Kontrolle der Verbrennung über die Staubgefahrenanalyse hinaus

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Für Eigentümer und Betreiber in der Agrar- und Lebensmittelindustrie war der 1. Januar 2022 die Frist für den Abschluss einer Staubgefährdungsanalyse (DHA) für bestehende Anlagen gemäß Kapitel 7 des Standards 61 (2020) der National Fire Protection Association die Verhütung von Bränden und Staubexplosionen in landwirtschaftlichen Betrieben und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben.

NFPA 61 und andere verwandte NFPA-Standards beschreiben wesentliche Strategien und Verfahren zum Schutz von Menschen, Prozessen und Eigentum vor Brandgefahr und Staubexplosionen in Anlagen, die Massengetreide wie Mais, Weizen, Hafer, Gerste, Sonnenblumenkerne und Sojabohnen handhaben, verarbeiten und lagern , deren Nebenprodukte sowie andere brennbare Stäube aus der Landwirtschaft. Alle neuen Prozesse und Anlagen, die brennbare Stäube handhaben und erzeugen, müssen nun eine DHA durchführen.

Anhang F von NFPA 61 (2020) enthält eine umfassende Checkliste, die als Blaupause für die Erstellung eines DHA dient. Diese Checkliste umfasst die Bewertung des Staubexplosionsschutzes für häufig gefährdete Prozessanlagen. Am häufigsten sind Becherwerke, Förderbänder, Mühlen, Silos und Systeme zur Sprühtrocknung und Staubabscheidung gefährdet.

Getreide- und Lebensmittelverarbeiter sind sich der zerstörerischen Auswirkungen einer Nichteinhaltung und der potenziellen Haftung bewusst und haben ihre vorgeschriebene DHA abgeschlossen und arbeiten an der Festlegung der nächsten Schritte zur Einhaltung von NFPA 61 als Bestandteil ihrer örtlichen Sicherheitsanforderungen . Hierzu gehört auch die Entscheidungsfindung zum Explosionsschutz von Prozessanlagen, die mit erheblichen finanziellen Investitionen verbunden sein kann.

Nach der Vorbereitung des DHA-Dokuments ist der Job noch nicht abgeschlossen. Das DHA-Team muss dann einen Aktionsplan für die identifizierten Gefahren entwickeln und eine Liste priorisierter Aktionspunkte mit spezifischen Aufgaben, zugewiesenen Parteien, angestrebten Zeitrahmen und erforderlichen Ressourcen erstellen. Dies dient sowohl als Fahrplan zur Gefahrenminderung als auch als Arbeitsdokument, das angemessene Anstrengungen zur Risikobewältigung aufzeigt. Empfehlungen zur Behebung von Mängeln beim Umgang mit Gefahren durch brennbaren Staub müssen dokumentiert und in Übereinstimmung mit der zuständigen Behörde behandelt werden

„Das DHA ist nur der Ausgangspunkt, um eine Anlage und einen Prozess in Übereinstimmung mit den relevanten NFPA-Standards zu bringen. Der nächste Schritt ist die Umsetzung. Bevor sie dies tun, sollten Eigentümer/Betreiber einige wichtige Fragen berücksichtigen“, sagt Clive Nixon, Vertriebsleiter bei BS&B Pressure Safety Management mit Sitz in Tulsa, Oklahoma.

Nixon rät Eigentümern und Betreibern von Anlagen, sich folgende Fragen zu stellen:

Nixon empfiehlt, die DHA mit einem Sicherheitsexperten zu überprüfen oder zu aktualisieren, wenn etwas fehlt oder unklar ist, da das Risiko einer Explosion brennbaren Staubs und die Haftung bei Nichteinhaltung und Schutzmaßnahmen zu erheblichen Betriebsunterbrechungen, Ausfallzeiten, Verletzungen von Mitarbeitern und kostspieligen Reparaturen führen können.

„Es gibt eine Reihe von Lösungen, um einen kostengünstigen Schutz vor der Gefahr durch brennbaren Staub zu bieten, aber die Wahl jeder Einrichtung hängt von ihren spezifischen Anforderungen ab. Bei der Auswahl der Technologie sollten nicht nur Faktoren wie die Art der Staubgefahr und ihre Eigenschaften berücksichtigt werden, sondern auch der Standort der Ausrüstung, die Festigkeit, die Betriebsdrücke, die Temperaturen und die Prozessverbindungen“, sagt Nixon. „Eigentümer und Betreiber sind am besten bedient, wenn sie mit einem kompetenten Lieferanten zusammenarbeiten, der Zugriff auf ein umfassendes Spektrum an Sicherheitslösungen für eine bestimmte Anwendung hat. Sie sollten sich darüber im Klaren sein, dass ein Anbieter, der nur eine bestimmte Lösung anbietet, in seinen Empfehlungen möglicherweise voreingenommen sein kann.“

Nixon erklärt weiter, dass die wichtigsten Optionen für Explosionsschutz und -prävention in Getreide- und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben im Großen und Ganzen Explosionsentlastung, Explosionsunterdrückung und Explosionsisolierung umfassen.

Die Entlüftung ist der am weitesten verbreitete Schutzmechanismus, da sie eine bequeme und wirtschaftliche Lösung bieten kann. Obwohl es oft als eine „Einbau-und-Vergessen“-Lösung angesehen wird, erfordert es eine regelmäßige Inspektion gemäß NFPA 68. Es ist oft die praktischste Lösung für Geräte, die sich außerhalb oder in der Nähe einer Außenwand befinden, wo es einen freien Weg für die Projektion gibt eines Staubexplosions-Feuerballs, um in einen sicheren Bereich zu navigieren, in dem er weder Menschen gefährdet noch Geräte und nahegelegene Strukturen beschädigt.

In den frühen Stadien einer Staubexplosion öffnen sich Entlastungsöffnungen schnell bei einem vorgegebenen Berstdruck. Dadurch können die sich schnell ausdehnenden Verbrennungsgase und das Staub-Luft-Gemisch in die Atmosphäre entweichen und den im Gerät erzeugten Druck auf sichere Grenzen begrenzen. Die meisten landwirtschaftlichen Staubmaterialien würden im Bruchteil einer Sekunde einen Druck von über 100 psi entwickeln, wenn das Prozessgehäuse ausreichend stabil wäre.

Explosionsplatten können beispielsweise an Becherwerken angebracht werden, die sich außerhalb oder in der Nähe einer Außenwand befinden, wo die Staubexplosion durch kurze Entlüftungskanäle sicher abgeführt werden kann. Diese Entlüftungsöffnungen sind an den Beingehäusen und dem Elevatorkopf angebracht und öffnen sich schnell, um den Explosionsdruck eines schnell brennenden Staubs, der sogenannten Deflagration, zu entlasten.

Bei Entlüftungslösungen ist die Art der Entlüftungsdimensionierung und die Stärke der Ausrüstung ein wichtiger Gesichtspunkt. Die Dimensionierung von Entlüftungsöffnungen für Becherwerke, die Rohgetreide transportieren, wird durch NPFA 61 abgedeckt. Für verarbeitetes Getreide weicht NFPA 61 von NFPA 68 ab, in dem die erforderliche Festigkeit der Ausrüstung durch den Explosionsindex des Materials (Kst-Wert) bestimmt wird. Die Berechnungsgrundlage für die Entlüftungsfläche ist für Rohgetreide und verarbeitetes Getreide nicht dieselbe, wobei die entstehende Entlüftungsmenge und -position typischerweise für die beiden Materialformen unterschiedlich ist.

Der Weg für die Explosionsentlastungsflammenkugel und die Zugänglichkeit der Entlüftungsplatten für gelegentliche Inspektionen und Wartungsarbeiten sind wichtige Überlegungen bei der Auswahl dieser Schutzmethode. Diese werden in NFPA 61 – 2020 Abschnitt 9.3.14 und NFPA 68 – 2018 Abschnitt 8.8 behandelt.

Laut Nixon gibt es einige Anwendungen, beispielsweise wenn sich der Kofferraum eines Becherwerks oder einer anderen Lebensmittelverarbeitungsanlage innerhalb eines Gebäudes oder unter der Erdoberfläche befindet. Dies stellt eine Herausforderung für die Explosionsentlastung dar, da Flammen und Druck in einen begrenzten Raum freigesetzt werden und unterschiedliche Schutzansätze wie flammenfreie Druckentlastung und Unterdrückung erforderlich sind.

Wenn sich Geräte im Inneren befinden oder sich Personen oder brennbares Material aufhalten, können herkömmliche Entlüftungsöffnungen durch flammenfreie Entlüftungsöffnungen ersetzt werden. Diese Entlüftungsöffnungen sollen die Druckwelle zerstreuen und die Flamme eliminieren, die normalerweise bei einer entlüfteten Explosion entstehen würde. Bei Anwendungen außerhalb der Getreide-, Futtermittel- und Lebensmittelindustrie sollte das Potenzial toxischer Nebenprodukte berücksichtigt werden, die im Inneren eines Gebäudes entstehen, wenn diese Geräte aktiviert werden. Bei allen Anwendungen muss um die flammenfreie Entlüftung herum eine Sicherheitszone eingerichtet werden, aus der beim Entlüften einer Deflagration kurzzeitig heiße Gase austreten. Darüber hinaus muss die Größe des Raums, in dem sich die geschützte Ausrüstung befindet, bei der Durchführbarkeit dieses Schutzansatzes berücksichtigt werden. Dies ist erforderlich, um zu vermeiden, dass kleine Räume unter Druck gesetzt werden, wenn die expandierenden Gase einer Deflagration abgelassen werden.

Flammenfreie Entlüftungsöffnungen bestehen aus einer herkömmlichen Entlüftungsöffnung, die vor einer Gehäuseeinheit montiert ist und über ein Edelstahlnetz verfügt, das die Wärme der Verpuffung abführt und gleichzeitig die sichere Ableitung der explosionsartig expandierenden Gase ermöglicht. Dieses Netz fängt die Flammenfront ein und filtert teilweise die Freisetzung von Staub und Ruß. Das Edelstahlnetz schränkt den Durchfluss ein und ist durch eine sachkundige Auswahl der Entlüftungsgrößen effizienter. Das Netz ist so konfiguriert, dass es die Druckwelle der expandierenden Gase teilweise absorbiert und Staub- und Rußpartikel einfängt. Der Grad der absorbierten Partikel bestimmt die „Entlüftungseffizienz“ des flammenlosen Entlüftungsgeräts. Die Entlüftungseffizienz kann typischerweise zwischen 50 und 95 % liegen, was bedeutet, dass die Berechnung einer flammenfreien Entlüftungsfläche größer sein wird als die einer herkömmlichen Entlüftung für die gleiche Anwendung. Dies ist von großer Bedeutung bei der Entscheidung über den Einsatz eines flammenfreien Lüftungssystems.

Bei der Auswahl für Anwendungen wie den Schutz von Becherwerken werden das Gewicht und die Entlüftungseffizienz flammenfreier Entlüftungen berücksichtigt. Die relevanten Codes sind NFPA 61 – 2020 Abschnitt 9.3.14 und NFPA 68 – 2018 Abschnitt 8.8.

Explosionsunterdrückungssysteme sollen eine Deflagration im Anfangsstadium unterdrücken, bevor zerstörerischer Druck entstehen kann. Dies steht im Gegensatz zur Explosionsdruckentlastung, bei der die Verpuffung vollständig ablaufen kann, während die Ausrüstung den Verbrennungstemperaturen ausgesetzt wird.

Explosionsunterdrückungsgeräte sind so konzipiert, dass sie innerhalb von Millisekunden auf das Signal reagieren, das von Druck- oder Flammendetektoren erzeugt wird, die den Prozess überwachen. Dies führt dazu, dass Explosionsunterdrücker schnell ein Flammenlöschmittel wie Natriumbicarbonat in die geschützten Gerätevolumina abgeben. Dies stoppt die Explosion bereits in ihren Anfängen und führt zu einem verringerten Explosionsdruck, der für die geschützte Ausrüstung ungefährlich ist. „Stellen Sie sich Explosionsunterdrückung wie einen Feuerlöscher vor, der automatisch, aber mit etwa 1.000-facher Geschwindigkeit auslöst“, erklärt Nixon.

Unterdrückungssysteme können wünschenswert sein, da die Geschwindigkeit der Reinigung und Umrüstung eine schnelle Rückkehr zur Produktion ermöglicht. Beim Entlüften oder flammenfreien Entlüften entfaltet sich die Explosion vollständig in der Prozessausrüstung und erfordert eine Reinigung, die Eindämmung von Brandschäden und anderen Folgen, die Zeit brauchen, um den Prozess wieder in Betrieb zu nehmen.

Die Unterdrückungsschutzmethode wird häufig bei zweischenkligen Becherwerken angewendet, die bei der Getreideförderung eingesetzt werden. Die Explosionserkennung schützt den Kopf- und Fußbereich des Aufzugs und isoliert Schäden an den Beingehäusen, Einspeisepunkten, Auslasspunkten und Staubabsaugpunkten durch Verwendung.

Die Unterdrückung von einbeinigen Becherwerken ist auch bei Getreideanwendungen praktisch, obwohl das offene Innenvolumen zwischen Stiefel und Kopf zusätzliche Löschmittel-Einspritzpunkte erfordert. Am wichtigsten ist, dass Unterdrückungssysteme unabhängig davon, ob sie auf ein zweisträngiges oder einsträngiges Becherwerk angewendet werden, eine Explosionsisolierung enthalten, um die Ausbreitung einer Explosion auf verbundene Gerätevolumina wie Silos zu verhindern.

Die Explosionsisolierung ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Explosionsschutzstrategie. Die Ausbreitung einer Staubexplosion kann zu sekundären Ereignissen in angeschlossenen Geräten führen, die zerstörerischer sein können als das ursprüngliche Ereignis. Für alle Prozessverbindungen wie Einlasskanäle, Auslasskanäle und Staubabsaugpunkte sollte eine Isolierung in Betracht gezogen werden.

Obwohl die Explosionsisolierung ein Bestandteil von Explosionsunterdrückungssystemen ist, ist sie kein wesentliches Merkmal von Explosionsdruckentlastungssystemen. Bei der Auswahl von Explosionsentlastungen zum Explosionsschutz muss eine Möglichkeit zur chemischen oder mechanischen Isolierung in Betracht gezogen werden, um die Ausbreitung der Explosion auf miteinander verbundene Prozessvolumina über Einlasskanäle, Auslasskanäle, Förderbänder und Staubabsaugpunkte zu verhindern. Informationen zu konformen Lösungen finden Sie in NFPA 69 und im Abschnitt 9.7.4 von NFPA 61-2020.

Während es für den Eigentümer/Betreiber verlockend sein kann, die Anwendung eines Teilschutzes für ein Prozesssystem in Betracht zu ziehen, muss darauf geachtet werden, das Risiko sowohl von als auch für angeschlossene Geräte zu kontrollieren. Ein ungeschütztes Gerät kann die Achillesferse eines Anlagenschutzplans sein.

Für Getreide- und Lebensmittelverarbeiter gibt es viele wichtige Entscheidungen, die über das DHA hinausgehen, wenn es um die Auswahl von Geräten zur Verhinderung, zum Schutz und zur Eindämmung von Staubexplosionen angesichts der gefährdeten Bereiche geht. Die Schutzmethoden, relevante NFPA-Codes, andere gesetzliche Anforderungen und die Art des verarbeiteten Materials sind ebenso wichtig, wenn Sie Entscheidungen über die am besten geeignete Lösung für Staubexplosionen in Ihrer Anlage treffen.

Durch sorgfältige Beachtung der Staubexplosionsminderung und -isolierung in der Verarbeitungsausrüstung kann jedoch der Schutz sowohl des Anlagenpersonals als auch der Infrastruktur gewährleistet werden. Dadurch wird auch das Potenzial vermeidbarer Produktions- und Betriebsunterbrechungen begrenzt und die Sicherheit der Arbeitnehmer im Katastrophenfall gewährleistet.

Del Williams ist ein technischer Redakteur mit Sitz in Torrance, Kalifornien.

Er schreibt über Gesundheits-, Geschäfts-, Technologie- und Bildungsthemen.

und hat einen MA in Englisch von der CSU Dominguez Hills.