Explosionsschutz: Entstehung und Erkennung von Explosionsgefährdungen

Explosionsgefahren können nicht nur in komplexen verfahrenstechnischen Anlagen auftreten, sondern auch in vielen Industrieunternehmen, Gewerbe- und Handwerksbetrieben. Der Beitrag erläutert, wie Explosionsgefährdungen erkannt werden können, welche explosionsfähigen Stoffe relevant sind und wie explosionsfähige Atmosphären entstehen.

Explosionsschutz: Entstehung und Erkennen von Explosionsgefährdungen
Im Unterschied zu Bränden weisen Explosionen einen viel schnelleren Reaktionsablauf auf. Maßnahmen zu ihrer Vermeidung sind daher spezifisch und unterscheiden sich von Brandschutzmaßnahmen. (Bild: FeuerTrutz)

Von Lars Oliver Laschinsky. Die Nutzung sowie eine Be- und Verarbeitung von brennbaren Stoffen sind im Betriebsalltag selbstverständlich. Für den sicheren Umgang, aber auch die Lagerung und Entsorgung brennbarer Materialien gibt es zahlreiche bauliche, technische und organisatorische Brandschutzmaßnahmen, um den Betrieb und seine Mitarbeiter vor Bränden, die am Arbeitsplatz entstehen können, zu schützen.

Gleichzeitig ist in allen Betrieben, in denen brennbare Stoffe hergestellt, be- bzw. verarbeitet, umgefüllt, gelagert, entsorgt oder transportiert werden, der Schutz vor Explosionen relevant.

Explosionsgefahren können in allen Betrieben auftreten, in denen brennbare Stoffe gelagert werden oder mit ihnen umgegangen wird. Explosionsgefahr herrscht z. B. bei der Gewinnung, Herstellung, Lagerung und Fortleitung sowie beim Verarbeiten, Umfüllen und Umschlagen von brennbaren Stoffen, die eine explosionsfähige Atmosphäre bilden können. Solche Stoffe können brennbare Gase (z. B. Flüssiggas, Erdgas), brennbare Flüssigkeiten (z. B. Lösemittel, Treibstoffe) und Stäube brennbarer Feststoffe (z. B. Holz, Nahrungsmittel, Metalle, Kunststoffe) sein.

Werden bei Tätigkeiten im Handwerk, in der Produktion, der Verfahrenstechnik sowie der Instandhaltung mit brennbaren Stoffen entzündbare Gase oder brennbare Flüssigkeiten freigesetzt oder entstehen durch Arbeitsverfahren brennbare Feststoffe in Staubform, kann die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre nicht ausgeschlossen werden.

Bereits kleine Mengen brennbarer Gase, Dämpfe oder Stäube können durch geringe Zündenergien zu Explosionen mit Druck- und Flammenausbreitung führen. Daraus resultieren meist schwerwiegende Personen- und Sachschäden. Im Explosionsfall sind Personen gefährdet durch unkontrollierte Flammen- und Druckwirkungen in Form von Hitzestrahlung, Flammen, Druckwellen, durch umherfliegende Trümmer und durch schädliche Reaktionsprodukte.

Der Artikel ist als Teil 1 eines zweiteiligen Beitrags in Ausgabe 2.2019 des FeuerTrutz Magazins (März 2019) erschienen. Hier finden Sie weitere Informationen zum FeuerTrutz Magazin Ausgabe 2.2019

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Brandschutzmaßnahmen

Das Vorhandensein von brennbaren Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen ist eine der drei Voraussetzungen für eine Verbrennung. Als Brennbarkeit bezeichnet man im allgemeinen Sprachgebrauch die chemische Eigenschaft von gasförmigen, flüssigen und festen Stoffen, mit dem Sauerstoff der Luft unter Freisetzung von Strahlungsenergie bzw. Wärme zu reagieren und nach der Entflammung weiterzubrennen, auch wenn die Zündquelle entfernt wird. Die Einordnung von Stoffen anhand ihrer Brennbarkeit ist eine wichtige Aufgabe beim Brandschutz.

Brandschutzmaßnahmen, die sich nach der Gefährdung durch die Eigenschaften und das Vorhandensein brennbarer Stoffe, Gemische und Erzeugnisse richten, werden in der Gefahrstoffverordnung und deren Anhang 1 Nr. 1 beschrieben. Diese Maßnahmen dienen dem sicheren Umgang und der Brandvermeidung in Gefahrstoffbereichen. Sie ergänzen die allgemein erforderlichen Brandschutzmaßnahmen nach dem Bau- und Arbeitsstättenrecht. Zur Minimierung von Brandgefährdungen müssen die baulichen, technischen und organisatorischen Brandschutzmaßnahmen gezielt ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden und im Rahmen eines Brandschutzkonzepts objektspezifisch geplant und umgesetzt werden.

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Der Autor dieses Beitrags, Lars Oliver Laschinsky, erläutert in seinem Fachbuch die nationalen und europäischen Richtlinien und gibt anhand von Fallbeispielen und Praxisfällen einen Überblick über das Gebiet des Explosionsschutzes.

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Explosionsschutzmaßnahmen

Auch eine Explosion ist grundsätzlich eine solche Verbrennungsreaktion. Der Unterschied zwischen einem Brand und einer Explosion besteht in der Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktionen. Der Brand verläuft als chemische Reaktion relativ langsam. Wenn ein brennbarer Stoff in Form von Gas, Dampf, Flüssigkeit, Feststoff oder Gemische davon und Sauerstoff bereits vorgemischt sind, kann der Reaktionsablauf so schnell sein, dass es zu einer sehr schnellen Flammenausbreitung mit einer begleitenden Druckentwicklung kommt.

Maßnahmen des Explosionsschutzes schützen vor der Entstehung von Explosionen und deren Auswirkungen. Der Schutz vor den Auswirkungen einer Explosion besteht in der Unterbrechung der Flammenausbreitung und/oder der Druckwirkung. Hinweise zur Beurteilung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären und zu entsprechenden Schutzmaßnahmen geben die TRGS 720, 721 und 722 bzw. die wortgleichen TRBS 2152 Teil 1 bis 3. Die TRBS 1112 konkretisiert im Teil 1 die Ermittlung und Bewertung von Explosionsgefährdungen bei Instandhaltungsmaßnahmen sowie der Ableitung von geeigneten Maßnahmen.

Die erforderlichen Explosionsschutzmaßnahmen müssen im Rahmen eines in sich widerspruchsfreien Explosionsschutzkonzepts ausgewählt und bewertet werden.

Das Explosionsschutzdokument beschreibt die angemessenen Vorkehrungen, um den Explosionsschutz in einem Betrieb sicherzustellen. Mit dem Explosionsschutzdokument wird nachgewiesen, dass die Explosionsgefährdungen ermittelt und einer Bewertung unterzogen worden sind und dass angemessene Vorkehrungen getroffen werden, um die Ziele des Explosionsschutzes zu erreichen.

Daraus entstehen nicht nur aus den grundlegenden Vorschriften der Gefahrstoffverordnung und den nachgeordneten Technischen Regeln zum Explosionsschutz zahlreiche Organisations-, Betriebs- und Prüfpflichten. Auch andere Vorschriften des Arbeitsschutzes und der Betriebssicherheit nehmen Einfluss auf die Planung von Gebäuden und die Einrichtung von Arbeitsplätzen explosionsgefährdeter Bereiche, den sicheren Betrieb einschließlich der Besonderheiten der laufenden Instandhaltung sowie auf vorgeschriebene Prüfungen von Arbeitsmitteln und Betriebseinrichtungen, um einen ausreichenden Explosionsschutz zu gewährleisten und langfristig aufrechterhalten zu können.

Erkennen von Explosionsgefährdungen

Explosionsschutz: Entstehung und Erkennen von Explosionsgefährdungen
(Bild: OpenIcons auf Pixabay)

Ob explosionsfähige Atmosphäre entstehen kann, hängt von den Eigenschaften der Stoffe ab, etwa Gase, Dämpfe, Nebel oder Stäube, die eine explosionsfähige Atmosphäre bilden können. Das Mengen- und Mischungsverhältnis zwischen Brennstoff und Sauerstoff bestimmt wesentlich den Verlauf der Verbrennung. Mit Veränderung des Aggregatzustands und/oder des Dispersionsgrads erhöht sich das Oberflächenverhältnis. Damit verstärkt sich die Brandgeschwindigkeit bis hin zur Explosionsfähigkeit.

Explosionsfähige Stoffe

Der Arbeitgeber hat festzustellen, ob die verwendeten Stoffe, Gemische und Erzeugnisse bei Tätigkeiten, auch unter Berücksichtigung verwendeter Arbeitsmittel, Verfahren und der Arbeitsumgebung sowie ihrer möglichen Wechselwirkungen, zu Brand- oder Explosionsgefährdungen führen können.

Brennbare Gase

Eine Gasexplosion ist eine Explosion, bei der sich ein explosionsfähiges Gasgemisch entzündet und in sehr kurzer Zeit abbrennt.

Die explosionsfähige Atmosphäre setzt sich aus einer oder mehreren brennbaren Gaskomponenten und Sauerstoff zusammen. Typische als technische Gase verwendete brennbare Gase sind z. B. Erdgas, Propan, Butan als Heiz- oder Brenngase, Wasserstoff in technischen Prozessen und Acetylen als Schweißgas. Brennbare Gase werden in der Industrie und im Gewerbe nicht nur als technische Gase eingesetzt und verwendet. Unbeabsichtigt können brennbare Gase auch als Folgeprodukt bei galvanischen Prozessen und dem Laden von Bleiakkumulatoren z. B. von elektrisch angetriebenen Flurförderzeugen entstehen.

Brennbare Flüssigkeiten

Brennbare Flüssigkeiten selbst können nicht explodieren, da die geschlossene Flüssigkeitsoberfläche keine Durchmischung mit dem (Luft-)Sauerstoff zulässt, sodass sich eine entzündete Flamme nur an der Grenzfläche zur umgebenden Atmosphäre ausbreiten kann. In Abhängigkeit vom Dampfdruck und der Temperatur kommt es jedoch zur Bildung von brennbaren oder explosionsfähigen Dampf-Luft-Gemischen, die durch eine Zündquelle gezündet werden können. Über einer brennbaren Flüssigkeit kann sich explosionsfähige Atmosphäre dann bilden, wenn die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche einen Mindestwert überschreitet (Flammpunkt bzw. unterer Explosionspunkt). Brennbare Flüssigkeiten werden hinsichtlich der von ihnen ausgehenden Explosionsgefahr häufig unterschätzt. Brennbare Flüssigkeiten stellen nicht nur den weitaus größten Anteil aller Gefahrstoffe dar, sondern sie verursachen durch ihre oft unterschätzten Stoffeigenschaften eine erhebliche Gefährdung. Ihr Dampfdruck ist hoch, d. h. sie verdunsten leicht, und ihr Flammpunkt ist so niedrig, dass sie schon bei relativ geringer Temperatur entzündliche Gemische bilden. Sie werden oft in kleinen Mengen als Reiniger, Verdünner, Härter etc. während eines Produktionsprozesses außerhalb geschlossener Systeme eingesetzt oder sind in Farben, Lacken, Kleber etc. enthalten.

Brennbare Feststoffe

Eine Staubexplosion ist eine Explosion, bei der in der Luft feinverteilte feste Stoffpartikel gezündet werden. Brennbare Feststoffe können in Form von Staub, Fasern oder Flusen mit dem Luftsauerstoff reagieren und verheerende Explosionen zur Folge haben. Die Staubkonzentration in der Luft kann durch Aufwirbelung von Ablagerungen oder durch Absetzen von aufgewirbeltem Staub stark verändert werden. Es ist z. B. möglich, dass aufgewirbelter Staub eine explosionsfähige Atmosphäre erzeugt. Bei den meisten brennbaren Stäuben reicht bereits eine gleichmäßig über die gesamte Bodenfläche verteilte Staubablagerung von weniger als 1 mm Schichtdicke aus, um bei Aufwirbelung einen Raum normaler Höhe mit explosionsfähigem Staub-Luft-Gemisch vollständig auszufüllen. Infolge einer ersten Explosion kann abgelagerter Staub aufgewirbelt werden und zu Folgeexplosionen führen.

Entstehung explosionsfähiger Atmosphäre

Ob eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen kann, hängt einerseits von der während des Umgangs entstehenden oder herrschenden maximalen (ggf. auch minimalen) Konzentration der brennbaren Stoffe, vielmehr jedoch noch von äußeren Umgebungseinflüssen und ört­lichen Gegebenheiten ab:

Explosionen können auftreten, wenn die Konzentration von Gasen, Dämpfen, Nebeln (Flüssigkeitströpfchen bzw. Aerosole) oder Stäuben (Feststoffteilchen bzw. Aerosole) im Gemisch mit Luft innerhalb bestimmter Grenzen liegt. Die untere und obere Explosionsgrenze (auch Zündgrenze genannt) ist der untere bzw. obere Grenzwert der Konzentration eines brennbaren Stoffs in einem Gemisch von Gasen, Dämpfen, Nebeln und/oder Stäuben, in dem sich nach dem Zünden eine von der Zündquelle unabhängige Flamme gerade nicht mehr selbstständig fortpflanzen kann.

Der Explosionsbereich (auch Zündbereich genannt) ist der Konzentrationsbereich zwischen diesen Explosionsgrenzen. Ist der Anteil an brennbarem Stoff zu gering, kann sich die Verbrennung nur mühsam fortpflanzen, oder sie kommt zum Erliegen. Ähnlich sind die Verhältnisse, wenn der Anteil an brennbarem Stoff für den in der Luft verfügbaren Sauerstoff zu hoch ist.

Wenn die Konzentration des ausreichend dispergierten brennbaren Stoffs in Luft einen Mindestwert, die untere Explosionsgrenze (UEG), überschreitet, ist eine Explosion möglich. Eine solche kommt nicht mehr zustande, wenn die Konzentration einen maximalen Wert, die obere Explosionsgrenze (OEG), überschritten hat.

Werden Flüssigkeiten in Tröpfchen verteilt, z. B. versprüht, ist auch bei Temperaturen unterhalb des unteren Explosionspunktes (UEP) mit der Bildung von explosionsfähiger Atmosphäre zu rechnen. Bei Nebeln können sich wegen des Dampfdrucks der Flüssigkeit bei höheren Temperaturen die gefährlichen Eigenschaften den Werten des Dampf-Luft-Gemisches annähern. Das Auftreten explosionsfähiger Atmosphäre muss für das Innere und für die Umgebung der zu beurteilenden Arbeitsmittel oder Anlagen beurteilt werden.

Gefährliche explosionsfähige Atmosphäre

Bei Explosionen treten Flammen, hohe Temperaturen und vielfach auch hohe Drücke bzw. Druckanstiegsgeschwindigkeiten auf. Dabei können Personen verletzt, Gebäude oder Anlagenteile zerstört sowie weitere brennbare Stoffe entzündet werden (Folgebrände). Eine Gemischmenge gilt als gefahrdrohend, wenn im Fall ihrer Entzündung Personenschaden durch direkte oder indirekte Einwirkung einer Explosion bewirkt werden kann.

Die gefährliche explosionsfähige Atmosphäre tritt in einer solchen Menge (gefahrdrohende Menge) auf, dass besondere Schutzmaßnahmen für die Aufrechterhaltung des Schutzes und der Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten oder Dritter erforderlich werden.

Mehr als zehn Liter zusammenhängende explosionsfähige Atmosphäre müssen in geschlossenen Räumen unabhängig von der Raumgröße grundsätzlich als gefährliche explosionsfähige Atmosphäre angesehen werden.

Auch kleinere Mengen können bereits gefahrdrohend sein, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe von Menschen befinden. Befindet sich explosionsfähige Atmosphäre in Gefäßen, die dem möglicherweise auftretenden Explosionsdruck nicht standhalten, sind wegen der Gefährdung, beispielsweise durch Splitter beim Bersten, weitaus geringere Mengen als gefahrdrohend anzusehen. Eine untere Grenze kann dafür nicht angegeben werden. Durch eine Explosion können auch in der Umgebung Auswirkungen entstehen, durch die andere gefährliche oder brennbare Stoffe freigesetzt bzw. entzündet werden können.

Der Schwerpunkt des 2. Teils der Artikelserie (erscheint im FeuerTrutz Magazin 3.2019) wird auf explosionsgefährdeten Bereichen und Explosionsschutzmaßnahmen liegen.

Autor

Lars Oliver Laschinsky: Fachlehrer für Brand- und Explosionsschutz; Institut für Sicherheits- und Gefahrentraining; Lehrbeauftragter der HFU Hochschule Furtwangen, Security & Safety Engineering; Honorardozent für das EIPOS-Institut der TU Dresden; 1. Vorsitzender des Vereins der Brandschutzbeauftragten in Deutschland e. V. (VBBD)

Der Artikel ist als Teil 1 eines zweiteiligen Beitrags in Ausgabe 2.2019 des FeuerTrutz Magazins (März 2019) erschienen. Hier finden Sie weitere Informationen zum FeuerTrutz Magazin Ausgabe 2.2019

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Letzte Aktualisierung: 15.05.2019

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