Explosión de polvo

Demostración en laboratorio de combustión de lycopodium polvo

Una explosión de polvo es la combustión rápida de partículas finas suspendidas en aire, generalmente en un espacio cerrado. Las explosiones de polvo pueden ocurrir donde se haya pulverizado material combustible o no en concentraciones suficientemente altas en la atmósfera o dentro de otro medio gaseoso oxidante como el oxígeno.

Las explosiones de polvo son peligros comunes en minas de carbón subterráneas, en ascensores de granos, sitios de almacenaje y en otros entornos y procesos industriales. Sin embargo, son utilizadas frecuentemente por artistas de efectos especiales, cineastas y pirotécnicos, dado que tienen un aspecto espectacular y fácilmente contenidas de forma segura bajo ciertas condiciones cuidadosamente controladas.

Terminología

Si la combustión rápida ocurre en un espacio limitado, se pueden generar sobrepresiones, causando daño estructural importante a edificios y lastimando personas. La liberación repentina de la energía de una "detonación" puede producir una onda de choque, ya sea al aire libre o en un espacio limitado. Si el esparcimiento de llama se da a una velocidad subsónica, el fenómeno es a veces llamado deflagración, aunque en la vida cotidiana se les llama a ambas "explosiones".

Las explosiones de polvo pueden ser clasificadas según su naturaleza en "primarias" o "secundarias". Las explosiones primarias pueden ocurrir al interior de equipos o de espacios cerrados, y son generalmente controladas por una Válvula de alivio de presión a través de ductos específicamente diseñados para liberar la presión hacia el exterior. Las explosiones de polvo secundarias son el resultado de acumulación de polvo dentro de un edificio que es perturbado e incendiado por una explosión primaria, resultando en una explosión incontrolada mucho más peligrosa dentro del lugar de trabajo. Históricamente, las desgracias derivadas de explosiones de polvo han sido el resultado en gran parte de explosiones de polvo de tipo secundario.^{[cita requerida]}

Requisitos

Este esquema tradicional muestra cinco requisitos para una explosión de polvo, aunque sólo cuatro de ellos son técnicamente requeridos; ver texto

Hay cuatro elementos necesarios para que se lleve a cabo una explosión de polvo:^{[cita requerida]}

• Un combustible en polvo
• Que el polvo esté suspendido en el aire en una concentración suficientemente alta
• Un oxidante (típicamente oxígeno atmosférico)
• Una fuente de ignición

En algunos análisis tradicionales de explosiones de polvo, el confinamiento está considerado como el quinto requisito; esto no es una condición esencial, pero puede agravar considerablemente el daño físico resultante.

Fuentes de polvo

Representación estereográfica del Desastre del Great Washburn Mill en 1878

Monte Mulligan desastre de mina en Australia 1921. Estos tambores de cable lanzados a 50 pies (15 m) de sus lugares de origen debido a una explosión de polvo de carbón.

Consecuencias de 2008 explosión en Azúcar Imperial en Portuario Wentworth, Georgia, EE.UU.

Muchos materiales comunes que arden tales como el carbón y el serrín, pueden también generar explosiones de polvo. Además, muchos materiales orgánicos comunes también pueden ser dispersados en una nube de polvo peligrosa, como granos, harina, almidón, azúcar, leche en polvo, cacao, diversas especias, café, y polen. La Pulvimetalurgia puede formar suspensiones explosivas en el aire de algunos metales si los divide finamente (por ejemplo, de aluminio, magnesio y titanio).

El polvo explosivo puede surgir de actividades como el transporte de granos (los silos a menudo han sido derribado violentamente). La minería del carbón genera polvo de carbón, y molinos de harina también generan cantidades grandes de polvo de harina. Una explosión gigantesca de polvo de harina destruyó un molino en Minnesota el 2 de mayo de 1878, matando a 14 trabajadores en el Washburn A Mill, y otros cuatro en edificios adyacentes. Un problema similar ocurre en las serrerías y otros sitios dedicados al trabajo en madera.

A pesar de que ser estrictamente polvo, las partículas de papel emitidas durante su procesamiento - especialmente enrollado, desenrollado, calandrado y corte - generan también riesgos de explosión. Las fábricas de papel cerradas sujetas a tales peligros usualmente mantienen niveles de humedad en el aire bastante altos con el fin de reducir la posibilidad de explosiones de polvo por papel aerotransportado.

En efectos especiales de Pirotecnia, el polvo de lycopodium^{[cita requerida]} [la cita necesitada] y la crema no láctea​ son dos sustancias comunes con las cuales se puede producir fuego de forma segura. La Bomba terremoto, dependiendo de su combustible, es también una fuente potencial e intencionada de polvo.

Para mantener una combustión rápida, el polvo tiene que constar de partículas muy pequeñas con una Relación superficie-volumen alta, haciendo así la superficie colectiva o combinada de todas las partículas muy grande en comparación con un polvo de partículas grandes. El polvo está definido como un conjunto de partículas de menos de 500 micrómetros de diámetro, pero el polvo más fino presentará un riesgo mucho mayor que el de partículas gruesas debido a una mayor superficie total de todas las partículas.

Concentración

Por debajo de cierto valor, es decir del límite explosivo más bajo (LEL, por sus siglas en inglés), hay sencillamente polvo insuficiente para mantener la combustión a la tasa requerida para que se genera una explosión.​ Una concentración de combustible menor a 25% del LEL está considerada segura.​ De modo parecido, si la tasa combustible/aire se incrementa por encima del límite explosivo superior límite explosivo superior (UEL, por sus siglas en inglés), hay insuficiente oxidante para mantener la combustión a la tasa necesaria.

Oxidante

Típicamente, el oxígeno atmosférico normal puede ser suficiente para mantener una explosión de polvo si las otras condiciones necesarias también están presentes. Los ambientes con niveles altos de oxígeno o con oxígeno puro están considerados especialmente peligrosos, dado que son altamente oxidantes (como cloro y flúor). También, suspensiones con partículas de compuestos con alto potencial oxidante, tales como peróxidos, Cloratos, nitratos, percloratos, y dicromatos, pueden aumentar el riesgo de una explosión si también se encuentran presentes materiales combustibles.

Fuentes de ignición

Las llamas no son las únicas fuentes de ignición; pueden existir muchos otros tipos de fuentes. Más de la mitad de las explosiones de polvo en Alemania en 2005 fueron producidas por fuentes que no eran llamas.​ Otras fuentes comunes de ignición son:

• Descarga electrostática (p. ej. una Cinta transportadora incorrectamente instalada, la cual podría actuar como un Generador de Van de Graaff).
• Fricción .
• Arco eléctrico de maquinaria u otro equipamiento.
• Superficies calientes.
• Fuego.

Aun así, a menudo es difícil de determinar la fuente exacta de ignición cuándo se realizan las investigaciones después de una explosión. Cuando una fuente no puede ser encontrada, la ignición a menudo será atribuida a la electricidad estática. Las cargas estáticas pueden ser generadas por fuentes externas, o puede ser generadas internamente por fricción con la superficie de las mismas partículas al chocar unas con otras.

Mecanismo

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, los polvos son mucho más inflamables que los materiales voluminosos. Por ejemplo, una esfera de 1 kg (2.2 lb) de un material combustible con una densidad de 1 g/cm³ tendrá aproximadamente 12.4 cm (4.9 in) de diámetro, y una superficie de 0.048 m² (0.52 ft²). Aun así, si se transformara en partículas de polvo esférico de 50 µm en diámetro (similar a la medida de las partículas de harina) se tendría una área de 120 metros cuadrados (1,300 sq ft). La altamente incrementada superficie permite que el material se queme de forma mucho más rápida; por otro lado, al tener una masa mucho más pequeña, cada partícula puede prenderse fuego con menos energía que si fuera un material voluminoso dado que no habría pérdida de calor que se pudiera transmitir en el material.

Cuando esta mezcla de combustible y aire se incendia, especialmente en un espacio limitado como un almacén o silo, se incrementa significativamente la presión, a menudo por encima del nivel necesario para demoler la estructura. Incluso los materiales que son especialmente seleccionados por su incapacidad para prender en fuego (como el aluminio), o de combustión lenta (como la madera), pueden producir una explosión potente cuando son divididos finamente, y pueden ser incendiados incluso por una pequeña chispa.

• Demostración de una explosión de polvo
• 
  Experimento preparado
• 
  Se dispersa una nube de harina
• 
  La nube de harina se incendia
• 
  La bola de fuego generada se extiende rápidamente
• 
  El intenso calor que irradia no encuentra otros materiales inflamables
• 
  La bola de fuego y otros gases alcanzan altas temperaturas y ascienden
• 
  Consecuencias de la explosión, con harina sin quemar en el suelo

Efectos

Una explosión de polvo puede causar daño importante a estructuras, equipamiento y personal debido a la gran presión generada o por los efectos de las ondas de choque. Los objetos voladores y los escombros pueden causar daño más lejano. El intenso Calor radiante de una bola de fuego puede incendiar el entorno, o causar quemaduras de piel severas en personas desprotegidas. En espacios muy cerrados, el repentino agotamiento del oxígeno puede causar asfixia.

Protección y atenuación

Este cartel americano de la Primera Guerra Mundial advirtió sobre las explosiones de polvo de los granos

Muchas investigaciones se han llevado a cabo en Europa y en otros lugares para entender cómo controlar estos peligros, sin embargo las explosiones de polvo siguen ocurriendo. Las alternativas para hacer procesos y plantas más seguras dependen de la industria.

En la industria minera del carbón, una explosión de metano puede iniciar una explosión de polvo de carbón, el cual pueden entonces abarcar la mina entera. Como precaución se debe esparcir polvo de piedra incombustible a lo largo de los caminos de la mina, o almacenarlo las bandejas que cuelguen del techo con el fin de diluir el polvo de carbón removido por una onda de choque al punto en el que no se pueda quemar. Las minas también pueden ser rociadas con agua para evitar las explosiones.

Algunas industrias excluyen el oxígeno de procesos que levantan polvo, una precaución conocida como "inerting". Típicamente esto utiliza nitrógeno, dióxido de carbono, o argón, los cuales, al ser gases incombustible, pueden desplazar el oxígeno. El mismo método es también utilizado en tanques de gran almacenamiento en los cuales los vapores inflamables se pueden acumular. Aun así, el uso de gases libres de oxígeno conllevan riesgo de asfixia para los trabajadores. Los trabajadores que necesitan iluminación en espacios cerrados donde las explosiones de polvo tienen alta probabilidad de ocurrir a menudo usan lámparas diseñadas para buzos submarinos dado que, al estar selladas, no tienen riesgo de producir chispas en el exterior.

Las buenas prácticas de limpieza del hogar, como la eliminación de depósitos de polvo combustible que pueda ser perturbado y provocar una explosión secundaria, también ayudan a mitigar el problema.

Las mejores medidas de control en ingeniería pueden ser encontradas en los Estándares de Combustión de Polvo de la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego (NFPA), las cuales incluyen:

• Humedecer
• Reducción de concentración del oxidantes
• Descargas por deflagración
• Deflagración de la presión contenida
• Supresión de deflagración
• Descarga por deflagración a través de una retención de polvo y dispositivos que detienen las llamas

Incidentes notables

Las nubes de polvo son fuentes comunes de explosiones, las cuales se estima que causan 2,000 explosiones anualmente en Europa.​ La tabla indica incidentes notables en todo el mundo.

Acontecimiento	Fecha	Ubicación	País	Material incendiado	Fallecidos	Daños	Notas
Exlosión de molino Washburn "A"	2 de mayo de 1878	Minneapolis, Minnesota	Estados Unidos	Polvo de grano	22	Fue destruido el molino de granos más grande en el mundo y niveló cinco otros molinos, reduciendo entre un tercio y un medio la capacidad de molienda de Minneapolis. Incitó molineros de todo el país a instalar mejores sistemas de ventilación para impedir acumulaciones de polvo.
Desastre de la mina Monte Mulligan	19 de septiembre de 1921	Monte Mulligan, Queensland	Australia	Polvo de carbón	75	La serie de explosiones de polvo del carbón dentro de una mina sacudieron los municipios cercanos y fue audible a más de 30 kilómetros (19 mi).
Explosión de la mina de carbón Benxihu	24 de abril de 1942	Benxi, Liaoning	Manchukuo (Ahora China)	Polvo de carbón y gas	1,549	Murieron 34% de los mineros que trabajaron aquel el día. Esto es el peor accidente de minas de carbón a nivel mundial.
Explosión del elevador de granos de Westwego	22 de diciembre de 1977	Westwego, Luisiana	Estados Unidos	Polvo de grano	36	13	​
Explosión del elevador de granos de Galveston	27 de diciembre de 1977	Galveston, Texas	Estados Unidos	Polvo de grano	20	​
Explosión de la fábrica Bird's Custard	18 de noviembre de 1981	Banbury	Reino Unido	Almidón de maíz	9	​​
Explosión de la 18 de octubre de 1982		Metz	Francia	Polvo de cebada	12	1	​
Explosión de la silos de granos Genaro García 1984	30 de marzo de 1984, 11:40	Rosario (Argentina)	Argentina	polvo de cereales	10 (22 heridos quemados)​
Explosión de fábrica textil de Harbin	17 de marzo de 1987	Harbin	China	Polvo de lino	58	177	​
Explosión de Blaye	Agosto de 1997	Blaye	Francia	Polvo de grano	11	1	Explosión en un almacén de granos en la Société d’Exploitation Maritime Blayaise que mató a 11 personas en oficinas cercanas e hirió a uno.​
Explosión de la West Pharmaceutical Services	29 de enero de 2003	Kinston, Carolina del Norte	Estados Unidos	Polvo de polietileno	6	38
Explosión de la Imperial Sugar	7 de febrero de 2008	Port Wentworth, Georgia	Estados Unidos	Polvo de azúcar	14	42	​
Explosión de Kunshan	2 de agosto de 2014	Kunshan	China	Polvo de metal	146	114
Explosión de Formosa Coast	27 de junio de 2015	Nuevo Taipéi	Taiwán	colored Polvo de almidón	15	498	Explosión cuando fue liberado povo coloreado tipo celestial en festival del color y de música al aire libre en la Formosa Fun Coast.
Explosión de molino de harina en Bosley Wood	17 de julio de 2015	Bosley, Cheshire	Reino Unido	Harina de madera	4	4	​​

Véase también

• Factor lambda
• Polvo de carbón
• Combustión
• Ventilación de explosión
• Bomba de harina

Bibliografía

• John Barton (ed.): Prevención y Protección de Explosión del polvo (Una Guía Práctica) Institución de Ingenieros Químicos, Rugbi 2002, ISBN 0-85295-410-7.
• Rolf K. Eckhoff: Explosiones de polvo en industrias de procesamiento, 2.º ed. Butterworth-Heinemann, Oxford 1997, ISBN 0-7506-3270-4.

Enlaces externos

• Productos de investigación de combustibles de explosiones de polvo de la Junta de Seguridad Química
• Instituto de Políticas de Polvo Combustible-ATEX
• Estudios de caso de explosiones de polvo OSHA
• Seminarios para Seguridad de Combustibles en Polvo

• Datos: Q2296331
• Multimedia: Dust explosions / Q2296331