DE10306652A1

DE10306652A1 - Treibstrahl, um Ablagerungen in gefahrdrohender Menge auszuschließen

Info

Publication number: DE10306652A1
Application number: DE2003106652
Authority: DE
Inventors: Hartwig Straub
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: DE10306652B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der in einem Filterapparat mittels eines Treibstrahls Ablagerungen - insbesondere explosible Stäube - in gefahrdrohender Menge behindert werden. Dadurch ist es möglich, den Feststoff sicher vom Trägergas zu trennen, ohne ein gefährliches Staub/Luft-Gemisch entstehen zu lassen, das unter Umständen zu einer Explosion führen kann.

Description

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.

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.
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.
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 [K_st-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.

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. Die Auslegung der Apparate erfolgt für die explosionsdruckfeste Bauweise nach den AD-Merkblättern. Diese Bauweisen sind besonders bei Explosionsgefahren verursacht von gesundheitsgefährdenden, toxischen oder die Umwelt schädigenden Produkten einsetzbar.

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.

Um eine Staubexplosion auszulösen, sind drei Voraussetzungen erforderlich:

– brennbarer, explosibler Staub
– Sauerstoff
– und eine Zündquelle.

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.

All diese Maßnahmen sind unbefriedigend, weil sie einen zusätzlichen Aufwand bedeuten und immer ein Restrisiko bleibt.

Von großer Bedeutung für die Abbrandgeschwindigkeit eines Stoffes ist die Größe der Oberfläche, denn diese bestimmt die Zutrittsmöglichkeit von Sauerstoff.

Denkt man sich einen Würfel mit einer Kantenlänge von einem Meter, ergibt dies einen Kubikmeter und eine Oberfläche von sechs Quadtratmetern. Wird dieser 1m³-Würfel in 1cm³-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.

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.

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.

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.

Daraus ergibt sich die Aufgabenstellung, nicht nur die drei Voraussetzungen unter Kontrolle zu halten, sondern weitere Kenngrößen zu finden, die ein Restrisiko ausschließen und die einfacher zu beherrschen sind.

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.

Der Erfinder hat als seine erste Erfindung vor 25 Jahren die reingasseitig (Abgasstrom) angeordnete Druckentlastung vorgestellt, mit der der Explosionsdruck in senkrechter Richtung in den Boden (Rückstoßkraft) eingeleitet wird. Weitere Vorteile dieses Verfahrens – dies wurde in zahlreichen Versuchen nachgewiesen – sind:

– kein Flammenaustritt,
– die notwendige Druckstoßfestigkeit des Apparates wurde gegenüber den Explosionsdruckwerten auf etwa ein Zehntel reduziert
– die Entlastungseinrichtung ist aus einem flexiblen und leichten, jedoch mit definiertem und reproduzierbarem Berstdruck, der im Störfall frei in den Raum entlastet werden kann und bei unkontrolliertem Absturz auf den Boden keinerlei Schaden zufügt und nicht brennbar ist.

In der DE 38 10 771. A1 wird eine Druckentlastung vorgeschlagen

In der DE 37 03 456. A1 wird ebenfalls Druckentlastung vorgeschlagen

In der AT 1 84 812 wird ebenfalls eine Lösung vorgeschlagen, die einen Störfall bzw. eine Explosion kontrolliert abbaut.

In der DE 198 51 229 A1 wird ebenfalls ein Verfahren zum kontrollierten Abbau einer Explosion beschrieben Jetzt stellt sich für den Erfinder die Aufgabe, eine Trenntechnik zu entwickeln, die explosionsfähigen Feststoff vom Trägergas trennt und somit verhindert, dass ein entzündbares und explosibles Gemisch entsteht.

Alle bisher in der Literatur beschriebenen Lösungen sind Empfehlungen, was zu tun ist, wenn der Störfall schon eingetreten ist oder beschäftigen sich damit, ihn zu verhindern, indem die Zündquelle ausgeschossen wird.

Aufgabenstellung:

Es ist ein Verfahren und ein Filterapparat zu schaffen, der die Entstehung einer zündfähigen Atmosphäre verhindert und gesichert ausschließt. Das Verfahren soll ermöglichen, dass es in Arbeitsräumen angewendet werden kann, ohne Menschen zu gefährden. Das Verfahren, einen Explosionsschutzfilterapparat einzusetzen, kompensiert den Nachteil, eine explosionsdruckfeste und -druckstoßfeste Bauweise zu wählen, da diese Maßnahmen nur zusätzlich als Sicherheitsmaßnahme angewendet werden muss.

Lösung:

Der Erfinder schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die die Explosionsgrenze nicht überschreitet.

Recherchen haben ergeben, viele Staubexplosionen werden durch Glimmnester und Ablagerungen ausgelöst.

Die Erfindung schlägt zur Kontrolle drei Schwellwerte vor:

– Mittels einer Flüssigkeitssäule wird die Druckdifferenz vor und nach der Filterstufe ermittelt.
– Die Temperaturdifferenz wird in Abhängigkeit von der Zeit vor und nach der Filterstufe gemessen.
– Die Partikel, die durch den Filterwerkstoff hindurch gelangen werden, gezählt und mit einer Referenzgröße verglichen

Der Schwellwert liegt außerhalb der Explosionsgrenzen des betreffenden Schüttgutes bzw. Staubes. Bei Erreichen eines ersten Schwellwert wird eine Warn-Meldung ausgegeben, bei Erreichen des zweiten Schwellwert wird die Sicherheitseinrichtung aktiviert. Ist eine solche nicht vorhanden, schaltet die Anlage ab. Je nach Gefährdungsanalyse wird bei Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts die Anlage abgeschaltet und entkoppelt.

Die Erfindung löst das Problem der Zündunfähigkeit dadurch, dass der Schwellwert sicher nicht überschritten wird. Dies geschieht durch einen Treibstrahl, der ablagerungswillige Partikel dem Volumenstrom erhält bzw. wieder zuführt. Die Menge des Gases richtet sich nach der Menge des Staubangebots in einer bestimmten Zeiteinheit. Die Hauptaufgabe des Treibgases ist zu verhindern, dass sich Feststoffe in einer Konzentration absetzen, die in Verbindung mit Luft zu einer Explosion führen können. Die Treibdüsen werden über Druckluft- oder Stickstoffflaschen, je nach Gefährdungsbeurteilung des Feststoffes, versorgt. Durch den schmalen Schlitz und den hohen Druck der Flasche ergeben sich kleine, jedoch sehr wirksame Volumenströme, die verhindern, dass sich Partikel absetzen beziehungsweise die abgesetzten Partikel dem Hauptvolumenstrom wieder zuführen.

Die Totraumdüsen werden über ein Mehrwegeventilsystem auch zur Reinigung und als Sicherheitsvorkehrung bei Wartungsarbeiten eingesetzt. Hierbei wird das Fluid, das vorzugsweise Stickstoff ist, durch ein Reinigungsgas ersetzt.

In 1 wird der zeitliche Druckanstieg eines Störfalls angezeigt. Die Heftigkeit des Schüttguts wird nach folgender Gleichung ermittelt: zeitlicher Druckanstieg
Die 2 zeigt in das Prinzip: den Totraum (1) in dem ein Kanal für den Treibstahlführung (3) vorzugsweise Stickstoff angeordnet ist, in dem der Treibstrahl (2), geführt wird. Der Treibstrahl (2) tritt gezielt aus und gibt einen Richtungsimpuls auf den Partikel (4). Die Impulsdauer wird zeitabhängig angesteuert, um das Treibgas, vorzugsweise Stickstoff, einzubringen, zum Zwecke eventuell abgelagerten Feststoff aufzuwirbeln und weiter zu transportieren.
In 3 wird ein Kanalsystem mit dem Treibstrahlanschluss (1) gezeigt, über das das Treibstrahlgas eingeführt wird. Der Treibstrahl (3) in der Innenseite zwischen der Treibstrahlführung (2) unter Leitwand für die Partikelführung (4) vorzugsweise rohrförmig heraustritt.
In der 4 wird das Rotationsprinzip zum Erreichen eines Luftschleiers gezeigt. Über den Treibstrahlanschluss (3) gelangt der Treibstrahl (4), vorzugsweise Stickstoff, mit das Gewinde (2) in Rotations gesetzt an die Leitwand (5). Der Anschlag und die Dichtfläche (1) gewährleisten, dass der Treibstrahl (4) gezielt in Richtung zur Leitwand (5) geführt wird und verhindert so das Absetzen von Partikeln.
In der 5 wird die Erfindung an einem Ventilator angebracht, der vorzugsweise auf der Sogenannten Reingasseite angeordnet ist. Der Trägergasstrom (2) wird durch das Laufrad (7) über die Seitenwand (3) und Bodenwand (6) an der Tragscheibe (1) vorbei geführt. Über die Treibstarhlführung (4) gelangt der Treibstrahl an die Bodenwand (6) und an die Seitenwand (3) und verhindert das ablagern von Partikeln.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum explosionsfreien Betreiben einer Filtervorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass stoffspezifische Daten zur Steuerung des praktischen Anteils des abgelagerten Staubs herangezogen werden.
Verfahren und Vorrichtung zum explosionsfreien Betreiben einer Filtervorrichtung dadurch gekennzeichnet nach Anspruch 1, dass mittels Totraumdüsen die Ablagerungsmenge sicher unter gefahrdrohender Menge gehalten wird.
Verfahren und Vorrichtung zum explosionsfreien Betreiben einer Filtervorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas ein Fluid ist, das gleichzeitig die Ablagerungsmenge begrenzt und selbst als Zündquelle ausscheidet.
Verfahren und Vorrichtung zum explosionsfreien Betreiben einer Filtervorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Totraumdüsen zu Wartungsarbeiten ohne Gefährdung und Risikoerhöhung der Arbeitsplatzatmosphäre eingesetzt werden.