Grundlagen des Staub-Explosionsschutzes

Es war der 6. Februar 1979. Ein Feuer in der Bremer Rolandsmühle löste eine Katastrophe aus. In einer Kettenreaktion wirbelten zahlreiche Einzelexplosionen immer wieder neuen Mehlstaub auf, der wiederum explodieren konnte. Die verheerende Bilanz: 14 Tote, 17 Verletzte und ein Sachschaden von über 50 Millionen Euro.

Dass Mehl explodieren kann ist nicht ungewöhnlich. Es gilt die Regel: fein gemahlen kann jeder Stoff explodieren, wenn er aus brennbarem Material besteht, wie z.B. Kohle, Mehl, Kakao, Kaffee, Stärke, Zellulose, Holzspänne oder -wolle. Auch anorganische Stoffe und Elemente wie Magnesium und Aluminium sind in dieser Form explosionsfähig oder zumindest brennbar. Damit es knallt, bedarf es wenig – neben brennbarem Staub müssen noch ausreichend Sauerstoff und eine wirksame Zündquelle vorhanden sein. Nur die richtige Mischung aus Staub und Luft ist explosionsfähig.
80% aller in der Industrie vorkommenden Stäube sind brennbar. Luft ist überall vorhanden und als Zündquellen können ein unbemerktes Glimmnest oder auch Funken, wie sie bei Schweißarbeiten entstehen, genügen. Bereits eine ein Millimeter dicke Staubschicht in einem geschlossenen Raum reicht aus, um nach einer Aufwirbelung und Zündung eine Explosion auszulösen. Dies kann fatale Auswirkungen für den Betrieb und die Beschäftigten haben. Trotzdem ist das Gefährdungsbewusstsein vieler Betroffener oft zu gering ausgeprägt. Der Grund: In einigen Unternehmen ist den Verantwortlichen gar nicht bewusst, dass sie mit brennbarem Staub arbeiten. Betroffen sind hauptsächlich die Industriezweige des lebensmittel- und holzverarbeitenden Gewerbes, der Papier- und Kunststoffherstellung, der Chemie und der Pharmazie, landwirtschaftliche Betriebe, die metallverarbeitende Industrie, Betriebe der Abfallwirtschaft usw. Pro Tag ereignen sich in Deutschland durchschnittlich eine Staubexplosion, etwa jede vierte wird durch Nahrungs- oder Futtermittelstäube ausgelöst.

Den großen Knall verhindern – Maßnahmen im Staub-Ex-Schutz
Um eine Explosion zu verhindern, muss mindestens einer der auslösenden Faktoren verhindert oder eingeschränkt werden. Das kann unter anderem dadurch geschehen, dass die Konzentration des brennbaren Anteils auf Werte unterhalb der „Unteren Explosionsgrenze“ (das ist die Staubkonzentration in der Luft, die für eine Explosion mindestens erforderlich ist) reduziert oder die Freisetzung von brennbaren Substanzen komplett unterbunden wird. Weiterhin kann die umgebende Luft mit ihrem Sauerstoffanteil als Reaktionspartner durch ein nicht brennbares Gas ersetzt werden.

Durch das Vermeiden von Zündquellen wird die Zündung der gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Zunächst solten deshalb die möglichen Zündquellen analysiert werden. Offenes Feuer, Flammen oder Glut können eine explosionsfähige Atmosphäre ebenso zünden wie heiße Oberflächen, mechanische oder elektrische Funken oder elektrostatische Entladung. Triviale Zündquellen, wie sie bei Reparaturarbeiten oder beim achtlosen Wegwerfen einer Zigarettenkippe entstehen, dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Anschließend wird der erforderliche Umfang an Schutzmaßnahmen festgelegt und geeignete Betriebsmittel ausgewählt.
In manchen Fällen können die oben beschriebenen Vorgänge nicht zuverlässig umgesetzt werden, da entweder die Staubwolke nicht zu vermeiden ist oder gewisse Zündquellen nicht auszuschließen sind. In diesen Fällen müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die gefährliche Auswirkung einer angelaufenen Explosion zu begrenzen und auf ein unbedenkliches Maß zu reduzieren. Zum sogenannten „konstruktiven Explosionsschutz“ gehören explosionsfeste Bauweisen, Explosionsdruckentlastungen, Explosionsunterdrückungen oder Explosionssperren.

Hohe Anforderungen an die Betriebsmittel
Patentrezepte zu Staubexplosionsschutz-Maßnahmen gibt es jedoch nicht. Keine Anlage ist wie die andere, sondern auf die speziellen Ansprüche des Betreibers sowie der Produktion zugeschnitten. Eine Hilfe zur Analyse der Gefährdungspotenziale bietet die Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen in Zonen. Dabei werden sie nach Häufigkeit und Dauer des Auftretens von gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre beurteilt. Je höher und länger die Wahrscheinlichkeit des Auftretens ist, desto höher sind die Anforderungen an die dort eingesetzten Geräte.

Entsprechend der ermittelten explosionsgefährdeten Zone, in der ein Betriebsmittel eingesetzt werden soll, wird dieses in Gerätekategorien eingeteilt. Geräte der Kategorie 1 müssen ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten, d.h. auch beim Auftreten von zwei Fehlern am Gerät darf es selbst bei selten auftretenden Störungen nicht zur Zündung kommen. Sie dürfen in Zone 20 eingesetzt werden. Betriebsmittel der Kategorie 2 sind so zu gestalten, dass sie bei häufig auftretenden Störungen, mit denen üblicherweise zu rechnen ist, das erforderliche Maß an Sicherheit gewährleisten und Zündquellen vermeiden. Sie können in Zone 21 eingesetzt werden. Geräte, bei denen im normalen Betrieb keine Zündquellen auftreten, dürfen in Zone 22 eingesetzt werden. Sie gehören der Gerätekategorie 3 an.
Wenn ein Betriebsmittel in einer explosionsfähigen Atmosphäre betrieben werden soll, darf seine maximale Temperatur nicht die Zündtemperatur dieses Gemisches erreichen. Durch technische Maßnahmen muss sichergestellt sein, dass entsprechend der sicherheitstechnischen Kennzahlen eines unterstellten explosionsfähigen Gemisches keine Zündquelle wirken kann.
Nach dem derzeitigen Stand der Normung sind vier Staub-Zündschutzarten vorgesehen. „D“ steht jeweils für Dust – das englische Wort für Staub. Die Zündschutzart Schutz durch Gehäuse „tD“ wird von vielen als wichtigste Ausführung gesehen. Sie basiert auf der Begrenzung der maximalen Oberflächentemperatur des Gehäuses und auf der Einschränkung des Staubeintritts durch die Verwendung von staubdichten und staubgeschützten Gehäusen. Die Zündschutzart „pD“ ist eine an die Überdruckkapselung „p“ angelehnte Schutzart und könnte zum Beispiel für den Schutz von Schaltschränken in staubexplosionsgefährdeten Bereichen angewendet werden. Das Eindringen einer umgebenden Atmosphäre in das Gehäuse von elektrischen Betriebsmitteln wird dadurch verhindert, dass ein Zündschutzgas in seinem Innern unter einem Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gehalten wird.
Eigensichere Betriebsmittel mit der Kennzeichnung „iD“ enthalten nur eigensichere Stromkreise. Das sind Stromkreise mit sehr niedriger Energie, in denen kein Funke oder thermischer Effekt eine Zündung eines Staub-Luft-Gemisches verursachen kann. Bei der Zündschutzart „mD“ sind Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre durch Funken oder durch Erwärmung zünden könnten, in eine Vergussmasse eingebettet, so dass die explosionsfähige Atmosphäre nicht entzündet werden kann.

Stehen die Anforderungen an die Betriebsmittel, die in staub-explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden fest, erfolgt deren Auswahl. Hier ist Sorgfalt gefragt. Es sollten nur Maschinen und Komponenten zum Einsatz kommen, die für den Staubexplosionsschutz entwickelt wurden und die entsprechende Betriebsmittelkennzeichnung tragen. Schließlich entscheidet die
Produktqualität über die tatsächliche Schutzfunktion.