Abschlussbericht zum Projekt. "Brände in Aktivkohlefiltern auf Sicherheitsschränken - Möglichkeiten der Entstehung und Schutzmaßnahmen"

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1 Geschäftsbereich Prävention Branchenprävention Chemische Industrie Präventionsbereich Nürnberg Abschlussbericht zum Projekt "Brände in Aktivkohlefiltern auf Sicherheitsschränken - Möglichkeiten der Entstehung und Schutzmaßnahmen" 1. Ausgangssituation Ausgehend von der ZH1/595 Sicherheitsregeln für Anlagen zum Entfernen von Gasen und Dämpfen organischer Lösemittel aus der Abluft nach dem Adsorptionsverfahren (Lösemittelabsorptionsanlagen), April 1983, "Abschnitt 4.8" wurde die Frage aufgeworfen, ob auch an Sicherheitsschränken mit einem Umluftfilteraufsatz auf Aktivkohlebasis (UFA) Brände möglich und welche Einrichtungen zur Früherkennung und ggf. zum Ablöschen von Adsorptionsbränden notwendig sind. Die Gesamtzahl der bisher in Deutschland vorhandenen Sicherheitsschränke mit einem UFA dürfte bei mehr als Tausend Stück liegen. Brände in diesen Aktivkohlefilteraufsätzen sind bisher nicht bekannt geworden. Auch an Abzügen, die mit Aktivkohlefilteraufsätzen betrieben werden und von denen europaweit mehrere Tausend Stück im Einsatz sind, sind keine Aktivkohlefilterbrände bekannt geworden. Grundsätzlich sind Adsorberbrände im industriellen Bereich bekannt. Durch die starke Beladung der Abluft im Gramm-Bereich und die in Filtertürmen vorhandenen meterdicken Schüttungen (5-6 m) sind T von 2 Kelvin beobachtet worden, die auch zu einer Selbstentzündung des Aktivkohlefilters geführt haben. Literaturrecherchen bei der BG RCI ergaben diesbezüglich eine Fundstelle aus den fünfziger Jahren. 2. Gesprächsrunde Wegen der aufgeworfenen Problematik hatte die Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie (BG RCI) am zu einer Gesprächsrunde in Heidelberg eingeladen, um die Möglichkeit der Entstehung von Adsorberbränden auf Sicherheitsschränken und die Schutzmaßnahmen zu diskutieren. Teilnehmer waren: Dr. Berhold Dyrba BG RCI Heidelberg, Leiter des Fachbereichs Explosionsschutz Karl-Heinz Möhn Fa. asecos Gründau, Leiter Forschung und Entwicklung Björn Poga BG RCI Heidelberg, Fachbereich Explosionsschutz Bernd Pühringer BG Nahrungsmittel und Gaststätten, Mannheim Arbeitskreis Feuerschutz Günther Rossdeutscher Fa. asecos, Gründau, Geschäftsführer Dr. Bernd Scheel BG RCI Nürnberg,Branchenprävention Chemische Industrie Mitglied ehemaliger DAbF-Arbeitskreis Sicherheitsschränke Dr. Joachim Sommer BG RCI Heidelberg, Fachbereich Anlagen und Verfahrenstechnik Gesetzliche Unfallversicherung BG RCI Telefon: Commerzbank Heidelberg IK: Körperschaft des Südwestpark 2 und 4 Telefax: (BLZ ) Chemische Industrie öffentlichen Rechts 9449 Nürnberg praevention-chemie-n@bgrci.de IBAN: DE Betriebsnummer: Internet: BIC: DRESDEFF Seite 1 von 7

2 - 2 - Entschuldigt: Klaus Meyknecht Dr. Markus Goedde BASF Münster, Arbeitsschutz, BASF Ludwigshafen, Sicherheitstechnik, Fachgebiet Chemische Reaktionen 3. Möglichkeit von Bränden in Aktivkohlefiltern auf Sicherheitsschränken Sicherheitsschränke nach TRBF 2 Anhang L und DIN EN 1447 Teil 1 werden bestimmungsgemäß zur Lagerung von brennbaren Flüssigkeiten in geschlossenen Gebinden verwendet. Sicherheitsschränke können sowohl mit einer technischen Lüftung als auch ohne technische Lüftung betrieben werden. Bei belüfteten Sicherheitsschränken ist nach o. g. Norm ein mindestens 1-facher Luftwechsel/h im Schrank gefordert. Beim Einsatz von Umluftfilteraufsätzen (UFA) wird ein ca. 3-facher Luftwechsel/h realisiert. Dadurch wird gewährleistet, dass die mögliche Beladung der Abluft in einem Sicherheitsschrank maximal im mg/m 3 -Bereich liegt. Unter Berücksichtigung der Kenndaten der Aktivkohlefilterschicht eines UFA (Schichtdicke maximal 1 cm, Korngröße 4-6 mm) wurde übereinstimmend festgestellt, dass beim bestimmungsgemäßen Betrieb eines Sicherheitsschrankes nicht mit einer Erwärmung der Filterschicht mit einem T 6 K zu rechnen ist. Siehe hierzu auch: BGI 747 "Sicherheitstechnische Kenngrößen ermitteln und bewerten" (Merkblatt R 3 der BG RCI) Folgende Schutzmaßnahmen sind an einem Sicherheitsschrank mit UFA zusätzlich vorhanden: a. Konzentrationsüberwachung mit halbleitenden metalloxidischen Gassensoren nach dem Figaro-Prinzip mit folgenden Grenzkonzentrationen, - 1 ppm über 15 Minuten (optisches Signal, Lüfter läuft weiter) - 5 ppm über 1 Minute (optisches Signal, Lüfter schaltet ab) - 1 ppm (sofortiges optisches Signal, Lüfter schaltet ab) b. Zusätzlicher Betriebsstundenzähler, jährliche Wartung und Austausch des Aktivkohlefilters mit einem Kostenaufwand von ca. 6, Euro/a. Die Entstehung von Bränden im Umluftfilteraufsatz mit Aktivkohle wird für unwahrscheinlich gehalten. Zur Hinterlegung der Aussagen wurden in einem Herstellerbetrieb für Sicherheitsschränke Praxistests mit Aktivkohlefilteraufsätzen durchgeführt. Es sollte der Nachweis erbracht werden, ob es unter worst-case-bedingungen zu einer Temperaturerhöhung im Aktivkohlefilterbett von mehr als 6 K kommen kann. 4. Praxistests an Sicherheitsschränken Am , und wurden bei einem Hersteller von Sicherheitsschränken, zeitweise im Beisein von Vertretern der Berufsgenossenschaft, Untersuchungen zur Beladung und zum Temperaturverhalten der Aktivkohlefilterschicht durchgeführt. Versuchsleitung: Messingenieur: Beobachter am : Dipl.-Ing. Karl-Heinz Möhn, Fa. asecos Gründau Dipl.-Ing. Marek Jan Renczmin, Fa. asecos Gründau Bernd Pühringer, BG N Dr. Scheel, BG RCI Dr. Sommer, BG RCI, Herr Mauermann BG RCI Günther Rossdeutscher, asecos GmbH Seite 2 von 7

3 - 3 - Die Versuchsapparatur besteht aus einer Auffangwanne und einem unmittelbar darauf aufgesetzten Aktivkohlefilteraufsatz (s. dazu Abb. 1). Die Position der Temperaturfühler ist der Abbildung 2 zu entnehmen. Abb.1 Auffangwanne mit direkt aufgesetztem UFA, Messequipment Filter Oben Temp. 2 Temp. 3 Temp. 1 Temp. 1 Temp. 3 Filter seitlich Temp. 2 Volumenstrom Abb. 2 Position der Temperaturfühler Zusätzlich erfolgte die Konzentrationsüberwachung am Eingangstutzen bzw. an der Ausblasöffnung mittels Photo-Ionisationsdetektion (PID-Messgerät) in ppm. Seite 3 von 7

4 - 4 - Als Testsubstanzen wurden verwendet: Ethanol Aceton Molare Masse 46,7 g/mol 58,1 g/mol Siedepunkt, 113mbar 78,32 C 56,2 C Dichte, 2 C,79 g/ml,79 g/ml Dampfdruck, 2 C 59 mbar 233 mbar Sättigungskonzentration 2 C 112 g/m³ 555 g/m³ Relative Dampfdichte Luft=1 1,59 2,1 Nach der Inbetriebnahme des UFA, wurde die Wanne mit 2 ml Ethanol bzw. 17 ml Aceton gefüllt. Die oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche vorhandenen Dämpfe wurden nun direkt in Filter gesaugt und die Lösemittel an der Aktivkohle adsorbiert. Aufgrund der relativ geringen Schichtdicke von 1 mm werden die Lösemitteldämpfe nicht vollständig adsorbiert und durchdringen den Filter. Sobald die Konzentration hinter dem Filter den Grenzwert 1 (1 ppm) für einen raum von 15 Minuten überschreitet, wird dies durch eine Störungsmeldung angezeigt. Der Ventilator läuft dabei aber weiter. Durch das massive Aufkommen der Lösemitteldämpfe (simulierter Unfall) wird dann auch der Grenzwert 2 (5 ppm) überschritten. Wenn dieser Zustand länger als 1 Minute anhält, schaltet der Ventilator ab, es wird also keine beladene Abluft mehr durch die Filterschicht geführt, die Adsorption wird unterbrochen und die Temperatur sinkt innerhalb kurzer. Wenn die Konzentration hinter dem Filter wieder unter den Grenzwert 2 abgesunken ist, läuft der Ventilator weiter und es wird erneut ein Lösemittelluftgemisch durch den Filter gesaugt. Nach mehreren Zyklen ist der Filter schließlich gesättigt und der Filter bleibt auf Dauer ausgeschalten. In dieser Phase sinkt die Filtertemperatur wieder auf die Raumtemperatur ab. Die höchsten gemessenen Konzentrationswerte im Eingangsstutzen lagen bei ca. 23 ppm und an der Ausblasöffnung bei ca. 5 ppm Ethanol bzw. Aceton. Die maximal beobachteten Temperaturanstiege im Aktivkohlefilterbett lagen beim Ethanol bei 12 K im Fall des Acetons bei ca. 32 K. Die Temperaturverläufe im Aktivkohlefilterbett über 24h bzw. - vergrößert dargestellt - über 5h sind den Abbildungen 3 und 4 für den Test mit Ethanol und den Abbildungen 5 und 6 für den Test mit Aceton zu entnehmen. Darüber hinaus sind den Abbildungen die punktuellen Konzentrationswerte für Ethanol bzw. Aceton sowie die Raumtemperaturen zu entnehmen. Seite 4 von 7

5 - 5-24h-Messung Kohlefilter UFA C ppm :56:19 12:1:19 14:6:19 16:11:19 18:16:19 2:21:19 22:26:19 :31:19 2:36:19 4:41:19 6:46:19 8:51:19 1:56:19 13:1:19 Ventilator (aufbereitet) Brennspiritus-Zufuhr [ C] Temp. 1 [ C] Temp. 2 [ C] Temp. 3 [ C] Aussentemp. PID Eingang PID Ausgang Abb. 3 Test mit Alkohol (24h- Aufzeichnung) Auschnitt: Messung Kohlefilter UFA C ppm :56:19 1:33:49 11:11:19 11:48:49 12:26:19 13:3:49 13:41:19 14:18:49 14:56:19 15:33:49 Ventilator (aufbereitet) Brennspiritus-Zufuhr PID Eingang PID Ausgang [ C] Temp. 1 [ C] Temp. 2 [ C] Temp. 3 [ C] Aussentemp. Abb. 4 Test mit Alkohol (5h- Aufzeichnung) Seite 5 von 7

6 - 6-24h-Messung: Absorption von Aceton an Aktivkohle 7 C 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C C 9:2 11: 12:4 14:2 16: 17:4 19:2 21: 22:4 :2 2: 3:4 5:2 7: 8:4 1:2 12: Aceton-Zufuhr Ventilator (aufbereitet) [ C] Temp. 1 [ C] Temp. 2 [ C] Temp. 3 [ C] Aussentemp. Abb. 5 Test mit Aceton (24h- Aufzeichnung) Ausschnitt: Absorption von Aceton an Aktivkohle 7 C 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C C 9:2 9:45 1:1 1:35 11: 11:25 11:5 12:15 12:4 13:5 13:3 13:55 14:2 14:45 15:1 15:35 Aceton-Zufuhr Ventilator (aufbereitet) [ C] Temp. 1 [ C] Temp. 2 [ C] Temp. 3 [ C] Aussentemp. Abb. 6 Test mit Aceton(5h-Aufzeichnung Seite 6 von 7

7 Zusammenfassung der Ergebnisse Die durchgeführten Versuche an Aktivkohlefilterumluftaufsätzen (UFA) für Sicherheitsschränke zeigten unter worst-case-bedingungen (es wird das Auslaufen eines 1-2 Liter-Gefäßes mit Lösemitteln unterstellt und es erfolgt keine Verdünnung der abgesaugten Dämpfe), dass in keinem Fall ein T von mehr als 6 K erreicht werden. Nach Durchbrechen der Aktivkohleschicht schaltet der Lüfter auf Dauer ab. Die Temperatur in der Aktivkohleschicht fällt danach wieder auf das Raumtemperaturniveau zurück. Somit ist der Nachweis erbracht, dass weder beim bestimmungsgemäßen Betrieb eines Sicherheitsschrankes noch bei evtl. auftretenden Leckagen mit dem Auftreten von Adsorberbränden zu rechnen ist, wenn diese Umluftfilteraufsätze mit einer kontinuierlich wirkenden Sicherheitseinrichtung ausgerüstet sind. Schutzmaßnahmen, die über die vorgenommene Detektion der Lösemitteldämpfe in Verbindung mit einem optischen Signal und Abschalten des Lüftermotors am Umluftfilteraufsatz (UFA) hinausgehen, sind nicht erforderlich. Der Firma asecos Gründau wird für die Durchführung der Praxistests gedankt. Nürnberg, Dr. Bernd Scheel Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie Branchenprävention Chemische Industrie Südwestpark 2 u Nürnberg Seite 7 von 7