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Ausbreitung der Staubexplosion: Mythen und Realitäten

von: Jérôme Taveau

Ursprünglich veröffentlicht 2013

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Entmystifizierung der Staubexplosionsausbreitung für eine allgemeine Explosionsschutzstrategie

Die unglückliche Neigung von Staubexplosionen, ganze Einrichtungen zu zerstören und Leben zu fordern, wurde in zahlreichen früheren Vorfällen gemeldet. Ein aktuelles Beispiel ist die massive Explosion, die am 7. Februar 2008 bei der Imperial Sugar Company in Port Wentworth (Georgia) stattfand, bei der 14 Menschen getötet und 36 Menschen verletzt wurden.

Pulverhandhabungsprozesse bestehen häufig aus miteinander verbundenen Gehäusen und Geräten. Flammen und Druck, die durch eine Staubexplosion verursacht werden, können sich daher durch Rohrleitungen über Galerien ausbreiten und andere Geräte oder Gehäuse erreichen, was zu erheblichen Schäden führt.

Während die Ausbreitungsfähigkeit von Staubexplosionen weithin anerkannt ist, führen einige Missverständnisse zu dem falschen Sicherheitsgefühl, dass keine Explosionsisolierung erforderlich ist.

Inspiriert von Paul Amyottes Buch „Eine Einführung in die Staubexplosion“ [1]In diesem Artikel werden die folgenden verbreiteten Mythen über die Ausbreitung von Explosionen aufgezählt, illustriert und enträtselt:

  • Mythos #1: Für die Ausbreitung einer Explosion wird eine große Menge Staub benötigt
  • Mythos #2: Eine Staubexplosion, die in einem belüfteten Gefäß beginnt, kann sich nicht durch angeschlossene Rohre ausbreiten
  • Mythos #3: Eine Staubexplosion kann sich nicht gegen den Prozessfluss ausbreiten
  • Mythos #4: Eine Staubexplosion wird schwächer, wenn sie sich ausbreitet
  • Mythos #5: Rohre mit kleinem Durchmesser unterstützen die Ausbreitung von Staubexplosionen nicht

Mythos #1 Für die Ausbreitung einer Explosion wird eine große Menge Staub benötigt

Staubexplosionen benötigen keine großen Mengen Kraftstoff, um sich auszubreiten.

In seinem Buch [2]Eckhoff betont, dass bereits eine Schicht von 1 mm in einem typischen Raum eine Staubexplosionsgefahr verursachen kann. Dies wurde experimentell von Tamanini bestätigt [3], der eine Reihe von Maisstärke-Explosionstests in einer vollwertigen Galerie mit mehreren Entlüftungsplatten durchführte. Die Explosion benötigte nur eine 1/100-Zoll-Staubschicht auf dem Boden, um sich vollständig auszubreiten.

Während einer entlüfteten Explosion wird unverbrannter Kraftstoff außerhalb des Primärgehäuses ausgestoßen und kann eine Sekundärexplosion erzeugen. Das gleiche Phänomen tritt auf, wenn in einem an Rohre angeschlossenen Gefäß eine Staubexplosion auftritt. Valiulis et al. [4] untersuchten die Flammenausbreitung in einem 89 Fuß langen Reinluftkanal, der mit einem 0,64 m langen Kanal verbunden war3 Einleitungsgehäuse mit Maisstärke oder Phenolstaub. Durchgeführte Tests haben zu Flammenausbreitungsentfernungen im Bereich von 22 bis 89 Fuß geführt, selbst in einem Reinluftkanal.

Jüngste Erkenntnisse aus der Forschung der Fike Corporation zur Ausbreitung von Staubexplosionen [5, 6] haben gezeigt, dass sich eine Flamme noch leichter ausbreitet, wenn die Staubkonzentration in den Rohren niedrig ist (50 g / m)3 im Vergleich zu 500 g / m3) sowohl für Kraftstoffe mit geringer Reaktivität (Holzmehl) als auch mit hoher Reaktivität (Phenolstaub); Dies wurde auf die erhöhte Trägheit von reicheren Staub-Luft-Gemischen zurückgeführt.

Mythos #2 Eine Staubexplosion, die in einem belüfteten Gefäß beginnt, kann sich nicht durch angeschlossene Rohre ausbreiten

Es ist allgemein bekannt, dass der Schutz eines Gehäuses durch Entlüftung oder Unterdrückung die Explosionsausbreitung so beeinflusst, dass überhaupt keine Explosionsisolierung erforderlich ist.

In den frühen 90er Jahren haben Chatrathi et al. [7] führte Gasexplosionsexperimente mit einem 2,6 m3 Schiff an Rohre angeschlossen und konnte nachweisen, dass „[…] das Entlüften ein Schiff zwar vor den hohen Drücken schützt, die durch eine Explosion erzeugt werden, aber nicht unbedingt verhindert, dass sich die Explosion durch Rohrleitungen in andere Schiffe ausbreitet.“ Diese Aussage gilt auch für Staubexplosionen.

Van Wingerden et al. [8] führte eine Reihe von Tests mit Maisstärke, Torf und Weizenstäuben durch, um die Explosionsausbreitung in einem integrierten System mit einer Länge von 5,8 m zu untersuchen3 Entlüftungsbeutelfilter, angeschlossen an ein 2 m3 Gefäß. Experimente mit Maisstärke führten zu einer Explosionsausbreitung im gesamten System.

Holbrow et al. [9] Explosionsversuche mit Kohle-, Toner- und Anthrachinonstäuben unter Verwendung einer Kombination von belüfteten Gefäßen (2 m) durchgeführt36,3 m320 m3), verbunden durch ein bis zu 49 Fuß langes Rohr. Sie zeigten, dass sich eine Explosion in einem primären belüfteten Gefäß auf ein sekundäres belüftetes Gefäß ausbreiten kann (Abbildung 1).

 

Explosionsprüfungen für miteinander verbundene belüftete Schiffe, durchgeführt vom Health and Safety Laboratory (UK)

miteinander verbundene belüftete Gefäße 2

Abbildungen 1. Explosionstests für miteinander verbundene belüftete Schiffe, durchgeführt vom Health and Safety Laboratory (UK)

Die Fike Corporation führt routinemäßig Demonstrationstests in ihrer Remote-Testeinrichtung durch. Bei einem dieser Tests handelt es sich um einen Staubsammler, der mit zwei Rohren ausgestattet ist. In Abbildung 2 ist zu sehen, dass sich Flammen durch diese Rohre ausbreiten können, obwohl der Staubsammler entlüftet ist. Letztendlich ist eine chemische Isolierung mit Natriumbicarbonat (blaue Wolke rechts in der Abbildung) erforderlich, um die resultierende Flamme zu löschen.

Demonstrationstests der Fike Corporation (USA)

Abbildung 2. Demonstrationstests der Fike Corporation (USA)

Die Tatsache, dass sich eine Staubexplosion aus einem belüfteten Schiff über große Entfernungen durch Rohre ausbreiten kann, wird auch durch den Vorfall am 29. Oktober 2003 in Huntington, Indiana, USA, deutlich (Abbildung 3 unten). In diesem Werk, in dem Automobilräder hergestellt werden, begann eine Aluminiumstaubexplosion in einem Staubsammler, der durch eine Entlüftungsplatte geschützt war, und breitete sich über Rohre auf die gesamte Anlage aus, was zu 1 Todesfall und 7 Verletzungen führte [10].

Blick auf den Staubsammler (außen) und die Anlage (innen) nach der Staubexplosion

Abbildung 3. Ansicht des Staubsammlers (außen) und der Anlage (innen) nach der Staubexplosion

Mythos #3 Eine Staubexplosion kann sich nicht gegen den Prozessfluss ausbreiten

Oft wird auch argumentiert, dass sich eine Staubexplosion nicht gegen den pneumatischen Prozessfluss ausbreiten kann.

Um diese Aussage in Frage zu stellen, hat Vogl [11] Explosionsausbreitungstests in einem pneumatischen Fördersystem durchgeführt, das aus einem Staubförderer, einem Förderrohr von 131 Fuß (oder 157 Fuß), einem Zyklon und einem Saugventilator besteht. Maisstärke, Lycopodium und Weizenmehl wurden als Brennstoffe verwendet. Die Staubkonzentration in das Rohr wurde im Bereich von 75 bis 450 g / m variiert3. Weitere Arbeiten der gleichen Autoren [12] schloss ein belüftetes Einleitungsgefäß ein. Beide experimentellen Programme haben deutlich gezeigt, dass eine Explosion sowohl mit als auch gegen den Prozessfluss (Abbildung 4) auch über große Entfernungen wandern kann.

Staubexplosionsausbreitungstests der FSA (Deutschland)

Abbildung 4. Von der FSA durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion
(Deutschland)

In jüngerer Zeit [5, 6]Die Fike Corporation führte ein umfangreiches experimentelles Programm durch, um die Ausbreitung von Staubexplosionen in industriellen Fördersystemen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde in der Fernprüfanlage der Fike Corporation ein großer Prüfstand errichtet, der aus einem belüfteten Schiff besteht, das an zwei Pipelines angeschlossen ist. Mittels eines Ventilators wurden unterschiedliche Strömungsverhältnisse hergestellt (von 15 m / s bis 30 m / s).

Diese Untersuchung hat unter anderem gezeigt, dass eine Explosionsausbreitung aus einem geförderten belüfteten Gefäß sowohl mit als auch gegen den Prozessfluss möglich ist (Abbildung 5).

Abbildung 5. Von der Fike Corporation (USA) durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion (aktive Beförderung) Abbildung 5. Von der Fike Corporation (USA) durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion (aktive Beförderung)

Abbildung 5. Von der Fike Corporation (USA) durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion (aktive Beförderung) Abbildung 5. Von der Fike Corporation (USA) durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion (aktive Beförderung)

Abbildung 5. Von der Fike Corporation (USA) durchgeführte Tests zur Ausbreitung der Staubexplosion (aktive Beförderung)

Mythos #4: Eine Staubexplosion wird schwächer, wenn sie sich ausbreitet

Die Literatur enthält zahlreiche Diskussionen über das Explosionsverhalten in miteinander verbundenen Schiffen.

Experimentelle Beweise haben gezeigt, dass Explosionen sich nicht nur ausbreiten, sondern aufgrund von drei Phänomenen zunehmend schädlicher werden [13]:

  • Flammenbeschleunigung: Der durch die Primärexplosion in einem Gefäß erzeugte Gasstrom streckt die sich ausbreitende Flamme in die Rohre, vergrößert ihre Oberfläche, ihre Verbrennungsrate und führt somit zu höheren Flammengeschwindigkeiten und Druck. Schließlich kann die anfängliche Verpuffung (Unterschall) zu einer Detonation (Überschall) werden, was zu viel höheren Explosionsdrücken führt.
  • Flammenstrahlzündung: Wenn die große und schnelle Flamme, die vom Primärgefäß kommt, das Sekundärgehäuse erreicht, entzündet sie das verbleibende unverbrannte Material heftiger und führt zu höheren Explosionsdrücken und Druckanstiegsraten.
  • Druckstapelung: Die Gasexpansion durch die Primärexplosion erhöht den Druck in die Rohre und das Sekundärgehäuse („Vorkompression“) vor dem Durchgang der Flamme, was zu einer heftigeren Explosion führt als unter Umgebungsbedingungen.

Lunn et al. [14] Durchführung von Kohle- und Tonerstaubexplosionen mit einer Kombination von enthaltenen Behältern (2 m34 m320 m3), verbunden durch ein bis zu 16 Fuß langes Rohr. Es wurde gezeigt, dass eine Explosion im Primärgefäß zu einer Explosionsausbreitung führen und eine viel heftigere Explosion im Sekundärgefäß verursachen kann (sowohl hinsichtlich der maximalen Druckanstiegsrate als auch des maximalen Explosionsdrucks, siehe Tabelle 1). Der gleiche Effekt wurde, wenn auch in geringerem Maße, für miteinander verbundene belüftete Gefäße von Holbrow et al. [9].

Zusammenfassung ausgewählter Explosionstests für miteinander verbundene Schiffe, die vom Health and Safety Laboratory (UK) durchgeführt wurden

Dieser Aspekt wird auch durch einige der schlimmsten Staubexplosionen veranschaulicht, die jemals in Getreidehebern aufgetreten sind [fünfzehn]:

  • 1982 (Metz, Frankreich) entstand eine Staubexplosion in einem Haupthaus, das sich über die obere Galerie und die Zwischenräume zwischen den Silos ausbreitete (Abbildung 6).
Blick auf den Metzer Getreideheber vor der Explosion

Abbildung 6. Ansicht des Metz-Getreidehebers vor der Explosion

Blick auf den Metzer Getreideheber nach der Explosion

Abbildung 6. Ansicht des Metz-Getreidehebers nach der Explosion

  • 1997 (Blaye, Frankreich) kam es im nördlichen Haupthaus zu einer Staubexplosion, bevor sie sich bis zum südlichen Ende der Galerie in die obere Galerie ausbreitete (Abbildung 7).
Abbildung 7. Schematische Darstellung der vermeintlichen Explosion in Blaye, Frankreich

Abbildung 7. Schematische Darstellung der vermeintlichen Explosion in Blaye, Frankreich

Blick auf den durch die Blaye-Explosion verursachten Schaden

Abbildung 7. Ansicht des durch die Blaye-Explosion verursachten Schadens

  • Im Jahr 1998 (Wichita, Kansas, USA) wurde Staub im Osttunnel der südlichen Reihe von Silos entzündet und durch den gesamten Getreideheber ausgebreitet (Abbildung 8).
Abbildung 8. Ansicht des DeBruce-Getreidehebers nach der Explosion

Abbildung 8. Ansicht des DeBruce-Getreidehebers nach der Explosion

Abbildung 8. Ansicht des DeBruce-Getreidehebers nach der Explosion in der oberen Galerie

Abbildung 8. Ansicht des DeBruce-Getreidehebers nach der Explosion in der oberen Galerie

In allen Fällen konnte sich ein kleines primäres Ereignis schnell zu einer großen Explosion entwickeln, an der eine gesamte Anlage beteiligt war, was zum teilweisen oder vollständigen Einsturz von Stahlbetonkonstruktionen führte.

Mythos #5 KLEINE DURCHMESSERROHRE UNTERSTÜTZEN KEINE STAUB-EXPLOSIONSVERBREITUNG

Die Ausbreitung von Staubexplosionen in kleinen Rohren war schon immer ein kontroverses Thema. Das Hauptargument ist, dass die Flammenausbreitung aufgrund des Wärmeverlusts an den Rohrwänden in Frage gestellt wird.

In einigen der zuvor erwähnten Experimente [11]Vogl benutzte ein 4-Zoll-Rohr und beobachtete die volle Ausbreitung.

Van Wingerden et al. [8] beobachteten unterschiedliche Explosionsausbreitungsverhalten in 6-Zoll-Rohren, abhängig von der Reaktivität des Staubes: während bei Weizenstaub keine Ausbreitung auftrat (K.ST = 55 bar / s, Maisstärke (K.ST = 145 bar.m / s) konnte in fast allen Fällen die volle Ausbreitung aufrechterhalten. Sie kamen zu dem Schluss, dass "je reaktiver ein Staub ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit der Flammenausbreitung im gesamten System und desto stärker kann der Effekt sein." Sie beobachteten jedoch auch, dass „Stäube mit ähnlichem K.ST Werte zeigen nicht immer ein ähnliches Verhalten bei der Ausbreitung durch Kanäle. “

Andrews [16] führte ein umfassendes experimentelles Programm zur Flammenstrahlzündung von Staubwolken durch. Er untersuchte die Auswirkungen verschiedener Parameter (Größe und Entlüftungsanordnung des Primärgefäßes, Staub, Rohrdurchmesser, Rohrlänge, Vorhandensein von Hindernissen) auf die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Flamme aus einem Primärgefäß ausbreitet und eine Staubwolke in einem Sekundärgefäß entzündet. Er benutzte alternativ eine 2 m3 Schiff und ein 20 m3 Schiff durch ein 16 Fuß langes Rohr (6 Zoll, 10 Zoll, 20 Zoll Durchmesser) mit einem 18,25 m verbunden3 Gefäß (Flammenstrahl-Zündgefäß).

Während keine Flammenübertragung unter Verwendung eines 6-Zoll-Rohrs auftrat, das an den 2 m angebracht war3 Gefäß, Flamme breitete sich in fast allen Fällen bei Verwendung der 20 m aus3 Schiff.

Laut der Forschung der Fike Corporation, die mit verschiedenen Kraftstoffen durchgeführt wurde [5, 6]Die Ausbreitung der Explosion wird stärker durch den verringerten Druck und Impuls beeinflusst, der im Primärgefäß entwickelt wird (unabhängig davon, ob dies durch Änderungen von K erzeugt wirdST, Staubkonzentration oder Entlüftungsbereich), anstatt nach Rohrdurchmesser. Aktuelle Tests in der Fike Corporation 5 m3 Das Gefäß-Rohrleitungssystem mit 6-Zoll-Rohren zeigte eine vollständige Ausbreitung mit und gegen den Prozessfluss.

Während die Bedingungen für die Ausbreitung von Staubexplosionen in Rohren mit relativ kleinem Durchmesser noch nicht vollständig geklärt sind, wurde ihre Ausbreitungsfähigkeit von mehreren Forschern klar demonstriert.

Schlussfolgerungen

Ein Rückblick auf frühere Vorfälle und Experimente zeigt, dass die Ausbreitung von Staubexplosionen in Rohrleitungen im industriellen Maßstab Realität und kein Mythos ist. Die Geschichte hat gezeigt, dass die meisten verheerenden Staubexplosionen auftraten, als sich die anfängliche Verpuffung ausbreitete und verstärkte, was weit verbreitete Schäden und zahlreiche Todesfälle verursachte.

Während Explosionsschutztechniken wie Entlüftung und Unterdrückung im Allgemeinen auf Gehäuse und Geräte angewendet werden, wird die Notwendigkeit einer Explosionsisolierung unterschätzt, da einige Mythen über die Ausbreitung von Staubexplosionen immer noch bestehen. Dieser Artikel listete einige dieser Mythen auf und enträtselte sie.

Die Explosionsausbreitung wird von vielen Parametern beeinflusst. Daher ist spezifisches Wissen von vorrangiger Bedeutung, um die Bedingungen zu bestimmen, unter denen sich Explosionen ausbreiten oder nicht.

Danksagung

Der Autor würdigt die unschätzbaren Bemühungen des Explosionsschutzteams der Fike Corporation bei der Durchführung der Flammenausbreitungsforschung. Darüber hinaus erkennt der Autor die Unterstützung der Fike Corporation für die Bereitstellung der für die Durchführung dieses Programms erforderlichen Ressourcen und Mittel sowie deren Erlaubnis zur Veröffentlichung dieser Arbeit an.

Verweise

  1. Amyotte, PR, „Eine Einführung in Staubexplosionen: Die Mythen und Realitäten von Staubexplosionen für einen sichereren Arbeitsplatz verstehen“, IChemE, 2013
  2. Eckhoff, RK, „Staubexplosion in der Prozessindustrie“, 3. Auflage, Elsevier, 2003
  3. Tamanini, F., "Staubexplosionsausbreitung in simulierten Getreidefördergalerien", Technischer Bericht FMRC JI OFIR2.RK. National Grain and Feed Association, Washington, DC, 1983
  4. Valiulis, J. V., Zalosh, RG, Tamanini, F., "Experimente zur Ausbreitung von Explosionen von entlüftetem Staub auf angeschlossene Geräte", Process Safety Progress, Band 18, Ausgabe 2, 99-106, 1999
  5. Farrell, T., Vingerhoets, J., Snoeys, J., Going, J., "Staubflammenausbreitung in Rohrleitungen im industriellen Maßstab - Teil 1: Empirische Studie in einem Förderschiff-Rohrleitungssystem", 9. Weltkongress für Prozesssicherheit, San Antonio, Texas, 2013
  6. Vingerhoets, J., Farrell, T., Snoeys, J., "Staubflammenausbreitung in Rohrleitungen im industriellen Maßstab - Teil 2: CFD-Studie eines Förderrohr-Pipeline-Systems", 9. Weltkongress für Prozesssicherheit, San Antonio, Texas, 2013
  7. Chatrathi, K, DeGood, R., "Explosionsisolationssysteme, die in Verbindung mit Explosionsentlüftungsöffnungen verwendet werden", Process Safety Progress, Band 10, Ausgabe 3, 159-163, 1991
  8. van Wingerden, K., Alfert, F., "Staubexplosionsausbreitung in verbundenen Schiffen", VDI Berichte 975, 1992
  9. Holbrow, P., Andrews, S., Lunn, GA, "Staubexplosionen in miteinander verbundenen belüfteten Behältern", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Band 9, Ausgabe 1, 91-103, 1996
  10. Chemical Safety Board, "Aluminiumstaubexplosion und Feuer, Hayes Lemmerz International, Inc., Huntington, Indiana, 29. Oktober 2003", Bericht Nr. 2004-03-I-IN, 2005
  11. Vogl, A., "Flammenausbreitung in Rohren von pneumatischen Fördersystemen und Abgasanlagen", Process Safety Progress, Band 15, Ausgabe 4, 219-226, 1996
  12. Vogl, A., "Explosionsfolge aus Behältern in Rohrhündungspneumatikanlagen", VDI Berichte 1272, 1996
  13. D. Bjerketvedt, JR Bakke, K. van Wingerden, "Gas Explosion Handbook", Journal of Hazardous Materials, Band 52, Ausgabe 1, 1-150, 1997
  14. Lunn, GA, Holbrow, P., Andrews, S., Gummer, J., "Staubexplosionen in vollständig geschlossenen miteinander verbundenen Schiffssystemen", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Band 9, Ausgabe 1, 45-58, 1996
  15. Taveau, J., „Sekundäre Staubexplosionen: Wie können sie verhindert oder ihre Auswirkungen gemindert werden?“, Process Safety Progress, Band 31, Ausgabe 1, 36-50, 2012
  16. Andrews, SP, "Jet Ignition of Dust Clouds", Gesundheits- und Sicherheitslabor, 1998

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