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Im Zusammenhang mit Entstaubungsanlagen wird hier gezielt der Themenkreis ‘Explosion brennbarer Stäube mit Sauerstoff‘, auch als Staubexplosion bezeichnet, behandelt.
Eine Staubexplosion ist ein exothermes, instationäres Reaktionsgeschehen, das i. d. R. der Explosionskategorie Deflagration zugeordnet werden kann.
Weitere Kategorien sind Verpuffung und Detonation.
Deflagration
ist im Prinzip ein schneller Verbrennungsvorgang mit reaktionsschnellem und deutlichem Druckanstieg, der seine Ursache in den sich ausdehnenden Gasen hat. Die Flammgeschwindigkeit beträgt dabei einige 100 Meter pro Sekunde.
Der Druck steigt bis 10 bar (1 MPa) und in Abhängigkeit des Brennstoffes auch höher.
Verdämmung
Die Reaktionsheftigkeit einer Staubexplosion wird bestimmt durch die Massen, durch die Verhältnismäßigkeit der Reaktionspartner sowie dem Grad der Verdämmung. Filtergehäuse stellen als geschlossene Behälter eine vollständige Verdämmung dar.
Eine Explosion kann nicht durch Zufall eintreten. Mindestens zwei Reaktionspartner mit geeignetem Mischungsverhältnis bilden die Grundlage für eine explosionsfähige Atmosphäre. Für Staubexplosionen kommen organische und brennbare metallische Stäube als Reaktionspartner in Frage. Die Luft liefert den Reaktionspartner Sauerstoff.
Explosionsfähige Atmosphäre
Voraussetzung für eine explosionsfähige Atmosphäre ist dispergierter Staub, der aus einer Vermischung von Staubpartikeln unterschiedlicher Größe und von Gasmolekülen besteht. Der Dichteunterschied sorgt für ständiges Umherwirbeln und Umwälzen, wodurch ein homogenes Gemisch entsteht.
Ist eine bestimmte Staubdichte erreicht und wird eine bestimmte Korngröße unterschritten, handelt es sich um eine explosionsfähige Atmosphäre.
Allerdings lassen sich Explosionsgrenzen wegen der unterschiedlichen Partikelgrößen brennbarer Stäube nicht allgemein definieren. Nur durch spezifische Versuche können Explosionsgrenzen (UEG, untere Explosionsgrenze) ermittelt werden.
Zündquelle
Eine explosionsfähige Atmosphäre entwickelt noch keine Reaktion! Um eine Explosion auszulösen, muss zusätzlich eine Zündquelle vorhanden sein. Dazu zählt auch die Selbstentzündungsfähigkeit eines Stoffes.
Der maximale Explosionsdruck pmax wird maßgeblich von der Verdämmung beeinflusst. Der zeitliche Druckanstieg dp/dt gibt die Explosionsheftigkeit wieder. Er ist als erste Ableitung im Wendepunkt der Druck/Zeit-Kurve definiert und wird als Kenngröße (KSt-Wert) für die Zuordnung in die Staubexplosionsklassen St 1, St 2 und St 3 genutzt.
Die Prüfbedingungen zur Ermittlung des KSt-Wertes und pmax sind in den Richtlinien VDI 3673 Blatt 1 und VDI 2263 Blatt 1 sowie in ISO 6184-1 festgelegt.
Eine Gefahrstoffsammlung finden Sie in der GESTIS-STAUB-EX Datenbank >
Mindest-Zündtemperatur
Unter festgelegten Versuchsbedingungen wird die niedrigste Temperatur einer heißen Oberfläche ermittelt, bei der sich das zündempfindlichste Gemisch einer explosionsfähigen Atmosphäre (Staubwolke) entzündet.
In Filteranlagen hat die Mindest-Zündtemperatur eine große Bedeutung, da der Motor des Ventilators Oberflächen erhitzen kann. Daher muss die maximale Oberflächentemperatur 2/3 unter der Mindest-Zünd-temperatur der Staubwolke liegen.
Dargestellt ist die niedrigste Temperatur, die noch zur Zündung führt.
|Lackoverspray||350 °C|
|Säge- und Frässtaub Kunststoff||430 °C|
|Gummi-Schleifstaub||500 °C|
|Aluminiumstaub mit Aerosolen aus|
Minimalmengenschmierung
|550 °C|
Mindest-Zündenergie
Auch die Mindest-Zündenergie ist ein wesentlicher Faktor bei der Auslegung von Schutzmaßnahmen. Unter festgelegten Versuchsbedingungen wird die kleinste in einem Kondensator gespeicherte Energie ermittelt, die bei 20 nacheinander folgenden Entladungen das zündempfindlichste Gemisch einer explo sionsfähigen Atmosphäre nicht entzünden kann.
Bei einer Beurteilung ist der Prozessablauf zu beachten, denn oft entsteht der zündfreudigste Zustand beim Anfahren oder Abschalten einer Anlage. Bei fetten oder mageren Staub-Luftgemischen liegt die Zündtemperatur höher.
Dargestellt ist die geringste kapazitiv gespeicherte Energie, die noch zur Zündung führt.
|Aluminium-Schleifstaub||5 mJ|
|Stofffasern (Laminatreste)||3-10 mJ|
|Zinkstaub||10 mJ|
|Aluminiumstaub mit Aerosolen|
aus Minimalmengenschmierung
|> 10 mJ|
|Polyethylenstaub||10-30 mJ|
|Säge- und Frässtaub Kunststoff||10-30 mJ|
|Gummi-Schleifstaub||100 mJ|
|Zinn-Kupfer-Staub||100 mJ|
|Lackoverspray||100 mJ|
Druck und Temperatur
Steigen Druck und Temperatur an, ver schiebt sich die obere Explosionsgrenze nach oben. Eine Erhöhung des Ausgangsdrucks (Arbeitsdruck der Anlage) führt zu einer Steigerung des Explosionsdrucks und der Explosionsheftigkeit. Dies kann sich bis zu einer Detonation steigern.
Staubkorngröße
Die Verbrennungsreaktion einer Explosion spielt sich auf der Partikeloberfläche ab. Je feiner der Staub ist, umso mehr Oberfläche bietet er für die Reaktion – und um so größer sind Explosionsdruck und Explosionsheftigkeit. Die naheliegende Überlegung, groben Staub zuzumischen, eignet sich nicht als Schutzmaßnahme, denn 5 bis 10 % Feinstaubanteil reichen weiterhin aus, um eine Explosion zu zünden.
Turbulenz
Herrschen in einer explosionsfähigen Atmosphäre Turbulenzen, kann dies bei Zündung zu höheren Explosionsdrücken und zu einer 10-fach größeren Explosionsheftigkeit führen.
Selbstentzündung
Sind große Staubansammlungen nicht auszuschließen, ist auf deren Selbstentzündungstemperatur zu achten.
Organische Stäube
Hierzu zählen Kunststoffe wie CFK, GFK, GMPU, Gummi, Polyester, PTFE, Isolierstoffe, aber auch Kohle, Mehl, Kakao, Stärke, Holz, Cellulose, Futtermittel und nicht zuletzt Lackier- und Sprühstäube.
Die Stäube aus der Be- und Verarbeitung dieser Produkte und Stoffe sind zündfähig und können in der Regel der Staubexplosionsklasse ST1 zugeordnet werden.
Metallische Stäube
Dazu zählen anorganische Stoffe wie Eisen, Stahl und insbesondere Magnesium und Aluminium. Bei geringer Partikelgröße (Stäube) können sich auch solche Metalle entzünden, die in fester Form als nicht brennbar gelten.
Die in Relation sehr große Oberfläche der Metallstaubpartikel ermöglicht eine schnelle Wärmeaufnahme und ermöglicht dadurch die Entwicklung einer zündfähigen Atmosphäre.
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