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Minimale Zündenergie von Stäuben

Physikalische Bedeutung und Verwendung der MZE bei der Risikobewertung von Pulvern

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Definition der **MZE**
2. Bestimmung der **MZE**
3. Typische MZE-Werte
4. Verwendung in der Risikobewertung
5. MZE häufiger Stäube

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1. Definition der MZE

Was ist die MZE eines Pulvers?

Die **Minimale Zündenergie (MZE)** ist von entscheidender Bedeutung für die Analyse von Staubexplosionsrisiken, da sie zeigt, wie leicht eine Staubwolke entzündet werden kann. Die MZE entspricht der **minimalen Energie, die durch einen Funken** in eine Staubwolke definierter Konzentration eingebracht werden muss, um diese zu entzünden, gemäß einem spezifischen experimentellen Verfahren [Laurent].

2. Experimentelle Bestimmung der MZE

Wie wird die Minimale Zündenergie einer Staubwolke gemessen?

Die MZE wird experimentell bestimmt. Das Experiment besteht darin, das zu prüfende Pulver in einer **Wirbelschicht** mit einer Konzentration zwischen der **minimalen Explosionskonzentration (MEK)** und der **maximalen Explosionskonzentration (MAK)** in Schwebe zu bringen (die Bestimmung dieser Konzentration kann zusätzliche Versuche erfordern) und anschließend eine Zündung zu versuchen. Es kann erforderlich sein, die Partikelgrößenverteilung vor dem Test zu standardisieren [Glor]: Staub mit Partikeln kleiner als 63 Mikrometer wird in der europäischen Norm und in verschiedenen Forschungsarbeiten erwähnt. Dies ist wichtig, da die MZE mit abnehmender Partikelgröße sinkt. Selbst wenn das Produkt eine Größe von über 63 Mikrometer aufweist, können **Schüttguthandhabungsvorgänge** wie pneumatischer Transport zur Bildung feiner Stäube führen [Glor]. Die Feuchtigkeit, ein wichtiger Faktor bei Staubexplosionen, sollte ebenfalls für den Test standardisiert werden [EN13821].

Funken werden anschließend durch Elektroden erzeugt.Abhängig von der eingebrachten Energie können die Funken eine Explosion auslösen oder nicht.

Die MZE ist die **kleinste an den Elektroden gemessene Energie, die bei der getesteten Konzentration eine Explosion des Pulvers auslöst**. Niedrigere Energien lösen keine Explosion aus.

Um repräsentativ zu sein, müssen solche Versuche von **anerkannten Prüfinstituten mit einem klaren Protokoll** durchgeführt werden (Beispiele: ASTM E2019 in den USA, IEC 1241-2-3 oder EN 13821 in Europa). Auch das in der Norm genannte Prüfgerät ist wichtig, da die Werte je nach Gerät leicht variieren können (z. B. MIKE 3 und HARTMANN-Rohr [Janes]). Viele Parameter können das Ergebnis der MZE-Messung beeinflussen, daher ist es ratsam, sich an **professionelle Institute** zu wenden.

Es ist zudem zu beachten, dass die MZE mit und ohne Induktivität im Prüfgerät getestet werden kann [Janes]. Tests mit Induktivität sind konservativ und sollten den niedrigsten möglichen MZE-Wert liefern. Falls die Prozessbedingungen jedoch genau bekannt sind und nur Risiken durch elektrostatische Funken bestehen, kann es sinnvoll sein, mit dem Prüfinstitut zu besprechen, ob die MZE **ohne Induktivität** relevanter wäre. Falls andere Zündquellen berücksichtigt werden müssen oder die Prozessbedingungen unklar sind, bieten Tests **mit Induktivität** größere Sicherheitsspielräume.

3. Typische MZE-Werte

Welche MZE-Werte bergen ein signifikantes Staubexplosionsrisiko?

Die MZE liegt typischerweise im Bereich von **1 mJ bis 1000 mJ** [Janes]. Je niedriger die MZE, desto höher ist das Explosionsrisiko, da bereits eine sehr geringe Energiezufuhr eine Staubwolkenexplosion auslösen kann.

MZE **< 3 mJ** erfordert **spezifische Schutzmaßnahmen**, da der Staub **extrem zündempfindlich**ist. Einige Anlagenhersteller lehnen Projekte mit derart niedrigen MZE-Werten ab, da sie selbst auf kleine Funken extrem empfindlich reagieren.

MZE **≥ 3 mJ** erfordert **besondere Aufmerksamkeit und Maßnahmen** bei der Verarbeitung des Pulvers, insbesondere im Hinblick auf Risiken wie statische Elektrizität, mechanische Funken usw.

Jeder Betreiber muss eine **Staubexplosionsrisikoanalyse** durchführen, um die mit einem bestimmten Material in einem bestimmten Prozess verbundenen Risiken zu bewerten und notwendige Vorsichts- und Schutzmaßnahmen zu ergreifen.

Welche Parameter beeinflussen die MZE?

Die Art des Materials ist natürlich einer der Parameter, die die MZE erhöhen oder verringern. Manche Materialien sind leichter entzündbar als andere und weisen eine niedrigere MZE auf. Auch die **Feuchtigkeit** und die Temperatur spielen eine wichtige Rolle. Ein **entscheidender Parameter** ist jedoch die **Korngröße des Pulvers** . Die MZE variiert nämlich mit der dritten Potenz des Partikeldurchmessers:MZE = f(d

^³)

Das bedeutet: Je kleiner die Partikel sind, desto niedriger ist die MZE und desto empfindlicher reagiert der Staub auf eine Zündquelle. Diese Abhängigkeit ist wichtig, um die Schwankungen der MZE zu verstehen, die bei Tests desselben Materials auftreten können: Ingenieure, die sich mit Explosionsrisiken befassen, haben möglicherweise festgestellt, dass verschiedene Quellen unterschiedliche MZE-Werte für dasselbe Material angeben.

Dies ist oft auf die **getestete Partikelgröße** zurückzuführen. Prüfinstitute versuchen, das Pulver für Tests auf unter 63 Mikrometer zu bringen, jedoch wird dieser Wert nicht exakt erreicht, und der tatsächliche mittlere Partikeldurchmesser der Probe variiert. Da MZE = f(d^³) bedeutet dies, dass bereits kleine Schwankungen der Partikelgröße einen starken Einfluss auf die MZE haben. Es wird daher empfohlen, bei der Durchführung oder dem Vergleich von Tests die **tatsächlichen d50- und d90-Werte** der getesteten Probe zu ermitteln, damit die Ergebnisse korrekt interpretiert und der richtige MZE-Wert ausgewählt werden kann.

4. Verwendung in der Risikobewertung

Wie lassen sich Staubexplosionsrisiken anhand der MZE bewerten?

Die MZE ist ein **Schlüsseldatum** für die Bewertung jeder Zündquelle, da die von der Zündquelle freigesetzte Energie je nach Höhe im Vergleich zur MZE eine Explosion auslösen kann oder nicht.

Im Rahmen einer Risikobewertung ist es erforderlich, die von der Zündquelle freigesetzte Energie zu berechnen, beispielsweise für folgende Zündquellen:

• Funkenentladung
• Bürstenentladung
• Koronaentladung
• Fortschreitende Bürstenentladung
• Kegelentladungen
• Mechanische Funken
• usw...

Es ist ebenfalls SEHR wichtig zu überprüfen, ob das Gas im Staub-/Gas-Gemisch ausschließlich Luft ist oder ob möglicherweise brennbare Gase oder Lösemittel vorhanden sind. Tatsächlich kann ein brennbares Gas die MZE (Mindestzündenergie) des Gemischs drastisch reduzieren und die Situation extrem gefährlich machen. [Glor]. Dies sollte in der Risikoanalyse bestimmt werden.

5. MZE häufiger Stäube

Nachfolgend finden Sie einige in der Literatur angegebene MZE-Werte.

WARNUNG: Dies sind allgemeine Richtwerte ohne Gewähr. Eine Risikobewertung und Auslegung MUSS IMMER auf das Sicherheitsdatenblatt (SDB) des TATSÄCHLICH verwendeten Produkts Bezug nehmen, wobei spezifische Tests am TATSÄCHLICHEN Material durch ein renommiertes Institut durchgeführt werden müssen.

Ergebnisse aus verschiedenen Quellen können variieren, da die Testverfahren sehr empfindlich auf viele Parameter reagieren (siehe oben), daher ist besondere Vorsicht geboten, um zu prüfen, unter welchen Bedingungen die Stäube getestet wurden, und ggf. sind zusätzliche Tests erforderlich..

Tabelle 1: Mindestzündenergie (MZE) gängiger Materialien in mJ, in Luft

Eine häufig gestellte Frage lautet: Wie hoch ist die MZE einer Pulvermischung? Tatsächlich verarbeiten viele Industrien Mischungen als Endprodukt (Pharmazie, Lebensmittelverarbeitung), daher ist es notwendig, die MZE der Mischung zu bewerten.

Die Berechnung der MZE einer Mischung ist tatsächlich nicht einfach,obwohl in der Literatur einige Modelle vorgeschlagen wurden [Bisel]. Aus dieser Studie geht hervor, dass die MZE der Mischung scheinbar von der Komponente mit der niedrigeren MZE bestimmt wird, bis ein Mindestanteil von 50 Gew.-% einer "inerten" Komponente (oder zumindest einer Komponente mit höherer MZE) erreicht ist, und in einigen Fällen bis zu 80 % des Inertanteils in der Mischung. Die Studie zeigt, dass dies tatsächlich auf den Feinanteil zurückzuführen sein kann: Wenn die Mischung einen hohen Anteil an Feinpartikeln aufweist, bestimmen diese die MZE der Mischung. Gehören die Feinpartikel zur Komponente mit der niedrigeren MZE, so wird die resultierende MZE der Mischung niedrig sein.

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Quellen
# [Laurent] Sicherheit chemischer Verfahren, André Laurent, Tec & Doc, 2003, Seite 241
# [Glor] Zündgefahr durch statische Elektrizität in partikulären Prozessen, Martin Glor, Powder Technology, 135-136, 2003
# [EN13821] Europäische Norm EN13821:2002 – Potenziell explosionsfähige Atmosphären – Explosionsschutz
und Prävention – Bestimmung der Mindestzündenergie von Staub/Luft-Gemischen
# [Janes] MIKE 3 vs. HARTMANN-Apparat: Vergleich der gemessenen Mindestzündenergie (MZE), Journal of Hazardous Materials, Elsevier, 2008, 152 (1), S. 32-39.
# [Mills] Pneumatic Conveying Design Guide, David Mills, Butterworth Heinemann, 2004, Seite 577

# [Bisel] Die Mindestzündenergie von Pulvermischungen, Bisel et al., Chemical Engineering Transactions, 2016