Staubexplosionen in der Prozessindustrie

Staubexplosionen sind verheerende Sicherheitsvorfälle, die in einer Vielzahl von Branchen wie der Petrochemie, der Lebensmittel-, Papier- und Pharmaindustrie auftreten können. Diese schweren Vorfälle können zahlreiche Todesopfer fordern und irreparable Schäden an den Anlagen der Prozessindustrie verursachen. Nach Angaben des Chemical Safety Board (CSB), einer unabhängigen Behörde, die schwere chemische Vorfälle untersucht, gab es zwischen 2006 und 2017 in den Vereinigten Staaten 111 Fälle von Staubexplosionen, die 66 Todesopfer und 337 Verletzte forderten. Eine weitere CSB-Studie aus dem Jahr 2006 zeigte, dass die Lebensmittelindustrie mit 24% aller Staubexplosionsfälle zwischen 1980 und 2006 die höchste Unfallrate aufweist. Daher wurden Staubexplosionen als großes Sicherheitsrisiko erkannt, das mit äußerster Vorsicht angegangen werden muss Aufmerksamkeit. 

Um das Leben von Industriearbeitern zu schützen, hat die OSHA im Jahr 2008 ein „Combustible Dust National Emphasis Program“ (NEP) entwickelt und mit der Umsetzung begonnen. Dieser umfassende Sicherheitsplan sah Verfahren für die Staubgefahreninspektion sowie Richtlinien vor, die Industrieanlagen anwenden müssen, um Staubexplosionen zu reduzieren Risiken und Richtlinien zur Einhaltung der NFPA Standards. 

Industriesicherheitsexperten können bei der Bewältigung von Staubexplosionsproblemen auf andere nützliche Ressourcen zurückgreifen. Rolf K. Eckhof, emeritierter Professor für Prozesssicherheitstechnik am Fachbereich Physik und Technologie der Universität Bergen, Norwegen, teilte sein Wissen zu diesem Thema in seinem Buch „Staubexplosionen in der Prozessindustrie“. Die 3. Auflage dieses Buches bietet unschätzbare Ratschläge zur Identifizierung, Bewertung und Kontrolle von Staubexplosionsgefahren. In der Buchbeschreibung heißt es: „Es ist zwingend erforderlich, dass dem verantwortlichen Sicherheitsmanager praktisches und theoretisches Wissen über die Entstehung, Entstehung, Prävention und Eindämmung von Staubexplosionen vermittelt wird.“ Dieses Buch bietet auch eine aktualisierte Bewertung der vorherrschenden Aktivitäten, Testmethoden, Designmaßnahmen und sicheren Betriebstechniken. Industriesicherheitsberater und Studenten können einen detaillierten Überblick über alle wichtigen Phasen im Zusammenhang mit der Gefahren- und Staubexplosionskontrolle finden. Wie in der angegeben „Zeitschrift für Schadenverhütung in der Prozessindustrie“ Rezension: „Dieses Buch ist ein Bericht über alle Aspekte von Staubexplosionen und wird eine unschätzbar wertvolle Informationsquelle für alle Sicherheits- oder Schadensverhütungsspezialisten sein, die mit Staubexplosionsgefahren zu tun haben.“ 

Was ist eine Staubexplosion?

Zu diesem potenziell tödlichen Vorfall kommt es, wenn sich Staubpartikel in der Luft ansammeln und schnell verbrennen, wodurch eine heftige Druckwelle entsteht. Staubexplosionen stellen ernsthafte Sicherheitsrisiken für Verarbeitungs- und Fertigungsindustrien dar, wie z. B. Lebensmittelverarbeitung, Kohlebergbau, Holzverarbeitung, Herstellung pharmazeutischer Komponenten und andere. Damit es zu einer Staubexplosion kommt, sind mehrere Faktoren erforderlich:

• Brennbarer Staub
• Sauerstoff
• Geschlossener Raum
• Zündquelle
• Darüber hinaus ist die Staubpartikelkonzentration einer der entscheidenden Faktoren dafür, ob es zu einer Staubexplosion kommt oder nicht. Es ist nämlich höchst unwahrscheinlich, dass es zu einer Staubexplosion kommt, wenn die Staubkonzentration nicht hoch genug ist, um sie auszulösen. Wenn die Konzentration an brennbarem Staub zu hoch ist, ist nicht genügend Sauerstoff vorhanden, um eine Explosion auszulösen. Brennbare Stäube mit feineren Partikeln sind gefährlicher, da sie sich leicht verteilen, größere Oberflächen bedecken und leicht entzündlich sind. Laut OSHA Fact Sheet gilt: Wenn die richtigen brennbaren Staubkonzentrationen mit ausreichend Sauerstoff in einem geschlossenen Raum, in der Nähe einer Zündquelle, kombiniert werden, wird die sogenannte Staubexplosion im Pentagon entsteht und es kommt zu einem schweren Zwischenfall. 

Alles, von einer Zigarette bis zu einem Funken, der von einem überhitzten Radlager ausgeht, kann ein Auto entzünden Staubexplosion. Sobald der Staub entzündet ist, verbrennt er schnell und erzeugt eine Welle mit hohem Luftdruck. Häufig wirbelt die erste Explosion eine weitere Staubwolke auf, was zur zweiten Explosion führt. Detaillierte Fallstudien zeigten, dass diese zweiten Explosionen heftiger und zerstörerischer sind und kurz nach den ersten auftreten, wodurch irreversible Schäden an Einrichtungen verursacht werden und das Leben der Arbeiter gefährdet wird.

Aus diesem Grund konzentriert sich dieser Artikel auf die Beschreibung Staubexplosion Gefahren in der Prozessindustrie. Darüber hinaus werden Maßnahmen zur Verhinderung und Eindämmung von Staubexplosionen sowie sichere Betriebspraktiken vorgestellt, die Unternehmen implementieren müssen, um eine sichere Arbeitsumgebung zu gewährleisten. 

Was sind Staubexplosionsgefahren? 

Einige Stäube, wie Kohle-, Getreide- und Düngemittelstäube, sind leicht als explosionsgefährdet zu erkennen. Das Problem besteht darin, dass es eine Vielzahl anderer Pulver und Stäube gibt, die in Industrieanlagen eine ernsthafte Brand- oder Explosionsgefahr darstellen können. 

Leider waren die katastrophalen Staubexplosionen bei der Imperial Sugar Company im Jahr 2007 für diejenigen, die mit den Risiken von Staubexplosionen nicht vertraut waren, beispiellose Sicherheitsvorfälle. Die hohe Konzentration an brennbarem Zuckerstaub löste eine Reihe verheerender Explosionen aus, bei denen 14 Menschen starben und 38 Arbeiter verletzt wurden, davon 14 mit lebensgefährlichen Verbrennungen. Die Frage, die den OSHA-Inspektoren und -Mitarbeitern nach diesem schweren Vorfall Kopfzerbrechen bereitete, lautete: „Wie kann ein Pulver, ein fester, normalerweise ungefährlicher Stoff wie Zucker oder Kunststoff, zu einem Brand oder einer Explosion, also zu einer Verpuffungsgefahr, werden?“

Um zu verstehen, warum diese Staubexplosionsgefahr besteht, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Beschaffenheit der fein gemahlenen Materialien und der Funktionsweise von Bränden erforderlich. Erstens ist ein Brand eine Oxidationsreaktion, was bedeutet, dass alle zur Oxidation neigenden Materialien ein erhebliches Brand- oder Staubexplosionsrisiko darstellen können. Ein hervorragendes Beispiel für ein solches Material ist eine Eisenstange. Wenn ein Eisenstab der Luft ausgesetzt wird, rostet er langsam, und dieser Oxidationsprozess kann Tage, Wochen oder sogar Monate dauern. Während eine einzelne rostige Eisenstange kein Explosionsrisiko darstellt, ist eine gemahlene Eisenstange, die feine Partikel enthält, durchaus explosionsgefährlich. Dies liegt daran, dass Eisenstaub eine deutlich größere Oberfläche hat, die viel schneller mit dem Sauerstoff reagiert.

Je feiner die Partikel sind, desto schneller und stärker verläuft die chemische Reaktion. Durch die Entzündung der Staubpartikel wird Wärme freigesetzt, wodurch sich das Gas um die Partikel herum ausdehnt und eine Flammenfront erzeugt. Wenn sich die Flammenfront mit einer Geschwindigkeit bewegt, die unter der Lichtgeschwindigkeit liegt, spricht man von einer Deflagration. Wenn in einem geschlossenen Raum eine Verpuffung auftritt, führt dies zu einem erhöhten Luftdruck, da die Gehäusewände die innere Gasausdehnung begrenzen. Dies führt zu einer Explosion, wobei die sich ausdehnende Druckwelle irreparable Schäden im umschlossenen Bereich verursacht. Dieser Prozess kann bei jedem Material auftreten, das oxidieren und dabei Wärme freisetzen kann. Daher können die meisten organischen Chemikalien, Lebensmittel, Metalle, Kunststoffe, Kohlenstoffverbindungen und pharmazeutischen Komponenten in Form feiner Pulver gefährliche Staubexplosionsrisiken bergen.

Wie kann man Staubrisiken reduzieren?

Das Verständnis, dass Staub ein ernstes Brand- und Explosionsrisiko darstellen kann, ermöglicht es Sicherheitsberatern und anderen Sicherheitsexperten, zu bestimmen, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um Anlagen der Prozessindustrie in Übereinstimmung mit den NEP-Standards der OSHA zu bringen. Das entscheidende Ziel besteht darin, die Hauptursachen potenziell katastrophaler Explosionen in diesen Anlagen zu beseitigen, auch wenn es möglicherweise nicht möglich ist, alle Staubablagerungen zu entfernen. Der erste Schritt zu diesem Ziel besteht darin, die Ansammlung von brennbarem Staub auf exponierten und verborgenen Oberflächen innerhalb der Anlagen zu reduzieren. Wie bereits erwähnt, können Sekundärexplosionen zu massiven Zerstörungen und zum Verlust von Menschenleben innerhalb der Anlage führen. Zu diesen Explosionen kommt es, wenn die Druckwelle einer ersten Explosion auf horizontalen Flächen angesammelten Staub in die Luft schleudert, wo er entzündet wird und eine explosive Staubwolke bildet. Da sich dieser explosive Staub schnell von der primären Zündquelle ausbreitet, verursacht er katastrophale Schäden, schwere Verletzungen und Todesfälle. 

Nach Angaben der National Fire Protection Association (NFPA) reichen Staubkonzentrationen von 1/32 Zoll, ähnlich der Dicke einer Büroklammer, aus, um eine Staubexplosion auszulösen, wenn sie in der Nähe einer Zündquelle verteilt wird. Aus diesem Grund ist die Entfernung von angesammeltem Staub das Hauptanliegen des NEP-Plans der OSHA. 

Daher müssen drei entscheidende Maßnahmen umgesetzt werden, um die Staubgefahr durch Senkung der Staubkonzentration zu verringern:

• Identifizierung von Problembereichen
• Identifizierung brennbarer Stäube
• Beseitigung von Staubgefahren 

In Anlagen der Prozessindustrie besteht möglicherweise die Gefahr einer Staubexplosion, wenn pulverförmige Materialien aus der Verarbeitungs- und Förderausrüstung austreten und sich auf verschiedenen horizontalen Oberflächen in der Nähe der Staubquelle absetzen. Die Staubpartikel befinden sich normalerweise auf der Oberseite von Geräten, Treppen, Geländern, Beleuchtungskörpern usw. Während die sichtbaren Oberflächen regelmäßig gereinigt werden, kann sich der explosive Staub auf versteckten Oberflächen, die oft übersehen werden, übermäßig ansammeln. Zu diesen problematischen Oberflächen gehören Dachstützkomponenten, Geräteteile oberhalb der Augenhöhe, erhöhte Leitungen, Rohrleitungen und Kabeltrassen, und Sicherheitsexperten müssen sich auf deren Reinigung konzentrieren. Daher sind die regelmäßige Reinigung und Reinigung freiliegender und verborgener Flächen innerhalb der Anlage entscheidende Faktoren für die Reduzierung der Staubgefahr.

Die Feststellung, ob Staub gefährlich ist oder nicht, ist der zweitwichtigste Aspekt bei der Eindämmung des Risikos einer Staubexplosion. Wie wir bereits festgestellt haben, besteht nicht bei allen Stäuben ein Brand- oder Explosionsrisiko. Während aus Sicherheitsgründen alle Stäube gereinigt werden sollten, liegt der Schwerpunkt auf brennbaren Stäuben, die schwere Explosionen verursachen können. 

Daher müssen Sicherheitsexperten eine Bestandsaufnahme aller Pulvermaterialien erstellen und Sicherheitsdatenblätter überprüfen, um potenziell riskante Pulver zu identifizieren. Wenn diese Datenblätter unvollständig sind, können Sicherheitsfachkräfte eine Gefahrenprüfung durchführen. Mehrere NFPA-Veröffentlichungen können wertvolle Informationen über brennbare Stäube liefern. Neben der regelmäßigen Haushaltsführung müssen Sie Staubquellen und primäre Zündquellen überprüfen, um Explosionsrisiken auszuschließen. 

Daher müssen Sie die Prozessschritte und die Ausrüstung überprüfen, Öffnungen schließen, durch die gefährlicher Staub entweichen kann, und verschiedene Zündquellen wie Funken oder Hitze reduzieren. Die NFPA hat eine Sammlung von Codes, Standards und Richtlinien bereitgestellt, um diesen wichtigen Prozess zu erleichtern und Sicherheitsberatern in der Prozessindustrie dabei zu helfen, Staubexplosionsrisiken zu bewältigen. 

Prävention und Eindämmung von Staubexplosionen 

In letzter Zeit wurden ernsthafte Anstrengungen unternommen, Maßnahmen zur Vermeidung und Eindämmung von Staubexplosionen in der Prozessindustrie zu entwickeln und zu verbessern. Diese Bemühungen führten zur Entwicklung verschiedener Methoden zur Bewältigung von Problemen im Zusammenhang mit Staubexplosionen, wie z. B. der Vorhersage der Explosionsentwicklung in Echtzeit oder der Vermeidung von Zündquellen. Die Einführung eines sichereren Prozessdesigns, das auf fundiertem Wissen, Technologie und kontinuierlicher Schulung des Personals basiert, ist der Schlüssel zur erfolgreichen Verhinderung und Eindämmung von Staubexplosionen. 

Fundierte Kenntnisse in der Pulverwissenschaft sind eine unschätzbare Hilfe bei der Beurteilung und Kontrolle von Staubexplosionsgefahren. In den letzten 20 Jahren haben ausgefeiltere und flexiblere Methoden die einfachen schematischen Methoden ersetzt. In dieser Zeit haben systematische Forschung, begleitet von praktischen Umsetzungen, zu angemessen konzipierten Abhilfemaßnahmen geführt. Systeme zur Entlastung, Unterdrückung und Isolierung von Staubexplosionen entstanden beispielsweise aus dem Verständnis von Flammenausbreitungsprozessen. 

• Verhinderung und Eindämmung der Entstehung von Staubexplosionen

Eines der wesentlichen Probleme im Zusammenhang mit Staubexplosionen ist die schnelle Ausbreitung von Flammen in Staubwolken. Dies liegt daran, dass Trägheitskräfte in Staubwolken Konzentrationsgradienten des Kraftstoffs erzeugen können. Außerdem können Flammen aufgrund der Wärmestrahlung erhebliche Wärmemengen an die Staubwolke übertragen. Die Rolle der Wärmestrahlung bei der Entstehung von Staubexplosionen muss jedoch noch weiter untersucht werden. 

Zahlreiche Wissenschaftler haben viel Zeit und Mühe darauf verwendet, umfassende mathematische Modelle zur Messung der Flammenausbreitung in Staubwolken zu entwickeln. Mithilfe dieser Modelle können Sicherheitsmanager besser verstehen, wie Staubexplosionen eskalieren. Wissenschaftler haben eine Technik zur Ausbreitung flacher Flammen angewendet, um die Brenngeschwindigkeit präzise zu messen. Den Ergebnissen zufolge können zahlreiche Faktoren wie Partikelgröße, Staubkonzentration, Sauerstoffanreicherung und Wärmeverlust durch Strahlung die Flammenausbreitung in Staubwolken beeinflussen. Dieses Experiment machte auf die Ähnlichkeit zwischen der Flammenausbreitung durch Staubwolken und Kraftstoffnebel und die Bedeutung des Strahlungswärmeverlusts aufmerksam. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Staubwolke aus 10 besteht μm Graphit- oder Aluminiumpartikeln könnte der Strahlungsverlust durch Partikel die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit um bis zu 40% verringern.

• Verhinderung der Entstehung von explosionsfähigem Staub 

Alles begann mit Dr. Weber, einem der ersten Experten, der sich vor 130 Jahren mit der Staubexplosion in der Prozessindustrie auseinandersetzte. Er wies darauf hin, dass die Dispergierbarkeit und Konzentration der Partikel einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung von Staubwolken habe. Am Beispiel von Mehl und den verheerenden Staubexplosionen in Polen und Deutschland aufgrund der hohen Dispergierbarkeit dieses Materials wies er nach, dass die Dispergierbarkeit von Weizenmehlpartikeln mit abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt zunahm. 

Primäre explosionsfähige Staubwolken entstehen normalerweise innerhalb der Verarbeitungsanlage, wenn eine ausreichende Staubkonzentration angehoben wird. Die Handhabung und der Transport verschiedener Materialien in Mühlen, Trocknern, Mischern, Becherwerken und anderen Verarbeitungsgeräten führt normalerweise zur Staubverteilung und zur Bildung gefährlicher Staubwolken. Diese primären Staubexplosionen verursachen normalerweise eine zweite, verheerendere Explosionswelle mit katastrophalen Folgen.

Daher ist es wichtig, einige Informationen über die Struktur der Staubwolke zu haben, um die Zündempfindlichkeit der Wolke und den Verlauf dieser Primärexplosion vorherzusagen. Allerdings haben Wissenschaftler erst damit begonnen, numerische Modelle zu entwickeln, um dieses Problem anzugehen, und Beispiele für die praktische Anwendung sind rar. 

Normalerweise wird das Problem der Staubexplosion dadurch angegangen, dass man den bestehenden Prozess durch vorbeugende Maßnahmen ergänzt. Die Anwendung eines inhärent sichereren Prozessansatzes könnte jedoch eine bessere Lösung sein. Dieser Ansatz erfordert die Gestaltung eines Produktionsprozesses, bei dem keine Gefahr einer Staubexplosion besteht. Dazu sollte die Entscheidung für Produktions-, Behandlungs-, Lager- und Transportlösungen gehören, bei denen die Staubwolkenbildung auf ein Minimum beschränkt wird.

Eine weitere praktische Lösung ist die Zugabe von Inertgas wie Stickstoff oder Kohlendioxid zur Luft. Auf diese Weise wird eine Staubwolke weniger anfällig für Flammen. Diese Maßnahme sollte jedoch mit Vorsicht durchgeführt werden, da durch die Zugabe von Stickstoff in die Luft Erstickungsgefahr besteht. 

• Zündquellen verhindern

Die minimale heiße Oberflächentemperatur, die für die Zündung einer Staubwolke ausreicht, wurde als universelle Konstante für jede in Frage kommende Staubwolke angesehen. Allerdings können diese Mindestzündtemperaturen je nach Maßstab und der heißen Oberflächengeometrie der Staubwolke erheblich variieren. Daher können wir mehrere Zündquellen identifizieren: elektrostatische Entladungen zwischen zwei Elektroden, elektrostatische Ein-Elektroden-Entladungen, glühende oder brennende Partikel oder ein elektrisches Gerät. Obwohl bereits erhebliche Anstrengungen unternommen wurden, um wirksame Maßnahmen zur Vermeidung von Zündquellen zu entwickeln, müssen diese Maßnahmen und Standards weiterentwickelt werden. 

Schutz- und Schadensbegrenzungsmaßnahmen 

Entscheidende Schritte zur Verhinderung von Staubexplosionen, die Menschenleben und Geräte schützen, sind:

• Oberflächen sauber halten
• Staubansammlung verhindern
• Zündquellen reduzieren

Aus diesem Grund könnten Sicherheitsberater über eine Investition nachdenken Rohrschleppseilförderer die alle diese Anforderungen erfüllen und möglicherweise eine perfekte Lösung für den Staubexplosionsschutz in der Prozessindustrie darstellen. 

Erstens sind diese Förderer für den Transport verschiedener Rohstoffe durch verschiedene Prozessstufen konzipiert und haben die Möglichkeit verringert, dass sich Speisereste oder Staub auf dem Kabel ansammeln. Die Oberfläche des Rohrkabels, die den Materialien direkt ausgesetzt ist, ist nämlich 80% kleiner als die Oberfläche der Kabelkette. Darüber hinaus ist dieser gleichmäßige und glatte Rohrkabelförderer mit Nylon abgedichtet, wodurch eine Staubansammlung in den Kabelsträngen verhindert wird.

Zweitens bieten Rohrschleppkabelförderer verschiedene Reinigungsoptionen wie Bürstenkästen, Urethanwischer, Inline-Schwämme und Borstenbürsten sowie eine automatische CIP-Nassreinigung, um eine vollständige Staubentfernung sicherzustellen. 

Schließlich nutzen diese Rohrschleppseilfördersysteme energieeffiziente Motoren mit geringer Leistung. Dadurch wird das Risiko der Funkenbildung als potenzielle Staubexplosionsquelle minimiert. 

Einfach ausgedrückt, durch die Implementierung des Cablevey-Förderer System in Ihrem Produktionsprozess minimieren Sie gefährliche Staubexplosionsrisiken, indem Sie verschiedene Materialien auf hygienische, sichere und energieeffiziente Weise transportieren.