Ausgangslage: Ein Gipssilo mit etwa 40.000 Tonnen Fassungsvermögen und zu rund 90 Prozent gefüllt. Das Material hat sich verdichtet und verfestigt, bis es steinhart geworden ist. Der Austrag stockt, über dem Auslauf hat sich ein enger Schacht gebildet und an den Wänden stehen meterdicke Anbackungen. Nichts geht mehr.
An genau diesem Silo arbeitet die NT Service GmbH derzeit. Mit sprengdynamischem Abbau erreichen wir eine Leistung von bis zu 1.000 Tonnen pro Tag, sofern die vorhandene Austragstechnik diese Mengen aufnehmen kann.
Dieser Fachartikel erläutert, warum Gips im Gipssilo verbackt, welche chemischen und physikalischen Prozesse dabei eine Rolle spielen und wie stark verfestigtes Schüttgut sprengtechnisch gelöst werden kann.
Warum Gips im Silo verbackt Gips ist chemisch Calciumsulfat , das je nach Verarbeitungsstufe in unterschiedlichen Formen vorliegt. Natur- und REA-Gips aus der Rauchgasentschwefelung bestehen überwiegend aus Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO₄ · 2 H₂O), also einem Kristall mit zwei fest eingebundenen Wassermolekülen. Durch Brennen bei etwa 120 bis 180 °C entsteht daraus das Halbhydrat (CaSO₄ · 0,5 H₂O), bekannt als Stuck- oder Baugips; bei höheren Temperaturen entsteht wasserfreies Anhydrit.
Genau diese Wandlungsfähigkeit kann das Material im Gipssilo problematisch machen. Halbhydrat reagiert mit Feuchtigkeit wieder zu Dihydrat. Bei dieser Rehydratation wachsen Kristalle, die sich ineinander verzahnen. Das ist derselbe grundlegende Mechanismus, durch den Gips bei der Verarbeitung abbindet. Gelangen Feuchtigkeit oder Kondenswasser in das Schüttgut, können deshalb auch an den Kontaktstellen der Partikel feste Kristallbrücken entstehen.
Auch Dihydrat kann bei der Lagerung problematisch sein. REA-Gips wird häufig mit einer Restfeuchte von bis zu rund zehn Prozent eingelagert. Calciumsulfat-Dihydrat ist bei Raumtemperatur mit rund zwei Gramm pro Liter nur begrenzt wasserlöslich. In den Wasserfilmen an den Partikelkontakten kann sich dennoch Calciumsulfat lösen und bei Verdunstung oder Temperaturwechsel wieder auskristallisieren.
Aus zunächst schwachen Flüssigkeitsbrücken können auf diese Weise mit zunehmender Lagerdauer feste Feststoffbrücken entstehen. In der Schüttguttechnik wird dieser zeitabhängige Festigkeitszuwachs als Zeitverfestigung bezeichnet.
Verfestigungen im Gipssilo
Druck, Zeit und Temperatur Neben der Chemie spielt die Mechanik eine entscheidende Rolle. In einem hohen Gipssilo lastet ein erhebliches Gewicht auf den unteren Schichten. Nach der Theorie von Janssen wird ein Teil dieser Last über die Wandreibung in die Silowand übertragen. Deshalb steigt die Spannung im Schüttgut mit zunehmender Tiefe nicht unbegrenzt linear an, sondern nähert sich abhängig von Silogeometrie und Materialeigenschaften einem Grenzwert.
Bei großen Silos können dennoch erhebliche Belastungen entstehen, die die Partikel dauerhaft gegeneinander pressen. Je höher der Verfestigungsdruck und je länger die Lagerzeit, desto größer kann die einaxiale Druckfestigkeit des Schüttguts werden. Damit steigt die Kraft, die erforderlich ist, um das verfestigte Material wieder zum Fließen zu bringen.
Die Schüttgutmechanik beschreibt das Fließverhalten unter anderem mit der Fließfunktion ffc, die beispielsweise mit Schergeräten nach Jenike oder Ringschergeräten ermittelt wird. Schüttgüter mit einem ffc-Wert über zehn gelten als frei fließend, Werte zwischen vier und zehn als leicht fließend, zwischen zwei und vier als kohäsiv und zwischen eins und zwei als sehr kohäsiv. Bei einem ffc-Wert unter eins gilt das Material als nicht fließend.
Welchen ffc-Wert ein konkretes Schüttgut erreicht, hängt von seinen Eigenschaften und den jeweiligen Lagerbedingungen ab. Feuchtigkeit, Verfestigungsdruck und Lagerdauer können die Fließfähigkeit erheblich beeinflussen.
Hinzu kommen Temperaturschwankungen. Erwärmt sich ein Silo und kühlt anschließend wieder ab, kann sich Feuchtigkeit innerhalb der Schüttung verlagern und an kühleren Flächen kondensieren. Dadurch können insbesondere wandnahe Anbackungen zusätzlich begünstigt werden.
Schacht- und Brückenbildung Bei Kernfluss bewegt sich während des Austrags hauptsächlich ein zentraler Materialkanal über dem Auslauf, während das Schüttgut in den Randbereichen liegen bleibt. Dieses stehende Material kann sich mit zunehmender Lagerdauer weiter verfestigen.
Dadurch kann sich der noch fließfähige Bereich immer weiter verengen, bis nur noch ein schmaler Schacht übrig bleibt. Dieses Phänomen wird als Schachtbildung beziehungsweise Ratholing bezeichnet. Unsere Aufnahmen aus dem aktuellen Einsatz zeigen genau dieses Bild: einen ausgeprägten Schacht, flankiert von steilen, stark verfestigten Gipswänden.
Reicht die Festigkeit des Materials aus, kann sich über dem Auslauf zusätzlich ein stabiles Gewölbe bilden. Diese Brückenbildung kann den Austrag vollständig zum Stillstand bringen. Schacht- und Brückenbildung beruhen darauf, dass die Festigkeit des Schüttguts größer ist als die beim Fließen wirkenden Spannungen durch das Eigengewicht.
Weitere verbackende Schüttgüter Das Problem ist keineswegs auf Gips beschränkt. Auch andere Schüttgüter können sich unter ungünstigen Bedingungen erheblich verfestigen.
Zement reagiert mit Feuchtigkeit und bildet feste Hydratationsprodukte, die sich im Silo als Krusten und Klumpen zeigen können. Branntkalk (CaO) reagiert mit Wasser stark exotherm zu Calciumhydroxid und kann zusätzlich Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen, wodurch Calciumcarbonat entsteht und eine weitere Verfestigung begünstigt wird.
Flugaschen können abhängig von ihrer Zusammensetzung in Verbindung mit Feuchtigkeit und reaktiven Bestandteilen ebenfalls Festigkeit entwickeln. Düngemittel und Salze wiederum können hygroskopisch sein: Nimmt das Material Feuchtigkeit auf, kann es sich oberflächlich anlösen und beim anschließenden Trocknen wieder auskristallisieren.
So unterschiedlich die chemischen Prozesse im Einzelnen sind, das Ergebnis im Silo kann dasselbe sein: Das Schüttgut verfestigt sich so stark, dass es mit der normalen Austragstechnik nicht mehr bewegt werden kann.
Grenzen mechanischer Verfahren Bei stark verbackenen Silos wird das Material häufig mechanisch abgetragen. Dazu fährt Personal in das Silo ein und löst die Verfestigungen beispielsweise mit Presslufthämmern, Stemmgeräten oder anderen manuellen Verfahren.
Bei einem Gipssilo mit rund 36.000 Tonnen verfestigtem Inhalt kann ein solcher Abtrag viele Monate dauern, ein großes Personalaufgebot erfordern und entsprechend lange Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb haben.
Noch entscheidender ist jedoch das Sicherheitsrisiko. Wer unter überhängenden Anbackungen arbeitet, kann durch Materialabbrüche und Verschüttungen gefährdet werden. Hinzu kommen Absturzgefahren, Staubbelastung und die besonderen Anforderungen bei Arbeiten in Silos und anderen engen Räumen.
Beim aktuellen Projekt ermöglicht der sprengtechnische Abbau, große Mengen verfestigten Materials zu lösen, ohne dass sich Personal während des eigentlichen Abbaus unmittelbar unter den gefährdeten Materialbereichen aufhalten muss.
Sprengtechnischer Abbau Bei der Silosprengung wird das verfestigte Material mit genau bemessenen Ladungen gezielt gelöst. Die freigesetzte Energie wirkt im Materialkörper und zerstört dort Feststoffbrücken, die sich durch die Verfestigung aufgebaut haben. Das gelöste Material kann anschließend in Richtung Auslauf gelangen und über die vorhandene Austragstechnik abgeführt werden.
Jeder Einsatz beginnt mit einer Analyse von Material, Füllstand, Silogeometrie und Anbackungsbild. Auf dieser Grundlage werden Ladungsmengen, Ansatzpunkte und Zündfolge individuell festgelegt.
Über eine zeitgestufte elektrische Zündung werden die vorgesehenen Materialbereiche nacheinander kontrolliert gelöst. Ziel ist es, die notwendige Energie gezielt in das verfestigte Material einzubringen und gleichzeitig die Belastung der Silostruktur zu begrenzen.
Beim aktuellen Einsatz werden die Ladungen von außen über die Siloöffnungen eingebracht, sodass sich während dieses Arbeitsschritts niemand unmittelbar unter hängendem oder verfestigtem Material aufhalten muss. Vor der Auslösung wird jeder Zündkreis mit geeigneter Messtechnik geprüft.
Die Arbeiten werden von entsprechend berechtigten Fachkräften durchgeführt und durch Fachkompetenz im Bereich der Anlagensicherheit begleitet.
Vorbereitung der Ladungen für die Sprengreinigung im Gipssilo
Projekt in Zahlen Das aktuell bearbeitete Gipssilo fasst rund 40.000 Tonnen Gips und war zu Beginn unseres Einsatzes zu etwa 90 Prozent gefüllt. Das Material war stark verbacken, mit ausgeprägter Schachtbildung, erheblichen Anbackungen und blockiertem Austrag.
Durch den sprengdynamischen Abbau erreichen wir bei diesem Projekt eine Leistung von bis zu 1.000 Tonnen pro Tag. Die tatsächlich erreichbare Tagesmenge hängt davon ab, welche Materialmenge die vorhandene Austragstechnik aufnehmen und weitertransportieren kann.
Mit einem ausschließlich manuellen Abtrag wären unter diesen Bedingungen nur Bruchteile dieser Leistung realistisch. Gleichzeitig wäre ein deutlich größerer Personaleinsatz unmittelbar im Gipssilo erforderlich.
Einsatzbereiche der Silosprengung Der sprengtechnische Abbau kommt insbesondere dort infrage, wo große Mengen stark verfestigten Schüttguts mit herkömmlichen Verfahren nicht mehr wirtschaftlich oder nur mit erheblichem Aufwand gelöst werden können.
Dazu gehören unter anderem:
Gipssilos und REA-Gips-Speicher
Zement- und Klinkersilos
Kalk- und Kalksteinsilos
Flugasche- und Aschesilos
Speicher für Düngemittel und Salze
Bunker in Kraftwerken und der Grundstoffindustrie
Ob eine Silosprengung für eine konkrete Anlage technisch und sicherheitstechnisch geeignet ist, muss anhand von Material, Silogeometrie, Anlagenzustand, Füllstand, Anbackungsbild und Austragstechnik bewertet werden.
Häufige Fragen zur Silosprengung Kann das Silo beschädigt werden? Die Sprengparameter werden auf Material, Silogeometrie und Anlagenzustand abgestimmt. Ziel ist es, die notwendige Energie gezielt in das verfestigte Material einzubringen und die Belastung der Silostruktur zu begrenzen. Vor jedem Einsatz werden deshalb Zustand und Bauweise der Anlage in die Planung einbezogen.
Muss die Produktion stillstehen? Das hängt von der jeweiligen Anlage ab. Je nach technischen Voraussetzungen kann der Abbau so abgestimmt werden, dass gelöstes Material über die vorhandene Austragstechnik abgeführt wird. Ob und in welchem Umfang ein paralleler Anlagenbetrieb möglich ist, muss im konkreten Einzelfall bewertet werden.
Wie lässt sich erneutes Verbacken verhindern? Entscheidend sind unter anderem Materialeigenschaften, Feuchtigkeit, Lagerdauer, Temperaturbedingungen, Silogeometrie und Austragsverhalten. Kontrollierte Einlagerungsbedingungen, möglichst kurze Standzeiten und eine regelmäßige vollständige Entleerung können abhängig von Material und Anlage dazu beitragen, erneute Verfestigungen zu reduzieren.
Auch das Fließprofil spielt eine Rolle. Bei Massenfluss ist der gesamte Siloinhalt während des Austrags in Bewegung, während bei Kernfluss dauerhaft stehende Randbereiche entstehen können. Dadurch lässt sich das Risiko einer ausgeprägten Zeitverfestigung in toten Zonen reduzieren.
Ist die Silosprengung teurer? Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Bei großen Mengen stark verfestigten Materials können die hohe Abbauleistung, ein geringerer manueller Arbeitsaufwand und kürzere Einsatzzeiten wirtschaftliche Vorteile bieten.
Für die konkrete Bewertung müssen unter anderem Materialmenge, Personalaufwand, Austragsleistung, mögliche Produktionsstillstände und die sicherheitstechnischen Anforderungen berücksichtigt werden.
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Die NT Service GmbH ist spezialisiert auf die sichere Reinigung, Inspektion und Dekontamination von Silo- und Tankanlagen. Wir arbeiten europaweit, sicher, dokumentiert und nach höchsten Standards.
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