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.
In technischen Ozonolyseanlagen kommen gasförmige Oxidationsmittel mit brennbaren Flüssigkeiten in Kontakt. Dies geschieht in der Regel bei tiefen Temperaturen, weit unterhalb des Flammpunktes. Trotzdem ist es in einer Anlage zu einer Explosion gekommen, deren Ursache möglicherweise eine Flammenausbreitung auf der Oberfläche des Lösungsmittels war. In Laborversuchen ist dieses Phänomen in Abhängigkeit von der Gasphasenzusammensetzung, vom Lösungsmittel, vom Druck und von der Temperatur untersucht worden.
Die zeitlichen Druckanstiege dp/dt von binären Methan/Sauerstoffgemischen wurden im Explosionsbereich bei Anfangsdrücken von 1 bar und 5 bar experimentell untersucht und das normierte europäische Bestimmungsverfahren für zeitliche Druckanstiege DIN EN 15967 [1] auf Anwendbarkeit bei erhöhtem Anfangsdruck und reinem Sauerstoff als Oxidator geprüft.
Die Messergebnisse zeigen eine Zunahme der zeitlichen Druckanstiege bei einem Annähern der Gemischzusammensetzung an das stöchiometrische Verhältnis der vollständigen Verbrennungsreaktion (CH4:O2 1:2). Eine zuverlässige Bestimmung der zeitlichen Druckanstiege ist ab einer bestimmten Zusammensetzung nicht mehr möglich, da starke Oszillationen der Drucksignale auftreten. Um trotz der Oszillationen Auswertungen zu ermöglichen wird erstmals zur Glättung der Signale ein physikalisches Modell für Gasexplosionen im geschlossenen Gefäß verwendet. Damit ist es möglich, noch stark oszillierende Signale auszuwerten. Trotzdem gelingt es nicht, den gesamten Explosionsbereich mit der üblichen Messtechnik zu untersuchen. Für die Druckmessung wurden sowohl piezoresistive als auch piezoelektrische Druckmessensoren eingesetzt. Die Messergebnisse der beiden Sensoren stimmen sehr gut überein. Die verwendeten piezoresistive Druckmesssensoren können jedoch ab einer bestimmten Gemischzusammensetzung durch die sehr schnellen Druckstöße (dp/dt > 30000 bar/s) zerstört werden. Für solche Fälle wären die robusteren piezoelektrischen Sensoren besser geeignet. Bei einem Anfangsdruck von 5 bar liegen die Konzentrationsbereiche, in denen keine Auswertung mehr möglich ist bei 16 Mol-% bis 53 Mol-% Methananteil. Bei einem Anfangsdruck von 1 bar fällt dieser Konzentrationsbereich kleiner aus (von 24 Mol-% bis 42 Mol-% Methananteil).
Die Messergebnisse zeigen jedoch, dass die ausschließlich für Atmosphärendruck geltende Norm DIN EN 15967 auch für höhere Anfangsdrücke und reinen Sauerstoff als Oxidator prinzipiell anwendbar ist.