Staubexplosion

Es gibt fünf notwendige Bedingungen für eine Staubexplosion:

• Ein brennbarer Staub
• Der Staub ist in einer ausreichend hohen Konzentration in der Luft verteilt
• Es gibt ein Oxidationsmittel (typischerweise Luftsauerstoff)
• Es gibt eine Zündquelle
• Der Bereich ist eingegrenzt-ein Gebäude kann eine Einhausung sein

StaubquellenBearbeiten

Viele gewöhnliche Materialien, die bekanntermaßen brennen, können eine Staubexplosion verursachen, z. B. Kohle und Sägemehl. Darüber hinaus können auch viele sonst alltägliche organische Stoffe in eine gefährliche Staubwolke aufgewirbelt werden, wie Getreide, Mehl, Stärke, Zucker, Milchpulver, Kakao, Kaffee und Pollen. Pulverisierte Metalle (wie Aluminium, Magnesium und Titan) können in der Luft explosive Suspensionen bilden, wenn sie fein verteilt sind.

Explosiver Staub kann bei Tätigkeiten wie dem Transport von Getreide entstehen, und Getreidesilos wurden oft gewaltsam zerstört. Beim Abbau von Kohle entsteht Kohlenstaub, und in Mühlen entstehen beim Mahlen ebenfalls große Mengen an Mehlstaub. Eine gigantische Mehlstaubexplosion zerstörte am 2. Mai 1878 eine Mühle in Minnesota und tötete 18 Arbeiter der Washburn A Mill und vier weitere in den angrenzenden Gebäuden. Ein ähnliches Problem tritt in Sägewerken und anderen Orten auf, die der Holzbearbeitung dienen.

Seit dem Aufkommen der additiven Fertigung (AM) auf der Basis von Metallpulver in industriellem Maßstab in den 2010er Jahren besteht ein wachsender Bedarf an Informationen und Erfahrungen zur Verhinderung von Staubexplosionen und Bränden durch die Spuren von überschüssigem Metallpulver, die manchmal nach dem Lasersintern oder anderen Schmelzverfahren übrig bleiben. So kann beispielsweise bei Bearbeitungsvorgängen, die dem AM-Aufbau nachgeschaltet sind, überschüssiges Pulver, das aus Porositäten in den Stützstrukturen freigesetzt wird, Funken von der Schneideschnittstelle ausgesetzt werden. Es sind Bemühungen im Gange, dieses Wissen nicht nur innerhalb der Industrie aufzubauen, sondern es auch mit den örtlichen Feuerwehren zu teilen, die regelmäßige Brandschutzinspektionen in ihren Bezirken durchführen und damit rechnen müssen, dass in Geschäften oder Anlagen, in denen AM jetzt zum Produktionsmix gehört, Alarm ausgelöst wird.

Obwohl es sich nicht um Staub im eigentlichen Sinne handelt, sind Papierpartikel, die bei der Verarbeitung – insbesondere beim Walzen, Abrollen, Kalandrieren/Schneiden und Schneiden von Blättern – freigesetzt werden, auch als explosionsgefährlich bekannt. In geschlossenen Papierfabriken, die solchen Gefahren ausgesetzt sind, wird in der Regel eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit aufrechterhalten, um das Risiko von Papierstaubexplosionen in der Luft zu verringern.

In der Pyrotechnik für Spezialeffekte sind Lycopodium-Pulver und milchfreier Kaffeeweißer zwei gängige Mittel zur Erzeugung sicherer, kontrollierter Feuereffekte.

Um eine schnelle Verbrennung zu unterstützen, muss der Staub aus sehr kleinen Partikeln mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bestehen, wodurch die kollektive oder kombinierte Oberfläche aller Partikel im Vergleich zu einem Staub aus größeren Partikeln sehr groß ist. Staub ist definiert als Pulver mit Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 500 Mikrometern, aber feinerer Staub stellt aufgrund der größeren Gesamtoberfläche aller Partikel eine viel größere Gefahr dar als grobe Partikel.

KonzentrationBearbeiten

Unterhalb eines bestimmten Wertes, der unteren Explosionsgrenze (UEG), ist nicht genügend Staub vorhanden, um die Verbrennung mit der für eine Explosion erforderlichen Geschwindigkeit zu unterstützen. Eine brennbare Konzentration bei oder unter 25 % der UEG gilt als sicher. Steigt das Verhältnis von Brennstoff zu Luft über die obere Explosionsgrenze (UEG), ist nicht genügend Oxidationsmittel vorhanden, um die Verbrennung mit der erforderlichen Geschwindigkeit fortzusetzen.

Die Bestimmung der minimalen oder maximalen Explosionskonzentration von Stäuben in der Luft ist schwierig, und die Konsultation verschiedener Quellen kann zu recht unterschiedlichen Ergebnissen führen. Typische Explosionsbereiche in Luft reichen von einigen Dutzend Gramm/m3 für die Mindestgrenze bis zu einigen kg/m3 für die Höchstgrenze. Die UEG für Sägespäne wurde beispielsweise mit 40 bis 50 Gramm/m3 festgelegt. Er hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Art des verwendeten Materials.

OxidationsmittelEdit

Typischerweise kann normaler Luftsauerstoff ausreichen, um eine Staubexplosion zu begünstigen, wenn die anderen erforderlichen Bedingungen ebenfalls gegeben sind. Umgebungen mit hohem Sauerstoffgehalt oder reinem Sauerstoff gelten als besonders gefährlich, ebenso wie stark oxidierende Gase wie Chlor und Fluor. Auch partikelförmige Suspensionen von Verbindungen mit hohem Oxidationspotenzial, wie Peroxide, Chlorate, Nitrate, Perchlorate und Dichromate, können das Explosionsrisiko erhöhen, wenn auch brennbare Materialien vorhanden sind.

ZündquellenBearbeiten

Es gibt viele Zündquellen, und eine offene Flamme muss nicht die einzige sein: Mehr als die Hälfte der Staubexplosionen in Deutschland im Jahr 2005 waren auf Nicht-Flammenquellen zurückzuführen. Häufige Zündquellen sind:

• elektrostatische Entladungen (z. B. ein unsachgemäß installiertes Förderband, das wie ein Van-de-Graaff-Generator wirken kann)
• Reibung
• elektrische Lichtbögen von Maschinen oder anderen Geräten
• heiße Oberflächen (z.z. B. überhitzte Lager)
• Brand
• Selbstentzündung

Es ist jedoch oft schwierig, bei der Untersuchung nach einer Explosion die genaue Zündquelle zu bestimmen. Wenn keine Quelle gefunden werden kann, wird die Zündung oft auf statische Elektrizität zurückgeführt. Statische Aufladungen können durch externe Quellen oder intern durch Reibung an den Oberflächen von Partikeln selbst erzeugt werden, wenn sie zusammenstoßen oder sich aneinander vorbei bewegen.