FSA Forschungsgesellschaft fr angewandte Systemsicherheit und Arbeitsmedizin e.V. Dynamostrae 7 11, D-68165 Mannheim Projekt: Konstruktiver Explosionsschutz von Elevatoren Projekt-Nr.: F-05-0701 Experimentelle Untersuchungen: Versuchsanlage der BGN/FSA, Ganseck 4, 77876 Kappelrodeck Datum der Untersuchungen: 18.05.2007 26.11.2007 02.09.2008 09.10.2008 (Malzstaub 2) 18.06.2009 24.06.2009 (zustzliche Versuche mit Maisstrke) Versuchs- durchfhrung: W. Fischer, M. Roth, H. Wolf, Dr. Roser

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Gliederung Seite Kurzfassung / Abstract 4

1. Einfhrung 4

2. Kenntnisstand und Zielsetzung 5

3. Versuchsaufbau 7

4. Explosionstechnische Untersuchungen 10

4.1 Charakteristische Kenngren der verwendeten St ube 10

4.2 Versuchsdurchfhrung 10

4.3 Versuchsergebnisse 12

4.3.1 Ergebnisse mit Weizenmehl Typ 550 12

4.3.2 Ergebnisse mit Malzstaub 1 16

4.3.3 Ergebnisse mit Malzstaub 2 18

4.3.4 Ergebnisse mit Maisstrke 19

5. Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 21 6. Literaturhinweise 26

7. Anhang 28

7.1 Bilddokumentation

7.2 Messergebnisse

7.3 Zeitliche Druck- und Flammenverlufe von ausgew hlten Versuchen

7.4 Weitere Informationen zu den Kennzahlen der ver wendeten Stuben

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Kurzfassung Becherelevatoren werden in groer Zahl fr die Senkrechtfrderung brennbarer Schttgter eingesetzt. In Abhngigkeit der Betriebsbedingungen muss im Innern sowohl mit dem Auftreten explosionsfhiger Staub/Luft-Gemische als auch mit wirksamen Zndquellen gerechnet werden. Manahmen zur Zndquellenvermeidung reichen fr den sicheren Betrieb oft nicht aus, so dass zustzliche konstruktive Schutzmanahmen ergriffen werden mssen. Weil keine ausreichende Grundlage fr die Auslegung der explosionsfesten Bauweise in Verbindung mit Explosionsdruckentlastung vorhanden ist, wurden auf dem Versuchsgelnde der BGN und der FSA in Kappelrodeck Explosionsversuche im Gromastab durchgefhrt. Die Vorgehensweise wird beschrieben und die Ergebnisse werden vorgestellt. Abstract Bucket elevators are widely used for the vertical conveying of combustible bulk materials. Depending on the operating conditions the occurrence of explosible dust/air mixtures as well as potential ignition sources has to be assumed. In many cases measures for the prevention of ignition sources are not sufficient, so additional design features for safety must be taken. Because there was no sufficient data base to design explosion resistant bucket elevators in combination with explosion venting, large scale tests were carried out on the test site of BGN and FSA in Kappelrodeck. The tests will be described and the results presented. 1 Einfhrung Elevatoren sind Gerte fr die Senkrechtfrderung von Schttgtern. Sie werden in unterschiedlichen Ausfhrungen hergestellt, wobei fr die Frderung von Schttgtern mit einem Schttgewicht kleiner als 1 kg / dm, und hierunter fallen im Allgemeinen die brennbaren Schttgter, zumeist Becherelevatoren eingesetzt werden. Als Zugmittel kommen Ketten oder Gurtbnder in Betracht, an denen die Becher montiert sind. Bei Schttgtern mit einem Schttgewicht < 1 kg / dm werden im Allgemeinen Gurtbnder verwendet. Die vorliegenden Untersuchungen beziehen sich auf Becherelevatoren mit Doppelschacht (Frder- und Rcklaufschacht) und mit Gurtband als Zugmittel. Die Gurtbnder werden durch Reibschluss ber eine Umlenktrommel im Elevatorkopf angetrieben. Diese Bauart ist in der Praxis am hufigsten anzutreffen und wird mit Frderhhen bis zu ca. 50 m und mit Frderleistungen bis ber 600 t/h gebaut. Bei den gefrderten Schttgtern reicht die Spannweite von pulverfrmigen Produkten bis hin zu Granulaten, Krnern und Pellets, die mehr oder weniger groe Feinstaubanteile besitzen knnen. Auf Grund des schnell laufenden Becherwerks muss im Innern dieser Elevatoren daher mit dem Auftreten explosionsfhiger Staub/Luft-Gemische gerechnet werden. Da sowohl gerteeigene als auch von auen eingetragene Zndquellen wirksam werden knnen [1], mssen Becherelevatoren im Hinblick auf Staubexplosionsgefahren besonders sorgfltig betrachtet werden (Bild 1). In Abhngigkeit der Betriebsbedingungen kann die Beschrnkung auf Manahmen zur Zndquellenvermeidung das Risiko einer Staubexplosion meist nicht ausreichend

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minimieren, so dass zustzliche konstruktive Schutzmanahmen ergriffen werden mssen. Hierzu zhlt zum Beispiel die druckstofeste Bauweise in Verbindung mit Explosionsdruckentlastung und explosionstechnischer Entkopplung gegenber angeschlossenen Anlagenteilen, um die mglichen Auswirkungen einer Staubexplosion auf ein ausreichend sicheres Ma zu begrenzen [1]. Bei der Auslegung der Explosionsdruckentlastung stt man jedoch auf die Problematik, dass das vorhandene Regelwerk [2,3] auf Grund der besonderen geometrischen Verhltnisse bei Elevatoren nicht angewandt werden kann. 2 Kenntnisstand und Zielsetzung Aus frhren explosionstechnischen Untersuchungen von Becherelevatoren ist bekannt [4-6], dass auch bei voller Beladung eines Elevators mit explosionsfhigen Schttgtern eine Entzndung der Staub/Luft-Gemische erfolgen und in der Folge eine Flammenfort-pflanzung auftreten kann. Die Explosionsberdrcke sind auf Grund der im normalen Frderbetrieb vorhandenen hohen Staubkonzentrationen jedoch niedrig und liegen im Allgemeinen deutlich unterhalb 0.5 bar. Sehr kritisch einzuschtzen ist dagegen der so genannte Leerlaufbetrieb, in dem die vorhandenen Staubablagerungen durch das schnell laufende Becherwerk aufgewirbelt werden. Unter diesen Betriebsbedingungen muss in Abhngigkeit der Schttguteigen-schaften (KSt Wert, Pmax) mit hohen Flammengeschwindigkeiten und Explosions-drcken gerechnet werden. In bisherigen Forschungsarbeiten [4,5] wurde der Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen daher auf die Betrachtung optimaler Staubkonzentrationen von im Allgemeinen 500 bis 1000 g/m gelegt. Die Explosionsversuche wurden in der Regel so durchgefhrt, dass mit unter berdruck stehenden Staubvorratsbehltern (z.B. 20 bar) und mit Hilfe von Schnellffnungsventilen definierte Staubmengen bei laufendem Becherwerk in den Elevatorkopf, -fu und in die Schchte eingedst wurden.

Bild 1: Aufgerissene Elevatorschchte nach einer Staubexplosion

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Aus Untersuchungen von Bartknecht [4] resultierte die Forderung, dass durch Lsch-mittelsperren geschtzte Elevatoren explosionsfest fr einen berdruck von 3 bar zu bauen sind, wenn brennbare Stube der Staubexplosionsklasse St1 (KSt 200 barms

-1) gefrdert werden. bersteigt die Frderhhe 30 m, so sind alle 30 m zustzliche Lschmittelsperren vorzusehen. Fr die Auslegung der Explosionsdruckentlastung von Becherelevatoren wurden zahlreiche Explosionsversuche im Rahmen eines europischen Forschungsprojekts von P. Holbrow und G.A. Lunn durchgefhrt [5]. Untersucht wurden Becherelevatoren in Einfach- und Doppelschachtausfhrung. Als Versuchsstube dienten Milchpulver (KSt = 86 barms-1) und verschiedene Maisstrken mit KSt = 147, 180 und 211 barms

-1. Prinzipiell traten bei diesen Untersuchungen die hchsten Explosionsdrcke dann auf, wenn definierte Staubmengen zur Erzielung optimaler Konzentrationen mit Hilfe von Druckbehltern in den Elevator eingedst wurden. Die Explosionsdrcke im praxisnahen Betrieb mit voller Staubbeladung des Elevators waren dagegen sehr niedrig. Es zeigte sich ferner, dass sich eine Verkleinerung der Becherabstnde (Becherabstnde 280 mm) auf Grund der Versperrung der Elevatorschchte dmpfend auf den Explo-sionsablauf auswirkt, wenn der staubspezifische KSt-Wert kleiner ist als 150 barms

-1. Wurde hingegen Maisstrke mit KSt = 211 barms

-1 verwendet, so konnte eine deutliche Steigerung der Flammengeschwindigkeiten und Explosionsdrcke beobachtet werden. Es wird vermutet, dass durch die Verkrzung der Becherabstnde eine Steigerung der turbulenten Strmungsverhltnisse innerhalb der Elevatorschchte verursacht wird. Diese knnen sich bei Stuben mit hherer Verbrennungsgeschwindigkeit und somit hherem KSt-Wert in strkerem Mae steigernd auf die Explosionsheftigkeit auswirken als sich die Einbauten (Becherwerk) durch Versperrung und Wrmeentzug dmpfend auf die deflagrative Verbrennung auswirken. Die Explosionsversuche wurden generell mit Druckentlastungsffnungen am Elevatorkopf und fu durchgefhrt, wobei die einzelnen Druckentlastungsflchen der Querschnitts-flche des Elevatorschachts entsprachen. In Abhngigkeit der Elevatorfestigkeit und des KSt-Wertes mssen auerdem zustzliche Entlastungsffnungen in definierten Abstnden in den Elevatorschchten angebracht werden. Die maximal zulssigen Abstnde knnen einem Diagramm entnommen werden. Die vorhandenen Unte