Sicherheitstechnische Kenngrößen brennbarer Stäube - Korrelation zu Brennwert und Partikeloberfläche

Status:

abgeschlossen 02/2016

Zielsetzung:

Im Bereich des Explosionsschutzes werden brennbare Stäube durch "Sicherheitstechnische Kenngrößen" (STK) charakterisiert und die notwendigen betrieblichen Schutzmaßnahmen anhand dieser Kenngrößen geplant. Die STK maximaler Explosionsüberdruck (Pmax), Druckanstiegsgeschwindigkeit (dp/dt) und die untere Explosionsgrenze (UEG) werden in geschlossenen Labordruckbehältern (0,02 m³ und 1 m³) ermittelt. Die benötigten Probenmengen für diese Untersuchungen liegen im Bereich von einigen Kilogramm. Die ermittelten Kenngrößen sind keine stoffspezifischen Größen und abhängig von der gewählten Prüfapparatur. Die veranschlagte Laborzeit pro Untersuchung, einschließlich Reinigung und Wartung, beträgt ca. 1,5 Tage. Durch die Verbrennungsreaktion innerhalb der Behälter entstehen diverse Reaktionsprodukte, die eine gesundheitsschädigende Wirkung haben können.

Der Brennwert (Verbrennungsenthalpie) eines Staubes und die Oberfläche sind Schlüsselgrößen, die nachweislich die STK prägen. Hierzu gab es in den1970er-Jahren von der Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) bereits erste Untersuchungen. Die Bestimmung des Brennwertes und der Partikeloberfläche kann mit 1 g Substanz in ca. 0,5 h durchgeführt werden. Weiterhin sind Brennwert und Oberfläche stoffspezifische Größen und unabhängig von der jeweiligen Prüfapparatur. Ziel des Projektes war der mögliche Nachweis einer Korrelation zwischen den STK und dem Brennwert bzw. der Oberfläche der Stäube. So ließen sich die Analysedauer und der Umfang deutlich verringern.

Aktivitäten/Methoden:

Analyse der ca. 6000 Stoffdaten aus der GESTIS-STAUB-Ex-Datenbank bezüglich empirischer Zusammenhänge zwischen kst, Pmax, UEG und Median und Vergleich mit Literaturdaten.

Mit Start des Projektes wurden im IFA-Explosionsschutz-Labor zusätzlich zu den Kenngrößen Pmax, kst, UEG auch die Oberfläche des Staubes nach Brunnauer, Emmett und Teller (BET) und der Brennwert bestimmt. Über die Projektlaufzeit sind 120 Stoffe auf diese Weise analysiert worden. Die Datensätze waren die Grundlage für statistische Auswertungen und die Abfrage nach möglichen Korrelationen. Zusätzlich sind gezielt fünf Ausgangsstoffe durch Siebung in Fraktionen mit unterschiedlichen Gesamtoberflächen aufgeteilt worden. Durch systematische Analyse und Vergleich mit den ermittelten STK konnte der Einfluss von Oberfläche und Brennwert genauer ermittelt werden. Zusätzlich konnte durch Analyse der Verbrennungsgase vor und nach der Explosion der Umsetzungsgrad bestimmt werden.

Ergebnisse:

Der Zusammenhang zwischen der Oberfläche und den STK insbesondere der Druckanstiegsgeschwindigkeit (kst-Wert) konnte nicht eindeutig belegt werden. Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass nicht die ermittelte BET-Oberfläche mit Poren und Rauigkeiten die Explosionsreaktion bestimmen, sondern eher die dem atmosphärischem Sauerstoff direkt zugängliche äußere Oberfläche der Staubpartikel. Die Wirkung der Verbrennungswärme auf die STK wird beeinflusst durch die Sauerstoffkonzentration während der Explosionsreaktion, diese ist bestimmend für die Reaktionsgeschwindigkeit und damit für den kst-Wert. Stofflich gebundener Sauerstoff führt zu erhöhten Umsatzraten und verändert damit die Korrelation zwischen Verbrennungswärme und STK. Eine Korrelation zwischen Verbrennungswärme und Oberfläche zu den STK im Explosionsschutz ist erkennbar, reicht aber nicht aus, um durch eine Korrelationsfunktion mit ausreichender Validität die STK zu berechnen. Stoffeigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Schmelz- und Siedepunkte und Dichte müssen neben den apparativen Eigenschaften wie Volumen, Turbulenz und Zündenergie mitberücksichtigt werden.

Stand: