Das Ex-Risiko beherrschen

Konstruktiver Explosionsschutz beim Verarbeiten staubförmiger Produkte

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13.02.2013 Beim Verarbeiten staubförmiger Produkte in der Pharma- und Lebensmittelindustrie ist der Explosionsschutz der Anlagen ein wichtiges Thema. Die DIN EN 16009 setzt seit Oktober 2011 neue Rahmenbedingungen für „Einrichtungen zur flammenlosen Druckentlastung“. Worauf es insbesondere bei Sprühtrocknungsanlagen ankommt und warum Nestlé ein Q-Rohr einsetzt, erfahren Sie hier.  

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Entscheider-Facts Für Betreiber und Planer

  • Das Q-Rohr ermöglicht eine flammenlose Explosionsdruckentlastung, beispielsweise an schwer zugänglichen Apparaten inmitten von Produktionshallen.
  • Seit Oktober 2011 ist die neue DIN EN 16009:2011 „Einrichtungen zur flammenlosen Druckentlastung“ in Kraft. Sie legt für alle Hersteller standardisierte Anforderungen an die Konstruktion und das Zertifizierungsverfahren fest.
  • Die flammlose Druckentlastungseinrichtung kommt zum Beispiel in Sprühtrocknungsanlagen zum Einsatz.
  • Neue Auslegungsgrundlagen nach der Richtlinie VDI 2263 Blatt 7 ermöglichen es, die Entlastungsfläche zu reduzieren.

Seit der Jahrtausendwende ist die Zahl registrierter Explosionsereignisse in Deutschland signifikant zurückgegangen. Das lässt sich zwar als Fortschritt im vorbeugenden und konstruktiven Explosionsschutz interpretieren, doch bleibt bei dieser Auslegung ein wesentliches Detail unberücksichtigt: die Aufhebung der Meldepflicht für Explosionen durch Stäube im Jahr 2005 (laut Störfall-Verordnung 12 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes). Ist die Zahl der Explosionen also tatsächlich rückläufig oder haben wir es mangels Meldepflicht nicht vielmehr mit einer höheren Dunkelziffer zu tun?

Tatsache ist: In der Nahrungsmittel- und der Pharmaindustrie stellen Staubexplosionen ein Risiko dar. Laut Umweltbundesamt kam es 1999 zu einem Störfall in einer Milchsprühtrocknungsanlage, bei der nicht nur ein massiver Schaden in Höhe von 600.000 Euro entstand, sondern zudem die gesamte Filteranlage zerstört wurde. Mit welchem Schutzsystem lässt sich dieses Sicherheitrisiko ausschalten?

Um die Auswirkungen von Staubexplosionen zu minimieren, werden in der Anlagentechnik prinzipiell drei Wege beschritten:

  • Druckentlastung über Berstscheiben und -klappen,
  • Explosionsunterdrückung durch aktive Löschsysteme,
  • flammenlose Druckentlastungssysteme.

Letztere zeichnen sich dadurch aus, dass der Aufwand für eine Wiederinbetriebnahme der Anlage nach einer Explosion am geringsten ist. Da sie sich auch in geschlossenen Räumen einsetzen lassen, entfallen aufwendige Baumaßnahmen, um Explosionsgase über Abblasekanäle gefahrlos in gesicherte Bereiche abzuleiten.

Eine solche Lösung ist das Q-Rohr – eine Quenchvorrichtung mit Staub- und Flammenrückhaltung zur Druckentlastung von Staubexplosionen. Die Konstruktion ermöglicht eine flammenlose Explosionsdruckentlastung, beispielsweise an schwer zugänglichen Maschinen in Kellerräumen und Apparaten inmitten von Produktionshallen. Kostspielige Umbaumaßnahmen und platzraubende Wanddurchbrüche werden überflüssig. Die bis zu 1.500 °C heißen Flammengase werden in einem eigens entwickelten Spezial-Edelstahl-Mesch-Filterkorb effizient abgekühlt. Das austretende Gasvolumen reduziert sich und die Flamme wird quasi automatisch gelöscht. Ebenso reduzieren sich die mit einer Explosion einhergehende Druckerhöhung und Lärmbelästigung im Betriebsraum auf ein kaum wahrnehmbares Niveau. Aufgrund des Filters treten keine Stäube aus. Nach einer einfachen Reinigung und dem Austausch der Berstscheibe ist das Q-Rohr sofort wieder funktionsfähig. Seit Oktober 2011 ist die DIN EN 16009:2011 „Einrichtungen zur flammenlosen Druckentlastung“ in Kraft. Sie legt für alle Hersteller standardisierte Anforderungen an die Konstruktion und das Zertifizierungsverfahren fest. Die DIN EN 16009:2011 gilt für alle autonomen Schutzsysteme der flammenlosen Explosionsdruckentlastung.

Die Vorgaben der DIN EN 16009 wurden vom Q-Rohr in verschiedenen Prüfszenarien erfüllt. Das Q-Rohr kann nun auch für Gase, hybride Gemische und Metallstäube eingesetzt werden.

Schutz für Sprühtrocknungsanlagen
Die flammenlose Druckentlastungseinrichtung kommt beispielsweise in Sprühtrocknungsanlagen der Chemie- und Nahrungsmittelindustrie, beim Herstellen von Milchpulver oder löslichem Pulverkaffee, zum Einsatz. Die Flüssigkeit wird in einem Trockenturm mittels Druckdüsen oder Scheiben fein zerstäubt. Das pulverartige Erzeugnis wird durch Heißgas im Gleich- und Gegenstrom getrocknet. Dieser Prozess ist stark explosionsgefährdet, da im Sprühturm aufgewirbelter brennbarer Staub auftritt. Das bedeutet, die Atmosphäre ist explosionsfähig. Kommt noch eine Zündquelle hinzu, ist eine Explosion unvermeidbar. Aus diesem Grund muss der Betreiber geeignete Schutzmaßnahmen ergreifen. Dazu gibt es mit der der Richtlinie VDI 2263 Blatt 7 eine vergleichsweise neue Auslegungsgrundlage, die sich mit Brand- und Explosionsschutz an Sprühtrocknungsanlagen befasst (Staubbrände und Staubexplosionen – Gefahren, Beurteilung, Schutz­maß­nahmen).

Die Richtlinie berücksichtigt jetzt, dass die Temperatur im Trocknungsturm einen Einfluss auf den maximalen Explosionsdruck Pmax hat. Darüber hinaus kann unter gewissen Voraussetzungen nur ein Drittel des Turmvolumens für die Berechnung angesetzt werden, da das Produkt im oberen Bereich noch feucht und daher die Atmosphäre nicht explosionsfähig ist.

Weniger Volumen = weniger Entlastungsfläche
Die Staubkonzentration beeinflusst den KSt-Wert – ein Maß für den zeitlichen Druckanstieg in Abhängigkeit von Korngrößenverteilung und Oberflächenstruktur des Staubes – signifikant. Hierbei wird eine für Sprühtrockner realistische Staubkonzentration zugrunde gelegt, mit der sich der reale konzentrationsabhängige KEx Wert und somit die benötigte Entlastungsfläche reduzieren. Dank dieser richtungsweisenden Berechnungsmethode ist die flammenlose Explosionsdruckentlastung jetzt auch bei großen Anlagen konkurrenzfähig. Aktive Explosionsunterdrückungssysteme, die bisher als ideal für solche Anwendungen galten, verlieren Ihre Vormachtstellung.

Die DIN EN 16009 und auch die VDI Schriftenreihe 2263 orientieren sich verstärkt an den Bedürfnissen der Betreiber. Produktivität soll vom konstruktiven Explosionsschutz begleitet, aber nicht behindert werden

Flammenlose Druckentlastung versus Explosionsunterdrückung
Ein Explosionsunterdrückungssystem besteht aus einem Druckdetektor, einer Steuereinheit sowie den Löschmittelbehältern. Stellt der Detektor eine Explosion fest, wird das Löschmittel mit hohem Druck eingeblasen und die Explosionsflamme somit aktiv gelöscht. Ein Unterdrückungssystem muss regelmäßig gewartet werden. Nach einer Explosion oder einer möglichen Fehlauslösung müssen alle Löschmittelbehälter ersetzt werden. Daher sind die Unterhaltungskosten sehr hoch. Unterdrückungssysteme bieten Vorteile bei der Handhabung von toxischen Stäuben oder pharmazeutischen Wirkstoffen.
Während des Unterdrückungsvorgangs gelangen keine Produkte in die Umwelt. Jedoch ist dann bei der Reinigung und Wiederinbetriebnahme besondere Sorgfalt erforderlich.

Dem Vorteil steht allerdings ein nicht zu unterschätzender negativer Aspekt gegenüber: Der hohe Wartungskostenanteil von ca. 10 bis 15% des Anschaffungspreises pro Jahr sowie der Kosten- und Zeitaufwand für die Wiederbefüllung nach einer (Fehl-)Auslösung lassen die aktiven Systeme schnell unwirtschaftlich werden. Unter Umständen muss der Betreiber das gesamte Produktionslos entsorgen.

Ausblick: Moderne Explosionsschutzsysteme müssen sicher und ökonomisch sinnvoll sein. Nur so lassen sich das Schutzniveau und damit der Personenschutz und die Anlagensicherheit langfristig sicherstellen. Die DIN EN 16009 und auch die VDI Schriftenreihe 2263 orientieren sich verstärkt an den Bedürfnissen der Betreiber. Das erste Ziel ist Produktivität und somit kostengünstige Herstellverfahren, die vom konstruktiven Explosionsschutz begleitet, nicht aber behindert werden. Moderne flammenlose Druckentlastungseinrichtungen erfüllen diesen Anspruch.

Aktive Systeme werden ihre Bedeutung am Markt behaupten. Auf der anderen Seite ziehen die passiven Systeme erfolgreich nach. Dieser Trend gründet nicht zuletzt darin, dass passive Systeme wie flammenlose Druckentlastungen einfach handzuhaben sind und den Betreiber bei einer Inspektion nicht vor ungelöste Aufgaben stellen.

Der Hersteller hat kürzlich auf einem 26,5 m3 großen Prüfbehälter unter Beweis gestellt, dass seine Sicherheitssysteme auch extremen Explosionsbedingungen gewachsen sind. Mit einem Q-Rohr der Nennweite 800 wurden Staubexplosionen flammenlos entlastet, für die bisher mehrere der System erforderlich waren. Das mechanische Design, das auf dem Festig- und Flexibilitätsprinzip der Luftfahrt aufbaut, macht dies möglich: Vernietete Bauteile absorbieren die Schockwelle optimal.

 

 

 

 

 

Powtech, Halle 4 – 215
Lounges/ Vision Pharma Stand C2.4

 

Heftausgabe: Februar 2013

Über den Autor

Roland Bunse, Head of Projects and Expansion Department, Rembe; Stefan Penno, Managing Director, Rembe; Johannes Lottermann, Head of Projects and Expansion Department, Rembe
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