Forschung

Die BGN hat in Kooperation mit der Forschungsgesellschaft für angewandte Systemsicherheit und Arbeitsmedizin e.V. (FSA e.V.) ein optoelektronisches Staubkonzentrationsmessgerät entwickelt, das die Messung von Staubkonzentrationen im Bereich von 1 g/m³ bis ca. 1000 g/m³ in Echtzeit ermöglicht. Es handelt sich bis heute um das einzige verfügbare Messgerät für explosionsfähige Staubkonzentrationen. Die neueste Entwicklungsstufe erfüllt die Anforderungen der europäischen „ATEX“-Richtlinie 2014/34/EU (siehe Foto). Es kann somit auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, die Zone 20 entsprechend der Gefahrstoffverordnung angehören.       

Mit Hilfe des Messgerätes kann in Räumen, Anlagen oder Maschinen festgestellt werden, ob und unter welchen Betriebsbedingungen tatsächlich explosionsgefährliche Staub-Luft-Gemische auftreten können. Messungen wurden bereits in Silozellen, Filteranlagen, Rohrleitungen, Mischern, Mühlen und in zahlreichen anderen Anlagenbereichen erfolgreich durchgeführt.

Auf der Grundlage umfangreicher Messdaten wird ein Modell entwickelt, das die Berechnung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Staubkonzentration und der Turbulenzintensität in Silos und Behältern während der Befüllung ermöglicht. Die resultierenden Staubwolken lassen sich mit Hilfe dieses Modells für verschiedene Befüllungsverfahren und Silogeometrien computergestützt simulieren und auswerten (Siehe Grafik, die eine Momentaufnahme aus der Computersimulation einer entstehenden Staubwolke (Maisstärke) unmittelbar nach Beginn der pneumatischen Silobefüllung zeigt.).

Hierdurch wird eine risikobezogene Auslegung konstruktiver Schutzmaßnahmen ermöglicht, um die gefährlichen Auswirkungen einer möglichen Staubexplosion auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Gegenüber einer konservativen Worst-Case-Betrachtung lassen sich im Anlagenbau dadurch erhebliche Kosten aufgrund zu hoher Anforderungen einsparen.

Bei der Befüllung von Silos mit feinstaubhaltigen stückigen Schüttgütern, z. B. Pellets oder Getreide, muss mit dem Auftreten explosionsfähiger Staub-Luft-Gemische gerechnet werden. Im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung wird in diesem Fall im Allgemeinen die konservative Annahme getroffen, dass eine explosionsgefährliche Atmosphäre während der Befüllung im gesamten Silo oder Behälter vorliegt. Die Zielsetzung des Projekts besteht darin auf der Grundlage von Messdaten belastbare Erkenntnisse über die realen Verhältnisse zu erhalten (siehe Grafik). Hierfür werden sowohl auf dem Versuchsfeld als auch in realen Industrieanlagen Messungen mit einem eigens entwickelten Messverfahren durchgeführt.

Die Messergebnisse ermöglich eine risikobezogene Auslegung der Schutzmaßnahmen gegen Staubexplosionen. Überzogene Anforderungen mit entsprechend hohen Kosten können vermieden werden. In vielen Fällen wird es sogar möglich sein, auf konstruktive Schutzmaßnahmen verzichten zu können.

Grafik: Maximale gemessene Staubkonzentrationen in einem Silo bei Befüllung mit

• a) Holzpellets mit 1% Feinstaubanteil (linke Bildhälfte) 

• b) Holzpellets mit 30 % Feinstaubanteil (rechte Bildhälfte)

Bei Transport, Lagerung und Verarbeitung brennbarer Schüttgüter besteht die Gefahr von Staubexplosionen. Um in diesem Falle die Flammenübertragung in angeschlossene Anlagenbereiche mit dem Risiko schwerer Sekundärexplosionen zu verhindern, müssen explosionstechnische Entkopplungsmaßnahmen ergriffen werden. Hierfür werden zum Beispiel Schnellschlussschieber, Explosionsschutzventile oder Löschmittelsperren in die verbindenden Rohrleitungen eingebaut, die durch Detektionssysteme aktiviert werden.

Die BGN / FSA hat als kostengünstige Alternative eine verfahrenstechnische Schutzmaßnahme entwickelt. Hierfür wurde eine häufig verwendete mechanische Fördereinrichtung technisch so modifiziert, dass sie im Zusammenwirken mit dem geförderten Schüttgut gleichzeitig als explosionstechnische Entkopplungsmaßnahme dient. Der Einbau zusätzlicher Explosions-Entkopplungseinrichtungen ist in diesem Falle nicht mehr erforderlich.

Das Prinzip beruht auf der Verwendung eines Rohrschneckenförderers, bei dem mittig 1,5 bis 2 Wendelgänge aus der Förderschnecke entfernt werden. Im normalen Förderzustand wirft sich das Schüttgut an dieser Stelle derart auf, dass der gesamte Rohrquerschnitt wie durch einen Pfropfen verschlossen wird. Da die Pfropfenlänge jedoch nur 1,5 bis 2 Wendelgänge beträgt, wird die normale Förderung dadurch nicht beeinträchtigt. Das Funktionsprinzip ist in der Grafik dargestellt. 

Diese verfahrenstechnische Explosionsschutzmaßnahme kann angewandt werden, wenn es sich um tendenziell schwer fließende Schüttgüter handelt. Dies ist in vorliegender Anwendung dann der Fall, wenn der dimensionslose Fließfähigkeitsfaktor ffc < 5 beträgt. Zu solchen Schüttgütern zählen zum Beispiel Puderzucker, Mehle, Cellulose oder Milchpulver.

Weitere technische Anforderungen an derart modifizierte Rohrschneckenförderer, die sich für die Explosions-Entkopplung eignen, können dem Abschlussbericht des Forschungsprojekts entnommen werden (Link zum Abschlussbericht auf der FSA-Homepage). Ein „Technical Report“ befindet sich im europäischen Normungskommittee CEN TC 305 WG 3 in Vorbereitung.