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Beim
Händeln
von brennbaren Stäuben kommt
es immer wieder zu Explosionen. Bei diesen Explosionen treten Flammen,
Staub und Funken aus, die zu Sekundärexplosionen führen können. Um
die Forderung, eine mögliche
Explosion kontrolliert ablaufen zu lassen zu erfüllen, werden verschiedene technische
Lösungen
angewendet:
- • Apparatur, als druckfeste
Ausführung,
die dem maximalen Explosionsdruck standhält
- • Apparatur
in druckstoßfester
Ausführung,
die den maximalen Explosionsdruck aushält, ohne dass Flammen und Explosionsgut
austreten. Die Apparatur darf sich verformen, aber es dürfen keine
Teile der Apparatur wegfliegen und so zur Gefährdung von Menschen führen.
- • Eine
weitere Möglichkeit
ist der Einbau einer Druckentlastung, die den Explosionsdruck kontrolliert über eine
Sollbruchstelle aus dem Gefährdungsbereich
heraus abbaut.
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Letztere
Möglichkeit
hat den Vorteil, dass die Apparatur bautechnisch einfacher gebaut
werden kann. Bekannt sind Druckentlastungen auf der Rohgasseite
eines Filterapparates und an den Behältern. Nachteilig ist, dass
im Explosionsfall Flammen, Funken und Produktreste austreten und
somit häufig
eine Sekundärexplosion
auslösen.
Um dies zu vermeiden, werden auch Explosionsunterdrückungsmechanismen
an Behältnissen
angebracht. Weiter ist bekannt, die Explosion über eine Berstscheibe in einen
Raum einzubringen, der mit einem Edelstahlgewebe ausgekleidet ist.
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Diese
konstruktionsbedingten Lösungen
haben den Nachteil, dass die Ableitung der Explosion in die Umgebung
der geschützten
Apparatur die Staubkonzentration erhöht und umliegender Staub aufgewirbelt
werden kann. Darüber
hinaus besteht das Risiko von Glimmnestern und Sekundärexplosionen.
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Voraussetzung
für die
Planung von Schutzmaßnahmen
ist es, die sicherheitstechnisch relevanten Stoffdaten für die Stäube zu ermitteln.
Zu den wichtigsten sicherheitstechnischen Kenngrößen und Eigenschaften für abgelagerten
Staub gehören: Brennzahl,
Glimmtemperatur, Selbstentzündung, exotherme
Zersetzung für
aufgewirbelten Staub: Staubexplosionsfähigkeit, maximaler Explosionsdruck,
maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit [Kst-Wert], Explosionsgrenzen,
Mindestzündenergie, Zündtemperatur,
Sauerstoffgrenzkonzentration, die Brennbarkeit des Schwelgases und
der Schwelpunkt. Eine Druckentlastungseinrichtung gibt nach Erreichen
eines bestimmten Ansprechdruckes definierte Öffnungen so rechtzeitig frei,
dass unverbranntes Gemisch und Verbrennungsgase in die Atmosphäre entlassen
werden. Dadurch wird der Explosionsdruck auf einem niedrigeren Wert
als dem maximalen Explosionsdruck entspricht, gehalten. Er wird «reduzierter
Explosionsdruck» genannt.
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Bekannt
sind explosionsdruckfeste und -druckstoßfeste Bauweisen für den maximalen
Explosionsdruck. Die nach dieser Schutzart ausgelegten Apparate
widerstehen dem maximalen Explosionsdruck. Dieser beträgt bei organischen
Stäuben bis
zum 10-fachen, bei Metallstäuben
bis zum 15-fachen des Ausgangsdruckes. Diese Bauweisen sind besonders
bei Explosionsgefahren verursacht von gesundheitsgefährdenden,
toxischen oder die Umwelt schädigenden
Produkten einsetzbar.
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Nicht
für den
maximalen Explosionsdruck ausgelegte Apparate sind bei Staubexplosionsgefahr nur
in Verbindung mit Schutzmaßnahmen,
wie Inertisierung, Vermeiden von Zündquellen, Explosionsdruckentlastung,
Explosionsunterdrückung
oder Explosionssperren anzuwenden.
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Um
eine Staubexplosion auszulösen,
sind drei Voraussetzungen erforderlich:
- • brennbarer,
explosibler Staub
- • Sauerstoff
- • und
eine Zündquelle.
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Bei
Schutzmaßnahmen
zum Ausschluss von Explosionen betrachtet die Anwendungstechnik
diese drei Voraussetzungen und trifft Maßnahmen, eine von diesen dreien
zwingend auszuschließen.
Bei nicht sicherem Ausschluss einer der Voraussetzungen, wird die
Anlage druckfest gebaut und wird im Störfall vom System entkoppelt.
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All
diese Maßnahmen
sind unbefriedigend, weil sie einen zusätzlichen Aufwand bedeuten und immer
ein Restrisiko bleibt.
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Von
großer
Bedeutung für
die Abbrandgeschwindigkeit eines Stoffes ist die Größe der Oberfläche, denn
diese bestimmt die Zutrittsmöglichkeit
von Sauerstoff.
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Denkt
man sich einen Würfel
mit einer Kantenlänge
von einem Meter, ergibt dies einen Kubikmeter und eine Oberfläche von
sechs Quadtratmetern. Wird dieser 1 m3-Würfel in
1 cm3-Würfel
geteilt, so zerfällt
dieser in 1.000.000 kleine Würfel
und behält
sein Gesamtvolumen von 1 m3. Die Gesamtoberfläche ist
nun aber 6.000.000 cm2 groß. Dies
entspricht 600 m2, was bedeutet, dass sie
100 mal größer ist.
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Die
Oberfläche
von Stoffen kann aber noch erheblich größer werden als in diesem Beispiel.
Man denke an Schüttgüter und
besonders an Feinstäube, bei
denen der Durchmesser im Mikrometerbereich liegen kann. Ein Mikrometer
entspricht 1/1.000 Millimeter. Man erhält so eine Oberfläche von
mehreren hundert Quadratmetern je Kilogramm, worauf die bis zur
Explosionswirkung gesteigerte Abbrandgeschwindigkeit beruht. Die
Gefahr einer Staubexplosion ist immer dann gegeben, wenn diese Stäube in der
Nähe einer
Zündquelle
aufgewirbelt werden. Dabei kann es je nach Stoff genügen, 15
g bis 30 g Staub je Kubikmeter Umluft aufzuwirbeln, um ein zündfähiges Staub-/Luft-Gemisch zu erzeugen.
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In
Staubform können
auch Stoffe explodieren, von denen in kompakter Form keine Brandgefahr ausgeht.
Einige Leichtmetalle neigen in Staubform sogar zur Selbstentzündung, auch
pyrophores Verhalten genannt. Neben Mehl und den Metallstäuben sind
Staubexplosionen auch mit Stäuben
von Zucker, Stärke,
Holz, Kohle und vielen anderen Stoffen möglich.
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Gesichert
ist, dass die Kennwerte für
diese Stäube
reproduzierbar sind und dass es Explosionsgrenzen gibt, um einen
Störfall
auszulösen.
Die Explosionsgrenzen, auch Zündgrenzen
genannt, beschreiben den Konzentrationsbereich der Stäube im Gemisch
mit Luft, innerhalb dessen Explosionen möglich sind. Bestimmt wird gewöhnlich die
untere Explosionsgrenze. Grundsätzlich
kann die untere Explosionsgrenze von Staub/Luftgemischen entweder experimentell
durch Explosionsversuche bestimmt oder durch thermochemische Berechnungen
ermittelt werden.
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Daraus
ergibt sich die Aufgabenstellung, die drei Voraussetzungen unter
Kontrolle zu halten, und weitere Kenngrößen zu finden, die ein Restrisiko
ausschließen
und die sich einfacher beherrschen lassen.
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In
der Technik ist bekannt, dass bei kritischen Prozessen die Anlage
inertisiert wird, z. B. mit Stickstoff. Mittels Löschmittelsperren
und/oder Schnellschussschiebern wird das Ereignis kontrolliert und
in einem vordefinierten Raum ablaufen lassen.
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In
der
DE 39 08 828 C2 wird
in der
3 Position
3 ein Filterrohr
gezeigt, das als Sekundärstufe eingesetzt
wird und Bestandteil eines Filterelementes ist.
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Jetzt
stellt sich für
den Erfinder die Aufgabe, eine Trenntechnik zu entwickeln, die eine
Zonenverschleppung von der Rohgasseite auf die Reingasseite ausschließt und ein
explosionsfähiges
Gemisch ausschliesst, d. h. es ist ein Verfahren und ein Filterapparat
zu schaffen, der die Entstehung einer zündfähigen Atmosphäre auf der
Abluftseite (Reingaseite) verhindert und gesichert ausschließt. Das
Verfahren soll ermöglichen,
dass es in Arbeitsräumen
angewendet werden kann, ohne Menschen zu gefährden.
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Die
Erfindung schlägt
ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die die untere Explosionsgrenze nicht überschreitet.
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Den
Einbau einer Sicherheitsmembrane und den Druckverlust vor und nach
der Filterstufe und der Sicherheitsmembrane zu überwachen.
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Die
Temperaturdifferenz wird in Abhängigkeit von
der Zeit vor und nach der Filterstufe gemessen. Je nach Gefährdungsanalyse
wird bei Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts die Anlage abgeschaltet und
entkoppelt.
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Die
Erfindung löst
das Problem der Zündfähigkeit
dadurch, dass der Schwellwert sicher unterschritten wird. Dies geschieht
durch den Einbau einer Sicherheitsmembrane, die bei einem Filterbruch
ablagerungswillige Partikel des Reingases auffängt und im Normalbetrieb den
Reststaub passieren lässt.
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In
der 1 wird ein Filterapparat (1) dargestellt
in dem der Rohgasstrom in den Rohgasraum (2) zur Filterstufe
(3) gelangt, diesen gefiltert in den Reingasraum (4)
gelangt und dann über
die Sekundärfilterstufe
(5) gefiltert in die Abluft abgegeben wird.
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In
der 2 wird ein Filterapparat (1) dargestellt
in dem der Rohgasstrom in den Rohgasraum (2) zur Filterstufe
(3) gelangt, diesen gefiltert in den Reingasraum (4)
gelangt und dann die Sicherheitsmembrane (5) passiert und
ungehindert in die Abluft abgegeben wird.