Was sind Staubexplosionen, die bei industriellen Prozessen und in Filtrationsanlagen auftreten können?
Jedes brennbare Material brennt schneller, wenn die Fläche, die der Luft ausgesetzt ist, größer ist. Ein einfaches Beispiel dafür ist das Verbrennen von Holz in einem Kamin. Ein gut angelegter Stapel dünner Äste verbrennt viel schneller als große Holzblöcke. Der Hauptunterschied besteht darin, dass im ersten Fall eine viel größere Oberfläche mit sauerstoffhaltiger Luft in Berührung kommt. Bei fein zerstäubtem Staub kommt jedes Staubteilchen mit der sauerstoffhaltigen Luft in Berührung, so dass die Verbrennung sehr schnell erfolgen kann. Unter den richtigen Bedingungen kann dies so schnell gehen, dass man von einer Explosion sprechen kann.
1: In einem Getreidesilo bildet leichte Spreu beim Beladen manchmal ein explosives Staub-Luft-Gemisch
Die meisten Menschen wissen, dass für einen Brand drei Faktoren erforderlich sind:
- Kraftstoff;
- Sauerstoffquelle;
- Wärmequelle.
Bei einer Staubexplosion kommt noch ein vierter Faktor hinzu, nämlich die Dispersion. Ein Sack mit feinem Holzstaub brennt zwar, explodiert aber nicht. Derselbe Holzstaub, der fein in der Luft verteilt ist, brennt so schnell, dass es zu einer Explosion kommt. Solche Explosionen können bei Materialien stattfinden, die normalerweise nicht als explosiv gelten.
Beispiele für Industrien, in denen Staubexplosionen auftreten können, sind:
- Verarbeitung von Bio-Lebensmitteln wie Zucker, Mehl, Gewürzen, Kakao oder Kaffee;
- Getreide und Mehl, insbesondere wenn trockenes Getreide in Silos transportiert wird, kann in einem geschlossenen Raum viel Staub aufwirbeln;
- Holzindustrie, insbesondere wenn feine Sägespäne z.B. beim Sägen und Schleifen freigesetzt werden;
- Metallindustrie, insbesondere wenn Feinmetall freigesetzt wird, z.B. bei der Metallisierung von Zink oder Aluminium.
- Verarbeitung/Recycling von Kunststoffen oder Fasern.
In jedem Industriezweig, in dem nicht inerter Staub freigesetzt wird, ist es ratsam zu prüfen, ob die Gefahr einer Staubexplosion gegeben ist.
Wie wird festgestellt, ob es zu einer Staubexplosion kommen kann?
Die Dispersion von Staub ist ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung, ob eine Explosion stattfindet oder nicht. Die untere Explosionsgrenze (UEG) und die obere Explosionsgrenze (OEG) sind zwei Grenzwerte, zwischen denen die Staubkonzentration in der Luft liegen muss, um explosiv zu sein. In sauberer oder leicht staubiger Luft ist nicht genug Brennstoff in der Luft, um eine Explosion auszulösen. Bei sehr staubiger Luft oder in einem Beutel gesammeltem Staub ist zwar der Brennstoff vorhanden, aber es ist nicht genug Sauerstoff vorhanden, um eine Explosion auszulösen.
Für eine Explosion ist es daher unerlässlich, dass Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis stehen. Bei den meisten industriellen Prozessen mit guter Absaugung ist die Staubentwicklung so gering, dass die staubhaltige Luft überall unterhalb der UEG bleibt und keine Explosionsgefahr besteht. Eine gute kontinuierliche Staubabsaugung ist hier sehr wichtig, um die Staubkonzentration niedrig zu halten. In Produktionsprozessen, bei denen Menschen anwesend sind, ist dies in der Regel gewährleistet, denn niemand arbeitet gerne in einem sehr staubigen Raum und eine gute Absaugung ist bereits aus diesem Grund im Einsatz.
In Bereichen, in denen keine Menschen anwesend sind, ist dies nicht immer gewährleistet. In Getreidesilos oder anderen Silos für Schüttgut zum Beispiel werden diese in der Regel über einen Elevator nach oben gefüllt, wo feiner Staub aufgewirbelt wird. Dies kann zu einem sehr staubigen Geruch im Silo führen. Kommt es zu einem Funken, kann das Silo explodieren, was weitreichende Folgen haben kann.
Warum Staubexplosionen ein Risiko für druckluftgereinigte Filter sind
Bei selbstreinigenden Staubfiltern besteht ein Nachteil darin, dass hier der Staub konzentriert ist, so dass immer viel Kraftstoff vorhanden ist. Bei der Reinigung wird der gesammelte Staub mit einem Druckluftstoß von der Filterpatrone geblasen, wodurch eine feine Dispersion der Staubpartikel entsteht.
Da es unvermeidlich ist, dass es im Filter zu einer explosiven Situation kommt, ist es entscheidend, dass der Filter bei der Extraktion solcher Stoffe explosionssicher ist. Durch die Verwendung von Rückschlagventilen ist es außerdem möglich, eventuelle Explosionen auf den Filter zu beschränken und den Rest der Anlage vor der sich ausbreitenden Explosion zu schützen.
Welche ATEX-Normen gelten für industrielle Staubfilter?
Geräte, die gemäß der Richtlinie ATEX 114 zugelassen sind, können je nach Zoneneinteilung unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden. Die Einteilung in Zonen hängt von der Art des Explosionsrisikos (Gas/Dampf oder Staub) und der Häufigkeit des Explosionsrisikos ab.
Maschinen können auch unterschiedliche Zonen für verschiedene Komponenten haben. Dies gilt insbesondere für Staubfilter. Normalerweise wird die staubige Luft durch einen Ansaugkanal angesaugt und an der Außenseite des Filters befindet sich nur sehr wenig oder gar kein Staub in der Luft.
| Häufigkeit der Explosionsgefahr | Gasexplosionsgefahr | Staubexplosionsgefahr |
| < 0,1% der Betriebszeit | Zone 2 | Zone 22 |
| > <0,1% und 10% der Betriebszeit | Zone 1 | Zone 21 |
| >10% der Betriebszeit | Zone 0 | Zone 20 |
Welche ATEX-Einstufungen sind typisch für industrielle Luftfilter?
In einer Absauganlage kommen verschiedene Teile dieser Anlage mit unterschiedlichen Konzentrationen staubiger Luft in Kontakt. Die Funktion einer Filteranlage besteht nämlich darin, den Staub von der abgesaugten Luft zu trennen, so dass saubere Luft und konzentrierter Staub übrig bleiben, die getrennt abgeleitet werden. Daher müssen die verschiedenen Teile der Anlage in der Regel unterschiedliche Normen erfüllen.
Durch die Impulsabreinigung entsteht sehr regelmäßig eine Staubwolke im schmutzigen Teil des Filters. ATEX-Filter sind daher fast immer für die ATEX-Zone 20 auf der „schmutzigen Seite“ an den Filterpatronen ausgelegt. Alle Komponenten, die in direktem Kontakt mit dem Inneren des Filters stehen, müssen daher für die ATEX-Zone 20 geeignet sein, wie z.B. Vollmelder oder Zellenradschleusen.
Wenn der Filter richtig funktioniert, saugt der Ventilator nur saubere Luft an. Es kann jedoch vorkommen, dass eine Filterpatrone reißt und staubige Luft durch die Filterpatronen strömt. <Die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert, ist sehr gering und beträgt 0,1% der Betriebszeit, kann aber nicht ausgeschlossen werden. Daher ist der Ventilator intern in ATEX 22 ausgeführt.
Die Außenseite des Filters befindet sich normalerweise in einem Bereich, in dem keine großen Staubmengen in der Luft vorhanden sind. Daher müssen hier keine zusätzlichen ATEX-Maßnahmen ergriffen werden.
Wie wird die Explosivität von Industriestaub bestimmt?
Die Explosivität von Staub hängt in hohem Maße von mehreren Eigenschaften ab. Zunächst sind da natürlich die chemischen Eigenschaften. Stoffe, die leichter oxidieren und dabei viel Energie freisetzen, sind explosiver als Stoffe, die relativ träge sind. Vor allem organische Stoffe und Petrochemikalien sind oft explosiv, aber auch verschiedene Metalle können hochexplosiv sein.
Zweitens ist die Partikelgröße des Staubs wichtig. Eine Explosion mit feinem Staub verläuft in der Regel schneller als eine Explosion mit gröberem Staub. Daher ist es sehr wichtig, die Partikelgröße des freigesetzten Staubs zu kennen. Staub, der bei der Metallisierung oder beim Schaufeln freigesetzt wird, ist beispielsweise feiner als der Staub, der beim Schleifen oder Sägen von Metallen entsteht. Bei der Holzverarbeitung ist der Staub, der beim Sägen freigesetzt wird, ähnlich grob wie der Staub, der beim Schleifen entsteht.
Eine Explosionskugel, in der die Explosivität von Substanzen bestimmt wird.
Zahlen zur Explosivität
Für die Explosivität von Staub gibt es zwei wichtige Kennziffern:
- Pmax: Der maximale Druckanstieg, der auftritt, wenn der gesamte Staub verbrannt ist.
Je höher der erzeugte Druck ist, desto mehr heiße Gase müssen ausgestoßen werden, um den Druck wieder zu senken. - Kst: Die Geschwindigkeit, mit der der Druck ansteigt.
Je schneller die Explosion erfolgt, desto weniger Zeit bleibt, um den entstehenden hohen Druck abzubauen.
Die Bestimmung dieser Kennzahlen wird in einer Explosionskugel durchgeführt. Hier wird ein Druckluftstoß verwendet, um den Staub fein in der Kugel zu verteilen, und dann wird ein Zünder verwendet, um das Staubgemisch zu zünden. Der Druckaufbau wird gemessen, wobei der erzeugte Gesamtdruck und die Geschwindigkeit, mit der er erreicht wird, die Werte für Pmax und Kst bestimmen.
Kundenbeispiel: Explosionsgeschützter Filter aus Edelstahl für chemische Prozesse
Für einen Kunden, der mit verschiedenen Chemikalien arbeitet, haben wir einen großen Edelstahlfilter für eine neue Fabrik geliefert, die mit reaktiven Chemikalien arbeitet. Diese Substanzen sind sowohl chemisch reaktiv als auch explosiv.
Zu diesem Zweck hat Naaykens‘ einen Filter aus chemisch inertem Edelstahl entwickelt, der den möglichen Explosionen standhalten kann.
Bei diesem Projekt ist auch die Staubproduktion mit einer erwarteten Staubproduktion von 500 kg/h relativ hoch. Daher wurde auch die Staubentsorgung über einen Schneckenförderer gewählt, damit der gesammelte Staub als Schüttgut entsorgt werden kann.
Angewandte ATEX-Maßnahmen
| Bestellnummer | 84418-010 | 84418-020 |
| Filter Typ | PJ EA 80/25 – ATEX – ROSTFREIER STAHL | PJ EA 4/25 – ATEX – ROSTFREIER STAHL |
| Durchflussmenge | 75.000 m3/h | 2.000 m3/h |
| Staubbeladung | Max. 6,6 g/m3 – Max. 2000 kg/h | 1,5 g/m3 |
| Explosionswerte Staub | Pmax = 4,76 barg und Kst = 37,5 bar.m/s | |
| Material | 304 ROSTFREIER STAHL | |
| Spezifikationen | ATEX 20 innen, ATEX 22 außen. 4 Flammenlose Druckentlastungen | ATEX 20 innen, ATEX 22 außen. 1 Flammenlose Druckentlastung |
Für dieses Projekt wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Filter sicher zu machen. Die für ATEX-Filter ergriffenen Maßnahmen lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: Explosionsvermeidung und Maßnahmen, um eine Explosion sicher zu machen. Die Maßnahmen zur Verhinderung von Explosionen konzentrieren sich hauptsächlich auf die Vermeidung einer Zündquelle. Das liegt daran, dass die Funktion des Filters nicht verhindert, dass die anderen drei Bedingungen erfüllt sind – das Vorhandensein von Sauerstoff, Brennstoff und die Dispersion dieses Brennstoffs.
Die Vermeidung des Auftretens von Zündquellen besteht aus:
- Verhinderung der Erzeugung von Funken durch statische Elektrizität. Alle Metallteile sind mit einem Erdungssystem verbunden, um den Aufbau statischer Elektrizität zu verhindern, und es werden antistatische Filterpatronen eingesetzt;
- Verhindern Sie die Erzeugung von Funken durch die verwendeten Geräte. Es werden nur ATEX-zertifizierte Geräte wie Volumendetektoren und Förderschnecken verwendet.
Fotos des großen Filters und der Ventilatoren vor dem Transport ins Werk zur Montage. An den Ansaugwannen sind die Verstärkungen deutlich zu erkennen. In der Mitte befindet sich ein Flanschanschluss für die Saugleitung, daneben ein Anschluss für die flammenlosen Druckentlastungen.
Der sichere Betrieb einer Explosion wird gewährleistet durch:
- Lassen Sie den entstehenden Druck auf sichere Weise ab; in diesem Fall über flammenlose Druckentlastungen;
- Explosionsschutz durch Rückschlagventile;
- Dimensionierung und Verstärkung des Filters, damit er sich aufgrund des hohen Drucks nicht plastisch verformt.
Auf den Fotos oben sind die zusätzlichen Verstärkungen an den Luken, Einlaufschalen und Trichtern deutlich zu sehen.
Flammenlose Druckentlastung
Aufgrund des Standorts, an dem diese Filter aufgestellt werden, ist eine Berstscheibe keine günstige Option. Die Leitung zur Druckentlastung würde so lang werden, dass der Druckaufbau im Filter sehr hoch werden könnte.
Daher wurde hier ein flammenloses Druckentlastungssystem gewählt. Diese flammenlose Entlüftung ist mit einer Platte versiegelt, die von einer Feder geschlossen gehalten wird. Bei einer Explosion drückt der hohe Druck diese Platte auf, so dass die heißen Gase an der Platte vorbeiströmen können.
Der flammenlose Druckzünder verfügt über einen so genannten Flammenstopper, an dem heiße Gase vorbeiströmen können, die gekühlt werden und so die Flammen zum Erlöschen bringen. Da bei Explosionen nur eine relativ geringe Gasmenge entsteht, ist es möglich, für eine ausreichende passive Kühlung zu sorgen, so dass die entstehenden Gase so kalt sind, dass sie außerhalb des Filters kein weiteres Feuer verursachen können.
Flammenlose Druckentlastung bei Filtern
Referenz ATEX-Filter: Metallisierung mit Aluminium
Für einen Kunden, der mit Aluminium metallisiert, haben wir einen ATEX-Filter zum Auffangen von Overspray geliefert. Aluminiumstaub gehört zu den Stoffen, von denen man nicht ohne weiteres annehmen kann, dass sie explosiv sind. Reines Aluminium oxidiert jedoch ziemlich schnell, wobei die entstehende Oxidation eine selbstschützende Schicht bildet, die eine weitere Oxidation des darunter liegenden Materials verhindert.
Sie können dies leicht selbst feststellen, indem Sie ein Aluminiumteil mit einem Stahlmesser abkratzen. Die stumpfe Oxidschicht wird dann abgekratzt, woraufhin das glänzende reine Aluminium sichtbar wird. Es dauert jedoch nicht lange, bis sich die stumpfe Oxidschicht wieder erholt.
Der bei der Metallisierung entstehende Staub ist ebenfalls noch nicht vollständig oxidiert und daher bei richtiger (oder falscher) Dispersion explosiv. Mit Hilfe eines Explosivitätstests wurde dies auch nachgewiesen.
Für diesen Kunden haben wir daher ATEX-Filter geliefert, um zu verhindern, dass Explosionen stattfinden, und wenn sie stattfinden, dass sie sicher stattfinden.
Da sich der Filter in einem Gebäude in der dritten Etage befindet, bietet sich hier die Verwendung einer einfachen Berstscheibe an. Diese Berstscheibe führt nach außen, wo sie im Falle einer Explosion sofort nach außen entlüftet wird. Da dies in großer Höhe geschieht, besteht kein Risiko einer gefährlichen Situation, außer vielleicht ein Vogel, der in einem unglücklichen Moment vorbeifliegt.
ATEX-Maßnahmen mit einem Metallisierungsfilter
Technische Daten
| Bestellnummer | 85561 |
| Filter Typ | 2x PJ EA 20/25 – ATEX |
| Durchflussmenge | 13.500 m3/h |
| Stoff Typ | Aluminium-Staub |
| Belastung durch Staub | Max. 3 g/m3 |
| Explosionswerte Staub | < < Pmax 10 barg und Kst 200 bar.m/s |
| Spezifikationen | ATEX 20 Staubseite, ATEX 22 reine Seite. |
Explosionsgeschützte Staubfilter mit Rückschlagventilen
Die Explosion wird auch in den Filtern durch die Verwendung von Rückschlagventilen isoliert. Diese sind auf den Fotos deutlich an ihrer erkennbaren roten Farbe zu erkennen. Diese Rückschlagventile sind aus gutem Grund in einem gewissen Abstand zum Filter angebracht – bei einer Explosion bildet sich vor der Flammenfront eine Druckwelle, die sich durch das Rohr ausbreitet. Diese Druckwelle bewirkt, dass sich das Absperrventil schließt, bevor die Flammenfront es erreicht. Die Rohrleitungen zwischen den Filtern und den Rückschlagventilen sind hier ein entscheidender Faktor, denn sie sorgen dafür, dass die Druckwelle genug Zeit hat, um das Ventil zu schließen.
So, jetzt haben Sie eine bessere Vorstellung davon, welche ATEX-Filter Naaykens‘ anbietet. Benötigen Sie auch eine Absaugung für explosiven Staub? Gehen Sie keine unnötigen Risiken ein und lassen Sie sich von uns beraten!