Una explosión de polvo es la combustión rápida de partículas finas suspendidas en el aire dentro de un lugar cerrado. Las explosiones de polvo pueden ocurrir cuando cualquier material combustible en polvo disperso está presente en concentraciones suficientemente altas en la atmósfera u otro medio gaseoso oxidante , como el oxígeno puro . En los casos en que el combustible desempeña el papel de material combustible, la explosión se conoce como explosión de combustible-aire.
Las explosiones de polvo son un peligro frecuente en las minas de carbón , silos y elevadores de granos y otros entornos industriales. También son comúnmente utilizados por artistas de efectos especiales , cineastas y pirotécnicos , dada su apariencia espectacular y su capacidad de contenerse de manera segura bajo ciertas condiciones cuidadosamente controladas.
Las armas termobáricas explotan este principio saturando rápidamente un área con un material fácilmente combustible y luego encendiéndolo para producir fuerza explosiva. Estas armas son las armas no nucleares más poderosas que existen. [1]
Si se produce una combustión rápida en un espacio confinado , se pueden acumular enormes sobrepresiones , causando daños estructurales importantes y escombros voladores. La liberación repentina de energía de una " detonación " puede producir una onda de choque , ya sea al aire libre o en un espacio confinado. Si la propagación de la llama se produce a una velocidad subsónica , el fenómeno a veces se denomina " deflagración ", aunque un uso más amplio llama a ambos fenómenos " explosiones ".
Las explosiones de polvo pueden clasificarse como de naturaleza "primaria" o "secundaria". Las explosiones primarias de polvo pueden ocurrir dentro de equipos de proceso o recintos similares, y generalmente se controlan mediante alivio de presión a través de conductos especialmente diseñados hacia la atmósfera externa. Las explosiones de polvo secundarias son el resultado de la acumulación de polvo dentro de un edificio que es perturbado e encendido por la explosión primaria, lo que resulta en una explosión incontrolada mucho más peligrosa que puede afectar toda la estructura. Históricamente, las muertes por explosiones de polvo han sido en gran medida el resultado de explosiones de polvo secundarias. [2]
Hay cinco condiciones necesarias para una explosión de polvo: [3]
Muchos materiales comunes que se sabe que arden pueden generar una explosión de polvo, como el polvo de carbón y el aserrín . Además, muchos materiales orgánicos que de otro modo serían mundanos también pueden dispersarse en una peligrosa nube de polvo, como cereales , harina , almidón , azúcar , leche en polvo , cacao , café y polen . Los metales en polvo (como el aluminio , el magnesio y el titanio ) pueden formar suspensiones explosivas en el aire, si se dividen finamente.
Una gigantesca explosión de polvo de harina destruyó un molino en Minnesota el 2 de mayo de 1878, matando a 14 trabajadores en Washburn A Mill y otros cuatro en edificios adyacentes. [4] Un problema similar ocurre en los aserraderos y otros lugares dedicados a la carpintería .
Desde la llegada de la fabricación aditiva (FA) basada en polvo metálico a escala de producción industrial en la década de 2010, existe una creciente necesidad de más información y experiencia para prevenir explosiones de polvo e incendios debido a los rastros de exceso de polvo metálico que a veces quedan después de la sinterización por láser o otros métodos de fusión. [5] Por ejemplo, en operaciones de mecanizado aguas abajo de la construcción de AM, el exceso de polvo liberado de las porosidades en las estructuras de soporte puede quedar expuesto a chispas de la interfaz de corte. [5] Se están realizando esfuerzos no sólo para construir esta base de conocimientos dentro de la industria sino también para compartirla con los departamentos de bomberos locales, que realizan inspecciones periódicas de seguridad contra incendios de las empresas en sus distritos y que pueden esperar responder a las alarmas en tiendas o plantas donde AM ahora forma parte del mix de producción. [5]
Aunque no son estrictamente polvo, también se sabe que las partículas de papel emitidas durante el procesamiento (especialmente el enrollado, desenrollado, calandrado/corte y corte de hojas) representan un riesgo de explosión. Las áreas cerradas de las fábricas de papel sujetas a tales peligros comúnmente mantienen humedades del aire muy altas para reducir la posibilidad de explosiones de polvo de papel en el aire.
En pirotecnia de efectos especiales , el polvo de licopodio [2] y la crema no láctea [6] son dos medios comunes para producir efectos de fuego controlados y seguros.
Para favorecer una combustión rápida, el polvo debe consistir en partículas muy pequeñas con una alta relación entre superficie y volumen , lo que hace que el área de superficie colectiva o combinada de todas las partículas sea muy grande en comparación con un polvo de partículas más grandes. El polvo se define como polvos con partículas de menos de 500 micrómetros de diámetro, pero el polvo más fino presentará un peligro mucho mayor que las partículas gruesas en virtud de la mayor superficie total de todas las partículas.
Por debajo de cierto valor, el límite inferior de explosividad (LEL), no hay suficiente polvo para sustentar la combustión al ritmo requerido para una explosión. [7] Una concentración de combustible igual o inferior al 25 % del LEL se considera segura. [8] De manera similar, si la proporción de combustible a aire aumenta por encima del límite explosivo superior (UEL), no hay suficiente oxidante para permitir que la combustión continúe al ritmo necesario.
Determinar la concentración explosiva mínima o máxima de polvos en el aire es difícil, y consultar diferentes fuentes puede conducir a resultados bastante diferentes. Los rangos explosivos típicos en el aire van desde unas pocas docenas de gramos/m 3 para el límite mínimo hasta unos pocos kg/m 3 para el límite máximo. Por ejemplo, se ha determinado que el LIE para el aserrín está entre 40 y 50 gramos/m 3 . [9] Depende de muchos factores, incluido el tipo de material utilizado.
Normalmente, el oxígeno atmosférico normal puede ser suficiente para soportar una explosión de polvo si también se dan las otras condiciones necesarias. Los entornos con alto contenido de oxígeno o oxígeno puro se consideran especialmente peligrosos, al igual que los gases oxidantes fuertes como el cloro y el flúor . Además, las suspensiones de partículas de compuestos con un alto potencial oxidativo, como peróxidos , cloratos , nitratos , percloratos y dicromatos , pueden aumentar el riesgo de explosión si también hay materiales combustibles presentes.
Hay muchas fuentes de ignición, y una llama abierta no tiene por qué ser la única: más de la mitad de las explosiones de polvo en Alemania en 2005 no se produjeron por fuentes distintas a las llamas. [7] Las fuentes comunes de ignición incluyen:
Sin embargo, a menudo resulta difícil determinar la fuente exacta de ignición cuando se investiga después de una explosión. Cuando no se puede encontrar una fuente, la ignición a menudo se atribuirá a la electricidad estática . Las cargas estáticas pueden ser generadas por fuentes externas o pueden generarse internamente por la fricción en las superficies de las propias partículas cuando chocan o se mueven unas sobre otras.
Los polvos tienen una superficie muy grande en comparación con su masa. Dado que la combustión sólo puede ocurrir en la superficie de un sólido o líquido, donde puede reaccionar con el oxígeno, esto hace que los polvos sean mucho más inflamables que los materiales a granel. Por ejemplo, una esfera de 1 kilogramo (2,2 libras) de un material combustible con una densidad de 1 g/cm 3 tendría aproximadamente 12,4 centímetros (4,9 pulgadas) de diámetro y una superficie de 0,048 metros cuadrados (0,52 pies cuadrados). . Sin embargo, si se dividiera en partículas de polvo esféricas de 50 µm de diámetro (aproximadamente el tamaño de las partículas de harina ), tendría una superficie de 120 metros cuadrados (1300 pies cuadrados). Esta superficie mucho mayor permite que el material se queme mucho más rápido, y la masa extremadamente pequeña de cada partícula les permite prenderse fuego con mucha menos energía que el material a granel, ya que no hay pérdida de calor por conducción dentro del material.
Cuando se enciende esta mezcla de combustible y aire, especialmente en un espacio confinado como un almacén o un silo, se crea un aumento significativo de presión, a menudo más que suficiente para demoler la estructura. Incluso los materiales que tradicionalmente se consideran no inflamables (como el aluminio) o de combustión lenta (como la madera), pueden producir una poderosa explosión cuando están finamente divididos y pueden encenderse incluso con una pequeña chispa.
Una explosión de polvo puede causar daños importantes a estructuras, equipos y personal debido a una sobrepresión violenta o efectos de ondas de choque. Los objetos voladores y los escombros pueden causar más daños. El intenso calor radiante de una bola de fuego puede encender los alrededores o provocar quemaduras graves en la piel de personas desprotegidas. En un espacio muy cerrado, el agotamiento repentino de oxígeno puede provocar asfixia . Cuando el polvo tiene una base de carbono (como en una mina de carbón), la combustión incompleta puede provocar la creación de grandes cantidades de monóxido de carbono (la humedad residual de los mineros ). Esto puede causar más muertes que la explosión original y dificultar los intentos de rescate. [10] [11]
Se han llevado a cabo muchas investigaciones en Europa y otros lugares para comprender cómo controlar estos peligros, pero todavía se producen explosiones de polvo. Las alternativas para hacer más seguros los procesos y las plantas dependen de la industria.
En la industria minera del carbón , una explosión de metano puede iniciar una explosión de polvo de carbón , que luego puede engullir todo un pozo de mina. Como precaución, se puede esparcir polvo de piedra incombustible a lo largo de los caminos de la mina, o almacenarlo en bandejas que cuelgan del techo, para diluir el polvo de carbón agitado por una onda de choque hasta el punto en que no pueda arder. Las minas también pueden rociarse con agua para inhibir la ignición.
Algunas industrias excluyen el oxígeno de los procesos de generación de polvo, una precaución conocida como "inertetización". Normalmente se utiliza nitrógeno , dióxido de carbono o argón , que son gases incombustibles que pueden desplazar el oxígeno. El mismo método también se utiliza en grandes tanques de almacenamiento donde se pueden acumular vapores inflamables. Sin embargo, el uso de gases sin oxígeno conlleva un riesgo de asfixia para los trabajadores. Los trabajadores que necesitan iluminación en espacios cerrados donde una explosión de polvo supone un alto riesgo suelen utilizar lámparas diseñadas para buceadores submarinos , ya que no tienen riesgo de producir una chispa abierta gracias a su diseño sellado a prueba de agua.
Las buenas prácticas de limpieza, como la eliminación de la acumulación de depósitos de polvo combustible que podrían alterarse y provocar una explosión secundaria, también ayudan a mitigar el problema.
Las mejores medidas de control de ingeniería que se pueden encontrar en las Normas de polvo combustible de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) [12] incluyen:
Las nubes de polvo son una fuente común de explosiones y se estima que provocan unas 2.000 explosiones al año en Europa. [13] La tabla enumera incidentes notables en todo el mundo.
Incidentes en Francia y Estados Unidos:
Proteger la planta de proceso, las instalaciones de manipulación de granos, etc. del riesgo de explosiones de polvo:
