Взрыв пыли — это быстрое сгорание мелких частиц , взвешенных в воздухе в закрытом помещении. Взрывы пыли могут происходить там, где любой диспергированный порошкообразный горючий материал присутствует в достаточно высокой концентрации в атмосфере или другой окисляющей газообразной среде, такой как чистый кислород . В случаях, когда роль горючего материала играет топливо, взрыв называется взрывом топливо-воздух.
Взрывы пыли часто представляют опасность в угольных шахтах , элеваторах и силосах , а также в других промышленных средах. Они также широко используются художниками по спецэффектам , кинорежиссерами и пиротехниками , учитывая их эффектный вид и способность безопасно сдерживаться при определенных тщательно контролируемых условиях.
Термобарическое оружие использует этот принцип, быстро насыщая область легко воспламеняющимся материалом, а затем воспламеняя его для создания взрывной силы. Это оружие является самым мощным неядерным оружием из существующих. [1]
Если быстрое горение происходит в замкнутом пространстве , может возникнуть огромное избыточное давление , вызывающее серьезные структурные повреждения и разлетающиеся обломки. Внезапное высвобождение энергии от « детонации » может вызвать ударную волну , как на открытом воздухе, так и в замкнутом пространстве. Если распространение пламени происходит с дозвуковой скоростью, явление иногда называют « дефлаграцией », хотя более свободное употребление называет оба явления « взрывами ». [ требуется ссылка ]
Взрывы пыли можно классифицировать как «первичные» или «вторичные» по своей природе. Первичные взрывы пыли могут происходить внутри технологического оборудования или аналогичных кожухов и, как правило, контролируются сбросом давления через специально построенные воздуховоды во внешнюю атмосферу. Вторичные взрывы пыли являются результатом накопления пыли внутри здания, которое нарушается и воспламеняется первичным взрывом, что приводит к гораздо более опасному неконтролируемому взрыву, который может повлиять на всю конструкцию. Исторически сложилось так, что смертельные случаи от взрывов пыли в основном были результатом вторичных взрывов пыли. [2]
Для взрыва пыли необходимы пять условий: [3]
Многие обычные материалы, которые, как известно, горят, могут вызывать взрыв пыли, например, угольная пыль и опилки . Кроме того, многие другие обыденные органические материалы также могут рассеиваться в опасное облако пыли, например , зерно , мука , крахмал , сахар , сухое молоко , какао , кофе и пыльца . Порошкообразные металлы (например, алюминий , магний и титан ) могут образовывать взрывоопасные суспензии в воздухе, если их мелко измельчить.
Гигантский взрыв мучной пыли разрушил мельницу в Миннесоте 2 мая 1878 года, в результате чего погибли 14 рабочих на мельнице Washburn A Mill и еще четверо в соседних зданиях. [4] Похожая проблема возникает на лесопилках и других предприятиях, занимающихся деревообработкой .
С появлением в 2010-х годах промышленного производства на основе металлического порошка аддитивное производство (AM) стало более востребованным в информации и опыте по предотвращению взрывов пыли и пожаров из-за следов избыточного металлического порошка, иногда остающегося после лазерного спекания или других методов сплавления. [5] Например, при обработке на станках после сборки AM избыточный порошок, высвобождаемый из пор в опорных конструкциях, может подвергаться воздействию искр от интерфейса резки. [5] Предпринимаются усилия не только по созданию этой базы знаний в отрасли, но и по ее распространению среди местных пожарных служб, которые проводят периодические проверки пожарной безопасности предприятий в своих районах и которые могут рассчитывать на то, что будут реагировать на сигналы тревоги в цехах или на заводах, где AM теперь является частью производственного комплекса. [5]
Хотя это и не пыль, частицы бумаги , выделяющиеся в процессе обработки, особенно прокатки, размотки, каландрирования/резки и резки листов, также известны тем, что представляют опасность взрыва. В закрытых помещениях бумажных фабрик, подверженных таким опасностям, обычно поддерживается очень высокая влажность воздуха, чтобы снизить вероятность взрывов бумажной пыли в воздухе.
В пиротехнике спецэффектов порошок ликоподия [ 2] и немолочные сливки [6] являются двумя распространенными средствами создания безопасных, контролируемых огненных эффектов.
Для поддержания быстрого горения пыль должна состоять из очень мелких частиц с высоким отношением площади поверхности к объему , тем самым делая общую или объединенную площадь поверхности всех частиц очень большой по сравнению с пылью более крупных частиц. Пыль определяется как порошки с частицами диаметром менее 500 микрометров, но более мелкая пыль будет представлять гораздо большую опасность, чем крупные частицы, в силу большей общей площади поверхности всех частиц.
Ниже определенного значения, нижнего предела взрываемости (НПВ), пыли недостаточно для поддержания горения со скоростью, необходимой для взрыва. [7] Горючая концентрация на уровне или ниже 25% НПВ считается безопасной. [8] Аналогично, если соотношение топлива и воздуха превышает верхний предел взрываемости (ВПВ), окислителя недостаточно для продолжения горения с необходимой скоростью.
Определение минимальной взрывоопасной концентрации или максимальной взрывоопасной концентрации пыли в воздухе является сложной задачей, и обращение к разным источникам может привести к совершенно разным результатам. Типичные диапазоны взрывоопасности в воздухе составляют от нескольких десятков граммов/м 3 для минимального предела до нескольких кг/м 3 для максимального предела. Например, LEL для опилок был определен в диапазоне от 40 до 50 граммов/м 3 . [9] Это зависит от многих факторов, включая тип используемого материала.
Обычно, нормального атмосферного кислорода может быть достаточно для поддержки взрыва пыли, если присутствуют и другие необходимые условия. Среды с высоким содержанием кислорода или чистого кислорода считаются особенно опасными, как и сильные окисляющие газы, такие как хлор и фтор . Кроме того, взвеси частиц соединений с высоким окислительным потенциалом, такие как пероксиды , хлораты , нитраты , перхлораты и дихроматы , могут увеличить риск взрыва, если также присутствуют горючие материалы.
Существует множество источников возгорания, и открытое пламя не обязательно должно быть единственным: более половины взрывов пыли в Германии в 2005 году произошли из-за источников, не связанных с пламенем. [7] К распространенным источникам возгорания относятся:
Однако часто бывает трудно определить точный источник возгорания при расследовании после взрыва. Если источник не может быть найден, возгорание часто приписывают статическому электричеству . Статические заряды могут быть созданы внешними источниками или могут быть созданы внутри за счет трения на поверхностях самих частиц, когда они сталкиваются или движутся мимо друг друга.
Пыль имеет очень большую площадь поверхности по сравнению с ее массой. Поскольку горение может происходить только на поверхности твердого тела или жидкости, где она может реагировать с кислородом, это делает пыль гораздо более огнеопасной, чем сыпучие материалы. Например, сфера горючего материала весом 1 килограмм (2,2 фунта) с плотностью 1 г/см3 будет иметь диаметр около 12,4 сантиметра (4,9 дюйма) и площадь поверхности 0,048 квадратных метров (0,52 квадратных футов). Однако, если бы ее разбить на сферические частицы пыли диаметром 50 мкм (примерно размер частиц муки ), она имела бы площадь поверхности 120 квадратных метров (1300 квадратных футов). Эта значительно увеличенная площадь поверхности позволяет материалу гореть намного быстрее, а чрезвычайно малая масса каждой частицы позволяет им загореться с гораздо меньшей энергией, чем сыпучий материал, поскольку внутри материала нет потерь тепла на проводимость.
Когда эта смесь топлива и воздуха воспламеняется, особенно в замкнутом пространстве, таком как склад или силос, создается значительное увеличение давления, часто более чем достаточное, чтобы разрушить конструкцию. Даже материалы, которые традиционно считаются негорючими (например, алюминий) или медленно горящими (например, дерево), могут производить мощный взрыв при мелком измельчении и могут воспламениться даже от небольшой искры.
Взрыв пыли может нанести серьезный ущерб сооружениям, оборудованию и персоналу из-за сильного избыточного давления или ударной волны. Летящие предметы и мусор могут нанести дальнейший ущерб. Интенсивное лучистое тепло от огненного шара может воспламенить окружающую среду или вызвать серьезные ожоги кожи у незащищенных людей. В плотно закрытом пространстве внезапное истощение кислорода может вызвать удушье . Там, где пыль имеет углеродную основу (например, в угольной шахте), неполное сгорание может привести к образованию большого количества угарного газа (шахтерского остаточного газа ). Это может привести к большему количеству смертей, чем первоначальный взрыв, а также затруднить попытки спасения. [10] [11]
В Европе и других местах было проведено много исследований, чтобы понять, как контролировать эти опасности, но взрывы пыли все еще происходят. Альтернативы для повышения безопасности процессов и заводов зависят от отрасли.
В угольной промышленности взрыв метана может спровоцировать взрыв угольной пыли , который затем может поглотить всю шахту. В качестве меры предосторожности негорючая каменная пыль может быть разбросана вдоль выработок шахты или храниться в поддонах, свисающих с крыши, чтобы разбавить угольную пыль, поднятую ударной волной, до такой степени, что она не сможет гореть. Шахты также могут быть опрысканы водой, чтобы предотвратить возгорание.
Некоторые отрасли исключают кислород из процессов пылеобразования, мера предосторожности, известная как «инертизация». Обычно для этого используются азот , углекислый газ или аргон , которые являются негорючими газами, способными вытеснять кислород. Тот же метод используется и в больших резервуарах для хранения, где могут скапливаться легковоспламеняющиеся пары. Однако использование бескислородных газов несет риск удушья рабочих. Рабочие, которым необходимо освещение в закрытых помещениях, где высок риск взрыва пыли, часто используют лампы, предназначенные для подводных ныряльщиков , поскольку они не подвержены риску образования открытой искры из-за своей герметичной водонепроницаемой конструкции.
Правильные методы ведения домашнего хозяйства, такие как устранение скоплений горючей пыли, которая может быть поднята и привести к вторичному взрыву, также помогают смягчить проблему.
Лучшие технические меры контроля, которые можно найти в стандартах Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA) по горючей пыли [12], включают:
Пылевые облака являются распространенным источником взрывов, ежегодно вызывая около 2000 взрывов в Европе. [13] В таблице перечислены значимые инциденты по всему миру.
Инциденты во Франции и США:
Защита технологических установок, объектов обработки зерна и т.п. от риска взрывов пыли:
