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Beispiel einer DHA (NFPA 652)

Beispiel einer Staubgefahrenanalyse eines industriellen Pulverhandhabungsprozesses

Fragen oder Anmerkungen? Bitte kontaktieren Sie uns unter admin@powderprocess.net

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Was ist NFPA 652?
2. Ein Beispiel für eine DHA?

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1. DHA (NFPA 652)

Eine Die Staubgefahrenanalyse (DHA) ist gemäß NFPA 652 verpflichtend, diese Seite zielt darauf ab, ein Beispiel für eine DHA zu geben, das für Anlagenbetreiber nützlich sein kann, die ihre eigene Analyse durchführen müssen. In diesem Beispiel wird eine pneumatische Förderleitung für Mehle untersucht.

In den USA wurde ein Standard für Staubexplosionen von der NFPA veröffentlicht: der Standard NFPA 652. Dieser Standard ist verbindlich und verlangt insbesondere die Durchführung einer Staubgefahrenanalyse (DHA). Das Dokument (Stand Mai 2020) setzt eine Frist für die Fertigstellung der DHA bis zum 7. September 2020 und verlangt eine Überprüfung und Aktualisierung alle 5 Jahre. Eine nicht ordnungsgemäß durchgeführte DHA kann zu OSHA-Mahnbescheiden führen.

Details zu NFPA 652 und anderen Standards sowie Erklärungen, was eine DHA ist und wie sie durchgeführt wird, finden Sie auf dieser Seite: NFPA 652 – Staubgefahrenanalyse (DHA): Der Prozess der Staubgefahrenanalyse im Rahmen von NFPA 652

2. Ein Beispiel für eine DHA

Für dieses Beispiel betrachten wir eine Bäckerei mit einem kleinen industriellen Prozess zur Herstellung von Keksen. Der erste Schritt dieses Prozesses besteht darin, Mehlsäcke in den Prozess zu entleeren und das Weizenmehl zu einem Silo zu transportieren, von wo aus es dem Rest des Prozesses dosiert wird. Eine vollständige Analyse, die über das Silo hinausgeht, muss natürlich vom Anlagenbetreiber durchgeführt werden, aber für dieses Beispiel beschränken wir uns auf diesen ersten Prozessabschnitt, der manchmal auch als "Knotenpunkt" bezeichnet wird: das Material kippen, fördern und lagern.

Zur Erinnerung: Eine Staubgefahrenanalyse wird in den folgenden Schritten durchgeführt. Diese Schritte werden zur Untersuchung des gegebenen Beispiels befolgt.

Allgemeine Erklärungen zu Staubexplosionen und zur Staubgefahrenanalyse sind auf der Seite zusätzlich zu den Beispielbezügen zu finden. Zur besseren Verständlichkeit sind die tatsächlichen Elemente des DHA-Beispiels in Kästen dargestellt.

Die DHA-Analyse des Beispiels ist in Kästen wie diesem dargestellt

Warnung: Die folgende Analyse ist nur ein Beispiel zur Veranschaulichung einer Methode. Sie ist möglicherweise nicht erschöpfend und kann nicht als solche auf jeden Fall angewendet werden. Leser müssen ihre eigene, auf die Besonderheiten ihres Prozesses abgestimmte Studie durchführen.

2.1 Gefahrenidentifikation: Materialeigenschaften

Welche Materialien sind brennbar oder explosiv und wo befinden sie sich?

Der erste Schritt der DHA besteht darin, festzustellen, ob es brennbare Stäube im Prozess gibt und welche Eigenschaften sie aufweisen.

In diesem Fall ist Mehl brennbar, daher müssen seine Staubexplosionseigenschaften untersucht werden. Da Weizenmehl recht verbreitet ist, können in der Literatur Explosionskenndaten für dieses Material gefunden werden.

Zu beachten ist jedoch, dass bei weniger bekannten Materialien oder solchen mit spezifischen Eigenschaften (z. B. sehr fein) Tests in spezialisierten Instituten erforderlich sind, um die Explosionsdaten zu bestimmen.

Für das im Prozess des Unternehmens verwendete Weizenmehl Typ 405 wurden in der Literatur [IFA] folgende Werte gefunden: Für Partikelgröße < 63 Mikron (Medianwert = 30 Mikron) MIE (Mindestzündenergie) = > 30 mJ MIT (Mindestzündtemperatur der Staubwolke) = 400 °C SIT (Mindestzündtemperatur der Staubschicht) = 450 °C MEC (Mindestexplosionskonzentration) = 60 g/m³ Pmax (maximaler Explosionsdruck) = 8 bar Kst (Explosionskenngröße) = 125 Explosionsklasse: St1 Spezifischer elektrischer Widerstand : ~10^1012 Ohm·m [George]

Diese Daten sind der grundlegendste Satz, der für eine DHA erforderlich ist. In bestimmten Fällen können zusätzliche Daten erforderlich sein. Eine von der Europäischen Union finanzierte Datenbank mit über 7000 Stoffen ist online verfügbar unter: https://www.dguv.de/ifa/gestis/index-2.jsp. Bei der Nutzung der Datenbank wird man feststellen, dass für einen Stoff oft viele Daten verfügbar sind, der Nutzer muss daher sehr sorgfältig prüfen, unter welchen Bedingungen die Daten gewonnen wurden, um diejenigen auszuwählen, die am besten auf seine Anwendung zutreffen (Partikelgröße und Feuchtigkeit sind dabei besonders wichtig).

Würden auf derselben Linie andere Materialien verarbeitet, müssten für die Analyse dieselben Daten ermittelt und tabellarisch erfasst werden.

Zusätzlich zu den Materialeigenschaften sollten technische Unterlagen der Anlage gesammelt und aktualisiert werden. Fließbilder, Layouts und Gerätekenndaten sind erforderlich. In diesem Beispiel wird das folgende Fließbild betrachtet:

Der erste Schritt der DHA besteht darin, den Produktionsprozess abzubilden, um potenzielle Gefahrenstellen in Bezug auf Staubbrände und/oder -explosionen zu identifizieren. Es wird daher empfohlen, die DHA mit einem interdisziplinären Team durchzuführen, das die Arbeitsumgebung gut kennt und relevante Unterlagen (R&I-Fließbilder, Gerätedatenblätter und Zeichnungen usw.) bereitstellen kann. Das Team sollte eine Person umfassen, die über Fachwissen zu Gefahren durch brennbare Stäube verfügt.

Das die DHA durchführende Team muss zunächst Explosionsdaten (MIE, MIT, Kst, Pmax usw.) für die in der Anlage gehandhabten Stäube sammeln und dann die Bereiche auflisten, in denen brennbare Stäube vorhanden sind. Sobald die Anlage kartiert ist, muss die tatsächliche Gefahr bewertet werden.

2.2 Analyse der Gefahr

Wo ist Staub vorhanden? ?

Sobald die brennbaren Daten sowie die Prozessdaten gesammelt wurden, ist es notwendig, beide zu kombinieren, um zu prüfen, ob tatsächlich ein Risiko besteht. Dies bedeutet, die folgenden Fragen für jedes Gerät zu beantworten:

• Ist in diesem Bereich brennbarer Staub vorhanden?
• Kann der Staub in einer Staubwolke innerhalb der Mindestexplosionskonzentration vorliegen? Oder kann sich Staub in Schichten ansammeln?
• Ist ein Oxidationsmittel (typischerweise Sauerstoff) vorhanden?
• Gibt es eine Zündquelle? (Falls der Staub in Form einer Ablagerung vorliegt, kann die Zündquelle einfach eine Wärmequelle sein.)

Um diesen Teil der Analyse durchzuführen, muss man schrittweise durch den Prozess vorgehen, wobei typischerweise die verschiedenen Geräte betrachtet werden. In diesem Beispiel beginnen wir mit der Kippstation und fragen, ob in diesem Bereich Staub vorhanden ist:

Kann Staub in explosiver Konzentration vorhanden sein?	Innerhalb der Ausrüstung	Außerhalb der Ausrüstung
Kippstation	Ja Beim Entleeren der Mehlsäcke entsteht bei jedem Kippvorgang eine Staubwolke.	Ja Bei Fehlfunktion der Staubabsaugung oder wenn der Bediener Produkt verschüttet.
Drehschleuse (Zellenradschleuse)	Ja Die Drehschleuse arbeitet mit dem Pulver im Inneren.	Ja Staub kann z. B. bei Undichtigkeiten von der Kippstation auf die Schleuse fallen.
Pneumatische Förderleitung	Ja Während des Förderns, insbesondere beim Start und Stopp der Förderleitung, kann Staub in explosiver Konzentration in der Leitung vorliegen.	Ja Undichtigkeiten können an den Kupplungen der Rohrleitungen auftreten
Trichter	Ja Beim Fördern des Produkts bildet sich im Trichter eine Staubwolke	Ja Undichtigkeiten können an Mannlöchern, Verbindungen usw. auftreten

Es ist festzuhalten, dass überall, wo Pulver / Staub vorhanden ist, die Möglichkeit, dass der Staub in der Luft in explosiver Konzentration suspendiert ist, selten ausgeschlossen werden kann.

Zu beachten ist auch, dass der potenziell gefährdete Bereich außerhalb der Anlage auf den Bereich (typischerweise 1–2 m) um die potenzielle Staubemission begrenzt werden kann.

Gibt es Zündquellen?

Nachdem die Bereiche identifiziert wurden, in denen Staub vorhanden sein kann, ist es notwendig zu prüfen, ob sich in diesem Bereich eine Zündquelle befindet, die eine Explosion auslösen könnte. Folgende Zündquellen müssen berücksichtigt werden:

• Elektrostatische Aufladung
• Ansammlung elektrostatischer Elektrizität, die sich plötzlich entladen kann
• Elektrisch
• Funken von elektrischen Geräten
• Mechanisch
• Typischerweise Metall-Metall-Kontakte
• Wärmequelle
• Durch Arbeiten (Schweißarbeiten usw.)
• Durch Anlagenkomponenten (Motor mit hoher Temperatur, heißes Lager usw.)

Elektrostatische Aufladung

In einem Pulverhandhabungsprozess gibt es verschiedene Quellen für elektrostatische Entladungen: Funken: Zwei leitfähige Materialien sind auf zwei unterschiedlichen Potenzialen aufgeladen, bis es zu einer Entladung zwischen den Materialien kommt und ein Funke entsteht. Abhängig von der Größe der Teile kann die beteiligte Energie >50 mJ betragen, was für das in dieser Risikoanalyse betrachtete Weizenmehl eine Explosion auslösen kann. Alle in der Analyse berücksichtigten Anlagen können die Quelle einer solchen Entladung sein Bürstenentladung: Bürstenentladungen haben typischerweise eine niedrige Energie <5 mJ und stellen daher für das betrachtete Weizenmehl keine Gefahr dar Fortschreitende Bürstenentladung: Diese Entladungen treten auf, wenn die beiden Seiten einer nicht leitfähigen Materialschicht mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind. Die resultierende Entladung kann Energien >500 mJ freisetzen, was sie aus der Sicht einer Staubexplosion sehr gefährlich macht. Sie treten auf, wenn ein isolierendes Material in Kontakt mit schnell zirkulierendem Pulver gebracht wird, z. B. in einer pneumatischen Förderleitung. Koronaentladungen: Die Energie ist in der Regel sehr niedrig <1 mJ und sollte daher für das gehandhabte Weizenmehl kein Problem darstellen Kegelentladung: Diese Entladungen treten in Trichtern/Silos auf, in denen Schüttgüter gelagert werden, während sie aufgeladen sind, z. B. nach einem pneumatischen Transport. Die angesammelte Energie kann sich plötzlich entladen. Es ist möglich, den kritischen Durchmesser zu berechnen, ab dem ein Risiko bestehen kann.

	Funken	Bürstenentladung	Fortschreitende Bürstenentladung	Koronaentladung	Kegelentladung
Kippstation	Ja	Nein	Nein	Nein	Nein
Drehschleusenventil	Ja	Nein	Nein	Nein	Nein
Pneumatische Förderleitung	Ja	Nein	Ja	Nein	Nein
Trichter	Ja	Nein	Nein	Nein	Ja

Aus dieser ersten Analyse geht hervor, dass das Risiko von Funken zwischen zwei isolierten leitfähigen Materialien bei allen Anlagen besteht. Daher müssen alle Metallteile, die mit einer Pulverwolke in Kontakt kommen oder in deren Nähe (z. B. im identifizierten Bereich außerhalb der Anlage), geerdet werden. Im vorliegenden Beispiel führen wir eine Risikobewertung einer bestehenden Installation durch; die Ingenieure müssen dann die Anlage inspizieren, alle nicht geerdeten Teile dokumentieren und Maßnahmen zur Behebung festlegen. Befindet sich die Anlage in der Planungsphase, müssen die für die Planung verantwortlichen Ingenieure Erdungspunkte für alle Anlagen vorsehen.

Zu beachten ist, dass einige Anlagen besondere Aufmerksamkeit erfordern, insbesondere die Filter an der Kippstation und am Trichter/Silo. Die Filterkäfige müssen elektrisch mit dem Filterträger verbunden und der Filterträger geerdet sein. Viele Unfälle sind passiert, weil die Elemente eines Filters nicht ordnungsgemäß geerdet waren.

Das Team, das die Risikobewertung der Staubexplosion für die pneumatische Förderanlage durchführt, besichtigt die Anlage und stellt fest, dass mehrere Erdungspunkte fehlen und Staub um die Kippstation, auf dem Boden und am darunter liegenden Drehschleusenventil ausgetreten ist.

Das nächste durch die Analyse hervorgehobene elektrostatische Risiko ist die Gefahr einer fortschreitenden Bürstenentladung in der pneumatischen Förderleitung. In unserem Beispiel besteht die Leitung ausschließlich aus Stahl; es gibt keine Teile aus isolierendem Material wie z. B. einen Flexschlauch, der diese Art von Entladung verursachen könnte. Bei anderen Systemen, in denen Flexschläuche erforderlich sind, müssen diese jedoch so konstruiert sein, dass sie keine Ladungen ansammeln, insbesondere wenn der Schlauch eine leitfähige Spirale aufweist – diese MUSS geerdet werden.

Das letzte potenzielle Risiko ist die Kegelentladung im Empfangstrichter. In unserem Beispiel beträgt der Durchmesser des Empfängers nur 1 m, was sehr gering ist. Daher ist es äußerst unwahrscheinlich, dass eine solche Kegelentladung auftritt, zumal die MIE (Mindestzündenergie) des betrachteten Weizenmehls relativ hoch ist. Für andere Anwendungen mit unterschiedlichen Produkten oder Partikelgrößen steht jedoch eine Formel zur Verfügung, um die zu erwartende Energie einer Kegelentladung in Abhängigkeit vom Durchmesser des Trichters zu berechnen.

Elektrisch

Elektrische Komponenten, die innerhalb oder außerhalb – in Bereichen, in denen Staubwolken auftreten können – mit einer Staubwolke in Kontakt kommen können, müssen für den Betrieb in dieser Umgebung ausgelegt sein. Normen legen tatsächlich die Klasse der elektrischen Ausrüstung fest.

Im Beispiel einer bestehenden Anlage muss der Anlagenbetreiber die tatsächliche Kennzeichnung der elektrischen Komponenten in der Zone überprüfen, in der Staubwolken auftreten können. Falls diese nicht konform sind, müssen Maßnahmen ergriffen werden. Bei einem Planungsprojekt muss die richtige Geräteklasse bereitgestellt werden.

Das Team, das die Risikobewertung der Staubexplosion für die pneumatische Förderanlage durchführt, besichtigt die Anlage und überprüft die elektrische Ausrüstung in den Bereichen, in denen Staub vorhanden ist. Dabei stellen sie fest, dass das Drehschleusenventil ein altes Modell ist, dessen Motor keine Kennzeichnung für den Explosionsschutz in staubhaltiger Umgebung aufweist. Es ist lediglich mit IP54 gekennzeichnet.

Mechanisch

Einige mechanische Probleme können Funken oder ausreichend Hitze erzeugen, um eine Explosion auszulösen. Es ist erforderlich, insbesondere die rotierenden Teile zu prüfen, die mit einer Staubwolke in Kontakt kommen können. In diesem Beispiel gibt es zwei rotierende Anlagen: das Drehschleusenventil unter der Kippstation, das das Mehl in die pneumatische Förderleitung abgibt, und den Roots-Gebläse, der die Transportluft liefert.

Ein Drehschleusenventil kann ausfallen, was zu einem Metall-Metall-Kontakt zwischen Rotor und Stator führt. Eine Faustregel für Stahl besagt, dass Funken entstehen, wenn der Metall-Metall-Kontakt mit einer Geschwindigkeit >1 m/s auftritt. Im Beispiel muss der Anlagenbetreiber daher die maximale Umfangsgeschwindigkeit des Rotors des Drehschleusenventils berechnen. Liegt diese unter 1 m/s, ist das Risiko gering.

Das in diesem Beispiel untersuchte Ventil hat einen Durchmesser von 200 mm und dreht sich mit 40 U/min, was einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,42 m/s entspricht – der Betrieb ist daher unkritisch.

In der Planungsphase muss der Durchmesser des Drehschleusenventils so gewählt werden, dass die geforderte Kapazität erreicht wird, während die Umfangsgeschwindigkeit des Ventils <1 m/s bleibt.

Die Rotoren des Roots-Gebläses drehen sich sehr schnell, typischerweise mit 3000 U/min. Jede Fehlausrichtung kann daher zu Metall-Metall-Kontakt und Funkenbildung führen, die in die Förderleitung gelangen könnten. Erfahrungen zeigen, dass diese Funken oft in der Leitung zwischen Gebläse und Produkteintritt erlöschen. Um dieses Risiko auszuschließen, kann am Auslass des Gebläses ein Flammendurchschlagsicherung (eine Art Sieb) installiert werden.

In unserem Beispiel ist das Gebläse mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet.

Wärmequelle

Anlagenbetreiber müssen bewerten, ob es in den Bereichen, in denen Staubwolken auftreten können, Wärmequellen gibt. Dies können z. B. Werkstätten mit Schneide- oder Schweißarbeiten in der Nähe einer Kippstation sein. Auch Wartungsarbeiten an der Anlage können besonders gefährlich sein. Daher MUSS der Anlagenbetreiber für eine gute Haushaltsführung sorgen (sicherstellen, dass sich nirgendwo in der Anlage Staubablagerungen befinden) und eine Arbeitserlaubnis mit Feuererlaubnis einführen, um zu verhindern, dass jemand in der Nähe oder an Anlagen, die brennbare Pulver verarbeiten, Schweiß-/Schneidearbeiten durchführt.

Im Beispiel führt der Anlagenbetreiber keine Heißarbeiten in der Nähe der betrachteten Anlagen durch und hat ein effizientes System aus Verfahren und Arbeitserlaubnissen eingeführt, um alle Eingriffe vor Ort abzusichern. Die Anlage ist außerdem mit Industriesaugern ausgestattet, die eine saubere Umgebung gewährleisten.

Weitere mögliche Wärmequellen sind überhitzte Motoren oder mechanische Bauteile wie Lager.

Im Beispiel muss der Motor des Drehschleusenventils so ausgelegt sein, dass seine maximale Temperatur unter 2/3*MIT = 2/3*400 = 266 °C oder SIT-75 °C = 450–75 = 375 °C liegt. Das bedeutet, dass der Motor eine Temperatur von >266 °C nicht überschreiten darf.

Gleiches gilt für die Lager der Drehschleusenventile, die ebenfalls gespült werden müssen, um zu verhindern, dass Produkt in das Lager eindringt, es beschädigt und möglicherweise in Brand gerät, falls das Lager zu überhitzen beginnt.

In unserem Beispiel ist der Motor von ausreichender Klasse, da er 185 °C nicht überschreiten kann.

Gefahren klassifizieren

Die von der Anlage ausgehenden Gefahren wurden überprüft. Nun müssen sie klassifiziert werden, um zu ermitteln, ob spezifische Maßnahmen erforderlich sind, um das Risiko zu verringern. Verschiedene Matrizen zur Klassifizierung von Risiken existieren; die folgende ist nur ein Beispiel.

Wir setzen unser Beispiel der pneumatischen Förderanlage für Mehl fort. Nach Analyse der möglichen Explosionsrisiken verbleiben folgende Risiken: Elektrostatische Funken aufgrund unzureichender Erdung der Anlage (A) Der Motor des Drehschleusenventils ist nicht für den Betrieb in staubhaltiger Umgebung ausgelegt (B)

	Unwahrscheinlich	Sehr selten	Selten	Wahrscheinlich	Sehr wahrscheinlich
Katastrophal
Gefährlich				A
Erheblich			B
Geringfügig

Das Team entscheidet folgende Bewertungen: Gefährlich / Wahrscheinlich -> inakzeptables Risiko für Funkenentladung durch elektrostatische Aufladung. Die betrachtete Tätigkeit umfasst tatsächlich erhebliche Pulverbewegung beim Kippen und in der pneumatischen Förderleitung. Diese Pulverbewegung lädt die kontaktierenden Materialien auf; falls einige dieser Materialien isoliert sind, kann es zu Funkenentladungen kommen, die zu einer Explosion mit dem Mehl führen. An der Kippstation oder in der pneumatischen Förderleitung können die Folgen einer Explosion gefährlich sein. Für den Motor der Zellenradschleuse ist das bewertete Risiko geringer, da der Motor immer noch die Schutzart IP54 aufweist, die einen grundlegenden Schutz bietet. Eine potenzielle Explosion würde zudem außerhalb der Prozessausrüstung stattfinden. Nach der Klassifizierung der Risiken ist es dennoch erforderlich, diese zu reduzieren, da beide Risiken in der verwendeten Risikobewertungsmatrix als "nicht akzeptabel" eingestuft wurden.

2.3 Umgang mit der Gefährdung

Welche Schutzmaßnahmen sind umzusetzen?

Das Risiko elektrostatischer Funken kann durch einfache Erdung aller Ausrüstung und die Sicherstellung der dauerhaften Erdungsverbindung gemanagt werden.

Die Fabrik im Beispiel entsendet umgehend das Wartungsteam, um die fehlende Erdung wiederherzustellen und dokumentiert als Maßnahme die Erstellung einer Erdungs-Checkliste, die regelmäßig verwendet wird, um sicherzustellen, dass alle Erdungskabel langfristig intakt bleiben. Dies reduziert das Risiko, indem die Wahrscheinlichkeit einer Explosion auf "sehr selten" gesenkt wird. Für den Motor der Zellenradschleuse entscheidet sich die Fabrik, diesen zu ersetzen, da er ohnehin veraltet ist und mehr Wartung erfordert. Bis zum Austausch werden Übergangsmaßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, dass der Bereich sauber bleibt, kein Staubaustritt beim Kippen erfolgt und die Anschlussdose des Motors dicht ist. Innerhalb von 2–3 Monaten wird der Motor ersetzt.

In beiden Fällen besteht die Strategie darin, die Zündquelle zu vermeiden. Die Risikomatrix kann anschließend mit den neuen Bewertungen aktualisiert werden, sobald die Maßnahmen umgesetzt wurden.

	Nicht wahrscheinlich	Sehr selten	Selten	Wahrscheinlich	Sehr wahrscheinlich
Katastrophal
Gefährlich		A
Erheblich	B
Geringfügig

Hinweis: In bestimmten Fällen können zusätzliche Minderungsmaßnahmen erforderlich sein, wie z. B. Explosionsschutzklappen am Silo oder Schnellschlussventile in der pneumatischen Förderleitung.

Die Schlussfolgerungen MÜSSEN im DHA (Dust Hazard Analysis) dokumentiert werden, und die Fabrik MUSS die Schlussfolgerungen umsetzen. Für die Sicherheit ist es entscheidend, dass die Risiken angemessen adressiert werden, ein Aktionsplan definiert und zeitnah ausgeführt wird.

Denken Sie stets daran, dass Staubexplosionsanalysen (DHA) verpflichtend sind und Schlussfolgerungen der Risikoanalyse von der Fabrik umgesetzt werden müssen.