mini|Markierung eines Bereiches mit Explosionsgefahren in einem Chemiewerk
Der Explosionsschutz ist ein Teilgebiet der Technik, das sich mit dem Schutz vor der Entstehung von Explosionen und deren Auswirkungen beschäftigt. Er gehört zum Bereich der Sicherheitstechnik und dient der Verhütung von Schäden an Personen oder Gegenständen. Diese können ihre Ursache haben in menschlichem Fehlverhalten (Fehlbeurteilung bestehender Arbeitsbedingungen) oder defekte Arbeitsmittel, die wirksame Zündquellen des zu beurteilenden Systems darstellen. Der Explosionsschutz wird durch Umsetzung der integrierten Explosionssicherheit durch primäre, sekundäre und tertiäre Schutzziele erreicht. Sie umfassen zunächst Vermeidungsstrategien, die zum Beispiel durch Substitution die Entstehung explosionsfähiger Gemische vermeiden müssen, und zwar soweit das nach dem legal definierten Stand der Technik möglich ist. Nur wenn das nicht umsetzbar ist, greifen sekundär technische und auch ggf. auch organisatorische Maßnahmen, welche zum generellen Schutzziel haben, die Zündung auftretender explosionsfähiger Gemische unbedingt zu vermeiden. Erst wenn das technologisch nicht sicher verhindert werden kann, greift das tertiäre Schutzziel der Auswirkungsbegrenzung im Explosionsschutz (z. B. druckfeste Bauweise, Freiluftaufstellung mit Schutz- und ggf. auch Sicherheitsabständen).
Grundlage hierzu sind gesetzliche Bestimmungen wie zum Beispiel das EU-Gefahrstoffrecht, die Arbeitsmittelbenutzungsrichtlinie, die ATEX-Richtlinien der Europäischen Union oder National Electrical Code (NEC) in den USA.
In Deutschland greifen vorrangig das Gefahrstoffrecht (Gefahrstoffverordnung mit den Technischen Regeln für Gefahrstoffe, TRGS) und die Betriebssicherheitsverordnung mit den technischen Regeln (TRBS).
Bedeutung Die Notwendigkeit und Bedeutung der Regelungen des Explosionsschutzes ist mit dem laufenden Fortschritt in der Industrialisierung gewachsen. Nicht nur im Bereich der chemischen Industrie und des Bergbaus müssen Explosionsgefahren betrachtet werden, sondern auch in weiten Bereichen der verarbeitenden Industrie. Zu den bekannten klassischen Bereichen wie Mühlen, Lagerhäuser für Getreide etc. kommen weitere Produktionsbereiche zum Beispiel in der Textilindustrie oder der holzverarbeitenden Industrie hinzu, in denen es durch die erhöhten Verarbeitungsgeschwindigkeiten und die verstärkte Mechanisierung zu einem stärkeren Abrieb der beteiligten Materialien und damit zu einem erhöhten Gefährdungspotential kommt. Durch die Tendenz zu immer größeren Produktionseinheiten, höherem Produktionsvolumen und nicht zuletzt wegen der restriktiveren rechtlichen Bestimmungen hat sich die Zahl der potentiell betroffenen Betriebe erhöht.
In technischen Anlagen können sich unter bestimmten Bedingungen Explosionen ereignen, bei denen Menschen zu Tode kommen und große Sachschäden auftreten können. Ein Beispiel sind Schlagwetterexplosionen im Bergbau. Der Entzündung von Grubengas folgen oft noch heftigere Explosionen durch die Entzündung von aufgewirbeltem Kohlenstaub. Die schwerste Explosion in Deutschland ereignete sich 1921 im Stammwerk der BASF in Ludwigshafen-Oppau, bei der 561 Menschen ums Leben kamen. 1979 ereignete sich in der Bremer Rolandmühle eine schwere Mehlstaubexplosion, die 17 Tote zur Folge hatte. Internationale Beispiele von Explosionskatastrophen mit hohen Opferzahlen und massiven Schäden sind in jüngerer Zeit die Explosionskatastrophe von Tianjin 2015 und die Explosionskatastrophe in Beirut 2020. Die Auswirkungen von Explosionen stellen eine erhebliche Gefährdung dar.
Grundlagen Eine Explosion ist . Voraussetzung für das Auftreten einer Explosion ist das Vorliegen einer explosionsfähigen Atmosphäre (also einer ausreichenden Mischung aus Oxidator und oxidierbarem Stoff) in Anwesenheit einer wirksamen Zündquelle. Für einen wirkungsvollen Explosionsschutz muss mindestens einer der drei Parameter des Explosionsdreieckes: oxidierbarem Stoff, Oxidator oder Zündquelle unter die wirksame Schwelle reduziert werden.
Sicherheitstechnische Kenngrößen mini|hochkant=1.5|Dreiecksdiagram des Gasgemisches Methan/Luft [Sauerstoffanteil]/Inertgas (Stickstoff oder CO2)
Unter dem Begriff der "Sicherheitstechnischen Kenngrößen" werden Werte für Stoffe ermittelt, die bei der Festlegung von Explosionsschutzmaßnahmen notwendig sind. Diese Werte sind in der Regel chemisch-physikalische Werte, die in Datenbanken (z. B. CHEMSAFE, GESTIS oder GESTIS-Staubdatenbanken) zur Verfügung gestellt werden, um konkrete Aussagen über z. B. Zündquellen oder Anlagenfestigkeiten zu tätigen. Sehr oft fehlen diese Werte (speziell bei Stäuben) und müssen daher für den konkreten Anwendungsfall erst ermittelt werden.
Wichtige sicherheitstechnische Kenngrößen sind unter anderem:
Explosionsgrenzen – Mischungsverhältnisse zwischen brennbarer Substanz und Oxidator (typischerweise Luft) Mindestzündenergie – Die Energie, die benötigt wird, um das zündfähige Gemisch der Substanz in einem bestimmten Oxidator zu entzünden. Mindestzünddruck – Der Gesamtdruck, der mindestens benötigt wird, damit das zündfähige Gemisch der Substanz in einem bestimmten Oxidator entzündet werden kann. Grenzspaltweite (MESG) – Die Grenzspaltweite für ein bestimmtes Gasgemisch wird in einem normierten Verfahren (IEC 60079-1) bestimmt. Dabei wird ermittelt, welche maximale Breite, sprich Weite, bei einem 25 mm langen Spalt (in einem Behälter des Gases) ein Hinauszünden noch verhindert. (EN 60079-20-1)Explosionstechnische Kennzahlen : ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU druckgeraete-online.de, abgerufen am 7. Februar 2020.Grundlagen des Explosionsschutzes gfd-katalog.com, Crouse-Hinds/CEAG/EATON, abgerufen am 7. Februar 2020. S. 29. Explosionspunkte Flammpunkt
In einem Dreiecksdiagram können für ein explosionsfähiges Gas-Sauerstoff-Inertgas-Gemisch verschiedene Bereiche dargestellt werden.
Unterhalb der Strecke BC: Bereich unterhalb der unteren Explosionsgrenze; die Fortpflanzung einer Explosion ist nicht möglich, Dreieck ABC: explosionsfähiges Gemisch, Oberhalb der Strecke AC: Bereich oberhalb der oberen Explosionsgrenze; die Fortpflanzung einer Explosion ist nicht möglich, Bereich rechts vom Punkt C: Aufgrund der Inertisierung des Gemisches ist eine Explosionsfortpflanzung nicht möglich.
Der maximale Explosionsdruck wird bei einem stöchiometrischen Verhältnis von brennbarem Gas und Luft erreicht. Die maximalen Explosionsdrücke von Kohlenwasserstoffen und Luft liegen zwischen 8 und 10 bar. Je weiter die Zusammensetzung eines brennbaren Gas- und Luftgemisches von dem stöchiometrischen Verhältnis abweicht oder ein nicht an der Reaktion beteiligtes Gas (Inertgas) untergemischt wird, umso geringer ist der Temperatur- und Druckanstieg im Falle einer Zündung. Wenn die Temperatur nicht mehr hoch genug ist, um Radikale für die Reaktion zu bilden, dann kann sich eine Explosion nicht weiter fortpflanzen.
Stäube Die Zündung brennbarer Stäube kann dann erfolgen, wenn der Staub eine geringe Korngröße (in der Regel unter 0,5 mm Partikelgröße) aufweist. Voraussetzung für eine Explosion ist neben einer wirksamen Zündquelle eine ausreichende Dichteverteilung des Staubes in der Atmosphäre. Die hier angewandte untere Explosionsgrenze wird anhand der Staubdichte in der Luft (in g/m³) angegeben. Eine Staubablagerung von weniger als einem Millimeter in einem Raum kann bei Aufwirbelung bereits eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre zur Folge haben. Die Dichteverteilung des Staubes in der Atmosphäre ist zeitlich sehr unterschiedlich. Daher kann im Gegensatz zu den Ansätzen bei gasförmigen explosionsfähigen Stoffen (Bestimmung der Konzentration von Gasen in der Luft über den temperaturabhängigen Partialdruck) keine eindeutige Aussage hinsichtlich des Erreichens der Explosionsgrenzen gegeben werden. Wenn staubförmige Stoffe eine ausreichend feine Körnung aufweisen und in ausreichender Konzentration in der Atmosphäre vorliegen, dann besteht die Gefahr einer Staubexplosion und es müssen Explosionsschutzmaßnahmen ergriffen werden.
Kriterien für die Auswirkung einer Staubexplosion sind Medianwert der Korngrößenverteilung, untere Explosionsgrenze, maximaler zeitlicher Druckaufbau pro Kubikmeter Volumen: KSt in bar m/s (auch KSt-Wert), maximaler Explosionsüberdruck, die Mindestzündenergie.
Entsprechend den KSt-Werten werden die Staubexplosionsklasse eingeteilt. Als Zündquellen kommen bei Stäuben heiße Oberflächen, statische Elektrizität, mechanisch erzeugte Funken, Glimmnester, Lichtbögen in Betracht.
Glimmnester Besonders bei längerer Verweilzeit von brennbaren Stäuben besteht die Gefahr der Selbstentzündung. Solange ein brennbarer Staub sich in einer nicht bewegten Schüttung entzündet, verläuft nach einer Selbstentzündung die Verbrennung langsam, da wenig Luft zu dem Glimmnest zuströmen kann. Wird allerdings der Staub mit dem Glimmnest durch ein Fördersystem mit hohem Luftanteil ausgetragen, wirkt das Glimmnest als Zündquelle für das zu betrachtende Staub-Luft-Gemisch. Da Glimmnester in vielen technischen Anwendungen nicht ausgeschlossen werden können, müssen für diesen Fall geeignete Maßnahmen vorgesehen werden, um eine Gefährdung durch Explosionen zu vermeiden.
Erkennen von Glimmnestern durch die Überwachung von Oberflächentemperaturen oder besser durch eine automatische CO-Messung, Einleitung von Gegenmaßnahmen nach dem Erkennen von Glimmnestern (Inertisierung mit CO2, N2 oder Wasserdampf), Explosionsdruckstoßfeste Bauweise oder Einbau von Druckentlastungsklappen und Auslegung des Bauteils nach dem reduzierten Explosionsdruck nach VDI 2263 und VDI 3673 (Druckentlastung von Staubexplosionen) oder DIN EN 14491 (Systeme zur Druckentlastung von Staubexplosionen). Örtliche Begrenzung von Explosionen durch den Einbau von Schnellschlussarmaturen, Löschmittelsperrung oder Schleusensystemen. Eine explosionstechnische Entkopplung kann auch durch eine geeignete als Schutzsystem zertifizierte Zellenradschleuse erfolgen.
Daher ist die Maßnahme der Zündquellenvermeidung bei der Betrachtung von Stäuben oft keine ausreichende Explosionsschutzmaßnahme.
Entzündung an heißen Oberflächen Besonders muss auch die Entzündung von Stäuben auf heißen Oberflächen betrachtet werden. Insbesondere die organischen Stäube haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Eine wärmedämmende Staubschicht auf einem elektrischen Betriebsmittel führt zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur. Bei ausreichend dicker Staubablagerung kann die Glimmtemperatur erreicht werden und eine Zündung zur Folge haben. Im Vergleich zu den Gasen und Dämpfen weisen Stäube eine deutlich höhere Zündenergie auf. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich Stäube zum Beispiel bei pneumatischer Förderung stark aufladen können.
Zündquellenbetrachtung Eine Auswertung der Zündquellen bei Staubexplosionen hat ergeben, dass mechanische Funken/mechanische Erwärmung die Hauptzündquelle (32,7 %) darstellt; es folgen Glimmnester (12,7 %) und elektrostatische Entladungen (8,5 %).H. Beck: Hilfsmittel für die Gefährdungsidentifikation beim Handhaben brennbarer Stäube, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 62 (2002) Nr. 9.
Datenbank zu Brenn- und Explosionskenngrößen von Stäuben Die Datenbank GESTIS-STAUB-EX umfasst wichtige Brenn- und Explosionskenngrößen von derzeit über 7000 Staubproben. aus vielen verschiedenen Branchen als Grundlage zur sicheren Handhabung brennbarer Stäube und zur Planung von Schutzmaßnahmen gegen Staubexplosionen. Die Datensammlung wird erstellt und gepflegt vom Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA)