Zündstein-Gasherdanzünder

Manuelle Zündstein-Gasherdanzünder produzieren zwar eindrucksvolle Funken, eignen sich aber nicht als Demonstrator für Funkendetektoren. (Bild: Schupin / BGN)

  • Glimmnester sind eine gefährliche und häufige Zündquelle bei Staubexplosionen.
  • Funkendetektoren sollen diese Gefahr bannen, Simulationen für deren Tests geben die tatsächliche Situation jedoch nur unvollständig wider.
  • Eine um Extinktionskoeffizienten der Förderprodukte angepasste und damit individuell auf den Prozess eingestellte Lösung kann dieses Restrisiko senken.

Glimmnester sind Verklumpungen des verarbeiteten brennbaren Staubes, die sich beispielsweise durch chemische Reaktionen in ihrem Inneren bis auf einige 100 °C aufheizen können, an ihrer Oberfläche aber vergleichsweise kühl bleiben. Laut Statistik sind Glimmnester die zweithäufigste Zündquelle bei Staubexplosionen. Als Zündquelle werden sie häufig dann wirksam, wenn sie über pneumatische Förderleitungen zusammen mit einem brennbaren Staub in Silos gelangen und dort aufbrechen. Ihr heißes Inneres zündet dann die Staubexplosion. Entsprechend wichtig ist ihre Erkennung in pneumatischen Förderleitungen.

Die Gefahr durch die Zündquelle Glimmnest scheint heute durch die Existenz verschiedener kommerzieller Funkendetektoren beherrscht zu werden. Denn die genannten Funkendetektoren werden von ihren Herstellern damit beworben, dass sie neben Funken auch zuverlässig Glimmnester erkennen können und dies bei allen Randbedingungen, so die Werbeaussage mancher Hersteller. Um dies zu demonstrieren, werden beispielsweise Detektionsereignisse durch manuelle Gasherdanzünder mit Zündstein ausgelöst. Dabei sitzen die Detektoren einmal in verschiedenen Rohren oder die Sensorfläche wird durch eine menschliche Hand abgedeckt, was besonders beeindruckend erscheint und die technische Überlegenheit des Detektors unterstreichen soll.

Demonstrationen kommen nicht an Wirklichkeit heran

So verblüffend diese Demonstrationsversuche sind, so wenig kommen sie an die physikalische Wirklichkeit der Detektion von Glimmnestern in staubbeladenen pneumatischen Förderströmungen heran. Denn ein wichtiger Aspekt für die strahlungsbasierte Detektion von Glimmnestern ist die Strahlungsabsorption durch Materie. Für eine zuverlässige Glimmnesterkennung ist entscheidend, wie stark die das Glimmnest umgebende Materie Infrarotstrahlung absorbiert, wie stark ausgeprägt eventuell vorhandene Transmissionsfenster der Materie, also die Durchlässigkeit für diese Strahlung sind und wie groß der Abstand zwischen Glimmnest und Detektor ist. Gemäß oben genanntem Beispiel ist es möglich, Zündsteinfunken durch eine Hand hindurch zu detektieren. Dies gelingt, weil sowohl die menschliche Haut als auch das Wasser, aus dem der Mensch zu rund 80 % besteht, durchlässig für nahes Infrarot sind. Solche Transmissionsfenster weisen Schüttgüter in der Regel nicht auf.

synthetisches Glimmnest aus Stahlwolle
Infrarot-Bild mit Temperaturskala in °C (links) und Foto (rechts) eines synthetisches Glimmnestes aus Stahlwolle. Obwohl an seiner Oberfläche vergleichsweise kühl, emittiert das heiße Innere der porösen Struktur infrarotes Licht, welche die dort herrschenden hohen Temperaturen anzeigt. (Bild: Lorenz / BGN)

Ein weiterer fundamentaler Unterschied zwischen Funken aus Zündstein und Glimmnestern ist ihre Temperatur und damit das emittierte elektromagnetische Spektrum. Laut „Handbuch des Explosionsschutzes“ erreichen die Funken von Zündstein Temperaturen über 2.000 °C, visuell leicht erkennbar am gleißend weißen Licht, welches diese Funken emittieren. Im Gegensatz dazu sind Glimmnester an ihrer Oberfläche so kühl, dass man sie schmerzfrei in die Hand nehmen kann. In ihrem Inneren weisen sie jedoch Temperaturen von einigen 100 °C auf. Synthetische Glimmnester aus Stahlwolle kommen in ihren physikalischen Eigenschaften realen Glimmnestern sehr nahe, wie die Forschungsgesellschaft für angewandte Systemsicherheit und Arbeitsmedizin (FSA) nachweisen konnte. Diese synthetischen Glimmnester werden aus Stahlwolle manuell zu Kugeln mit rund 2 cm Durchmesser geformt, entzündet und anschließend etwa 2 Minuten lang dem fortschreitenden Oxidationsprozesses ausgesetzt. Eine einfache Abschätzung mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz zeigt, dass die abgestrahlte elektromagnetische Strahlungsleistung eines Zündstein-Funkens (T = 2.273 K, r = 0,001 m) etwa um das Vierzehnfache über der des Stahlwolle-Glimmnestes (T = 373 K, r = 0,01 m) liegt.

Glimmnest-Detektionssystem GDS 3
Glimmnest-Detektionssystem GDS 3 der FSA, eine Weiterentwicklung des GDS 2. Mithilfe einer Monitoring-Software werden Fehl­alarme, beispielsweise durch Tageslicht, sicher ausgeschlossen. Über die Extinktionskoeffizienten der Förderprodukte und eine Spezialsoftware ist das System an zahlreiche Einsatzbereiche anzupassen. (Bild: Lorenz / BGN)

Nach dieser Argumentation bestanden und bestehen folglich Zweifel, ob die derzeit angebotenen kommerziellen Funkendetektionssysteme zuverlässig Glimmnester in pneumatischen Förderleitungen bei industrieüblichen Produktbeladungen erkennen können. Bereits in den Jahren 2000 und 2008 haben die FSA und die Berufsgenossenschaft Nahrungsmittel und Gastgewerbe (BGN) kommerzielle Funkendetektoren darauf untersucht, ob und unter welchen Bedingungen diese Systeme Glimmnester erkennen können. Bei Produktebeladungen oberhalb von 1 kg/m³ (Maisstärke) war die zuverlässige Erkennung von Glimmnestern mithilfe kommerzieller Funkendetektoren in einer DN-80-Rohrleitung nicht mehr möglich. Das Argument des Systemherstellers, die Stahlwolle-Glimmnester erlöschen bei der Produktaufgabe durch eine Zellenradschleuse, ließ sich dadurch entkräften, dass es im angeschlossenen Silo wiederholt zu Staubexplosionen durch die eingetragenen Glimmnester kam. Bei den Untersuchungen im Jahr 2008 diente ein von der FSA entwickeltes Glimmnestdetektionssystem als Referenzsystem. Im Gegensatz zum kommerziellen Funkendetektionssystem erkannte dieses System alle aufgegebenen Glimmnester.

Zuverlässigkeit braucht Standardisierung

Um zukünftig sicherzustellen, dass zertifizierte Schutzsysteme zur Erkennung von Glimmnestern in pneumatischen Förderleitungen tatsächlich zuverlässig Glimmnester detektieren können, ist eine Standardisierung der Funktionsprüfung solcher Systeme erforderlich. Dies könnte beispielsweise durch ein weiteres Blatt in der VDI-Richtlinie 2263 „Staubbrände und Staubexplosionen, Gefahren-Beurteilung-Schutzmaßnahmen“ oder in Form einer Europa-Norm geschehen. Wichtig bei der Funktionsprüfung von Glimmnestdetektoren ist die möglichst realitätsnahe Nachbildung der physikalischen Bedingungen, etwa durch die Verwendung der oben genannten Stahlwolle-Glimmnester.
Wie hier dargelegt, ist die Staubexplosionsgefahr durch verschleppte oder eingetragene Glimmnester nach wie vor existent. Der Einsatz kommerzieller Funkendetektoren eliminiert diese Gefahr nicht sicher.

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