Ex-Schutz: Ereignisse, Ursachen und Maßnahmen. Die wüste Welt der Explosionen - Teil 1 -
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Die wüste Welt der Explosionen - Teil 1

Ex‐Schutz: Ereig­nisse, Ursa­chen und Maßnah­men

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In der Chemie­fa­brik, im Hoch­ofen oder in der Säge­mühle, jedes Jahr ereig­nen sich schwere und schwerste Unfälle, die mit Explo­sio­nen einher­ge­hen. In einer Serie von drei Arti­keln beleuch­tet unser Fach­au­tor Ursa­chen und Hinter­gründe von Explo­si­ons­un­fäl­len. Ange­fan­gen mit dem „Klas­si­ker“: Die Reak­tion mit Sauer­stoff.

„So wich­tig wie die Luft zum Atmen“ ist ein Sprich­wort, das wir verwen­den, um auf (schein­bar) lebens­wich­tige Dinge hinzu­wei­sen. Unser Leben ist ohne Luft nicht möglich. Denn der darin enthal­tene Sauer­stoff dient in den Zellen zur Verbren­nung und somit zur Ener­gie­er­zeu­gung. Laufen diese Oxida­ti­ons­pro­zesse aller­dings nicht lang­sam im klei­nen, sondern schnell im großen Maßstab ab, wird die frei­ge­setzte Ener­gie zur Gefahr.
Von einer Explo­sion spricht man, wenn die Reak­tion mit Sauer­stoff im Bereich von Sekun­den­bruch­tei­len abläuft, die gebil­de­ten Verbren­nungs­gase durch die Reak­ti­ons­wärme aufge­heizt werden, sich dadurch ausdeh­nen und schließ­lich zu einer immensen Druck­erhö­hung führen. Dabei können Tempe­ra­tu­ren über 1000 Grad Celsius und Druck­erhö­hun­gen auf das etwa acht‐ bis zehn­fa­che des Ausgangs­dru­ckes auftre­ten. Von einer Deto­na­tion spricht man, wenn die Ausdeh­nung mit Über­schall­ge­schwin­dig­keit erfolgt. Der Begriff Verpuf­fung wird dage­gen nur umgangs­sprach­lich als Synonym für eine Explo­sion verwen­det.

Grund­sätz­lich bedarf es für Brände und Explo­sio­nen dreier Voraus­set­zun­gen, die gleich­zei­tig vorlie­gen müssen:
  • der erwähnte Sauer­stoff der Luft (oder ein ande­res Oxida­ti­ons­mit­tel, beispiels­weise Chlor­gas),
  • weiter­hin ein brenn­ba­rer Stoff: entwe­der ein Gas wie Erdgas oder ein Flüs­sig­gas wie Propan und Butan (beide kennt man unter ande­rem von Camping­ko­chern und sind auch als Treib­gas in manchen Spray­do­sen enthal­ten), oder Flüs­sig­keits­dämpfe, beispiels­weise Benzin‐ oder Aceton­dämpfe (also insbe­son­dere von Kraft­stof­fen und Löse­mit­teln), oder brenn­bare Stäube (auf die später noch einge­gan­gen wird),
  • dazu eine wirk­same Zünd­quelle (auch dazu später mehr).
Liegen die brenn­ba­ren Stoffe (erkenn­bar beispiels­weise an dem Pikto­gramm „Flamme“ auf dem Etikett) zusam­men mit Sauer­stoff in einem (un‐) güns­ti­gen Mischungs­ver­hält­nis vor, spricht man von einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre.
Eine gefähr­li­che explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre liegt vor, „wenn im Falle ihrer Entzün­dung die Sicher­heit und Gesund­heit der Beschäf­tig­ten oder Drit­ter beein­träch­tigt werden kann und deshalb beson­dere Schutz­maß­nah­men erfor­der­lich werden“. So defi­niert es die Tech­ni­sche Regel für Gefahr­stoffe TRGS 721 „Gefähr­li­che explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre – Beur­tei­lung der Explo­si­ons­ge­fähr­dung“, die auch als Quelle für weitere Infor­ma­tio­nen heran­ge­zo­gen werden kann.

Tempe­ra­tu­ren, die Sie kennen soll­ten

Im Zusam­men­hang mit Explo­sio­nen sind unter ande­rem zwei Kenn­grö­ßen von Bedeu­tung, die in jedem Sicher­heits­da­ten­blatt ange­ge­ben werden müssen: der Flamm­punkt und die Zünd­tem­pe­ra­tur.
„Der Flamm­punkt ist die nied­rigste Tempe­ra­tur einer Flüs­sig­keit, bei der sich unter genorm­ten Bedin­gun­gen Dämpfe in solcher Menge entwi­ckeln, dass sie fähig sind, ein entflamm­ba­res Dampf/Luft‐Gemisch zu bilden.“
Aus dieser Defi­ni­tion lassen sich verschie­dene Erkennt­nisse ablei­ten:
  • Die Über­schrei­tung des Flamm­punk­tes führt nicht auto­ma­tisch zu einer Explo­sion, sondern es bildet sich „nur“ eine explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre, die beim konse­quen­ten Ausschluss von Zünd­quel­len „fried­lich“ bleibt.
  • Es sind nicht die Flüs­sig­kei­ten an sich, die eine Explo­sion herbei­füh­ren, sondern ihre Dämpfe.
Deshalb kann auch von gerin­gen Flüssigkeits‐Restmengen in schein­bar leeren Fässern oder Räumen eine Gefahr ausge­hen. In einem 200‐Liter‐Fass reichen gerade einmal 5 Gramm Benzin zur Bildung einer gefahr­dro­hen­den Menge aus (Quelle: Merk­blatt T005 „Fass­merk­blatt“ der BG RCI).
Für die Bestim­mung des Flamm­punk­tes sind genormte Bedin­gun­gen erfor­der­lich. Somit ist der Flamm­punkt eine von der Versuchs­an­ord­nung (also dem Flamm­punkt­prüf­ge­rät) abhän­gige Größe, während die eigent­li­chen Explo­si­ons­gren­zen Stoff­ei­gen­schaf­ten sind, die sich um einige Grad vom Flamm­punkt unter­schei­den können. Deshalb ist bei der Hand­ha­bung und Verar­bei­tung brenn­ba­rer Flüs­sig­kei­ten immer ein Sicher­heits­ab­stand einzu­hal­ten. Bei reinen Flüs­sig­kei­ten beträgt die erfor­der­li­che Diffe­renz mindes­tens 5 Grad, bei Löse­mit­tel­ge­mi­schen mindes­tens 15 Grad. Und noch eine Rand­be­din­gung muss einge­hal­ten werden: Ein Versprit­zen und Versprü­hen muss ausge­schlos­sen werden, weil fein verteilte Nebel aufgrund der großen Ober­flä­che bei wesent­lich nied­ri­ge­ren Tempe­ra­tu­ren zünden können.
„Die Zünd­tem­pe­ra­tur ist die nied­rigste Tempe­ra­tur einer heißen Ober­flä­che, bei der unter fest­ge­leg­ten Prüf­be­din­gun­gen die Entzün­dung eines entzünd­ba­ren Gases oder Dampfs in einem Gemisch mit Luft erfolgt.“
Die Zünd­tem­pe­ra­tur liegt immer über dem Flamm­punkt und führt beim Über­schrei­ten sofort zur Zündung einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre. (Somit haben wir auch schon eine erste Zünd­quelle kennen­ge­lernt: heiße Ober­flä­chen. Weitere Zünd­quel­len folgen weiter unten.)
Auch bei der Zünd­tem­pe­ra­tur gibt es einen gefor­der­ten Sicher­heits­ab­stand zwischen Mess­größe und Umgangs­tem­pe­ra­tur im Betrieb: Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tu­ren dürfen in bestimm­ten Fällen höchs­tens 80 Prozent des Mess­wer­tes errei­chen, bei einer Zünd­tem­pe­ra­tur von 400 Grad also maxi­mal 320 Grad. Für die Praxis teilt man brenn­bare Gase und Dämpfe entspre­chend ihrer Zünd­tem­pe­ra­tur in so genannte Tempe­ra­tur­klas­sen ein (siehe Tabelle auf S. 26). Diese können dann für die Einstu­fung von Gerä­ten in explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphä­ren entspre­chend ihrer maxi­ma­len Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur verwen­det werden.

Zünd­quel­len – der Trop­fen, der das Fass zum Über­lau­fen bringt

Wie erwähnt, bedarf es für das Auslö­sen einer Explo­sion neben Sauer­stoff und brenn­ba­rem Stoff noch einer wirk­sa­men Zünd­quelle. Die Wirk­sam­keit, also die Fähig­keit, eine explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre zu entzün­den, hängt dabei insbe­son­dere von der Ener­gie­menge ab, die von der Zünd­quelle erzeugt wird.
Eine Zünd­quelle haben wir schon kennen gelernt: heiße Ober­flä­chen. Einige weitere sind sicher auch bekannt: Offene Flam­men, beispiels­weise ein bren­nen­des Streich­holz (das auch als Symbol auf dem entspre­chen­den Verbots­zei­chen zu sehen ist), glim­mende Ziga­ret­ten und elek­tri­sche Funken, die beim Öffnen und Schlie­ßen elek­tri­scher Strom­kreise gebil­det werden (oder als Zünd­kerze im Motor das Benzin‐Luft‐Gemisch verbrennt).
Dane­ben kennt man noch eine ganze Reihe weite­rer Zünd­quel­len­ar­ten, unter ande­rem mecha­ni­sche Schlag‐ und Reib­fun­ken (Beispiel Flexen), atmo­sphä­ri­sche Entla­dun­gen (Beispiel Blitz­schlag), elek­tro­ma­gne­ti­sche Felder (dazu gehö­ren beispiels­weise Funk­sen­der), adia­ba­ti­sche Kompres­sion (eine schnelle Verdich­tung, die beim Diesel­mo­tor die Zünd­kerze ersetzt), Ultra­schall und ioni­sie­rende Strah­lung. Eine häufig unter­schätzte Zünd­quelle ist die stati­sche Elek­tri­zi­tät. Während des Arbeits­pro­zes­ses kann bei Vorgän­gen wie Reiben, Zerstäu­ben, Ausschüt­ten von festen Stof­fen oder beim Strö­men von Flüs­sig­kei­ten eine gefähr­li­che Aufla­dung erfol­gen.
Auch Menschen können aufge­la­den werden, wenn sie isolie­rende Beklei­dung oder Schuh­werk tragen. Viel­leicht kennen Sie das Phäno­men beim Auszie­hen von Kunstfaser‐Pullis, dass sich kleine Blitze bilden – diese könn­ten in einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre als Zünd­quelle wirken!

Gefähr­li­cher Staub – auch Lebens­mit­tel können Explo­sio­nen verur­sa­chen

Wich­tig zu wissen: Auch in Luft fein verteilte Stäube können eine explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre bilden, beispiels­weise Mehl‐ und Zucker­staub. Glei­ches gilt für Holz‐ und Kohle­staub. Bei vielen brenn­ba­ren Stäu­ben reicht bereits eine gleich­mä­ßig über die gesamte Boden­flä­che verteilte Staub­ab­la­ge­rung von weni­ger als ein Milli­me­ter Schicht­di­cke aus, um beim Aufwir­beln einen Raum mit explo­si­ons­fä­hi­gem Staub/Luft‐Gemisch voll­stän­dig auszu­fül­len. Infolge einer ersten Explo­sion kann abge­la­ger­ter Staub aufge­wir­belt werden und zu Folge­ex­plo­sio­nen führen. Die schwerste Mehlstaub‐Explosion in Deutsch­land ereig­nete sich am 6. Februar 1979 in der Roland­mühle in Bremen, sie riss 14 Menschen in den Tod.

Schutz­maß­nah­men zur Präven­tion des uner­wünsch­ten Knalls

Um eine Explo­sion zu vermei­den, muss mindes­tens eine der drei Voraus­set­zun­gen, brenn­ba­rer Stoff – Sauer­stoff – Zünd­quelle, ausge­schlos­sen werden.
Daher gilt:
  • Substi­tu­tion von Stof­fen, die in der Lage sind, explo­si­ons­fä­hige Atmo­sphäre zu bilden, beispiels­weise Erset­zen entzünd­li­cher Löse­mit­tel zur Metall­ent­fet­tung durch Ester auf Basis pflanz­li­cher Öle.
  • Vermei­den der Bildung einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre. Bei Flüs­sig­kei­ten entwe­der durch Sicher­stel­len einer nied­ri­gen Tempe­ra­tur, so dass der Flamm­punkt immer ausrei­chend unter­schrit­ten wird. Oder durch eine wirk­same Absau­gung, so dass die Konzen­tra­tion der Dämpfe in der Luft unter­halb der Explo­si­ons­grenze bleibt. Bei brenn­ba­ren Stäu­ben zählt dazu auch eine zeit­nahe und regel­mä­ßige Besei­ti­gung von Staub­ab­la­ge­run­gen.
  • Vermei­den einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre durch Ausschluss von Sauer­stoff, also durch Iner­ti­sie­ren mit Stick­stoff oder Kohlen­di­oxid.
  • Verhin­dern der Zündung einer explo­si­ons­fä­hi­gen Atmo­sphäre durch Ausschluss aller wirk­sa­men Zünd­quel­len.
Ein alter­na­ti­ves Schutz­kon­zept kann darin bestehen, die Auswir­kun­gen einer Explo­sion zu begren­zen. Dies funk­tio­niert aller­dings nur in geschlos­se­nen Syste­men, beispiels­weise durch die Anwen­dung von Vakuum (weil der Explo­si­ons­druck ja vom Anfangs­druck abhängt, führt eine Explo­sion bei 0,1 bar zu einem Druck von 1 bar, also Normal­druck), durch explo­si­ons­feste Bauweise (dann müssen alle Kompo­nen­ten dem Enddruck wider­ste­hen können) oder durch Druck­ent­las­tung mittels Berst­scheibe oder Explo­si­ons­klap­pen.
In der nächs­ten Folge lesen Sie, welche Bedeu­tung das Explo­si­ons­schutz­do­ku­ment hat – und warum es nicht alle Explo­sio­nen erfasst.

Autor:

Dr. Joachim Sommer

Refe­rat Anlagen‐ und Verfah­rens­si­cher­heit, Berufs­ge­nos­sen­schaft Rohstoffe und chemi­sche Indus­trie (BG RCI)

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