Updates rund um Staubexplosionen

Kombinierter aktiver und passiver Explosionsschutz von Filtern

KomFilter als Explosionsschutz Filter sind sehr häufig eingesetzte Anlagenteile in der Produktion. Bei vielen Produktionsprozessen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, bei der Energieerzeugung oder der Verarbeitung von organischem Material entstehen häufig explosionsfähige Atmosphären. Auf Grund des breiten Einsatzgebiets von Filtern und der hohen Wahrscheinlichkeit von zündfähigen Atmosphären ereignen sich Explosionen oft gerade in diesen Anlagen.

Explosion verhindern mit Explosionsschutz Filter

Neben dem Schutz des Filters und des unmittelbar in diesem Umfeld arbeitenden Personals ist die Verhinderung der Ausbreitung von Explosionen in andere Anlagenteile ein zentrales Thema. Die Explosionsentkopplung lässt sich dabei auf verschiedenste Arten bewerkstelligen. Dieser Beitrag zeigt Auswirkungen von nicht entkoppelten Explosionen auf und beschreibt die unterschiedlichen Prinzipien der Explosionsentkopplung. Speziell eingegangen wird auf die Entkopplung mit passiven Rückschlagklappen und deren Einfluss auf das weiterführende Produktionssystem.

Staubexplosionen stellen eine reale Bedrohung in Produktionsprozessen dar. Es treten immer wieder neue Erkenntnisse zu Tage, wie Explosionen entstehen können und im Speziellen, wie Schutzmaßnahmen auf die Produktionssysteme rückwirken. Der Explosionsschutz ist daher ein kontinuierlicher Prozess. Gelernt wird aus jedem Vorfall, gemäß dem Motto „Events Driving Change“.

Konstruktive Maßnahmen zur Begrenzung von Explosionsauswirkungen

Unabhängig von Lerneffekten ist es natürlich primäres Ziel, Explosions-Vorfälle in die Versuchs- und Testanstalten zu verlegen, jedoch im täglichen Produktionsprozess der Industrie zu vermeiden. Am einfachsten wäre dies wohl zu realisieren, indem man explosionsfähige Atmosphären, also die gleichmäßige Verteilung von brennbarem Staub in einem Behältnis, grundsätzlich vermeidet.
Dies ist in realen Anwendungen meist nicht möglich. Will man Brot backen, ist Mehl zu mahlen und in einem industriellen Produktionsprozess zu verarbeiten.

Natürlich wird man in diesem Prozess darauf Wert legen, den Eintrag von Zündquellen zu vermeiden, um die entstehenden Staubwolken nicht zu entzünden. Diese Präventivmaßnahmen sind Stand der Technik in der Industrie. Sie können dennoch nicht immer ausschließen, dass es zu einer Zündung kommt. Daher ist es oftmals erforderlich, konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkung von Explosionen zu begrenzen. Zu diesen Maßnahmen zählen etwa die Explosionsdruckentlastung und die Explosionsunterdrückung, beide kombiniert mit entsprechenden Explosionsentkopplungsmaßnahmen (siehe Bild 1 und Bild 2).

Grundlage zur Implementierung dieser konstruktiven Maßnahmen ist es, dass das entsprechende Produktionssystem einem gewissen Überdruck standhält. Die Konstrukteure achten daher bei der Maßnahmenplanung darauf, dass die Druckstoßfestigkeit der betrachteten Produktionsanlage nicht überschritten wird. Dies zeigt sich z. B. in der Auslegung von Explosionsentlastungsöffnungen.

Tests und Messungen

Bild 3: Tests und Messungen von Fike belegen: In der Rohrleitung nach der Rückschlagklappe werden in geschützten Zonen stark abweichende Druckwellen gemessen als in ungeschützten Zonen

Im Falle einer Explosion können der entstehende Druck und, falls möglich, auch die Flammen in eine gesicherte Umgebung entlassen werden. Für die Produktion verschlossen werden die Öffnungen in der Regel mit Explosionsberstscheiben. Flammenereignisse können Längen von 20 m und mehr erreichen. Ein entsprechender großer Sicherheitsbereich steht jedoch oft nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund haben die Experten des Explosionsschutzes Möglichkeiten der flammenlosen Druckentlastung beziehungsweise der Explosionsunterdrückung entwickelt. Im Fall der flammenlosen Druckentlastung wird eine Explosion immer noch in vollem Umfang zugelassen und durch entsprechende Flammenfilter die Auswirkung an die Umgebung abgesichert. Bei der Explosionsunterdrückung wird hingegen die Explosion frühzeitigt erkannt und mit Löscheinrichtungen ausgelöscht. Damit findet sie im eigentlichen Sinne nicht statt. Wichtig in beiden Fällen ist, dass auch die Ausbreitung von Druck und Flamme über die Rohrleitungen in andere, verbundene Anlagenteile verhindert wird. Diese Anforderung wurde bereits 2014 bei der Veröffentlichung der Richtlinie 2014/34/EU, der sogenannten ATEX-Richtlinie, von der Europäischen Union aus gutem Grund niedergeschrieben.

Sekundärexplosionen vermeiden

Können Explosionen an ihrem Entstehungsort, also etwa einem Filter selbst, mit vernünftigem Aufwand unter Kontrolle gebracht werden, so ist dies in Sekundäranlagen oftmals nicht mehr möglich. Treten Flammen oder auch nur Funken in eine produktbeladene Rohrleitung ein, so wird sich die Flammengeschwindigkeit in der Rohrleitung kontinuierlich erhöhen und Druck aufbauen. Wird schließlich der verbundene Behälter erreicht, so startet in diesem sekundären Anlagenteil die Explosion auf einem deutlich höheren Energieniveau − die dort vorhandenen konstruktiven Schutzmaßnahmen reichen nicht aus. Es kommt zur Zerstörung des Equipments sowie der Gefährdung von Menschen und Umwelt.

Um diese Sekundärexplosionen zu vermeiden, ist es daher unerlässlich, Schutzmaßnahmen mit Explosionsschutz Filtern zu ergreifen, welche die Ausbreitung von Explosionen über Rohrleitungen verhindern.

Auch für die Explosionsentkopplung gibt es aktive und passive Systeme, sodass sich die Frage stellt, welche Maßnahme für eine spezielle Produktionsanlage am geeignetsten ist. Diese Frage lässt in den meisten Fällen nicht allgemein beantworten. Denn zu berücksichtigen sind der spezielle Prozess und das Produkt, welches dabei verarbeitet wird. Zudem hängt die Frage der Entkopplung auch davon ab, ob man am Beginn eines Konzeptionierungsprozesses steht oder eventuell Explosionsentkopplung nachrüsten muss.

Einsatz von Rückschlagklappen

Speziell bei Filtern wird in der Industrie rohgasseitig häufig auf Rückschlagklappen gesetzt, unabhängig davon, ob der Filter selbst aktiv oder passiv geschützt ist.

Rückschlagklappen funktionieren nach einem augenscheinlich einfachen Prinzip und können sowohl mit aktiven als auch passiven Schutzsystemen kombiniert werden. Entsteht in einem Filter eine Explosion, so wird sich, wie oben beschrieben, die Druckwelle in die Rohrleitung ausbreiten. Diese Energie wird genutzt, um eine Klappe mechanisch zu schließen und zu verriegeln. Damit ist der Explosionsraum auf ein Minimum begrenzt und die Auswirkungen vermeintlich überschaubar. Als einer der größten Hersteller von Explosionsschutzequipment widmet sich die Firma Fike seit mehr als zehn Jahren der strategischen Entwicklung von Rückschlagklappen. Groß angelegte Testreihen führen nicht nur zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Produkte, sondern zeigen auch Schwachstellen in bestehenden Normen auf. So konnte bei jüngsten Entwicklungen gezeigt werden, dass die Testprozedur gemäß der EN 16447 reelle Anwendungen nicht ausreichend wiedergibt.

Dies führt sogar dazu, dass zertifizierte Rückschlagklappen innerhalb der dokumentierten Randbedingungen versagen können. Der Grund dafür liegt unter anderem darin, dass die EN 16447 ausschließlich den nicht geschützten Bereich im Test betrachtet. Es wird also nur der Behälter und die Rohrleitung bis zur Rückschlagklappe, nicht jedoch eine Rohrleitung danach im geschützten Bereich betrachtet.

Bei den Tests und Messungen von Fike (siehe Bild 3) hat sich aber gezeigt, dass in der Rohrleitung nach der Rückschlagklappe Druckverläufe gemessen werden, welche den Druckwellen vor der Rückschlagklappe zu gewissen Zeitpunkten entgegengesetzt sind. Dies kann dazu führen, dass eine nicht ausreichend getestete Klappe nicht sachgemäß schließt und somit die Flammenausbreitung nicht unterbunden wird. Diese Erkenntnisse wurden auch den entsprechenden Komitees der Europäischen Union präsentiert. Als Resultat wird die EN 16447 überarbeitet.

Markus Dibold arbeitete für Fike Deutschland, Bereich Outside Sales & Business-Development. Studium Mechatronik und Dissertation an der Johannes Kepler Universität Linz. Sein Beitrag basiert auf seinem Vortrag am DSIV Tag der Filtertechnik 2022

Über Fike:

1945 in Missouri, USA, zunächst als kleines Familienunternehmen für Metallerzeugnisse gegründet, ist Fike heute ein weltweit anerkanntes Unternehmen für Lebenssicherheit. Fike verfügt über mehr als 400 Patente weltweit in den Bereichen Druckentlastung, Explosionsschutz und Brandschutz. Zudem erhielt Fike als erster Explosionsschutzhersteller überhaupt eine ATEX-Zertifizierung für Explosionsberstscheiben.