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Gefahren durch elektrostatische Aufladung bei Schüttgütern (Staubexplosionen)

Elektrostatische Risiken in der Staubgefahrenanalyse (DHA, ATEX, DSEAR) zu berücksichtigen

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Einführung
2. Funkenentladungen
3. Bürstenentladungen, Koronaentladungen und fortpflanzende Bürstenentladungen
4. Kegelentladung
5. Blitzschlag

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1. Einführung

Elektrostatische Entladungen sind für einen großen Anteil der Staubwolkenexplosionen in der Industrie verantwortlich. Je nach Quelle und Land sind statische Elektrizitätsentladungen für 10 % bis 25 % in einigen Industriezweigen (z. B. Kunststoffe) verantwortlich [Glor] [Van Laar].

Das Verständnis der Gefahren durch statische Elektrizität in der Schüttgutverarbeitung ist daher entscheidend, um die Sicherheit von Prozess und Personal zu gewährleisten.

Diese Seite gibt einen Überblick über die verschiedenen Mechanismen, die zu potenziell gefährlichen elektrostatischen Entladungen führen und in der Risikoanalyse (DHA, ATEX, DSEAR)berücksichtigt werden sollten.

Die folgende Tabelle fasst diese Phänomene und die beteiligten Energien zusammen:

Tabelle 1: Elektrostatische Entladungen bei Staubexplosionen [Van Laar] [Glor]

2. Funkenentladungen

Funken, die zwischen zwei leitfähigen Materialien mit unterschiedlichem Potenzial entstehen, zählen zu den häufigsten und gefährlichsten elektrostatischen Risiken in der pulververarbeitenden Industrie.

In industriellen Umgebungen kann es, wenn ein isoliertes Anlagenteil – z. B. ein Metallrohr – aufgeladen wird, zu Funkenbildung kommen, sobald es sich einem anderen Metallteil oder einer Person mit unterschiedlichem Potenzial nähert. Der Potenzialunterschied löst einen Strom aus, der einen Funken erzeugt.

Aus diesem Grund ist es in Betrieben, die Schüttgüter verarbeiten, **ZWINGEND ERFORDERLICH**, dass **ALLE** Anlagenteile geerdet sind.Dies wird durch Erdungskabel sichergestellt, die die Komponenten miteinander verbinden, wobei das gesamte System letztlich geerdet ist. Ein Prozessoperator sollte den Widerstand zwischen den Anlagenteilen messen und bestätigen, dass dieser niedrig ist – typischerweise unter 10 Ohm.

[Glor] nennt verschiedene Beispiele für Situationen, die zu elektrostatischen Funken führen können:

• Metallteil/Rohr, isoliert durch eine flexible Verbindung
• Metallteil, isoliert durch Dichtungen
• Teil eines Ventils, isoliert durch die Dichtung
• Metallfass auf einem Wagen mit nicht leitfähigen Rädern
• Instrument, gehalten von einem Operator mit nicht leitfähigen Handschuhen
• Personen, isoliert durch Schuhe oder einen nicht leitfähigen Boden / eine nicht leitfähige Plattform

Die Energie, die von einem Funken eines isolierten Leiters ausgehen kann, lässt sich wie folgt berechnen:

W = 0,5 * C * U²

Gleichung 1: Abschätzung der Energie eines Funkens von einem isolierten leitfähigen Element

Mit:

W = Energie des Funkens in mJ
C = Kapazität des isolierten leitfähigen Elements in pF
U = Potenzialdifferenz in kV

[Laurent] stellt eine Tabelle bereit, die eine Vorstellung von den beteiligten Größenordnungen vermittelt.

Tabelle 2: Energie, die in einigen isolierten Leitern gespeichert werden kann [Laurent]

Mit den Werten für Eisenbahnkesselwagen und Silofahrzeuge, kann der Leser erkennen, wie wichtig es ist, diese Anlagen während des Befüllens und Entleerens zu erden!

3. Büschelentladungen, fortpflanzende Büschelentladungen und Koronaentladungen

3.1 Büschelentladungen

(Décharge en aigrette)

Büschelentladungen treten auf, wenn ein isoliertes Material aufgeladen wird, z. B. ein flexibles Fallrohr. Die Bewegung des Pulvers lädt das Material auf, da es jedoch nicht leitfähig ist, können die Ladungen nicht abgeführt werden und bauen sich weiter auf. Nähert sich nun ein geerdetes, leitfähiges Material dem aufgeladenen Teil, kann es zu einer Büschelentladung kommen, wobei das leitfähige Material quasi als Elektrode fungiert.

Die dabei freigesetzte Energie ist laut Literaturangaben [Glor] sehr begrenzt und liegt im Bereich von 1–3,6 mJ. Unter normalen Umständen sind diese Entladungen nicht in der Lage, eine Staubexplosion auszulösen, wenn die Staubwolke allein in Luft suspendiert ist. Allerdings reicht diese Energie aus, um eine Staubwolke zu zünden, wenn ein brennbares Gas vorhanden ist, was die MZE der Mischung deutlich verändert. Büschelentladungen müssen daher systematisch in der Risikoanalyse für Staubexplosionen berücksichtigt werden.

Einige Beispiele für Aktivitäten, die zu Büschelentladungen führen können, sind nachstehend aufgeführt:

• Annäherung eines gerade entladenen Kunststoffbeutels an ein Metallteil
• Annäherung eines Fingers an ein aufgeladenes, isoliertes Teil, wie z. B. ein Kunststoff-Fallrohr, flexible Verbindungen usw.
• Probenahme von Pulver, das gerade in einem Silo mit einem leitfähigen und geerdeten Werkzeug aufgeladen wird
• Vorhandensein interner Einbauten in einer aufgeladenen Staubwolke, die als Elektroden wirken können

3.2 Fortpflanzende Büschelentladungen

(Décharge en aigrette propageante)

Fortpflanzende Büschelentladungen treten auf, wenn die beiden Seiten einer nicht leitfähigen Materialschicht mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden. Kommt es zwischen den beiden hochgeladenen Schichten zu einem Kurzschluss, kann eine fortpflanzende Büschelentladung ausgelöst werden, die zu einer sehr hohen Energieabgabe führt.

Einige Beispiele für Materialien, die auf beiden Seiten einer nicht leitfähigen Schicht unterschiedlich aufgeladen werden können, sind nachstehend aufgeführt:

• Isolierte Rohrleitungen in pneumatischen Förderanlagen
• Leitfähige Rohrleitungen mit innerer isolierender Beschichtung, typischerweise in pneumatischen Förderanlagen
• Sichtfenster in pneumatischen Förderleitungen
• Schnelle Bewegung/Aufprall von Pulver, z. B. in einem Fallrohr, auf einer isolierten Oberfläche (isoliertes Rohr oder Rohr mit Beschichtung)
• Befüllung von Big Bags oder Behältern mit isolierenden Schichten

Um fortpflanzende Büschelentladungen zu vermeiden, sollten nur leitfähige, geerdete Materialien verwendet werden. Falls nicht leitfähige Materialien (flexible Verbindungen, Big Bags) eingesetzt werden müssen, sollte die Durchschlagspannung der Materialschicht weniger als 4 kV betragen, um fortpflanzende Büschelentladungen zu verhindern [Glor].

Diese Entladungen werden auch als Lichtenberg-Entladungen bezeichnet [Laurent].

3.3 Koronaentladungen

Koronaentladungen ähneln Büschelentladungen, erzeugen jedoch deutlich geringere Energieniveaus, typischerweise 0,2 mJ. Normalerweise sind sie für reine Staubwolken nicht gefährlich. Dennoch sollte ein Risikoanalyst prüfen, ob im Prozess besondere Umstände vorliegen – wie das Vorhandensein hochentflammbarer Gase, die mit dem Schüttgut vermischt sind – welche die MZE deutlich verändern und Koronaentladungen potenziell gefährlich machen könnten.

4. Kegelentladung

(Maurer-Entladungen)

Kegelentladungen stellen ein erhebliches Risiko in der Schüttguttechnik dar, werden jedoch oft übersehen oder nicht ausreichend verstanden. Diese Art von Entladung wird ausgelöst, wenn ein schlecht leitfähiges Schüttgut in einem Trichter nach einem Vorgang gelagert wird, der es aufladen kann, z. B. pneumatischer Transport oder Schwerkraftförderung über lange Strecken.

Da das Material einen hohen spezifischen Widerstandaufweist, kann es während des Befüllens so stark aufgeladen werden, dass die Potentialdifferenz zum Behälter ausreicht, um eine Kegelentladung auszulösen. Das Risiko ist umso größer, je größer der Durchmesser des Trichters/Silos/Behälters ist und je gröber die Partikel des Schüttguts sind.

[Glor] gibt eine Korrelation zur Abschätzung der bei einer Kegelentladung freigesetzten Energie an:

W_Ae = 5,22 * D^3,36 * d^1,462

Gleichung 2: Abschätzung der Energie einer Kegelentladung

Diese Korrelation gilt für: 0,5 m < D < 3 m und 0,1 mm < d < 3 mm

Mit:

W_Ae = äquivalente Energie der Kegelentladung in mJ
D = Durchmesser des leitfähigen, geerdeten Silos in m
d = mittlerer Partikeldurchmesser in mm

Laut Literaturberichten treten Kegelentladungen wahrscheinlich bei Pulvern auf, die einen spezifischen Widerstand > 10¹⁰ Ω·m aufweisen. Hinweis: Das Risiko ist besonders signifikant bei Polymergranulaten, die eine sehr schlechte Leitfähigkeit besitzen.

Es ist sehr wichtig, die zu erwartende Energie einer Kegelentladung für Behälter zu berechnen, die nach einem Vorgang befüllt werden, der hohe Aufladungen des Pulvers verursachen kann (z. B. Hochgeschwindigkeits- Förderung wie pneumatischer Transport). Falls die berechnete Energie höher als die MZE ist, sollte das Design überprüft und Explosionsschutzmaßnahmen in Betracht gezogen werden.

6. Blitzschlag

Theoretisch könnte es bei hochgeladenem, in der Luft suspendiertem Pulver zu Blitzschlägen kommen, ähnlich wie in der Natur. Tests haben jedoch gezeigt, dass dieses Risiko für Silos mit weniger als 60 m^³ Volumen und weniger als 3 m Durchmesser unwahrscheinlich ist. Bei größeren Silos sollte dieses Risiko zumindest in der Risikoanalyse erwähnt werden, auch wenn es bisher unwahrscheinlich erscheint, dass es bei größeren Behältern auftritt [Glor].

Hinweis: Blitzschlag aus der Umgebung während eines Gewitters ist ein zu berücksichtigendes Risiko, insbesondere für Außensilos.

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Quellen
# [Glor] Zündgefahr durch statische Elektrizität in partikulären Prozessen, Martin Glor, Powder Technology, 135–136, 2003
[Van Laar] Ir. Van Laar. Statische Elektrizität als Gefahr in der Industrie. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1991, 1 (8), S. 1377–1387.
# [Laurent] Sicherheit chemischer Verfahren, André Laurent, Tec & Doc, 2003, Seite 332