Brennverhalten von Getreide – welche Faktoren beeinflussen die Entzündbarkeit?

Die Sicherheit industrieller Prozesse umfasst sowohl die Arbeitssicherheit der Mitarbeiter als auch die Sicherheit der durchgeführten technologischen Prozesse.

Diese beiden Bereiche bilden zusammen die allgemeine Sicherheit im Produktionsbetrieb, die gemäß den geltenden gesetzlichen Bestimmungen gewährleistet sein muss. Die Prozesssicherheit, die ein integraler Bestandteil der allgemeinen Sicherheit ist, bezieht sich insbesondere auf verfahrenstechnische Anlagen, die chemische Stoffe enthalten und verarbeiten. Sie befasst sich somit mit Fragen der Planung und des Betriebs von Anlagen, in denen verschiedene chemische und physikalische Prozesse im Zusammenhang mit der Verarbeitung chemischer Stoffe (Grundoperationen) zu nützlichen Endprodukten ablaufen, wobei der Schwerpunkt auf der Vermeidung unerwünschter Freisetzungen von Gemischen und/oder Energie sowie der Bekämpfung der Folgen solcher Freisetzungen liegt. Das Bewusstsein für die Einhaltung der Prozesssicherheit begleitet die Planung jeder Chemie- oder Raffinerieanlage in allen Phasen ihrer Entwicklung. Dies umfasst auch Anlagen zur Lagerung und Verarbeitung von Feststoffen. Es ist Teil jedes Prozessprojekts, das das Hauptprodukt der Verfahrenstechnik darstellt.

Explosionsgefährdete Bereiche in der Lebensmittelindustrie

Die Lebensmittelindustrie ist eine spezifische Gruppe von Industrieunternehmen, die auf ihrem Gelände Feststoffe wie Getreide, Zucker, Tee, Kaffee, Mais usw. lagern. Diese Besonderheit besteht darin, dass sich die Analyse der Staubgefahren von der der Gase unterscheidet und dass bei der Risikobewertung andere, zusätzliche Parameter berücksichtigt werden. Bei Getreideprodukten ist der Faktor, der ein hohes Maß an Brand- und Explosionsgefahr schafft, das Vorhandensein von Getreide- und Mehlstaub. Es ist erwähnenswert, dass Polen einer der größten Getreideproduzenten in Europa und einer der größeren weltweit ist. Laut GUS-Daten für 2018 beträgt die jährliche Getreideproduktion in unserem Land etwa 27 Millionen Tonnen, davon etwa 10 Millionen Tonnen Weizen und 4 Millionen Triticale. Dies führt dazu, dass die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls während der Prozesse, denen es unterzogen wird, höher ist als in den meisten anderen Ländern. Während des technologischen Prozesses der Annahme, Reinigung, Trocknung und Konservierung von Getreide sowie des Mahlens von Getreide zu Mehl entstehen lokale Staubverunreinigungen, sogenannte technologische Stäube. Sie entstehen durch Reibung der Körner aneinander und an Maschinenelementen im Inneren der Anlagen. Der Staub wird somit im Inneren der Anlagen beim horizontalen und vertikalen Transport, in Reinigungsmaschinen und -geräten, beim Trocknen und Zerkleinern von Getreide sowie beim Sieben, Sortieren und Verpacken von zerkleinerten Halbfabrikaten und Fertigprodukten aufgewirbelt.

Untersuchungen zeigen, dass von allen Staubexplosionen fast 25 % Staubexplosionen in der Lebensmittel-, Agrar- und Futtermittelindustrie sind, wobei **Silozellen, Entstaubungs- und Lüftungsanlagen** – einschließlich Trockner und Lagerhäuser, die zum Trocknen von Getreide bestimmt sind – am stärksten explosionsgefährdet sind.

Physikalisch-chemische Größen

Gemäß der gängigen Praxis sollte jeder brennbare/explosive Staub in einer Einrichtung mit einem entsprechenden Labor untersucht werden oder es sollten fertige Sicherheitsdatenblätter verwendet werden, die für den jeweiligen Stoff spezifisch sind. Unter einer Reihe von Größen, die ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften beschreiben, stechen mehrere Parameter hervor:

Pmax [bar] – dies ist der maximale Explosionsdruck, gemessen während der Explosion des Staub-Luft-Gemischs in einem geschlossenen Volumen der Messsphäre (explosive Atmosphäre). Der Wert dieses Parameters hängt vom Anfangsdruck ab.

(dp/dt)max [bar/s] – dies ist die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit der Explosion der explosiven Atmosphäre pro Zeiteinheit. Dieser Parameter definiert die „Dynamik“ des Explosionsprozesses des gegebenen Staubes, und auf seiner Grundlage wird der nächste Parameter Kst bestimmt.

Kst [m * bar/s] – die Staubkonstante, genannt Explosivitätsindex, ist die Grundlage für die internationale Klassifizierung der Explosivität von Stäuben (siehe Tabelle unten).

DGW [g/m3 ] – untere Explosionsgrenze (UEG). Dieser Begriff definiert die niedrigste Konzentration des Brennstoffes (in diesem Fall Staub) mit Luft (in der Messsphäre), bei der eine Explosion aufgetreten ist. Unterhalb dieses Wertes ist das brennbare Gemisch zu arm an der brennbaren Komponente und enthält zu viel Oxidationsmittel, um eine Explosion zu initiieren.

GST [%] – Grenz-Sauerstoffkonzentration – ist die maximale Sauerstoffkonzentration in einem Gemisch aus brennbarem Staub mit Luft und Inertgas, bei der keine Explosion auftritt.

MEZ [mJ] – minimale Zündenergie (MZE) des Staub-Luft-Gemischs ist die minimale Energie einer Funkenentladung (Energie mit einem bestimmten Wert) zwischen zwei Elektroden, die die Zündung des Staub-Luft-Gemischs verursacht.

MTZw [oC] – minimale Zündtemperatur der Staubschicht ist die minimale Temperatur der heißen Platte, bei der sich eine in einen Ring eingelegte 5 mm dicke Staubschicht entzündet.

MTZo [oC] – minimale Temperatur, bei der eine Staubwolke in einem Ofen mit bekannter Wand- und Atmosphärentemperatur zündet

Faktoren, die die Explosivitätsparameter beeinflussen

Eine Reihe von Faktoren kann die Explosivitätsparameter von Stäuben beeinflussen:

• die chemische Zusammensetzung der Staubpartikel (verschiedene Elemente und Verbindungen verbrennen unterschiedlich);
• die Größe der Staubpartikel (in der Regel ändern sich die Explosivitätsparameter in Abhängigkeit von der Korngröße des Staubes – kleinere Körner verbrennen schneller. Es tritt eine Zunahme der Explosivitätsparameter mit abnehmender Größe der Staubpartikel auf;
• die Feuchtigkeit des Staubes (ein hoher Feuchtigkeitsgehalt im Staub erschwert dessen Verbrennung);
• die Konzentration des Staubes (bestimmt die Menge des brennbaren Materials im Staub-Luft-Gemisch);
• die Sauerstoffkonzentration (zur Initiierung des Verbrennungsprozesses ist eine bestimmte Grenz-Sauerstoffkonzentration erforderlich – bei zu geringer Sauerstoffkonzentration wird der Verbrennungsprozess nicht initiiert);

Die physikalischen Eigenschaften des Getreidekorns sind eng mit seiner chemischen Struktur verbunden und haben einen erheblichen Einfluss auf die Lebensprozesse der gelagerten Getreidemasse. Der wichtigste Lebensprozess des Korns ist die Atmung. Das Korn nimmt Sauerstoff aus der Luft auf, verbrennt chemische Substanzen und gibt Kohlendioxid und Wasser ab. Infolge dieser Prozesse wird Wärme erzeugt, die eine Intensivierung der Atmung des Korns und eine Erhöhung seiner Temperatur bewirkt, die weitgehend vom Grad der Befeuchtung abhängt. Im Falle einer Erhöhung der Feuchtigkeit und Temperatur bei Sauerstoffzugang quillt das Korn auf und neigt zur Selbsterwärmung und folglich zur Selbstentzündung. Am anfälligsten für Selbsterwärmung ist Korn mit gesteigerten Lebensprozessen, d. h. unreifes, frisch geerntetes und gekeimtes Korn sowie stark mit Unkrautsamen verunreinigtes Korn. Zur Selbstentzündung des Korns trägt auch die Sortierung bei, die einer der charakteristischen Prozesse für diesen Stoff ist. Dies ist die Folge der Rieselfähigkeit und Ungleichmäßigkeit des Korns, das Teil der Lagergetreidemasse ist. Es tritt beim Umschütten und Bewegen des Korns auf, am häufigsten jedoch beim Füllen und Entleeren der Getreidekammern. Der Inhalt der Kammer wird ungleichmäßig: im Zentrum sammelt sich grobes und mittleres Korn mit dem geringsten Verunreinigungsgrad an, und in Richtung der Wände – immer feineres Korn mit einem größeren Verunreinigungsgrad. Bei hoher Feuchtigkeit besteht dort auch die größte Wahrscheinlichkeit der Selbstentzündung der Körner.

Weitere Merkmale des Korns sind die Hygroskopizität, die Wärmeleitfähigkeit und die Staubentwicklung bei allen technologischen Verarbeitungsvorgängen. Die Hygroskopizität besteht in der Aufnahme oder Abgabe von Feuchtigkeit, abhängig von der Umgebungsfeuchtigkeit. An solchen Stellen ist mit einer größeren Wahrscheinlichkeit der Selbstentzündung zu rechnen. Das Korn ist ein schlechter Wärmeleiter, entzündet sich bei einer Temperatur von ca. 450 °C, der Wert des Wärmeparameters des Korns beträgt 3,5 - 4,0 Mcal/kg und es verbrennt ohne Flamme, schwelend.

Es gibt viele Arten von Anlagen, die sich mit der Lagerung und Verarbeitung von Getreide befassen, daher kann kein einheitlicher Standard festgelegt werden, jedoch können basierend auf dem Beispiel eines Bäckerei- und Konditoreibetriebs, für den DACPOL ein Dokument zur Explosionsrisikobewertung erstellt hat, bestimmte charakteristische Abschnitte der technologischen Linie unterschieden werden.

Anlagentypen nach Funktionalität

Die beispielhafte Anlage kann nach Funktionalität in folgende Teile unterteilt werden:

• die für den pneumatischen Transport des Getreides beim Befüllen der Silos dient,
• die für die Lagerung des Getreides in Außensilos bestimmt ist,
• die für den Schneckentransport des Getreides beim Entleeren der Silos dient,
• die für die Vorbereitung des Getreides zum Mahlen durch mechanische Reinigung und Befeuchtung dient,
• die die Mühle zum Mahlen des Getreides mit Ausrüstung umfasst,
• das interne integrierte Mehllagersystem, das vier Silos mit Ausrüstung und die Anlage für den pneumatischen Transport von Mehl und dessen Dosierung an den Teigvorbereitungsstellen umfasst.

Elemente, die eine Explosionsgefahr darstellen können

Basierend auf den angenommenen Analysemethoden werden entsprechende Operationen durchgeführt, um festzustellen, welches Element eine Explosionsgefahr darstellen kann, deren Ausmaß und potenzielle Folgen. Unter Berücksichtigung der oben genannten beispielhaften Struktur des Unternehmens können mindestens mehrere Dutzend potenziell gefährlicher Bereiche und Elemente identifiziert werden. Hierbei sind folgende Arten von Geräten und Faktoren zu unterscheiden, die eine Störung und folglich einen Brand oder eine Explosion verursachen können:

1. Schneckenförderer, Kettenförderer „Redler“:

• Verbiegung der Schneckenwelle, Reibung des Blattes am Gehäuse, Kettenbruch, Gliederreinbung, Eindringen eines Metallgegenstandes,
• Erhitzung und Entzündung von Stäuben.

2. Becherwerke:

Das Festfressen des Gurtbandes, die Entzündung des Bandes und der Stäube sind aus folgenden Gründen möglich:

• Bildung einer Verstopfung,
• Einhaken des Bechers am Gehäuse,
• Blockierung des Elevators infolge des Eindringens von Fremdkörpern in den Fuß,
• übermäßiges Lockern des Gurtbandes,
• Festfressen der Lager im Falle unzureichender Schmierung.

3. Schälmaschinen, Sortiermaschinen zur Verarbeitung der Getreideschale.

Es besteht die Gefahr der Entzündung oder Explosion von Stäuben im Falle von:

• Eindringen eines Metallgegenstandes in die Trommel,
• Funkenbildung infolge des Lösens der Befestigung des Schlägers oder der Bürste, verursacht durch Reibung,
• Schleif- oder Metallgehäuse der Trommel,
• Funkenbildung infolge des Ablösens eines Stücks Schleifmasse,
• Erhitzung der Lager.

4. Zerkleinerungsgeräte, Walzenmühlen, Kleieabscheider:

Die Entzündung oder Explosion von Staub kann auftreten, wenn ein Metallgegenstand eindringt und dieser Gegenstand Funken bildet oder sich durch Reibung erhitzt.

5. Pneumatischer Transport:

In Geräten und Rohrleitungen des pneumatischen Transports und in den Beschickungsvorrichtungen (Zyklone) entstehen explosive Staubkonzentrationen, die durch Zusammenstoßen die Bildung von Ladungen statischer Elektrizität verursachen. Das Auftreten einer Explosion oder eines Brandes kann infolge von:

• Entladung statischer Elektrizität,
• Funkenbildung, verursacht durch die Reibung der Ventilatorflügel am Gehäuse,
• Erhitzung der Ventilatorlager.

6. Absauggeräte:

Es besteht die Gefahr der Entzündung von Getreide- oder Mehlstaub im Falle von:

• Entstehung einer Brandquelle in einem der oben genannten Geräte,
• Funkenbildung, verursacht durch die Reibung der Ventilatorflügel,
• Festfressen der Ventilatorlager.

7. Beim Befüllen von Getreide- und Mehlkammern:

Es besteht die Gefahr infolge des Eindringens von offenem Feuer oder der Entzündung von Staub durch defekte elektrische Geräte.

Phasen der Explosionsrisikobewertungsanalyse

Die Analysen, die die Grundlage für die Erstellung der Explosionsrisikobewertung bilden, werden schrittweise durchgeführt. In der ersten Phase erfolgt die Identifizierung und Verifizierung der Daten in Bezug auf die Durchführung von Arbeiten/Tätigkeiten und den Prozess in den betreffenden Bereichen. Die Arbeiten werden auf der Grundlage der vom Auftraggeber bereitgestellten Dokumentation durchgeführt, die die technologischen Eigenschaften der Anlagen und Objekte sowie physikalisch-chemische Spezifikationen enthält, welche die Entzündbarkeits- und Explosivitätsparameter der verwendeten brennbaren Stoffe enthalten. Die Ergänzung und Verifizierung der Daten aus der Dokumentation stellen die Informationen dar, die während einer visuellen Inspektion vor Ort gewonnen wurden.

Basierend auf den gesammelten Informationen und Prozessdaten wird eine Identifikationsanalyse des Explosionsrisikos durchgeführt, die Folgendes umfasst:

• die Identifizierung brennbarer Stoffe,
• die Identifizierung der Entstehungsorte potenziell explosiver Atmosphären,
• die Identifizierung und Klassifizierung der Emissionsquellen brennbarer Stoffe, sowie
• die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens explosiver Atmosphären.

Die Ergebnisse der durchgeführten Identifikationsanalysen des Explosionsrisikos werden zur klassifizierenden Bestimmung der explosionsgefährdeten Bereiche verwendet. Die vollständige Klassifizierungsdokumentation wird durch eine grafische Klassifizierungsdokumentation ergänzt, die Lagepläne enthält, die die Art und den Umfang der explosionsgefährdeten Bereiche sowie den Standort und die Identifizierung der Emissionsquellen gemäß den in den Polnischen Normen festgelegten Grundsätzen veranschaulichen. In allen Bereichen, in denen explosionsgefährdete Bereiche klassifiziert wurden, wird die Kategorie der Geräte (Kennzeichnung gemäß Richtlinie, nicht Norm) bestimmt, deren Verwendung zulässig ist, was die Auswahl geeigneter Komponenten und Maschinen mit ATEX-Zertifikat ermöglicht.