Staubexplosion

Eine Staubexplosion ist die schlagartige Verbrennung von feinem, brennbarem Staub, der als Wolke in der Luft schwebt und durch eine Zündquelle zur Entzündung kommt. Die explosionsartige Verbrennung des Staub-Luft-Gemischs erzeugt in geschlossenen Anlagen einen Explosionsdruck von bis zu 10 bar.

Sachversicherer gehen davon aus, dass sich in Deutschland im Schnitt jeden Tag eine Staubexplosion ereignet. Lesen Sie, wie eine Staubexplosion entsteht und abläuft und welche ATEX-Vorgaben und Schutzmaßnahmen Ihren Betrieb absichern.

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Was ist eine Staubexplosion?

Eine Staubexplosion ist eine sehr schnelle Verbrennung fein verteilter fester Partikel in der Luft, bei der sich die entstehenden heißen Gase schlagartig ausdehnen. Den eigentlichen Schaden richtet dabei weniger die Flamme an als der plötzliche Druckanstieg, der Behälter, Rohrleitungen und Gebäude zerreißen kann.

Physikalisch ist die Explosion eine Deflagration, also eine Verbrennung, deren Flammenfront sich langsamer als der Schall ausbreitet. Wie heftig die Staubexplosion ausfällt, bestimmt vor allem der räumliche Einschluss: Im geschlossenen Filtergehäuse oder Silo baut sich der volle Explosionsdruck auf, im offenen Raum endet eine kleine Staubwolke oft als Verpuffung.

Welche Stoffe zündfähige Stäube mit Explosionsgefahr bilden, klärt die Gefährdungsbeurteilung. Brennbarer Staub allein explodiert jedoch nie, denn erst das Zusammentreffen mehrerer Bedingungen macht aus einer Staubwolke eine Gefahr.

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Wie entsteht eine Staubexplosion?

Eine Staubexplosion entsteht, wenn brennbarer Staub fein verteilt in der Luft schwebt, seine Konzentration die untere Explosionsgrenze überschreitet und eine wirksame Zündquelle hinzukommt. Erfolgt die Zündung in einem geschlossenen Raum oder Behälter, baut sich der Explosionsdruck in Millisekunden auf.

Die Voraussetzungen einer Staubexplosion fasst der Explosionsschutz im Explosionspentagon zusammen, das fünf gleichzeitig erfüllte Bedingungen verlangt:

• Brennbarer Staub: organische Stoffe wie Holz, Mehl und Zucker oder Metallstäube aus Aluminium und Magnesium.
• Sauerstoff: meist der Luftsauerstoff.
• Feine Verteilung: aufgewirbelter Staub, der mit der Luft ein zündfähiges Gemisch bildet.
• Zündquelle: Funken, heiße Oberflächen, Flammen oder elektrostatische Entladungen.
• Räumlicher Einschluss: ein Behälter, Filter, Silo oder Raum, in dem sich der Druck aufbauen kann.

Fehlt eine einzige dieser Bedingungen, bleibt die Staubexplosion aus.

Ab wann kann brennbarer Staub eine Staubexplosion auslösen?

Brennbarer Staub kann eine Staubexplosion auslösen, wenn er Partikel unter 0,5 Millimetern enthält und in einer Konzentration oberhalb der unteren Explosionsgrenze in der Luft schwebt. Unterhalb von etwa 20 Gramm pro Kubikmeter gilt ein Staub-Luft-Gemisch in der Regel noch nicht als zündfähig.

Die BG ETEM hält eine Explosionsgefahr für nicht ausschließbar, sobald mehr als 5 Gewichtsprozent eines Staubs feiner als 500 Mikrometer sind. Je feiner der Staub, desto größer seine reaktive Oberfläche und desto heftiger die Verbrennung. Großflächige Staubschichten gelten ab einer Dicke von mehr als einem Millimeter als gefährliche Menge, weil sie aufgewirbelt das Volumen einer ganzen Halle mit einer explosionsfähigen Wolke füllen können.

Warum ist Mehlstaub für eine Staubexplosion so gefährlich?

Mehlstaub ist für eine Staubexplosion so gefährlich, weil er aus Stärke und Eiweiß und damit aus brennbarem organischem Material besteht und als feines Pulver eine sehr große Oberfläche bietet. In der Luft verteilt, entzündet sich Mehl schlagartig, als Haufen verkohlt es nur langsam.

Die schwerste Mehlstaubexplosion in Deutschland ereignete sich am 6. Februar 1979 in der Rolandmühle in Bremen. Ein Kabelbrand löste eine Kette kleinerer Explosionen aus, bei der 14 Menschen starben und 17 zum Teil schwer verletzt wurden. Für Mühlen und Bäckereien bedeutet feiner Staub aus Weizen- und Roggenmehl ein doppeltes Risiko für Atemwege und Sicherheit.

Ist ein Staub einmal gezündet, verläuft die Staubexplosion selten als einzelner Knall, und gerade dieser mehrstufige Ablauf macht sie so zerstörerisch.

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Wie läuft eine Staubexplosion ab?

Eine Staubexplosion läuft meist in zwei Stufen ab: Eine erste, oft kleine Primärexplosion erzeugt eine Druckwelle, die abgelagerte Staubschichten aufwirbelt. Diese neue Staubwolke zündet an der nachfolgenden Flamme und löst eine deutlich stärkere Sekundärexplosion aus.

Der typische Verlauf einer Staubexplosion in einer Produktionsanlage folgt einer Kettenreaktion aus fünf Schritten:

1. Zündung: Staub entzündet sich in einer Mühle, einem Becherwerk oder einem Filter.
2. Primärexplosion: Der Druck steigt in Millisekunden an und reißt Gehäuse, Klappen oder Rohrleitungen auf.
3. Aufwirbelung: Die Druckwellen laufen der Flamme voraus und wirbeln Staub von Trägern, Rohren und Maschinen auf.
4. Sekundärexplosion: Die Flamme zündet die neue, oft um ein Vielfaches größere Staubwolke.
5. Brand: Glimmnester und brennende Ablagerungen entfachen Folgebrände in Silos und Gebäuden.

Was ist eine Sekundärexplosion bei einer Staubexplosion?

Eine Sekundärexplosion ist die Folgeexplosion von Staub, den eine erste Explosion aufgewirbelt hat. Die Sekundärexplosion richtet in der Regel den Hauptschaden an, weil in Hallen, auf Trägern und in Kanälen weit mehr Staub lagert als im Inneren der Anlage.

In der Zuckerraffinerie von Imperial Sugar in Port Wentworth (USA) begann die Explosion am 7. Februar 2008 in einem gekapselten Förderband unter den Silos und zündete anschließend abgelagerten Zuckerstaub in den angrenzenden Gebäuden. Dabei starben 14 Beschäftigte, 36 wurden verletzt.

Ordnung und Sauberkeit in der Halle entscheiden über das Ausmaß einer Staubexplosion, die Zündquelle dagegen darüber, ob sie beginnt.

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Welche Zündquellen lösen eine Staubexplosion aus?

Eine Staubexplosion lösen in der Industrie vor allem heiße Oberflächen, mechanisch erzeugte Funken, Glimmnester, elektrostatische Entladungen und elektrische Anlagen aus. Die Norm DIN EN 1127-1 unterscheidet insgesamt 13 Arten, von Flammen über Blitzschlag bis zur Selbstentzündung durch exotherme Reaktionen.

In staubführenden Anlagen geht die Gefahr einer Staubexplosion vor allem von sechs Auslösern aus dem normalen Produktionsbetrieb aus:

• Heiße Oberflächen: heiß gelaufene Lager, Motoren, Trockner und Leuchten.
• Mechanische Funken: Fremdkörper wie Schrauben oder Steine in Mühlen sowie Funken beim Schleifen und Fräsen.
• Glimmnester: schwelende Staubablagerungen, die mit dem Materialstrom in Förderer und Filter gelangen.
• Elektrostatische Entladungen: Aufladung an Förderbändern, Kunststoffrohren und Filterschläuchen.
• Elektrische Anlagen: Funken an Schaltern, Steckverbindungen und beschädigten Kabeln.
• Offene Flammen: Schweiß-, Schneid- und Lötarbeiten in staubbelasteten Arbeitsbereichen.

Ob Funken oder heiße Oberflächen tatsächlich zünden, beschreiben die Mindestzündenergie und die Mindestzündtemperatur des Staubs. Feine Aluminiumstäube zünden nach dem BG RCI-Merkblatt T 054 schon unter 1 Millijoule, Zucker- und Milchpulver bei 10 bis 100 Millijoule, Weizenmehl erst oberhalb von 100 Millijoule.

Heiße Oberflächen dürfen höchstens zwei Drittel der Mindestzündtemperatur der Staubwolke erreichen und bei Staubschichten bis 5 Millimeter mindestens 75 Kelvin unter deren Glimmtemperatur bleiben. Welche Temperatur sich daraus ergibt, hängt vom jeweiligen Staub ab. Ein Beispiel: Ein Staub hat eine Mindestzündtemperatur der Wolke von 200 °C und eine Glimmtemperatur von 250 °C. Zwei Drittel von 200 °C sind 133 °C, 250 °C minus 75 Kelvin ergeben 175 °C. Der niedrigere der beiden Werte, 133 °C, bestimmt die maximal zulässige Oberflächentemperatur der Geräte. Weil sich Zündquellen in einer Produktion nie vollständig ausschließen lassen, zählt vor allem, an welchen Stellen einer Anlage sich explosionsfähiger Staub sammelt.

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Wo kommt es in der Industrie zu Staubexplosionen?

Staubexplosionen ereignen sich vor allem in Silos, Entstaubungsanlagen und Filtern, Mühlen sowie Förder- und Trocknungsanlagen, also überall dort, wo Staub dauerhaft aufgewirbelt oder gesammelt wird. In diesen Anlagenteilen ist die Gefahr am größten, weil dort Staubwolke, Einschluss und Zündquelle zusammentreffen.

Das Institut für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) ging in seiner Auswertung von fast 600 Fällen davon aus, dass gemeldete Fälle nur rund zehn Prozent der tatsächlichen Staubexplosionen abbilden, und beobachtete einen wachsenden Anteil von Entstaubungsanlagen am Explosionsgeschehen. Ein erhöhtes Risiko für Staubexplosionen tragen vor allem fünf Branchen:

• Holzverarbeitung: Schleif- und Frässtaub an Kanten- und Breitbandschleifmaschinen.
• Lebensmittel- und Futtermittelindustrie: Mehl-, Zucker-, Stärke- und Getreidestaub beim Mahlen, Fördern und Abfüllen.
• Metallverarbeitung: Schleifstaub aus Metallen wie Stahl, Magnesium und feinem Aluminium aus Polierprozessen.
• Kunststoff- und Chemieindustrie: Kunststoffe, Pulver und Pigmente bei der Verarbeitung in Mischern und Trocknern.
• Additive Fertigung: Metall- und Kunststoffpulver aus dem 3D-Druck.

Auslegung und Kosten der Schutzmaßnahmen hängen direkt davon ab, wie heftig eine mögliche Staubexplosion ausfallen würde.

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Wie stark ist eine Staubexplosion?

Die Stärke einer Staubexplosion beschreiben der maximale Explosionsdruck und der KSt-Wert, also die auf das Behältervolumen normierte maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit. Organische Stäube erreichen in geschlossenen Behältern meist einen Explosionsdruck von 7 bis 10 bar, bei einigen Metallstäuben liegt der Druck noch höher.

Anhand des KSt-Werts ordnet der Explosionsschutz jeden Staub einer von drei Staubexplosionsklassen zu, die über die Auslegung der Schutzsysteme entscheiden:

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Der KSt-Wert wird nach DIN EN 14034 in der 20-Liter-Kugel oder im 1-Kubikmeter-Behälter bestimmt und bildet die Grundlage, um Staubexplosionsklasse und Schutzsysteme festzulegen. Weil schon ein St-1-Staub im Filtergehäuse Stahlwände zerreißen kann, beginnt Explosionsschutz nicht bei der Druckentlastung, sondern bei der Vermeidung.

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Wie lässt sich eine Staubexplosion verhindern?

Eine Staubexplosion lässt sich verhindern, indem Unternehmen die Staubentwicklung und die Bildung explosionsfähiger Staub-Luft-Gemische vermeiden, wirksame Zündquellen ausschließen und die Auswirkungen einer Explosion konstruktiv begrenzen. Der Schutz vor Staubexplosionen baut nach den Technischen Regeln für Gefahrstoffe auf drei Ebenen auf, die in fester Rangfolge greifen:

• Primärer Explosionsschutz (TRGS 722): Absaugung direkt an der Entstehungsquelle, gekapselte Übergabestellen, regelmäßige Reinigung und Inertisierung, bei der Stickstoff den Sauerstoff verdrängt.
• Sekundärer Explosionsschutz (TRGS 723): ATEX-konforme Geräte, Erdung gegen elektrostatische Aufladung, Magnetabscheider gegen Fremdkörper und Funkenerkennung in Rohrleitungen.
• Konstruktiver Explosionsschutz (TRGS 724): Begrenzung der Auswirkungen, falls es trotzdem zur Explosion kommt.

Abgelagerten Staub entfernen Betriebe mit explosionsgeschützten Saugsystemen für die Industrie statt mit Besen oder Druckluft, die den Staub erneut aufwirbeln. Ein Reinigungsplan legt fest, wie oft Träger, Kabeltrassen und Maschinen gereinigt werden, bevor gefährliche Schichten entstehen.

Welche konstruktiven Schutzmaßnahmen begrenzen eine Staubexplosion?

Konstruktive Schutzmaßnahmen begrenzen eine Staubexplosion, indem sie Druck und Flamme aushalten, ableiten, unterdrücken oder abschotten, sodass Menschen und benachbarte Anlagenteile geschützt bleiben. Die TRGS 724 beschreibt vier kombinierbare Verfahren, die die Folgen einer Staubexplosion begrenzen:

• Explosionsfeste Bauweise: Behälter und Filtergehäuse halten dem maximalen Explosionsdruck stand.
• Explosionsdruckentlastung: Berstscheiben oder Entlastungsklappen öffnen und leiten Druck und Flamme in einen sicheren Bereich ab.
• Explosionsunterdrückung: Sensoren erkennen den Druckanstieg, und Löschmittel ersticken die Explosion innerhalb von Millisekunden.
• Entkopplung: Rückschlagklappen und Zellenradschleusen verhindern, dass sich die Explosion über Rohrleitungen in andere Anlagenteile ausbreitet.

Welche Maßnahmen ein Betrieb einsetzt, folgt aus den gesetzlichen Anforderungen an Anlagen mit brennbarem Staub.

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Welche ATEX-Richtlinien gelten zum Schutz vor Staubexplosionen?

Zum Schutz vor Staubexplosionen gelten in der EU die ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG für Betreiber und die ATEX-Produktrichtlinie 2014/34/EU für Hersteller von Geräten und Schutzsystemen. In Deutschland setzen die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) mit den Technischen Regeln TRGS 720 ff. die Betreiberrichtlinie um, die Explosionsschutzprodukteverordnung (11. ProdSV) die Produktrichtlinie.

Seit dem 30. Juni 2006 müssen nach der Richtlinie 1999/92/EG auch bestehende Arbeitsstätten in explosionsgefährdeten Bereichen deren Mindestvorschriften erfüllen. Zum Schutz vor Staubexplosionen ergeben sich aus den Regelwerken für Betreiber staubführender Anlagen vier zentrale Pflichten:

• Gefährdungsbeurteilung: Ermittlung, ob und wo explosionsfähige Atmosphären entstehen können, inklusive der Kennwerte der eingesetzten Stäube.
• Zoneneinteilung: Einteilung der Arbeitsbereiche in die Staub-Zonen 20, 21 und 22 nach Häufigkeit und Dauer explosionsfähiger Atmosphären.
• Geräteauswahl: Einsatz von Geräten der Kategorie 1D, 2D oder 3D passend zur jeweiligen Zone.
• Dokumentation: schriftliche Festlegung aller Ex-Schutzmaßnahmen vor Aufnahme der Tätigkeit und Aktualisierung bei maßgeblichen Änderungen.

Die Pflicht zum vorgeschriebenen Dokument für den Explosionsschutz folgt aus § 6 Abs. 9 GefStoffV. Je weniger Staub eine Anlage freisetzt, desto kleiner fallen die Ex-Zonen aus.

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Welche Rolle spielt die Absauganlage beim Schutz vor Staubexplosionen?

Eine industrielle Absauganlage senkt das Risiko von Staubexplosionen, indem sie den Staub direkt an der Entstehungsquelle erfasst, die Konzentration in der Halle unter der unteren Explosionsgrenze hält und gefährliche Staubschichten auf Trägern und Maschinen gar nicht erst entstehen lässt. Gleichzeitig sorgen Absauganlagen für saubere Luft und Gesundheit am Arbeitsplatz.

Absauganlagen zählen allerdings selbst zu den gefährdeten Anlagenteilen, denn im Filter sammelt sich dauerhaft feiner Staub, sein Inneres gilt häufig als Zone 20. Eine Absauganlage mit ATEX-Zertifizierung kombiniert die Erfassung des Staubs mit Druckentlastung am Filter, Entkopplung der Rohrleitungen und geerdeten, ableitfähigen Komponenten.

Wie zuverlässig eine zentrale Absauganlage für Produktionshallen Luftqualität und Explosionsschutz sichert, hängt davon ab, wie genau Erfassungsstellen, Rohrleitungsnetz und Filter auf den konkreten Staub ausgelegt sind.

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