Staubexplosionen in Atex? Unzureichende Berücksichtigung von Staubexplosionen in Atex?

Autor / Redakteur: Professor em. Dr. Rolf K. Eckhoff / Wolfgang Geisler

Die europäischen Atex-Richtlinien 94/9/EC und 1999/92/EC unterscheiden nur unzureichend zwischen explosiblen Gasmischungen und explosiblen Staubaufwirbelungen. Demzufolge wurden einige sehr bedeutsame Unterschiede zwischen Gasen/Dämpfen und Stäuben entweder unzureichend berücksichtigt oder vollständig ignoriert.

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Abb. 1: Eine Staubexplosion bei der Imperial Sugar Co. in Fort Wentworth, GA, (USA) forderte 14 Todesopfer und 38 Verletzte. (Bild: Eckhoff)
Abb. 1: Eine Staubexplosion bei der Imperial Sugar Co. in Fort Wentworth, GA, (USA) forderte 14 Todesopfer und 38 Verletzte. (Bild: Eckhoff)

Sowohl die ‚International Electrotechnical Commission’ (IEC) als auch die Europäische Union (CEN und Cenelec) haben einen neuen Anlauf zur Standardisierung von elektrischen Anlagen für „explosible Umgebungen“ unternommen. Ein zentrales Anliegen dabei ist die Angleichung der Regelungen für brennbare Stäube an die für brennbare Gase und Dämpfe.

Die europäischen Atex-Directiven 94/9/EC [1] und 1999/92/EC [2] scheinen als wesentlicher Ideengeber bei diesem Vorhaben gedient zu haben, wie die unzureichende Unterscheidung zwischen explosiblen Gasmischungen und explosiblen Staubwolken vermuten lässt. Dementsprechend wurden bei Auslegung der neuen angepassten/kombinierten Regelungen einige substantielle Unterschiede zwischen Gasen/Dämpfen und Stäuben entweder übergangen oder aber unzureichend berücksichtigt.

Grundsätzliche Unterschiede zwischen Stäuben und Gasen

Nach ihrer Bildung zeigen explosible Gasmischungen und explosible Staubaufwirbelungen ein sehr ähnliches Zünd- und Abbrandverhalten. Das mag zu dem Missverständnis beigetragen haben, dass sie in allen Belangen mehr oder weniger identisch seien. Aber wie der Autor schon früher darlegte [3], müssen bei der Konstruktion elektrischer Apparate zur Verwendung mit explosionsgefährlichen Stäuben einige signifikante Unterschiede zwischen Gasen und Stäuben berücksichtigt werden.

Zuerst einmal gibt es grundsätzliche Unterschiede bezüglich der Erzeugung, Aufrechterhaltung und Fortbewegung einer Staubwolke und einer Gas-/Dampfwolke. Sowie sich eine unbewegte Gasmischung gebildet hat, wird sie aufgrund der zufälligen Molekularbewegung unter allen Umständen die homogene Verteilung der Mischungskomponenten beibehalten.

Im Gegensatz dazu sind die brennbaren Partikel in einer Staubwolke so viel größer als Luftmoleküle (meist zwischen einem und hundert Mikrometer), dass ihre Bewegung innerhalb der Luftmasse mehr durch Massen- und Trägheitskräfte als durch die zufällige Molekular-Bewegung beinflusst werden dürfte. In den meisten Fällen, in denen sich durch eine technische Panne brennbare Gas- oder Dampfwolken bilden und bestehen bleiben, dürfte demzufolge die Entstehung und Aufrechterhaltung einer Staubwolke sehr unwahrscheinlich sein.

Abb. 2 soll das verdeutlichen. Die Frage, die man sich zu diesem Bild stellen könnte, lautet in etwa: „Ist die Explosionsgefahr, die nach Öffnen des Gaskartuschen-Ventils vom Butan ausgeht, größer oder kleiner als die durch die Maisstärke nach Öffnen der Papierverpackung?“ Die Lösung ist offensichtlich: Das Öffnen der Gaskartusche erzeugt eine große Explosionsgefahr, während das Risiko einer Staubexplosion durch das bloße Öffnen der Maisstärke-Packung gleich null ist. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Unterschiede auf.

Der Ausgangspunkt einer primären Staubexplosion ist eigentlich immer innerhalb einer Prozessapparatur, in der explosionsgefährliche Staubaufwirbelungen allein aufgrund der Dynamik des Prozesses selbst entstehen. Beispiele für solche Prozessapparaturen sind Mühlen, Pulvermischer und Trockner, Staubfilter und die zugehörigen Leitungen, pneumatische Pulverförderanlagen, Elevatoren oder Silos während der Befüllung.

Abb. 5 wurde bei einem Explosionstest im industriellen Maßstab in Norwegen aufgenommen. Dabei wurde die Ausbreitung von Staubexplosionen in typischen, integrierten Prozesssystemen untersucht, wo sich explosionsgefährliche Staubwolken allein aufgrund des Prozessablaufs bilden.

Da Staubpartikel so viel größer sind als Gasmoleküle, werden sie eher nicht durch kleine Löcher oder Schlitze in der Größenordnung von einem Millimeter oder kleiner passieren, wie es Gasmoleküle tun. Außerdem werden Staubpartikel, die in einen geschlossenen Behälter gelangen, sich nicht wie Gasmoleküle über den gesamten Innenraum verteilen und eine explosible Wolke bilden, sondern sich auf den Oberflächen innerhalb des Behälters ablagern.

Interessanterweise enthält die amerikanische NFPA 499 [4] den folgenden Absatz: „Für die Abtrennung zwischen gefährdeten und ungefährdeten Zonen sind Wände im Fall von brennbaren Stäuben sehr viel effektiver als bei entzündlichen Gasen. Nur vollständig dichte, feste Wände bilden ausreichende Barrieren für Gase, während bei Vorhandensein von brennbaren Stäuben schon geschlossene Türen, Leichtgewicht- oder sogar nur teilweise Abtrennungen ausreichende Barrieren zwischen gefährdeten und ungefährdeten Zonen bilden können.“

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Betrachtet man diesen Absatz im Hinblick auf elektrische Apparaturen, würde es ausreichen, das erste ‚Wände’ durch ‚Gehäuse’ zu ersetzen.

Bewährte Richtlinien für die Anlagenauslegung

Unabhängig von irgendwelchen Brand- oder Explosionsgefahren ist das Vorhandensein von Staub, ob entzündlich oder nicht, aus mehreren Gründen unvereinbar mit empfindlichen Mechanismen oder Elementen in elektrischen Apparaten. Deshalb hat die IEC eine Norm vorgelegt, die verschiedene Schutzstufen gegen das Eindringen von festen Objekten und Staubpartikeln festlegt.

Vor dem Erscheinen der Gas/Staub ‚Annäherungs-/Vereinigungs-Normen’ basierten sowohl die IEC- wie auch die europäischen Regelungen für das sichere Design von elektrischen Apparaten zur Verwendung in staubexplosionsgefährdeten Umgebungen auf zwei Grundprinzipien:

  • Abschottung von möglichen Zündquellen durch staubdichte oder staubgeschützte Gehäuse.
  • Ausschluss der Möglichkeit, den infrage kommenden Staub als Ablagerung oder als aufgewirbelte Wolke mittels der Oberfläche der Gehäuse zu entzünden (weder durch überhohe Gehäusetemperatur noch durch statische Entladungen oder mechanisch bedingte Funkenbildung).

Diese sehr bewährte Philosophie der Einkapselung war die Grundlage zweier zentraler Cenelec Staub-Standards von 1998, die auch durch die IEC übernommen werden sollten. Allerdings entschieden sich die beiden Gremien, vermutlich aufgrund der nicht vorhandenen Unterscheidung zwischen Gasen/Dämpfen sowie Stäuben in der Europäischen Richtlinie 94/9/EC, diesen bewährten und wohl fundierten gemeinsamen Ansatz nicht weiter zu verfolgen. Stattdessen starteten sie den Entwurf der neuen Serie von Staub-Normen, angelehnt an die vorhandenen Gas-/Dampf-Normen.

Glücklicherweise hat die IEC kürzlich noch einen Standard ‚Schutz gegen Staubentzündung durch Gehäuse’ veröffentlicht, der die zuvor beschriebenen Grundregeln wieder aufgegriffen hat.

Keine Abgrenzung zwischen Stäuben und Gasen

Zweifellos ist die Richtlinie 94/9/EC, die die Auslegung und Ausführung von Anlagen und Apparaten beinhaltet, hauptsächlich unter Berücksichtigung des Verhaltens explosionsgefährlicher Gase und Dämpfe erstellt worden, während den besonderen Verhältnissen bei Vorhandensein einer explosionsgefährlichen Staubaufwirbelung nur wenig Raum gegeben wurde. Dasselbe gilt für die beiden Erscheinungsformen des Staubes, der entweder als Staubablagerung oder als Staubwolke auftreten kann.

Das stammt augenscheinlich direkt von der Definition einer ‚explosiblen Atmosphäre’ in Artikel 1, Absatz 3: Eine explosible Atmos-phäre ist eine „Mischung aus Luft unter atmosphärischen Bedingungen und entflammbaren Substanzen in Form von Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben, in der, nachdem eine Zündung erfolgt ist, die Verbrennung auf alle unverbrannten Anteile der Mischung übergreift“. Aufgrund des Kontextes in der Richtlinie ist es klar, dass diese Definition nur auf Wolken/Aufwirbelungen ausgerichtet ist.

Nichtsdestotrotz sind auch Staubschichten/-ablagerungen „Mischungen aus Luft und Staub, in denen ein Brand die gesamte nicht brennende Mischung erfassen kann“. Deshalb umfasst die Definition für ‚explosible Atmosphären’ in der Richtlinie 94/9/EC prinzipiell auch Staubschichten/-ablagerungen. Aber dieser Umstand wird in den auf dieser Richtlinie basierenden Normen vollkommen außer Acht gelassen.

Die Richtlinie 1999/92/EC behandelt die allgemeine Sicherheit innerhalb einer Anlage oder Fabrik. Auch in diesem Zusammenhang ist es wichtig, die beiden unterschiedlichen Ausbreitungsformen der Flammen in Stäuben, nämlich in Staubwolken und in Staubablagerungen, zu berücksichtigen. Aber weder die vorgenannte Richtlinie noch die von der IEC oder die im europäischen Raum veröffentlichten Normen berücksichtigen diese Tatsache.

Die logische Vorgehensweise wäre, entzündliche Staubschichten/-ablagerungen, die ein glimmendes oder offenes Feuer weitertragen können, ebenso wie Staubwolken in die Definition der ‚gefährlichen Bereiche' aufzunehmen, unabhängig davon, ob der abgelagerte Staub aufgewirbelt wird und eine explosible Wolke bildet.

Ein weiteres Manko der Richtlinie 1999/92/EC ist, dass sie den Begriff ‚Freisetzungsstelle’, der innerhalb der Richtlinie durchgängig für ‚explosible Atmosphären’ benutzt wird, auf Stäube nicht anwendet.

In Bezug auf Staubwolken ist dieser Begriff generell unzureichend und irreführend, und sollte durch einen passenderen Begriff wie z.B. ‚Ort der Staubwolkenbildung’ genannt werden. Das trifft deshalb besser den Kern, weil in der Prozessindustrie Staubexplosionen, im Gegensatz zu Gasexplosionen, praktisch immer in Staubwolken entstehen, die innerhalb einer Prozessstrecke entstanden sind, eher selten dagegen in Staubaufwirbelungen, die versehentlich nach außen gelangten.

Unglückliche Anpassung der Design-Richtlinien

Die nicht vorhandene Abgrenzung zwischen Stäuben und Gasen in den Atex-Richtlinien 94/9/EC und 1999/92/EC hat zu unglücklichen Anpassungen und Verknüpfungen zwischen den Normen für Staub und Gas in Bezug auf die Ausführung von elektrischen Apparaten geführt.

Gehäuse und Räumlichkeiten unter Überdruck

Weder die Gehäuse- noch die Raumnorm ergeben im Zusammenhang mit entzündlichen Stäuben Sinn, weil sie von der fälschlichen Annahme ausgehen, dass Staubpartikel aus einer Staubwolke, die durch kleine Öffnungen doch in den umschlossenen Raum gelangt sind, dort wieder eine explosible Wolke bilden werden. In Industrien, die sich mit dem Problembereichen Staubexplosionen und Feuergefahr auseinander setzen müssen, dürfte die Anwendung dieser Vorschriften unweigerlich zu Irritation und Frustration führen.

Einschluss durch Verguss

Verguss ist eine Schutzmethode, bei der die elektrisch leitenden Teile, die eine brennbare Gas-/Dampf-Atmosphäre entzünden könnten, durch Vergießen mit einem speziellen Verbundwerkstoff so abgeschlossen werden, dass keinerlei externe explosive Atmosphäre, die um das Gehäuse herum vorliegt, mit diesen Kontakten in Berührung kommen kann. Die kombinierte IEC Verguss-Norm für Gase und Stäube ist eigentlich eine Gas-bezogene Norm und viel zu kompliziert und ausgeklügelt für die Anwendung bei Stäuben.

Eigensichere Apparate

Eigensichere elektrische Apparate zur Verwendung in Bereichen mit entzündlichen Stäuben werden durch eine umfangreiche IEC-Norm abgedeckt, die auch wieder eine mehr oder weniger exakte Kopie der entsprechenden Gas-bezogenen Norm ist, mit geringer Bedeutung für Stäube.

Wie schon zuvor diskutiert, sollten elektrische Schalter und Schaltungen immer in staubdichten oder staubgeschützten Gehäusen eingebaut sein, wenn sie in Bereichen mit brennbaren und/oder elektrisch leitenden Stäuben genutzt werden. Das macht die Eigensicherheit überflüssig.

Es gibt allerdings einige sehr spezielle Fälle, wo ein echter Bedarf für eigensichere Geräte auch in Bereichen mit brennbaren Pulvern oder Stäuben besteht, beispielsweise für offene kapazitive Füllstandanzeiger bei der Lagerung von Schüttgütern in Silos oder Vorratsbehältern.

Ein augenfälliges Manko der Norm für eigensichere Apparate für Staubatmosphären ist, dass sie überhaupt nicht zwischen Stäuben mit unterschiedlicher Entzündlichkeit differenziert und Staubgruppen oder -klassen einführt, wie sie entsprechend in den Gas-Normen eingeführt wurden. Stattdessen werden für alle Stäube die Anforderungen der Gasgruppe IIB (minimal nötige Zündenergie: 0,06 mJ) zur Charakterisierung genutzt.

Neue Staub-Normen für nicht-elektrische Apparate

Sogar diese Norm zeigt ganz klar die grundlegenden Probleme auf, die dadurch entstehen, dass man annimmt, die Schutzprinzipien für Gase oder Dämpfe seien auch auf Stäube anwendbar. Wenn in der Einleitung zu dieser Norm die Grundlagen für das flammensichere Konzept erläutert werden, sind nur Gase und Dämpfe erwähnt.

Als die Norm festgelegt wurde, hat man wahrscheinlich festgestellt, dass es nur wenig Sinn macht, auch Stäube und Sprühnebel in die Erläuterung einzubeziehen.

Fazit

Die physikalischen Grundlagen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Staub- und Gas-/Dampfwolken sind sehr verschieden. So ist es in den meisten Fällen, in denen unbeabsichtigt explosible Gaswolken erzeugt wurden, nahezu unmöglich, eine explosionsgefährliche Staubwolke zu erzeugen. Im Gegensatz zur Flammenausbreitung in gleichmäßig verteilten Gasen hängt sie in Mischungen aus Staub und Luft nicht nur von der Konzentration des entflammbaren Staubes ab, sondern ist auch in unbewegten Staubschichten und -ablagerungen möglich, was prinzipiell durch die Definition der ‚explosiblen Atmosphäre’ in den beiden europäischen Richtlinien 94/9/EC und 1999/92/EC abgedeckt ist.

Es bleibt festzuhalten, dass sich beide Richtlinien im Wesentlichen auf Gase und Dämpfe beziehen, während sie die spezifischen Eigenheiten von Stäuben eher stiefmütterlich behandeln, was sich auch in den hieraus entwickelten IEC- und europäischen Normen widerspiegelt.

Die Notwendigkeit einer Neufassung oder Neu-Interpretation dieser beiden europäischen Richtlinien und dem damit einhergehenden Zwang zur Überarbeitung einiger unzureichender Staub-Normen, die auf dieser Fehlinterpretation beruhen, wurde erläutert.

Literatur

[1] European Directive 94/9/EC of the European Parliament and the Council, of 23 March 1994, on the approximation of the laws of the Member States concerning equipment and protective systems intended for use in potentially explosive atmospheres. 1994.

[2] European Directive 1999/92/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 1999 on minimum requirements for improving the safety and health protection of workers potentially at risk from explosive atmospheres (15th individual Directive within the meaning of Article 16(1) of Directive 89/391/EEC). 1999.

[3] Eckhoff, R.K.: Dust explosions in the process industries. 3rd ed., Gulf Professional Publishing/Elsevier Science, Amsterdam/Boston/Heidelberg 2003, ISBN 0-7506-7602-7.

[4] NFPA 499: Recommended practice for the classification of combustible dusts and of hazardous (classified) locations for electrical installations in chemical process areas. Publication No. 499, National Fire Protection Association (NFPA), Quincy 1997.

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