenergie des Sprays geeignet sind,
• die Erkennung von Flammen in der Kabine.