explosión de polvo

Una explosión de polvo es la combustión rápida de partículas finas suspendidas en el aire dentro de un espacio cerrado. Las explosiones de polvo pueden ocurrir cuando cualquier material combustible en polvo disperso se encuentra en concentraciones suficientemente altas en la atmósfera u otro medio gaseoso oxidante , como el oxígeno puro . En los casos en que el combustible actúa como material combustible, la explosión se conoce como explosión de combustible-aire.

Las explosiones de polvo son un peligro frecuente en minas de carbón , elevadores y silos de grano , y otros entornos industriales. También son utilizadas habitualmente por artistas de efectos especiales , cineastas y pirotécnicos , dada su espectacular apariencia y la posibilidad de contenerlas de forma 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 una fuerza explosiva. Estas armas son los explosivos no nucleares más potentes que existen. ^{[ 1 ]}

Si se produce una combustión rápida en un espacio confinado , pueden acumularse presiones excesivas que causan graves daños estructurales y la proyección de escombros. La liberación repentina de energía de una detonación puede generar 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 a veces se denomina deflagración , aunque en un lenguaje más general se suele llamar explosión a ambos fenómenos .

Las explosiones de polvo pueden clasificarse como "primarias" o "secundarias". Las explosiones primarias pueden ocurrir dentro de equipos de proceso o recintos similares, y generalmente se controlan mediante la liberación de presión a través de conductos diseñados específicamente para ello, hacia la atmósfera exterior. Las explosiones secundarias son el resultado de la acumulación de polvo dentro de un edificio que se remueve y se incendia por la explosión primaria, lo que produce una explosión incontrolada mucho más peligrosa que puede afectar a toda la estructura. Históricamente, las muertes por explosiones de polvo se han debido principalmente a explosiones secundarias. ^{[ 2 ]}

Existen cinco condiciones necesarias para que se produzca una explosión de polvo: ^{[ 3 ]}

1. Un polvo combustible
2. El polvo se dispersa en el aire dentro de ciertos límites de inflamabilidad.
3. Hay un oxidante (típicamente oxígeno atmosférico).
4. Existe una fuente de ignición
5. El área está confinada ; un edificio puede ser un recinto. 

Fuentes de polvo

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 aparentemente inofensivos también pueden dispersarse en una peligrosa nube de polvo, como los granos , 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 están finamente divididos.

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 aparición de la fabricación aditiva (FA) basada en polvo metálico a escala industrial en la década de 2010, existe una creciente necesidad de más información y experiencia en la prevención de explosiones de polvo e incendios causados ​​por 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 mediante FA, el exceso de polvo liberado de las porosidades en las estructuras de soporte puede exponerse a chispas de la interfaz de corte. ^{[ 5 ]} Se están realizando esfuerzos no solo para desarrollar 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 en los negocios de sus distritos y que pueden esperar responder a las alarmas en tiendas o plantas donde la FA ahora forma parte de la mezcla de producción. ^{[ 5 ]}

Aunque no se trata estrictamente de polvo, las partículas de papel que se emiten durante el procesamiento —especialmente durante el enrollado, desenrollado, calandrado/corte y corte de hojas— también representan un riesgo de explosión. Las áreas cerradas de las fábricas de papel expuestas a estos peligros suelen mantener una humedad ambiental muy alta para reducir la probabilidad de explosiones de polvo de papel en suspensión.

En la pirotecnia de efectos 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 que se produzca una combustión rápida, el polvo debe estar compuesto por partículas muy pequeñas con una elevada relación superficie-volumen , lo que resulta en una superficie total muy grande en comparación con un polvo de partículas más grandes. El polvo se define como partículas con un diámetro inferior a unos 500 micrómetros, pero el polvo más fino presenta un riesgo mucho mayor que las partículas gruesas debido a la mayor superficie total de todas ellas.

El polvo tiene una superficie muy grande en comparación con su masa. Dado que la combustión solo puede ocurrir en la superficie de un sólido o líquido, donde puede reaccionar con el oxígeno, esto hace que el polvo sea mucho más inflamable que los materiales a granel. Por ejemplo, una esfera de 1 kg (2,2 lb) de un material combustible con una densidad de 1 g/cm³ ^tendría un diámetro de aproximadamente 12,4 cm (4,9 pulg) y una superficie de 0,048 m² (0,52 pies² ⁾ . Sin embargo, si se fragmentara en partículas esféricas de polvo de 50 μm de diámetro (aproximadamente del tamaño de partículas de harina ⁾ , tendría una superficie de 120 m² (1300 pies² ) . Esta superficie considerablemente mayor permite que el material se queme mucho más rápido, y la masa extremadamente pequeña de cada partícula permite que se incendien con mucha menos energía que el material a granel, ya que no hay pérdida de calor por conducción dentro del material.          

Cuando esta mezcla de combustible y aire se enciende, especialmente en un espacio confinado como un almacén o un silo, se produce 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 potente explosión al dividirse en partículas finas, y pueden encenderse incluso con una pequeña chispa.

• Demostración de una explosión de polvo al aire libre.
• 
  Configuración experimental
• 
  La harina finamente molida se dispersa.
• 
  Se enciende una nube de harina.
• 
  La bola de fuego se propaga rápidamente
• 
  Aquí, el intenso calor radiante no tiene nada que encender.
• 
  Bola de fuego y gases sobrecalentados se elevan
• 
  Consecuencias de la explosión, con harina sin quemar en el suelo.

Una explosión de polvo puede causar daños importantes a estructuras, equipos y personal debido a la sobrepresión violenta o a los efectos de la onda expansiva. Los objetos y escombros que salen disparados pueden causar daños adicionales. El intenso calor radiante de una bola de fuego puede incendiar el entorno o causar quemaduras graves en la piel de personas sin protección. En un espacio cerrado, la repentina falta de oxígeno puede provocar asfixia . Cuando el polvo es de base carbonácea (como en una mina de carbón), la combustión incompleta puede generar grandes cantidades de monóxido de carbono (el residuo de los mineros ). Esto puede causar más muertes que la explosión original, además de dificultar las labores de rescate. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Se han realizado numerosas investigaciones en Europa y otros lugares para comprender cómo controlar estos peligros, pero aún se producen explosiones de polvo. Las alternativas para aumentar la seguridad de los procesos y las plantas dependen del sector industrial.

En la industria minera del carbón , una explosión de metano puede provocar una explosión de polvo de carbón , que puede arrasar toda una mina a cielo abierto. Como medida de precaución, se puede esparcir polvo de piedra incombustible a lo largo de las galerías de la mina o almacenarlo en bandejas colgadas del techo para diluir el polvo de carbón levantado por la onda expansiva hasta el punto de que no pueda arder. También se pueden rociar las minas con agua para inhibir la ignición.

Algunas industrias excluyen el oxígeno de los procesos que generan polvo, una precaución conocida como "inertización". Normalmente, esto se logra con nitrógeno , dióxido de carbono o argón , gases incombustibles que pueden desplazar el oxígeno. El mismo método se utiliza en grandes tanques de almacenamiento donde pueden acumularse vapores inflamables. Sin embargo, el uso de gases sin oxígeno conlleva el riesgo de asfixia para los trabajadores. Quienes necesitan iluminación en espacios cerrados con alto riesgo de explosión de polvo suelen usar lámparas diseñadas para buceadores , ya que su diseño sellado e impermeable elimina el riesgo de chispas.

Las buenas prácticas de limpieza, como la eliminación de la acumulación de depósitos de polvo combustible mediante un colector de polvo , 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:

• Mojada
• Reducción de la concentración de oxidantes
• Ventilación por deflagración
• Contención de la presión de deflagración
• Supresión de la deflagración
• Ventilación de la deflagración a través de un dispositivo de retención de polvo y de extinción de llamas.

Las nubes de polvo son una fuente común de explosiones, causando aproximadamente 2000 explosiones al año en Europa. ^{[ 13 ]} La tabla enumera incidentes notables en todo el mundo.

• relación aire/combustible
• Herramienta eléctrica

Incidents in France and the US:

• Combustible dust explosion investigation products from the Chemical Safety Board
• Combustible Dust Policy Institute-ATEX
• OSHA case studies of dust explosions

Protecting process plant, grain handling facilities, etc. from the risk of dust hazard explosions:

• Hazard Monitoring Equipment – Selection, Installation and Maintenance
• Seminars for Combustible Dust Safety
• HSE (UK) advice on safe handling of combustible dust
• Combustible Dust, CCOHS