Um das Explosionsrisiko bei der Handhabung brennbarer Feststoffe und Stäube zu minimieren, werden im Folgenden die Voraussetzungen für eine Explosion und die jeweiligen Staub-Charakteristiken beschrieben. Grundsätzlich wird hierbei das sogenannte Zünddreieck oder auch Zündfünfeck betrachtet (Abb. 1).

Damit eine Explosion in einer Produktionsanlage oder Maschine entstehen kann, müssen folgende Punkte erfüllt sein:

– Brennstoff (Staub)

– Ausreichender Sauerstoffanteil

– Passendes Mischungsverhältnis (Staubwolke)

– Effektive Zündquelle

– Geschlossener Behälter

Wird eine dieser Voraussetzungen eliminiert, ist schon der erste Schritt bezüglich Explosionsschutz praktiziert. Da dies jedoch nicht zu jeder Zeit und jedem Zustand im Betrieb möglich ist, kann Explosionsgefahr bestehen bleiben. Die Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und darüber systematisch abgeleitete Schutzmaßnahmen werden erforderlich.

Üblicherweise landet man gerade bei staubführenden Anlagen schnell beim sogenannten konstruktiven Explosionsschutz, wie beispielsweise der Explosionsdruckentlastung in Verbindung mit der explosionstechnischen Entkopplung, um verschiedene Maschinen voneinander abzusichern, Leben zu retten und Schäden zu begrenzen. Dieser Ansatz ist in keiner Weise verkehrt, dennoch: Verglichen mit der Nutzung von Kraftfahrzeugen, lässt sich ein Unfall ebenfalls nicht zu 100% verhindern, weswegen eine Gurt-Pflicht besteht und standardmäßig Airbags verbaut sind, um die Auswirkungen eines Unfalles zu reduzieren.

Bleiben wir jedoch in dem Beispiel, stellen wir fest, dass Unfälle mithilfe von Fahrassistenzsystemen wie z. B. Abbiege- und Spurhalteassistenten, mit einer höheren Zuverlässigkeit vermieden werden können. Es kommt damit also erst gar nicht mehr zu einem Unfall, vielmehr wird eine riskante Situation frühzeitig vorab erkannt und abgewendet.

Um einen derartigen Umgang mit riskanten Situationen auch in der Schüttgut-Industrie zu ermöglichen, haben die Rembe-Ingenieure eine Art „smarte und vorbeugende Fahrassistenzsysteme“ für unterschiedliche Zündgefahren und -szenarien entwickelt.

Zündgefahr elektrostatische Aufladung

Funkenentladungen, Gleitstielbüschelentladungen, Schüttkegelentladungen und gewitterblitzähnliche Entladungen sind dazu fähig, Staub/Luft-Gemische zu entzünden. Zur Vermeidung dieser muss stets auf eine ausreichende Erdung der unterschiedlichen Behälter, Anlagen und Maschinen geachtet werden.

Im Fall einer pneumatischen Entladung eines Tankfahrzeuges können aufgrund der hohen Geschwindigkeiten auch hohe elektrostatische Potenziale entstehen, welche in der Lage sind, explosionsfähige Staubatmosphären zu entzünden. Dieses Risiko kann ausgeschlossen werden, indem Silo, Annahmestation und Fahrzeug geerdet sind. Da keine konstante Erdverbindung am Fahrzeug möglich ist, werden hierfür Erdungsüberwachungssysteme als vorbeugende Assistenzsysteme eingesetzt.

Mithilfe dieser Systeme kann während der Entladung oder Befüllung eines Fahrzeuges sichergestellt werden, dass die Verbindung zur Erde ausreichend leitfähig ist. Die Erdungsklammer der Überwachungseinheit wird am Fahrzeug angeschlossen und anschließend der Leitungswiderstand gemessen. Liegt dieser unter 10 Ohm, gibt das Erdungssystem eine Freigabe und startet den Erdungsprozess. Freigabesignale können mittels integrierter Relais weitergeleitet werden.

Das System “Farado II” geht hier noch einen Schritt weiter. Die intelligente Manipulationssicherung sorgt dafür, dass eine vorab eingestellte Objektgröße an der Erdungsklammer verbunden sein muss. Objektgrößen werden in diesem Fall anhand der elektrischen Kapazität (gemessen in PF) festgestellt. Dies verhindert, dass Erdungsklammern an bereits geerdeten Stahlträgern oder kleinen Objekten wie Schraubendrehern angeschlossen werden.

Zündgefahr hohe Temperaturen, Selbstentzündung und Glimmnester

Eine weitere Zündgefahr, welche frühzeitig erkannt werden sollte, ist ein Temperaturanstieg im geförderten oder bearbeiteten Material/Produkt. Häufig führt Reibung zu einem schleichenden Temperaturanstieg, welcher das Material entzünden und Glimmnester hervorrufen kann. Je nach Materialverhalten können ebenfalls Maillard-Reaktionen auftreten, welche bis hin zur Selbstentzündung führen können.

Derartige Temperaturanstiege ohne Flammen- oder Funkenerscheinungen können im Produkt nicht von allen Flammenmeldern und auch nicht von PT100-Temperatur-Sensoren zuverlässig und frühzeitig erkannt werden. Im Sinne vorbeugender Fahrassistenzsysteme besteht jedoch die Möglichkeit des Einsatzes smarter Infrarot-Kameras mit einem längeren Wellenbereich: Der "Hotspot X20” misst Oberflächentemperaturen und setzt hierbei auf eine intelligente Auswertung, die das Sichtfeld in Detektionszonen unterteilt. Jede einzelne dieser Zonen kann mit einem eigenen Temperatur-Grenzwert versehen werden, um die Detektion so gut wie möglich auf den Prozess anzupassen. Der Sensor kann selbst geringe Temperaturanstiege erkennen (1 °C) und den Betreiber bereits frühzeitig in der Entstehungsphase eines Brandes oder eines vorhandenen Glimmnestes warnen. Auch in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 20 und unter hoher Staubbelastung überwacht der “Hotspot X20” zuverlässig einen Temperaturbereich von 0–200 °C (höhere Temperaturen möglich).

Bevor es zu einer Rauchentwicklung oder einem Brand kommt, gerät das Material i.d.R. in einen „Röstprozess“, der diverse Brandgase freisetzt. Die Phase der Erwärmung bis hin zur Röstung kann sehr langwierig sein und unterbreitet damit die Möglichkeit, Pyrolysegase frühzeitig zu detektieren.

Bei der thermischen Zersetzung vieler Stoffe kommt es zum Ausstoß von Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Liegt eine unvollständige Verbrennung ohne Flamme und geringer Sauerstoffzufuhr vor, entsteht Kohlenmonoxid. Um diese Gase bereits in der Entstehungsphase zu detektieren, eignet sich beispielsweise der Pyrolysegas-Detektor GSME X20. Neben Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff-Verbindungen werden auch Stickoxide und Wasserstoff-Verbindungen (CO, HC, H2 und NOx) erkannt. Mithilfe eines intelligenten Auswertealgorithmus lässt sich ein Prozessverhalten ideal abbilden. Steigt eine Konzentration über das gewohnte Niveau, alarmiert der GSME X20 unverzüglich. Ebenfalls in Zone 20 einsetzbar, überwacht der Detektor Konzentrationsbereiche von 0–100 ppm und wird damit zu einem smarten, vorbeugenden Fahrassistenzsystem.

Welche Prozesse werden herkömmlicherweise überwacht?

Pelletkühler

Beinhaltet die Materialbearbeitung den Einsatz von bewegten Komponenten, so steigt auch das Brand- und Explosionsrisiko. Im Pelletkühler selbst liegen keine bewegten Komponenten vor, jedoch sind diese in der vorgeschalteten Presse zu finden. Kommt es beispielsweise aufgrund von Ablagerungen zu erhöhtem Druck und Reibung, kann dies schnell zu einem Temperaturanstieg führen. Gelangen bereits erhitzte oder sogar glimmende Partikel in den Kühler, wird dort mithilfe des Luftstroms in kurzer Zeit ein Brand entfacht. Diese Situation bedarf einer schnellen Reaktion, bei der die Funktion des “Hotspot X20” Abhilfe schaffen kann. Auf dem Dach des Kühlers montiert, mit Blick auf die Materialschüttung im Inneren, erkennt der Sensor innerhalb von 100 ms unerwünschte Temperaturveränderungen der eingetragenen Pellets und verhindert somit nicht nur einen Brand, sondern warnt bereits, wenn der Prozess zu heiß läuft. Temperaturfühler zur Überwachung der Prozessluft hingegen schreiten hingegen häufig erst ein, wenn die Maschine bereits vollständig brennt.

Filteranlagen

Ähnlich wie auch bei Kühlsystemen wird versucht, Filteranlagen mittels Abluft-Temperaturmessung abzusichern. Aufgrund des ähnlichen oder noch höheren Luftdurchsatzes ist eine solche Detektion jedoch oft zu träge. Mit Hilfe des GSMX-P, welcher auf der Messtechnik des Pyrolysegas-Detektors GSME basiert, werden in der Abluft keine Temperaturen, sondern Brandgase gemessen. Dieser wird im Reingaskanal verbaut und beprobt kontinuierlich den Abluftstrom. Kommt es zur Zündung im Filter, kann diese zügig erkannt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die gesamte Prozessluft den Filter passiert und somit potenzielle Brandgase aus vorgeschalteten Maschinen ebenfalls im Reingas-Kanal zu detektieren sind. Kerstin Lenze, Marketing Assistant bei Rembe Safety+Control.

Infos REMBE Alliance

REMBE wird zumeist mit der REMBE GmbH Safety+Control verbunden, dem Spezialisten für Explosionsschutz und Druckentlastung weltweit. Das Unternehmen bietet Kunden branchenübergreifend Sicherheitskonzepte für Anlagen und Apparaturen. Sämtliche Produkte werden in Deutschland gefertigt und erfüllen die Ansprüche nationaler und internationaler Regularien. Neben der REMBE GmbH Safety+Control (www.rembe.de) mit ca. 300 Mitarbeitern weltweit, Hauptsitz in Brilon (Hochsauerland) sowie zahlreichen Tochtergesellschaften weltweit (Italien, Finnland, Brasilien, USA, China, Dubai, Singapur, Südafrika, Japan), firmieren vier weitere Unternehmen unter der Dachmarke REMBE: REMBE Research+Technology Center GmbH (www.rembe-rtc.de), die REMBE Advanced Services+Solutions GmbH (www.rembe-services.de), die REMBE Kersting GmbH (www.rembe-kersting.de) und REMBE FibreForce GmbH (www.argusline.de)