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 hay material combustible en polvo disperso 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 minas de carbón , elevadores de granos y silos , y otros entornos industriales. También son utilizadas habitualmente por artistas de efectos especiales , cineastas y pirotécnicos , dada su apariencia espectacular y su capacidad para ser contenidas de manera segura bajo ciertas condiciones cuidadosamente controladas.
Las armas termobáricas explotan este principio saturando rápidamente una zona con un material fácilmente combustible y encendiéndolo después para producir una fuerza explosiva. Estas armas son las armas no nucleares más poderosas que existen. [1]
Si se produce una combustión rápida en un espacio confinado , pueden generarse enormes sobrepresiones que provoquen importantes daños estructurales y desprendimientos de escombros. La liberación repentina de energía de una " detonación " puede producir una onda expansiva , ya sea al aire libre o en un espacio confinado. Si la propagación de la llama se produce a velocidad subsónica , el fenómeno se denomina a veces " deflagración ", aunque un uso más laxo denomina a ambos fenómenos " explosiones ".
Las explosiones de polvo pueden clasificarse como de naturaleza "primaria" o "secundaria". Las explosiones de polvo primarias pueden ocurrir dentro de equipos de proceso o recintos similares, y generalmente se controlan mediante el alivio de presión a través de conductos construidos específicamente para ello que conducen a la atmósfera externa. Las explosiones de polvo secundarias son el resultado de la acumulación de polvo dentro de un edificio que se altera y se enciende por la explosión primaria, lo que da como resultado una explosión descontrolada mucho más peligrosa que puede afectar a 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 que se produzca 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 nube de polvo peligrosa, como los cereales , la harina , el almidón , el azúcar , la leche en polvo , el cacao , el café y el 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 el molino Washburn A y a otros cuatro en edificios adyacentes. [4] Un problema similar ocurre en 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 a partir de los restos de polvo metálico sobrante que a veces quedan después de la sinterización láser u otros métodos de fusión. [5] Por ejemplo, en las operaciones de mecanizado posteriores a la fabricación aditiva, el exceso de polvo liberado de las porosidades en las estructuras de soporte puede estar expuesto a chispas de la interfaz de corte. [5] Se están realizando esfuerzos no solo 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 la FA es ahora parte de la mezcla de producción. [5]
Aunque no se trata estrictamente de polvo, las partículas de papel emitidas durante el procesamiento (especialmente el enrollado, desenrollado, calandrado/corte y corte de hojas) también son conocidas por representar un peligro de explosión. Las áreas cerradas de las fábricas de papel sujetas a tales peligros suelen mantener una humedad del aire muy alta para reducir la posibilidad de explosiones de polvo de papel en suspensión.
En los efectos pirotécnicos especiales , el polvo de licopodio [2] y la crema no láctea [6] son dos medios comunes para producir efectos de fuego seguros y controlados.
Para favorecer una combustión rápida, el polvo debe estar formado por partículas muy pequeñas con una gran relación entre el área superficial y el volumen , lo que hace que la 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 un valor determinado, el límite explosivo inferior (LIE), no hay suficiente polvo para mantener la combustión al ritmo necesario para una explosión. [7] Una concentración de combustible igual o inferior al 25 % del LIE se considera segura. [8] De manera similar, si la relación combustible-aire aumenta por encima del límite explosivo superior (LSE), 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 llevar a resultados muy diferentes. Los rangos explosivos típicos en el aire van desde unas pocas docenas de gramos/m3 para el límite mínimo, hasta unos pocos kg/m3 para el límite máximo. Por ejemplo, se ha determinado que el LEL para el aserrín está entre 40 y 50 gramos/m3 . [ 9] Depende de muchos factores, incluido el tipo de material utilizado.
Por lo general, el oxígeno atmosférico normal puede ser suficiente para soportar una explosión de polvo si también se dan las demás condiciones necesarias. Los entornos con alto contenido de oxígeno o con 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.
Existen muchas fuentes de ignición, y una llama desnuda no tiene por qué ser la única: más de la mitad de las explosiones de polvo en Alemania en 2005 se debieron a fuentes no relacionadas con llamas. [7] Las fuentes de ignición más comunes incluyen:
Sin embargo, a menudo es 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 generarse 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.
El polvo tiene una superficie muy grande en comparación con su masa. Como la combustión solo puede ocurrir en la superficie de un sólido o líquido, donde puede reaccionar con el oxígeno, el polvo es mucho más inflamable 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/cm3 tendría unos 12,4 centímetros (4,9 pulgadas) de diámetro y una superficie de 0,048 metros cuadrados (0,52 pies cuadrados). Sin embargo, si se descompusiera en partículas esféricas de polvo de 50 μm de diámetro (aproximadamente el tamaño de las partículas de harina ), tendría una superficie de 120 metros cuadrados (1.300 pies cuadrados). Esta superficie mucho mayor permite que el material se queme mucho más rápido, y la masa extremadamente pequeña de cada partícula permite que se prendan 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 reducido como un almacén o un silo, se crea un aumento significativo de la presión, a menudo más que suficiente para demoler la estructura. Incluso materiales que tradicionalmente se consideran no inflamables (como el aluminio) o de combustión lenta (como la madera), pueden producir una explosión potente cuando se dividen finamente y pueden encenderse incluso con una pequeña chispa.
Una explosión de polvo puede causar daños importantes a las estructuras, equipos y personal debido a efectos violentos de sobrepresión u ondas de choque. Los objetos y escombros que salen volando pueden causar más daños. El calor radiante intenso de una bola de fuego puede incendiar los alrededores o causar quemaduras graves en la piel en personas desprotegidas. En un espacio herméticamente cerrado, la pérdida repentina de oxígeno puede causar asfixia . Cuando el polvo está basado en 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, además de dificultar los intentos de rescate. [10] [11]
Se han llevado a cabo muchas investigaciones en Europa y en otros lugares para comprender cómo controlar estos peligros, pero aún se producen explosiones de polvo. Las alternativas para hacer que los procesos y las plantas sean más seguros dependen de la industria.
En la industria minera del carbón , una explosión de metano puede iniciar una explosión de polvo de carbón , que puede luego engullir todo el pozo de la mina. Como precaución, se puede esparcir polvo de piedra incombustible a lo largo de los caminos de la mina o almacenarlo en bandejas colgadas del techo, para diluir el polvo de carbón levantado por una onda expansiva hasta el punto en que no pueda arder. Las minas también se pueden rociar con agua para inhibir la ignición.
Algunas industrias excluyen el oxígeno de los procesos que generan polvo, una precaución conocida como "inerte". 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 existe un alto riesgo de explosión de polvo suelen utilizar lámparas diseñadas para buceadores , ya que no tienen riesgo de producir una chispa expuesta debido a su diseño sellado e impermeable.
Las buenas prácticas de mantenimiento, 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 sobre polvo combustible de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) [12] incluyen:
Las nubes de polvo son una fuente común de explosiones y causan aproximadamente 2.000 explosiones al año en Europa. [13] La tabla enumera incidentes notables en todo el mundo.
Incidentes en Francia y Estados Unidos:
Protección de plantas de proceso, instalaciones de manipulación de granos, etc. contra el riesgo de explosiones por polvo:
