Dossier Silobranden/stofexplosies Inleiding
• • • • •
— — — — —
Algemeen Het begrip stofexplosie Het ontstaan van een stofexplosie Het verloop van een stofexplosie Preventieve maatregelen tegen het ontstaan van sto
Algemeen Stofexplosies zijn voor de meeste hulpverleners een tamelijk onbekend fenomeen. Ze komen ook niet zo vaak voor als bijvoorbeeld gasexplosies. Uit onderzoek blijkt dat in Nederland gemiddeld één keer per week een stofexplosie voorkomt. Dit gebeurt vrijwel altijd op momenten die afwijken vande normale procescondities. Bijvoorbeeld bij het opstarten of stopzetten van een proces, bij het aanlopen van een machine en tijdens of na onderhouds- en reparatiewerkzaamheden. Gelukkig zijn de meeste stofexplosies zo klein van omvang dat de schade meevalt. Sommige explosies zijn echter zeer hevig en met catastrofale gevolgen. In Nederland doen zich zo’n twintig keer per jaar stofexplosies voor waarbij gewonden vallen. Een lasser raakte bijvoorbeeld zwaargewond toen een collega voor de grap een plastic zakje houtstof naar hem gooide. Het zakje plofte open, de resulterende stofwolk ontstak aan de lasvlam en explodeerde. Er is dus maar weinig voor nodig om een kans op een stofexplosie te hebben. Hoe ontstaan stofexplosies in graansilo's en andere ruimten waar stof voorkomt? Alle vaste stoffen die kunnen branden, kunnen ook exploderen. Doordat vaste stoffen zwaarder zijn dan gassen, kunnen stofexplosies zelfs energieker zijn dan gasexplosies. Om een stofexplosie te krijgen, moet er sprake zijn van een fijn verdeeld poeder. Dit poeder moet vervolgens in de lucht worden opgewerveld. Het opwervelen is noodzakelijk om het poeder te mengen met de zuurstof in de lucht, zodat een stofwolk wordt verkregen. Daarnaast moet er een ontstekingsbron aanwezig zijn en de combinatie opgewerveld stof in de lucht met ontstekingsbron moet zich in een (deels) afgesloten ruimte bevinden. Dit is nodig zodat de druk die druk die vrijkomt bij deze zeer snelle verbranding zich kan opbouwen in de afgesloten ruimte, net zolang tot deze bezwijkt. Brand en broei kunnen een stofexplosie inleiden, maar brand kan ook het gevolg zijn van een stofexplosie. Het brandgevaar is bij silo's die deel uitmaken van een procesinstallatie groter dan bij silo's met alleen bulkopslag.
Het begrip stofexplosie Nagenoeg alle brandbare stoffen kunnen aanleiding geven tot een stofexplosie. Van veel organische stoffen is bekend dat zij kunnen exploderen. Voorbeelden hiervan zijn suiker, veevoer, meel, stof (granen, papier, textiel, hout), poeders (melk, verf, metaal, chemisch), maar ook plastics en farmaceutica kunnen exploderen. Een stofexplosie is een snel voortschrijdende verbranding van een mengsel van brandbaar stof met lucht. De volume-uitzetting van de door de verbranding verhitte gassen leidt hierbij tot een merkbare drukverhoging. Het is, met andere woorden, een verbrandingsreactie in een mengsel van fijn verdeelde vaste stof en gas, meestal lucht, die door plaatselijke warmtetoevoer begint, om zich vervolgens snel door het gehele mengsel voort te zetten. De reactie is op een bepaald moment beperkt tot een deel van de stofwolk (heterogene explosie). Dit reagerende deel vormt de vlam. De warmte die in de vlam wordt vrijgemaakt, wordt overgedragen aan nog niet reagerende deeltjes voor het vlamfront. Door dit warmtetransport verplaatst het vlamfront zich. De snelheid waarmee dit vlamfront zich verplaatst wordt vlamfrontsnelheid of vlamsnelheid genoemd. Een stofexplosie kan men dus beschouwen als een gewone gasexplosie. Alleen is bij een stofexplosie geen sprake van gasmoleculen, maar van veel grotere stofdeeltjes die moeilijker tot ontbranding te brengen zijn dan gasmoleculen. Daardoor is voor een stofexplosie een veel grotere ontstekingsenergie nodig dan voor een gas- of dampexplosie. Hoe groot deze ontstekingsenergie is, hangt af van onder andere het soort stof, maar ook van de stofkorrelgrootte. Hoe kleiner de stofdeeltjes, hoe meer oppervlakte ze samen hebben. Hoe meer oppervlak, hoe meer reactieoppervlak, hoe sneller de reactie kan beginnen/verlopen. De verbranding van een stofdeeltje zelf is in wezen de verbranding van een stukje vaste stof. Een zeer verraderlijk verschijnsel bij stofexplosies is het verschijnsel van de secundaire explosie. Het stof hoeft hierbij niet steeds met lucht gemengd te zijn om een potentieel gevaar te vormen. Door de luchtverplaatsing van een eerste, eventueel kleine (stof)explosie kan afgezet stof op een andere plaats opgewerveld worden en door de eerste explosie ontstoken worden. Zo’n kettingreactie kan door een gehele installatie of zelfs fabriek lopen, mits voldoende stofafzetting aanwezig is. De secundaire explosie is meestal heviger dan de primaire explosie. De kettingreactie van een primaire stofexplosie met daarna een of meer secundaire stofexplosies is voor hulpverleners erg gevaarlijk.
Het ontstaan van een stofexplosie
Om een brand te laten ontstaan moet voldaan worden aan de voorwaarden van de branddriehoek: zuurstof, brandstof en warmte. Voor een (stof)explosie is iets meer nodig, namelijk dat de brandbare damp, het gas of stof zó optimaal met zuurstof gemengd is dat de verbranding explosief plaatsvindt. Het mengsel moet dus explosief zijn. Bij een explosief mengsel ligt de stofconcentratie tussen twee grenzen: de onderste en de bovenste explosiegrens. Verder moet natuurlijk voldoende ontstekingsenergie voorhanden zijn. De ontstekingsbron moet voldoende energie leveren om het betreffende mengsel te kunnen ontsteken. De benodigde ontstekingsbron is, behalve van de soort stof, ook afhankelijk van de stofconcentratie en de stofkorrelgrootte. Bij ontsteking kunnen praktisch gezien de volgende mogelijkheden worden onderscheiden:
•
•
•
•
— ontsteking door een gloeiende stoflaag (glimtemperatuur) Het gevaar van een warm oppervlak is, dat het bij een relatief lage temperatuur (de glimtemperatuur) een erop afgezette stoflaag kan ontsteken, waardoor ter plaatse een veel hogere temperatuur kan ontstaan. Een warm oppervlak kan zo indirect een ontstekingsbron vormen voor een brand en/of explosie. De glimtemperatuur is gedefinieerd als díe temperatuur van een heet oppervlak waarbij een laagje van 5 mm van het stof dat op dat oppervlak is aangebracht, binnen circa twee uur gaat gloeien en als gevolg daarvan tot ontbranding komt. Met toenemende laagdikte neemt de glimtemperatuur af. Dus de stoflaag vormt zelf een brandgevaar en kan voorts een stofwolk ontsteken. Als voorbeeld kunt u denken aan warmlopende en bestofte lagers. Maar ook aan het volgende. De glimtemperatuur van verschillende soorten meel is ongeveer 250°C en dat is ook ongeveer de temperatuur van de bol van een gloeilamp. — ontsteking door een gloeiende stoflaag (glimtemperatuur) In grote hoeveelheden stof kan bij bepaalde producten onder bepaalde voorwaarden zelfopwarming plaatsvinden. De gevolgen van deze door zelfopwarming optredende temperatuurverhoging kunnen aanzienlijk zijn, zoals brand en/of explosie. Ook hier treedt dus eerst brand op, die vervolgens een eventuele stofwolk kan ontsteken. De zelfopwarming wordt veroorzaakt door exotherme chemische reacties of door processen van biologische aard. Deze zogenaamde broei kan reeds bij kamertemperatuur beginnen. Voorwaarde voor een broeiproces met daaropvolgende zelfontbranding is dat de geproduceerde warmte continu de afgevoerde warmte overschrijdt. — ontsteking van de gaswolk door contact met een heet oppervlak Ontsteking door een heet oppervlak wordt gekarakteriseerd door de minimale ontstekingstemperatuur van de stofwolk. Bij die temperatuur van het hete oppervlak zal de wolk dus ontsteken. Ontstekingstemperaturen van stoffen zijn in tabellen vastgelegd. Als een stof bij een bepaalde temperatuur ontsteekt dan zal ook een stofwolk van die stof ontsteken. — ontsteking van de stofwolk door een (elektrische) vonk Ontsteking door een (elektrische) vonk treedt op, als de vonk een energie heeft gelijk aan
•
of groter dan de benodigde ontstekingsenergie van het mengsel onder de heersende condities. De laagste waarde van deze energie heet de minimale ontstekingsenergie. De minimale ontstekingsenergie is dus een maat voor de gevoeligheid van een stof/luchtmengsel voor ontsteking door (elektrische) vonken. — ontsteking door gloeiende stoflaag. Explosiegrenzen Van de twee explosiegrenzen is de onderste explosiegrens de belangrijkste en het best gedefinieerd. De bovenste explosiegrens voor stof is moeilijk te bepalen en ligt meestal in de orde van grootte van enkele kg/m3. De onderste explosiegrens hangt, behalve van de aard van de stof, ook af van de deeltjesgrootte, het vochtgehalte en de experimentele condities. Hybride explosies De aanwezigheid van een kleine hoeveelheid brandbare dampen of gassen kan de onderste explosiegrens van het stof/luchtmengsel aanzienlijk verlagen. Dergelijke hybride mengsels kunnen ontstaan bij onder andere de op- en overslag en verwerking van producten als raapzaad en sojaschroot, wanneer het extractiemiddel onvoldoende is verwijderd. De resulterende explosie noemen we een hybride explosie. Deeltjesgrootte Naarmate de stofdeeltjes kleiner zijn en onregelmatiger van vorm, is het oppervlak waaraan de reactie kan plaatsvinden groter. De reactie zal sneller verlopen en de explosie zal gemakkelijker beginnen en feller verlopen. Beneden de 50 µm heeft de deeltjesgrootte geen groot effect meer op het verloop van de explosie. Zeer grove deeltjes (groter dan 1 mm) zijn niet meer explosief. In werkelijkheid zitten in een stof altijd deeltjes van verschillende grootten. Een gering percentage zeer fijne stof in een mengsel van grof en daardoor niet explosiegevaarlijk stof kan het mengsel meer explosiegevaarlijk maken. Gehalte aan brandbare dampen Zoals al opgemerkt is, is het gehalte aan brandbare dampen van belang. Enerzijds zal door de vluchtige bestanddelen de reactie sneller verlopen. Anderzijds kunnen vluchtige bestanddelen (bij verwarming) reeds voor de explosie vrijkomen, waardoor hybride mengsels gevormd kunnen worden. Hybride mengsels zijn niet alleen gemakkelijk te ontsteken, maar ze zijn ook bij lagere stofconcentraties al explosief. Vochtgehalte Van belang is ook het vochtgehalte van de stof, omdat het vocht moet verdampen en dus warmte onttrekt aan de verbranding. Het vochtgehalte beïnvloedt vooral de benodigde ontstekingsenergie. Bij vochtgehalten groter dan 10% wordt ook de verbrandingssnelheid merkbaar beïnvloed. Niet brandbare delen nemen, evenals vocht, warmte op uit de reactiezone en remmen zo de verbranding. Soortelijke massa De soortelijke massa van een stof bepaalt samen met de deeltjesgrootte de 'dwarreltijd' van een stofdeeltje in de lucht en daardoor de tijdsduur gedurende welke een stofwolk aanwezig is (en explosief is).
Het verloop van een stofexplosie De reactiesnelheid De snelheid waarmee een reactie zich zal voortplanten, is afhankelijk van de concentratie van de verschillende stoffen in het mengsel. Bij gas/luchtmengsels is de verbrandingssnelheid het grootst in de buurt van de stoechiometrische concentratie (= theoretisch optimale concentratie waarbij er precies genoeg brandbaar gas is om alle zuurstof te verbruiken). Bij stof/luchtmengsels zal nooit alle stof voldoende snel kunnen reageren, zodat meer brandbare stof moet worden toegevoerd dan theoretisch noodzakelijk is. Wanneer behalve stof ook brandbaar gas aanwezig is (hybride mengsels), kan het mengsel al explosief zijn als de concentraties van zowel stof als gas beneden hun respectievelijke ondergrenzen liggen. Bij een hogere begintemperatuur is minder energie nodig om de temperatuur van het mengsel te verhogen tot het reageert. Daardoor zal bij een hogere begintemperatuur de reactie sneller verlopen. Ook een hogere begindruk heeft een positieve invloed op de verbranding. Turbulentie van het reactiemengsel verhoogt de verbrandingssnelheid. De explosie zal sneller (feller) verlopen naarmate het stof-/luchtmengsel turbulenter is. Verder is het natuurlijk van belang of er vlamdovende bestanddelen in het mengsel zitten, zoals waterdamp of inerte stof. Eigenschappen van de explosieruimte Wanneer in een gesloten ruimte een explosie optreedt, zal door de expansie van de hete verbrandingsgassen de druk in de ruimte oplopen. De hoogte van de maximale (over)druk is weer afhankelijk van de stofeigenschappen en de concentratie van het stof. Maar wat minstens zo belangrijk is, is de vorm van de explosieruimte. Deze kan grote invloed hebben op het verloop van de stofexplosie en speciale gevaren opleveren. In het algemeen is een stofwolkexplosie een deflagratie. De schade aangericht door de drukgolf blijft dus beperkt, wel zal al het brandbare materiaal dat door het vlamfront gepasseerd is, branden. In het geval van Langerak kunt u dit goed zien. Mensen worden wel weggeduwd en er sneuvelen een paar ramen, maar er vliegen geen brokstukken in het rond. Wanneer de vlam van het verbrandingsfront van de deflagratie de wand van de ruimte raakt voordat het grootste deel van het mengsel verbrand is, zullen afkoelingseffecten het verloop van de stofexplosie beïnvloeden. Is de ruimte langgerekt (tunnels, leidingen) dan kan de deflagratie zich versnellen en zelfs overgaan in een detonatie. Obstakels kunnen door het veroorzaken van turbulenties het verloop van de explosie verhevigen, maar het ook door hun afkoelende werking temperen.
Wanneer een ruimte niet geheel gesloten is, zal door de openingen de explosiedruk ontlast worden. De maximale overdruk zal ten gevolge van dit ontlastingsproces lager zijn dan bij een volledig gesloten ruimte. Een speciaal gevaar ontstaat er als er in buizen met stofresten een stofexplosie ontstaat. Deze stofexplosie kan de buis volgen (en zelfs overgaan in een detonatie). Op zwakkere plekken kan de buis dan barsten. Een brand kan zich zo bliksemsnel uitbreiden.
Preventieve maatregelen tegen het ontstaan van stofexplosies Er zijn een aantal maatregelen te nemen die de kans op een stofexplosie verkleinen:
• • • • • • • •
— — — — — — — —
voorkomen van mechanische vonken en statische elektriciteit temperatuurbeveiliging of toerentalbewaking op machines handhaven van lage stofconcentraties voorkomen van stofontwikkeling en -afzetting inertiseren door stoftoevoegingen inertiseren door gastoevoegingen het gebruik van een automatische blusinstallatie het voorkomen van broei.
Mechanische vonken kunnen voorkomen worden door het bulkgoed bij aankomst met behulp van zeven, magneten en metaaldetectoren te controleren en ongewenste voorwerpen te verwijderen. Statische elektriciteit tijdens transport van bulkgoederen kan voorkomen worden door het gebruik van geleidende materialen. Het voorkomen van stofexplosies betekent ook het voorkomen van het ontstaan van explosieve mengsels. In principe kan dit voorkomen worden door zowel bij een hoge als bij een zeer lage stofconcentratie te werken. In de praktijk moet echter bij hoge stofconcentratie rekening worden gehouden met uitzakken van de stofwolk, zodat het handhaven van lage stofconcentraties meer in aanmerking komt. Dit is vergelijkbaar met de situatie voor explosieve gassen. Stofafzettingen zijn bijzonder gevaarlijk (secundaire explosies). Deze moeten dan ook zoveel mogelijk worden voorkomen. Enkele maatregelen om stofontwikkeling en stofafzettingen te voorkomen zijn:
• • • • •
— toepassing van goed gesloten apparatuur — drukontlasting met onderdruk- en overdrukventiel — het vermijden van horizontale en ruwe vlakken waarop zich stof vast kan zetten — schoonhouden van machines en ruimtes — toepassen van systemen voor ventilatie, luchtbehandeling, rook- en warmteafvoer en stofbehandeling.
•
— het gebruik van automatische blusinstallaties. Het is niet goed mogelijk veilige grenzen voor toelaatbare stofafzettingen te geven. Een stoflaag van 1 mm komt overeen met enkele honderden grammen stof per m2. Afhankelijk van de onderste explosiegrens van het betreffende stof (meestal tussen 50 en 250 g/m3) levert dit voldoende stof voor een explosief stof/luchtmengsel van één tot enkele kubieke meters. Bij stofafzettingen over grote oppervlakken levert dit dan ook risico’s voor secundaire explosies op. Door aan brandbare stoffen niet-brandbare toe te voegen (inertiseren), kan voorkomen worden dat ze met lucht exploderen. Omdat de gehaltes aan inerte stof hiervoor vaak hoog moeten zijn, is dit slechts in bepaalde gevallen praktisch uitvoerbaar. Zo is bijvoorbeeld vastgesteld dat kleine toevoegingen van krijt (een inerte stof) juist een verlaging van de glimtemperatuur tot gevolg kan hebben en daardoor een stofwolk juist gevaarlijker maken. Inertiseren door toevoeging van onbrandbaar stof gebeurt bijvoorbeeld in de mijnbouw. Een toevoeging van 60% onbrandbaar steenstof maakt het brandbare kolenstof niet meer explosief. Explosieve stof/luchtmengsels kunnen ook voorkomen worden door het verdunnen van de lucht met inerte gassen (stikstof (N2) of kooldioxyde (CO2)). De grenszuurstofgehaltes en dus de benodigde hoeveelheid inert gas) zijn echter sterk stof- en gasafhankelijk. Ze kunnen liggen tussen 6% en 15% zuurstof. Zuurstofconcentratiemeting is bij inertiseren door middel van gas dan ook noodzakelijk. In werkruimten is deze methode uiteraard niet toepasbaar. Bovendien is het een zeer kostbare methode Automatische blusintallaties zijn vooral bedoeld om brand en explosies te voorkomen door tijdig een druk- of temperatuur te signaleren en gloeiende delen of vonken af te blussen. Tekenen van broei zijn warmte, ontwijkende rook, damp, geur, kooldioxide (CO2) en koolmonoxide (CO). De beste kans op het tijdig signaleren van broei is het gebruik van een combinatie van optische, thermische en continue CO2-detectie. Terug naar boven
