Explosión de polvo

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 comunes entre 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.

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 una velocidad subsónica, el fenómeno a veces se denomina "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 debido a 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.

Existen cinco condiciones necesarias para que se produzca una explosión de polvo:

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

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. 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 por láser u otros métodos de fusión. 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 quedar expuesto a chispas de la interfaz de corte. 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 los talleres o plantas donde la FA es ahora parte de la mezcla de producción.

Aunque no son estrictamente 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 y la crema no láctea son dos medios comunes para producir efectos de fuego seguros y controlados.

Para que la combustión sea rápida, el polvo debe estar formado por partículas muy pequeñas con una gran relación superficie/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 representará 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 a la velocidad necesaria para una explosión. Una concentración de combustible igual o inferior al 25 % del LIE se considera segura. De manera similar, si la relación combustible-aire aumenta por encima del límite explosivo superior (UEL), no hay suficiente oxidante para permitir que la combustión continúe a la velocidad necesaria.

Determinar la concentración explosiva mínima o máxima de polvos en el aire es difícil, y consultar distintas fuentes puede llevar a resultados muy diferentes. Los rangos típicos de explosividad 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. Depende de muchos factores, incluido el tipo de material utilizado.

Normalmente, el oxígeno atmosférico normal puede ser suficiente para provocar una explosión de polvo si se dan también 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. Las fuentes de ignición más comunes incluyen:

• descarga electrostática (p. ej. una cinta transportadora de instalación inadecuada, que puede actuar como un generador Van de Graaff)
• fricción
• arcing eléctrico de maquinaria u otro equipo
• superficies calientes (por ejemplo, rodamientos sobrecalentados)
• fuego
• auto-ignición

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 suele atribuirse 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.

Los polvos tienen 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, 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/cm3 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 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 les permite incendiarse 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 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.

• Demostración de una explosión de polvo al aire libre
• 
  Configuración experimental
• 
  La harina de suelo fino se dispersa
• 
  Nube de harina se enciende
• 
  Fireball se propaga rápidamente
• 
  El calor radiante intenso no tiene nada que encender aquí
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  Bola de fuego y aumento de gases supercalentados
• 
  Después de la explosión, con harina sin quemaduras en el suelo

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 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 generar grandes cantidades de monóxido de carbono (humedad residual de los mineros). Esto puede causar más muertes que la explosión original, además de dificultar los intentos de rescate.

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 y resistente al agua.

Las buenas prácticas de limpieza, como eliminar 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) incluyen:

• Wetting
• Reducción de la concentración de oxidantes
• Ventilación de deflagración
• Contención de presión deflagración
• Represión de la deflagración
• Deflagración ventilando a través de una retención de polvo y un dispositivo de emergencia

Las nubes de polvo son una fuente habitual de explosiones y provocan unas 2.000 explosiones al año en Europa. La tabla enumera los incidentes más destacados en todo el mundo.

Evento	Fecha	Ubicación	País	Material de origen	Fatalidades	Lesiones	Notas
Flour Mills de Tradeton explosión	9 de julio de 1872	Glasgow, Scotland	Reino Unido	polvo de grano	18	16	Destruyeron el edificio del molino y dañaron los edificios circundantes, y comenzaron un incendio que mató a otros. La investigación de la explosión fue publicada en Europa y América.
Gran desastre de Mill	2 de mayo de 1878	Minneapolis, Minnesota	Estados Unidos	polvo de grano	18		Destruyeron el molino de grano más grande del mundo y nivelaron otros cinco molinos, reduciendo efectivamente la capacidad de fresado de Minneapolis por un tercio a una mitad. Molinos reducidos en todo el país para instalar mejores sistemas de ventilación para prevenir la acumulación de polvo.
Husted Mill and Ascensor Disaster	24 de junio de 1913	Buffalo, Nueva York	Estados Unidos	polvo de grano	33	80	Esta explosión de la tarde de trabajo destruyó un ascensor de grano y un complejo de molino. El ingeniero de un motor de cambio de ferrocarril que pasaba fue volado desde la cabina y murió. Se rompieron las ventanas de un tren pasajero de Nickel Plate Road, pero no hubo pasajeros heridos.
Milwaukee Works explosion	20 de mayo de 1919	Milwaukee, Wisconsin	Estados Unidos	Planta de trituración de semillas	3	4	La explosión se sintió por millas alrededor y niveló completamente la planta propiedad de la empresa.
Douglas Starch Works explosion	22 de mayo de 1919	Cedar Rapids, Iowa	Estados Unidos	almidón de maíz	43	30	La explosión se sintió por millas alrededor y niveló completamente la planta propiedad de la empresa.
Port Colborne explosion	9 de agosto de 1919	Port Colborne	Canadá	grano	10	16	Blast también destruyó el vaporizador Quebec, que estaba cerca del ascensor de grano
Gran ascensor de grano terminal en Kansas City	13 de septiembre de 1919	Kansas City, Missouri	Estados Unidos		14	10	Originado en el sótano del ascensor, durante un período de limpieza, y recorrido por el eje del ascensor
El desastre de la mina del Monte Mulligan	19 de septiembre de 1921	Mount Mulligan, Queensland	Australia	polvo de carbón	75		La serie de explosiones de polvo de carbón dentro de una mina sacudieron el pueblo de cerca y fue audible hasta 30 kilómetros (19 mi) de distancia.
explosión de Benxihu Colliery	26 de abril de 1942	Benxi, Liaoning	Manchukuo (ahora China)	polvo de carbón y gas	1.549		El 34% de los mineros que trabajaban ese día fueron asesinados. Este es el peor accidente mundial de coal-mining.
Explosión de Pillsbury y Fuego	2 de enero de 1972	Buffalo, Nueva York	Estados Unidos	harina de trigo	3	8	La explosión del fin de semana de Año Nuevo en lo que era el molino de harina más grande del mundo. La explosión ocurrió en una serie de contenedores de almacenamiento de harina de granel a granel de 500 pies de largo y 10 pisos. Las reparaciones tardaron un año en completarse.
Explosión de ascensor de grano de Westwego	22 de diciembre de 1977	Westwego, Louisiana	Estados Unidos	polvo de grano	36	13
explosión de ascensor de grano de Galveston	27 de diciembre de 1977	Galveston, Texas	Estados Unidos	polvo de grano	20
Explosión de la fábrica de Bird Custard	18 de noviembre de 1981	Banbury	Reino Unido	almidón de maíz		9
explosión de la fábrica de malta Metz	18 de octubre de 1982	Metz	Francia	polvo de cebada	12	1
Ingeniero White Silo No 5 explosion	13 de marzo de 1985	Ingeniero White	Argentina	polvo de grano	22
Explosión de fábrica de textiles de Harbin	17 de marzo de 1987	Harbin	China	polvo de lino	58	177
Sukhodilska–Skhidna carbon mine accident	9 de junio de 1992	Sukhodilsk	Ucrania	polvo de carbón y despistado	63	37
Explosión de grano de Blaye	Agosto de 1997	Blaye	Francia	polvo de grano	11	1	La explosión en una instalación de almacenamiento de granos en la Société d’Exploitation Maritime Blayaise mató a 11 personas en oficinas cercanas y lesionó a una.
Explosión del ascensor de Debruce	Junio de 1998	Wichita, Kansas	Estados Unidos	polvo de grano	7	10	Múltiples explosiones ocurrieron en lo que era el ascensor de granos más grande del mundo. Los sistemas de recolección de polvo no se mantuvieron adecuadamente.
West Pharmaceutical Explotación de servicios	29 de enero de 2003	Kinston, Carolina del Norte	Estados Unidos	polvo de polietileno	6	38
Imperial Sugar explosion	7 de febrero de 2008	Port Wentworth, Georgia	Estados Unidos	polvo de azúcar	14	42
2014 Kunshan explosion	2 de agosto de 2014	Kunshan	China	polvo	146	114
Explosión de la Costa de Diversión Formosa	27 de junio de 2015	Nuevo Taipei	Taiwán	polvo de almidón coloreado	15	498	Explosión cuando el polvo de color Holi fue lanzado en un festival de música al aire libre y color en la Costa Diversión Formosa.
Explosión de molino de harina de madera de Bosley	17 de julio de 2015	Bosley, Cheshire	Reino Unido	harina de madera	4	4

• ratio de aire a combustible
• Herramienta de alimentación

Incidentes en Francia y Estados Unidos:

• Productos de investigación de explosiones de polvo combustible de la Junta de Seguridad Química
• Combustible Dust Policy Institute-ATEX
• Estudios de casos de explosiones de polvo OSHA

Protección de plantas de procesamiento, instalaciones de manipulación de granos, etc. contra el riesgo de explosiones por polvo:

• Equipo de Monitoreo de Riesgos – Selección, Instalación y Mantenimiento
• Seminarios para la seguridad del polvo combustible
• HSE (UK) asesoramiento sobre manejo seguro del polvo combustible
• Polvo combustible, CCOHS