The knowledge of the explosion limits of biogases in air is necessary to define explosion protection measures. Biogases from agricultural plants vary however in their composition, so that for each gas composition the explosion limits would have to be measured. Frequently the explosion limits of biogas are therefore referred in the safety-relevant literature only to the methane fraction of the gas mixture, without indicating this additionally. This leads to the fact that the explosion ranges for the total mixture consists of methane, carbon dioxide and further residual gases are falsely specified.
For this reason a simple method is presented in the following, which show, how the explosion limits of a biogas can be determined from its methane content using an explosion diagram of methane/carbon dioxide/air system. The explosion diagram was measured according to the German Standard DIN 51649-1.
The presented calculation method supplies however correct results only if the nitrogen fraction in the biogas does not exceed approx. 5 % by volume.
Biogas is an important source of renewable energy. It consists mainly of methane and carbon dioxide, with low levels of hydrogen sulphide and other gases. That means, that the toxicological aspects and the flammability of biogas has to be taken into account. A serious accident has happened just recently in a biogas production plant in Germany, accompanied with injuries and four totalities. The methane content of the different types of biogases varies from about 82 % till 40 % and the rest is mostly carbon dioxide with trace gases depending on the anaerobe digestion process. These plants must also be controlled to avoid pollution and the risk of explosion. The 1999/92/EC Directive (ATEX 137) addressed to employer. The employer of such plants needs to implement safety requirements, such as prevention of explosive atmospheres, avoiding ignition sources, etc. In addition he has to prepare an explosion protection document and carry out a hazard assessment. The basic information for these documents based on the safety characteristics of the produced gases. These data can be taken e. g. from the database CHEMSAFE® using explosion diagrams of methane/carbon dioxide/air mixtures. In the literature the biogas explosion limits often presented in a confusing way. In this presentation a simple method will be shown to get correct values by correlation of the explosion limits with the methane content of the biogas. While biogas production will be forecast with an acceleration of growth in the future, it is essential to clear this important safety problem.
Im Poster werden die wichtigsten sicherheitstechnischen Kenngrößen von Gasen für den Explosionsschutz dargestellt. Es wird gezeigt, wie mit Hilfe von Dreistoff-Diagrammen (Explosionsdiagrammen) die Explosionsgrenzen, die Entzündbarkeit und die Sauerstoffgrenzkonzentration von Gemischen aus Brenn- und Inertgasen bestimmt werden. Weiterhin wird eine Zuordnung der Kenngrößen zu den gebräuchlichen Schutzmaßnahmen vorgenommen.
The paper provides a summary of safety characteristics of hydrogen and hydrogen fuel gases. The inves-tigations focus on water electrolysis, the feeding of hydrogen into the natural gas grid and the use ofhydrogen for the fermentation process in biogas plants. The safety characteristics of hydrogen such as avery low minimum ignition energy, very large explosion range and high flame velocity with the resultingrapid pressure increase of hydrogen explosions are of particular importance for explosion protection andthey differ strongly from those of natural gas. Explosion ranges of hydrogen-methane-carbon dioxidemixtures have been measured for the use of hydrogen in biomethane production. The paper also showsand discusses explosion ranges of hydrogen and hydrogen-natural gas mixtures. Pressure and tempera-ture dependencies of the explosion limits of mixtures were investigated. Furthermore, pressure rise rates(KGvalues) were measured with regard to constructive explosion protection. The maximum experimen-tal safe gaps were determined for the classification of the mixtures and assignment to explosion groupsaccording to the European ATEX directives. It was found that admixture of 10% hydrogen to natural gashas only a minor influence on the safety characteristics of gas explosions.
Für den Explosionsschutz in Biogasanlagen ist es erforderlich, die Explosionsgrenzen des Gases in Luft zu kennen. Biogase aus landwirtschaftlichen Anlagen haben jedoch eine schwankende Zusammensetzung, sodass für jede Gemischzusammensetzung die Explosionsgrenzen experimentell bestimmt werden müssten. Dies ist i. d. R. mit erheblichem Aufwand verbunden. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, bei der mithilfe von zwei Explosionsdiagrammen die Explosionsgrenzen von Biogas mit bekannter Zusammensetzung abgeschätzt werden können. Dabei werden neben dem Methan- und Kohlendioxidanteil des Biogases auch mögliche Anteile von Wasserdampf berücksichtigt.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogas- und Elektrolyseanlagen. Mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.