Explosão de poeira

Uma explosão de poeira é a combustão rápida de partículas finas suspensas no ar dentro de um local fechado. As explosões de poeira podem ocorrer onde qualquer material combustível em pó disperso está presente em concentrações suficientemente altas na atmosfera ou em outro meio gasoso oxidante como oxigênio puro. Nos casos em que o combustível desempenha o papel de um material combustível, a explosão é conhecida como explosão combustível-ar.

Explosões de poeira são um perigo frequente em minas de carvão e outros ambientes industriais. Eles também são comumente usados ​​por artistas de efeitos especiais, cineastas e pirotécnicos devido à sua aparência espetacular e capacidade de serem contidos com segurança sob certas condições cuidadosamente controladas.

As armas termobáricas utilizam esse princípio saturando rapidamente uma área com um material facilmente combustível e depois incendiando-o para produzir força explosiva. Essas armas são as armas não nucleares mais poderosas que existem.

Terminologia

Se a combustão rápida ocorrer em um espaço confinado, enormes sobrepressões podem se acumular causando grandes danos estruturais e detritos voando. A liberação repentina de energia de uma " detonação " pode produzir uma onda de choque, seja ao ar livre ou em um espaço confinado. Se a propagação da chama ocorrer em velocidade subsônica, o fenômeno às vezes é chamado de "deflagração", embora o uso mais amplo chame ambos os fenômenos de "explosões".

As explosões de poeira podem ser classificadas como sendo de natureza "primária" ou "secundária". As explosões de poeira primária podem ocorrer dentro de equipamentos de processo ou invólucros semelhantes e geralmente são controladas por alívio de pressão por meio de dutos especialmente projetados para a atmosfera externa.

Explosões de poeira secundária são o resultado do acúmulo de poeira dentro de um edifício sendo perturbado e inflamado pela explosão primária, resultando em uma explosão descontrolada muito mais perigosa que pode afetar toda a estrutura. Historicamente, as fatalidades por explosões de poeira têm sido em grande parte o resultado de explosões de poeira secundárias.

Condições necessárias

Existem cinco condições necessárias para uma explosão de poeira:

• Uma poeira combustível
• A poeira é dispersa no ar em uma concentração suficientemente alta
• Existe um oxidante (normalmente oxigênio atmosférico)
• Existe uma fonte de ignição
• A área é confinada - um edifício pode ser um recinto

Fontes de poeira

Muitos materiais comuns que queimam podem gerar uma explosão de poeira como carvão e serragem. Além disso, muitos materiais orgânicos comuns também podem ser dispersos em uma nuvem de poeira perigosa tais como grãos, farinha, amido, açúcar, leite em pó, cacau, café e pólen. Metais em pó (como alumínio, magnésio e titânio) podem formar suspensões explosivas no ar, se finamente divididas.

A poeira explosiva pode surgir de atividades como o transporte de grãos e silos de grãos costumam ser destruídos com violência. A mineração de carvão resulta em pó de carvão e os moinhos de farinha também têm grandes quantidades de pó de farinha como resultado da moagem. Uma gigantesca explosão de pó de farinha destruiu um moinho em Minnesota em 2 de maio de 1878, matando 18 trabalhadores no Moinho Washburn A e outros quatro em edifícios adjacentes. Um problema semelhante ocorre em serrarias e outros locais dedicados ao trabalho em madeira .

Desde o advento da manufatura aditiva à base de pó metálico em escala de produção industrial (AM) na década de 2010, há uma necessidade crescente de mais informações e experiência na prevenção de explosões de poeira e incêndios a partir de vestígios de pó metálico em excesso, às vezes remanescente após a sinterização a laser ou outros métodos de fusão. Por exemplo, em operações de usinagem a jusante da construção AM, o excesso de pó liberado de porosidades nas estruturas de suporte pode ser exposto a faíscas da interface de corte. Esforços estão em andamento não apenas para construir essa base de conhecimento dentro da indústria, mas também para compartilhá-la com os bombeiros locais, que fazem inspeções periódicas de segurança contra incêndio em empresas em seus distritos e que podem esperar responder a alarmes em lojas ou fábricas onde a AM agora faz parte do mix de produção.

Embora não seja estritamente uma poeira, as partículas de papel emitidas durante o processamento - especialmente enrolamento, desenrolamento, calandragem / corte e corte de folha - também são conhecidos por apresentarem risco de explosão. As áreas fechadas da fábrica de papel sujeitas a tais perigos geralmente mantêm umidades de ar muito altas para reduzir a chance de explosões de poeira de papel no ar.

Na pirotecnia de efeitos especiais, o pó de licopódio e o creme não lácteo são dois meios comuns de produzir efeitos de fogo seguros e controlados.

Para suportar a combustão rápida, a poeira deve consistir em partículas muito pequenas com uma alta relação entre área de superfície e volume, tornando assim a área de superfície coletiva ou combinada de todas as partículas muito grande em comparação com uma poeira de partículas maiores. A poeira é definida como pós com partículas menores que cerca de 500 micrômetros de diâmetro, mas a poeira mais fina apresentará um perigo muito maior do que as partículas grossas em virtude da maior área de superfície total de todas as partículas.

Concentração

Abaixo de um determinado valor, o Limite Inferior de Explosividade (LIE), não há poeira suficiente para suportar a combustão na taxa necessária para uma explosão. Uma concentração de combustível igual ou inferior a 25% do LEL é considerada segura. Da mesma forma, se a razão combustível / ar aumentar acima do Limite Superior de Explosividade (LSE), não há oxidante suficiente para permitir que a combustão continue na taxa necessária.

Determinar a concentração explosiva mínima ou a concentração explosiva máxima de poeiras no ar é difícil e consultar fontes diferentes pode levar a resultados bastante diferentes. Os intervalos explosivos típicos no ar vão de algumas dezenas de gramas / m 3 para o limite mínimo a alguns kg / m 3 para o limite máximo. Por exemplo, o LEL para serragem foi determinado entre 40 e 50 gramas / m 3 . Depende de muitos fatores, incluindo o tipo de material usado.

Oxidante

Normalmente o oxigênio atmosférico normal pode ser suficiente para suportar uma explosão de poeira se as outras condições necessárias também estiverem presentes. Ambientes com alto teor de oxigênio ou oxigênio puro são considerados especialmente perigosos assim como gases oxidantes fortes, como cloro e flúor. Além disso as suspensões particuladas de compostos com alto potencial oxidativo, como peróxidos, cloratos, nitratos, percloratos e dicromatos, podem aumentar o risco de explosão se materiais combustíveis também estiverem presentes.

Fontes de ignição

Existem muitas fontes de ignição, e uma chama aberta não precisa ser a única: mais da metade das explosões de poeira na Alemanha em 2005 foram de fontes sem chamas. Fontes comuns de ignição incluem:

• Descarga eletrostática (por exemplo, uma correia transportadora instalada incorretamente, que pode agir como um gerador Van de Graaff )
• Atrito
• Arco elétrico de máquinas ou outros equipamentos
• Superfícies quentes (rolamentos superaquecidos por exemplo)
• Fogo
• Autoignição

No entanto, muitas vezes é difícil determinar a fonte exata de ignição ao investigar após uma explosão. Quando uma fonte não pode ser encontrada a ignição geralmente é atribuída à eletricidade estática. Cargas estáticas podem ser geradas por fontes externas ou podem ser geradas internamente por atrito nas superfícies das próprias partículas à medida que elas colidem ou se movem umas sobre as outras.

Como ocorrem

As poeiras têm uma área de superfície muito grande em comparação com sua massa. Uma vez que a queima só pode ocorrer na superfície de um sólido ou líquido onde pode reagir com o oxigênio, isso faz com que as poeiras sejam muito mais inflamáveis ​​do que os materiais a granel. Por exemplo, uma esfera de 1 quilograma de um material combustível com uma densidade de 1 g/cm 3 teria cerca de 12,4 centímetros de diâmetro e uma área de superfície de 0,048 metros quadrados. No entanto se fosse dividido em partículas esféricas de poeira de 50 µm de diâmetro (aproximadamente do tamanho da partículas de farinha) teria uma área de superfície de 120 metros quadrados. Essa área de superfície bastante aumentada permite que o material queime muito mais rápido e a massa extremamente pequena de cada partícula permite que elas peguem fogo com muito menos energia do que o material a granel já que não há perda de calor para condução dentro do material.

Quando essa mistura de combustível e ar é inflamada, especialmente em um espaço confinado como um depósito ou silo um aumento significativo na pressão é criado, muitas vezes mais do que suficiente para demolir a estrutura. Mesmo materiais que são tradicionalmente considerados não inflamáveis ​​(como o alumínio), ou de queima lenta (como a madeira), podem produzir uma explosão poderosa quando finamente divididos e podem ser acesos até mesmo por uma pequena faísca.

Consequências

Uma explosão de poeira pode causar grandes danos a estruturas, equipamentos e pessoal devido a violentos efeitos de sobrepressão ou ondas de choque. Objetos voadores e detritos podem causar mais danos. O calor intenso e radiante de uma bola de fogo pode inflamar os arredores ou causar queimaduras graves na pele em pessoas desprotegidas. Em um espaço muito fechado, o esgotamento repentino de oxigênio pode causar asfixia. Onde a poeira é baseada em carbono (como em uma mina de carvão), a combustão incompleta pode causar a criação de grandes quantidades de monóxido de carbono (a umidade posterior dos mineradores). Isso pode causar mais mortes do que a explosão original, além de dificultar as tentativas de resgate.

Proteção e prevenção

Muitas pesquisas foram realizadas na Europa e em outros lugares para entender como controlar esses perigos, mas ainda ocorrem explosões de poeira. As alternativas para tornar os processos mais seguros dependem da indústria.

Na indústria de mineração de carvão uma explosão de metano pode iniciar uma explosão de pó de carvão que pode então engolfar uma mina inteira. Como precaução, o pó de pedras não inflamáveis pode ser espalhado ao longo das estradas da mina ou armazenado em bandejas penduradas no telhado para diluir o pó de carvão levantado por uma onda de choque a ponto de não queimar. As minas também podem ser borrifadas com água para inibir a ignição.

Algumas indústrias excluem o oxigênio dos processos de levantamento de poeira, uma precaução conhecida como "inertização". Normalmente, ele usa nitrogênio, dióxido de carbono ou argônio que são gases não inflamáveis que podem deslocar o oxigênio. O mesmo método também é usado em grandes tanques de armazenamento, onde vapores inflamáveis ​​podem se acumular. No entanto, o uso de gases sem oxigênio acarreta risco de asfixia dos trabalhadores. Os trabalhadores que precisam de iluminação em espaços fechados onde uma explosão de poeira é um alto risco costumam usar lâmpadas projetadas para mergulhadores subaquáticos, pois não correm o risco de produzir uma faísca aberta devido ao seu design à prova d'água selado.

Boas práticas de manutenção, como eliminar o acúmulo de depósitos de poeira combustível que podem ser perturbados e levar a uma explosão secundária, também ajudam a mitigar o problema.

As melhores medidas de controle de engenharia que podem ser encontradas nos Padrões da National Fire Protection Association (NFPA) incluem:

• Redução da concentração de oxidantes
• Ventilação de deflagração
• Contenção de pressão de deflagração
• Supressão de deflagração
• Ventilação de deflagração através de um dispositivo de retenção de poeira e corta-chamas