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Staubexplosionen können in nahezu allen Branchen auftreten, in denen brennbare Schüttgüter und Stäube gehandhabt werden oder entstehen können, vor allem dort, wo Stäube in aufgewirbelter Form vorkommen. Abgelagerte Stäube können bei starker Erwärmung zur Entzündung gelangen. Die Beurteilung daraus entstehender Gefahren und das Auslegen von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen erfolgt über sog. sicherheitstechnische Kenngrößen (STK). Im Rahmen eines vom Bundesland Sachsen geförderten Projekts sind von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) STK brennbarer Stäube zu Staubgruppen zusammengefasst und in den Gemeinsamen Stoffdatenpool Bund/Länder (GSBL) integriert worden. Grundlage für die Staubgruppen waren zahlreiche Datensätze, die in der Datenbank GESTIS-STAUB-EX des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) veröffentlich sind. Angegeben werden allerdings nicht mehr die dort enthaltenen Kenngrößen einzelner Stäube, sondern Bandbreiten, innerhalb derer sich die STK der in den Staubgruppen zusammengefassten Stäube bewegen können. Je nach Datenlage wurden die sicherheitsrelevanten Grenzen dieser Bandbreiten mit einem Ranking versehen.
For the classification and safe handling and use of the chemicals, special standardized testing proce-dures have been developed and are used world-wide. Safety experts must be able to fully rely on the precise execution of the respective laboratory tests and assessments. In this context interlaboratory tests (round robin tests, interlaboratory comparisons / intercomparisons) are a crucial element of a laboratory's quality system. Participation in interlaboratory tests is explicitly recommended by the standard ISO/IEC 17025.
The present document reports on the results of the interlaboratory test 2010/2011 on the test method DIN EN 15188:2007 “Determination of the spontaneous ignition behaviour of dust accumulations” [1] which was organized by the Center for Quality Assurance for Testing of Dangerous Goods and Haz-ardous Substances.
The test method DIN EN 15188:2007 is applied to characterize the self-ignition behaviour of combus-tible dusts. The experimental basis for describing the self-ignition behaviour of a given dust is the de-termination of the self-ignition temperatures (TSI) of differently-sized volumes of the dust sample by isoperibolic hot storage experiments (storage at constant oven temperatures) in commercially availa-ble ovens. The results thus measured reflect the dependence of self-ignition temperatures upon dust volume [1].
Several internal investigations and interlaboratory comparisons in the past have shown significant differences between the lab-specific results of hot storage tests.
Figure 2-1 shows the Pseudo-Arrhenius plot of hot storage tests of eight different laboratories (Round Robin Test 2002, BAM). The dust under this investigation was Lycopodium powder (spores). The par-ticipants of this interlaboratory test used different laboratory ovens (size, ventilation) as well as differ-ent sample baskets (shape, mesh size, single- and double-walled).
Figure 2-1 shows clearly that this test failed to produce reasonable reproducibility of the TSI between the different laboratories. As possible reasons for the deviations have been identified lab-specific dif-ferences, e.g.:
- oven ventilation (enforced, natural convection),
- oven size,
- sample baskets,
- radiation effects,
- measuring precision (temperature difference between tests with ignition and no ignition),
- minimum sample size.
To reduce the differences between the labs it was necessary to ameliorate the testing method and to improve the execution of the method by the lab. From there, the installation of an inner chamber into the laboratory oven was suggested as experimental set-up in EN 15188:2007 to provide more repro-ducible test conditions. The aappropriateness of this set-up has not been verified yet.
The current interlaboratory test 2010-2011 focuses on the use of a special mesh wire screen and spe-cial volumes of the sample baskets (cubes) to normalise/harmonise the test conditions in the different labs. In preparation for the interlaboratory test a joint program between Syngenta and BAM has been initiated in 2009. As a result of these investigations a modified set-up ( chapter 3) has been identi-fied to be probably more appropriate than the suggested set-up in DIN EN-15188:2007.
Due to the time-consuming test procedure and to optimize the workflow for the laboratories this in-terlaboratory test should be performed stepwise as a multi-level test ( chapter 5.4) on one typical test sample.
Miscanthus x giganteus energy crop grown in Ireland was harvested on 21st of February and 28th of March 2012 to examine the effects of harvesting time on self-heating during storage of Miscanthus chips in clamps (98 m³) under weather sheltered conditions. There was a relatively large difference in moisture content, of 21.4%, between Miscanthus crop harvested in February and March (41.6 and 20.2%, respectively). Temperature evolution over a storage period of up to 125 days was monitored at different heights and distances from the centre within the clamps. Maximum temperature in the February constructed clamp reached 69 °C compared to 28 °C in the March constructed clamp. Microbial activity was monitored via carbon dioxide and oxygen gas measurements. The high moisture clamp showed higher microbial activity and a volume yield loss of 4.3% due to decomposition in the top section of the clamp. Quality indices post-storage were also assessed. Calorific values from Miscanthus sampled 1 m below the top surface were similar after storage for both February and March constructed clamps, i.e. 18.52 and 18.70 MJ kg-1, respectively. A reliable assessment of self-heating in Miscanthus chip clamps has important consequences for both self-ignition risk and biomass quality.
Determination of measurement uncertainties in adiabatic hot-storage experiments for reactive dusts
(2013)
The formal kinetics of self-ignition of solid bulk materials theoretically can be derived from just one single adiabatic hot-storage test. The question arises how uncertainties in the measurements can be quantified and how these uncertainties affect the results of the subsequent predictions. Adiabatic and isoperibolic hot-storage basket tests were performed for samples of lignite coal, black coal, cork dust, a polymer dust, and wax-coated silicid acid. In the adiabatic experiments, the starting temperature and the temperature control of the oven were varied systematically to study the uncertainty margin of adiabatic tests. The apparent activation energy and the pre-exponential factor of the lumped reaction were derived from the adiabatic tests including average values and standard deviations and compared to isoperibolic experiments performed according to the European standard EN 15188. It could be shown that with a precise temperature control of the adiabatic oven combined with an automated computation of the maximum rate of temperature rise the uncertainty of the apparent activation energy can be limited to less than 10%.
Die Beurteilung des Gefahrenpotentials brennbarer Stäube erfolgt üblicherweise mit Hilfe so genannter sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK). Häufig werden hierfür in Datenbanken bereitgestellte Werte in der Vergangenheit untersuchter Stäube herangezogen. Insbesondere aufgrund stofflicher Unterschiede der untersuchten Stäube sind erhebliche Streuungen der ermittelten STK in Datenbanken enthaltener namentlich identischer Stäube festzustellen. Die Verwendung der Daten von Einzelstäuben kann daher zu unsicheren Einschätzungen hinsichtlich des Brand- und Explosionsschutzes führen.
Vorgestellt wird ein Konzept, Stäube zu praxisrelevanten Gruppen zusammenzufassen und bewertete Bandbreiten sicherheitstechnischer Kenngrößen anzugeben. Die im Rahmen eines vom Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Dresden geförderten Vorhabens generierten Staubgruppen und zugehörigen Bandbreiten der STK stehen in der Datenbank GSBLpublic für die freie Nutzung zur Verfügung.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung der veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das andersgeartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Deshalb wurden und werden z.B. die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien auf den menschlichen Organismus bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben untersucht.
Fundierte Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren bei der Herstellung und Handhabung von nanoskalig hergestellten brennbaren Materialien bzw. von Stoffen mit Partikelgrößen < µlpm liegen hingegen bisher kaum vor. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist jedoch bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da beispielsweise ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfmdlichkeit zunehmen.
Die Explosionseigenschaften brennbarer Stäube werden durch sicherheitstechnische Kenngrößen beschrieben. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben - welche die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen für Anlagen bilden - erfolgte bislang nur in geringem Umfang. Diese Untersuchungen wurden zudem großteils in Analogie zu den genormten Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde dabei jedoch nicht überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind. Darüber hinaus kann es durch aus den Prüfapparaturen freigesetzten Staub zu einer Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter kommen.
Da bisherige Untersuchungen zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben den Oxidationsgrad der Proben nicht berücksichtigt haben, bestand die Vermutung, dass das Gefahrenpotential von Nanostäuben bislang unterschätzt werden könnte. Deshalb wurde ein modifizierter Prüfaufbau der Prüfapparatur 20-L Kugel entwickelt, um Nanostäube und deren Gefahrenpotential richtig einschätzen und der Kernfrage im Titel dieses Beitrages näher auf den Grund gehen zu können.
Insbesondere metallische Nanostäube wurden bei den ersten Tests zur Bestimmung des Brand- und Explosionsverhaltens untersucht. Bei entsprechenden Stäuben ist zu erwarten, dass sich eine mögliche Oberflächenoxidation bzw. Passivierung besonders stark auf das Explosionsverhalten auswirken könnte. Darüber hinaus ist bekannt, dass metallische Stäube pyrophor reagieren oder sich aufgrund der hohen Scherkräfte bereites beim Eindüsen in die Versuchsapparatur entzünden können. Dies kommt gelegentlich bei Metallstäuben mit Medianwerten von wenigen Mikrometern vor. Da bei nanoskaligen Stäuben theoretisch wesentlich größere Oberflächen auftreten, ist davon auszugehen, dass sich dieses Verhalten bei solchen Stäuben verstärken könnte. Dies wurde von Wu et al. in für nanoskalige Eisen und Titanpartikel nachgewiesen.