Caratteristiche delle polveri esplosive, classe di esplosione, rischio di esplosione ed elenco polveri esplosive

Approfondimento tecnico sull’esplosività delle polveri in contesti industriali

In alcuni articoli precedenti abbiamo approfondito la tematica ATEX analizzando le direttive europee che definiscono i requisiti necessari per gli apparecchi e i sistemi di protezione da utilizzare in zone potenzialmente esplosive. Nel blog “Impianti aspirazione ATEX per atmosfera potenzialmente esplosiva” abbiamo poi fornito una panoramica completa sui componenti da utilizzare negli impianti di aspirazione installati in queste zone, ma da cosa sono originate le esplosioni? In questo articolo daremo risposta a questa domanda, analizzando le condizioni che comportano la deflagrazione delle polveri esplosive e i parametri fisici delle stesse.

Esplosività polveri: definizione e cenni storici

Un’esplosione di polveri può essere definita come un evento più o meno dannoso causato da una violenta reazione di combustione di una polvere esplosiva che avviene quando si verificano particolari condizioni.

Una delle prime notizie riportate in letteratura su esplosioni da polveri risale al 1785, quando venne segnalata la deflagrazione di una nube di farina nella bottega di un fornaio di Torino.
Al giorno d’oggi le esplosioni interessano industrie manifatturiere e processi lavorativi che coinvolgono l’utilizzo di materiali in forma di polvere. Tale fenomeno avviene con una frequenza abbastanza elevata: secondo alcuni studi si verificherebbe un’esplosione di polveri al giorno. Nella maggioranza dei casi questi avvenimenti non hanno conseguenze devastanti, ma a volte possono causare danni estesi che possono portare anche alla chiusura totale o parziale delle attività coinvolte. Riportiamo alcuni casi a titolo puramente esemplificativo:

  • 1999esplosione di polveri di carbone in un impianto della Ford Motor Company in Michigan. Ha causato 6 morti e 36 feriti;
  • 2000 – in una fabbrica italiana di pulitura dei metalli si è verificata un’esplosione di polvere di alluminio piroforico. Nel processo di smerigliatura e di finitura superficiale si liberavano fini particelle di metallo che si incendiarono a contatto con l’aria provocando una reazione molto esotermica ed esplosiva. Ustionò una decina di operai provocando danni alle strutture;
  • 2008 – nella raffineria di zucchero della Imperial Sugar (Georgia) un cuscinetto posto sotto i silos di zucchero si è surriscaldato innescando la miscela di polvere di zucchero. L’esplosione si è propagata nella zona di confezionamento causando la morte di 14 persone e 40 feriti;
  • 2017 – in una fattoria del Sud dell’Indiana un silo di grano è crollato causando una grande esplosione di polveri di grano e danni alla struttura.

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Rischio esplosione polveri: il pentagono dell’esplosione

Dopo aver definito il concetto di esplosione da polveri ed aver compreso gli effetti di questo fenomeno, è giunto il momento di capire come si originano questi eventi. Per fare ciò è necessario introdurre un altro importante elemento: il pentagono dell’esplosione.

Quest’ultimo rappresenta i cinque fattori che devono essere presenti per creare l’esplosione delle polveri, ovvero:

  • comburente (generalmente l’ossigeno contenuto nell’aria);
  • fonte di innesco;
  • ambiente confinato;
  • polvere con natura combustibile;
  • particelle in sospensione

Alcuni di questi elementi li abbiamo già incontrati nel nostro articolo sull’ossidazione termica dei COV, quando abbiamo parlato del triangolo del fuoco e delle condizioni di infiammabilità dei combustibili liquidi e gassosi. Per questi ultimi la possibilità di originare fenomeni esplosivi richiede la contemporanea presenza di una fonte di innesco, combustibile e di un’adeguata quantità di ossigeno. Affinché una polvere combustibile esploda, invece, è indispensabile che oltre a questi elementi essa abbia altre due caratteristiche: facilità di dispersione e capacità di formare una sospensione con l’aria in ambienti confinati.
In generale possiamo dire che qualsiasi polvere combustibile, sia essa derivante da materiali metallici ossidabili (alluminio, ferro..), sostanze organiche naturali (zucchero, cereali…) o sintetiche (pesticidi, materie plastiche…), è potenzialmente soggetta ad esplosione.
La proprietà esplosiva dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche delle polveri e da altre condizioni legate all’ambiente. Nel paragrafo successivo analizzeremo i parametri principali che determinano la pericolosità delle polveri e, di conseguenza, delle esplosioni.

Classificazione polveri esplosive: caratteristiche chimico-fisiche e parametri di esplosività

I principali parametri per determinare l’esplosività di una polvere, sono: Kst, Pmax, MIE, MIT, LEL and UEL. Analizziamoli insieme:

Indice di deflagrazione della polvere – Kst e Pmax

Il Kst, insieme al Pmax (massima pressione d’esplosione di una data polvere – viene misurata in bar), è il dato che permette di valutare il rischio di esplosione polveri associato ad un impianto o processo e di capire quanto è distruttiva una data polvere in caso di deflagrazione. Al fine di confrontare la violenza esplosiva delle polveri sono infatti stati adottati diversi sistemi di classificazione. Uno dei più noti fa riferimento alla classificazione di Bartknecht che suddivide le polveri combustibili in quattro classi di pericolo in relazione al Kst:

Classe di esplosione delle polveriKst [bar⋅m/s] con innesco da 10 kJKst [bar⋅m/s] con innesco da 10 JTipo di esplosione
St 000Nessuna
St 1>0-200>0-100Debole
St 2>200-300>100-200Forte
St 3>300>200Molto forte

Il Kst e il Pmax sono i parametri principali da utilizzare nel calcolo dei pannelli di sfogo esplosioni o nei sistemi di soppressione delle stesse: un rapido aumento della pressione impone infatti di utilizzare pannelli più ampi o di realizzare il filtro in modo tale che abbia una maggiore resistenza alla pressione.

Limite inferiore di esplosività (LEL) e limite superiore di esplosività (UEL)

Il LEL (Lower Explosion Limit) e l’UEL (Upper Explosion Limit) rappresentano i limiti di esplodibilità e sono rispettivamente la concentrazione in aria di sostanza infiammabile al di sotto e al di sopra della quale l’atmosfera non esplode (range di esplosione). Tali limiti sono misurati in miscela con l’aria.

Minima Energia di accensione (MIE)

La MIE (Minimum Ignition Energy) è l’energia che, in condizioni di prova specifiche, risulta in grado d’innescare la polvere sottoposta a test. Quando si parla di polveri esplosive si deve tenere in considerazione il fatto che la MIE risulta correlata alla granulometria: le particelle fini tendono ad avere energie di innesco più basse rispetto alle polveri grossolane.

Temperatura minima di accensione della nube (MIT)

La MIT (Minimum Ignition Temperature) rappresenta la temperatura minima a cui avviene l’accensione della polvere. In questo caso è bene specificare che le polveri, a differenza di gas e vapori, hanno due temperature di accensione: una relativa alla nube di polvere e l’altra inerente l’accensione dello strato di polvere (LIT)

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Polveri esplosive elenco

Nella tabella sottostante riportiamo un elenco di alcune polveri combustibili con i relativi parametri indicativi descritti in precedenza.

PolvereKst (bar.m/s)Pmax (bar)LEL (g/m3)MIE (mJ)MIT (°C)
Alluminio6205.86010560
Zucchero907.53410360
Carbone706660
Zolfo15135280
Aspirina21761515550
Grafite7130600
Fruttosio102601430

I dati sopra elencati sono puramente indicativi e sono soggetti a variazioni.

Parametri fisici che influenzano l’esplosività polvere

Per terminare questo articolo è utile precisare che l’esplosività di una polvere è influenzata da molti altri fattori come: composizione chimica, natura del combustibile, granulometria, umidità ecc. Analizziamoli insieme:

Composizione chimica e reattività

Quando si propaga un’esplosione di polvere, avviene una reazione tra le particelle di polvere e l’ossigeno atmosferico. La velocità con cui l’ossigeno viene consumato dipendono dalla natura chimica della polvere e dal suo potere calorifico. Quest’ultimo parametro è molto importante perché determina la quantità di calore che può essere liberata nell’esplosione.

Natura e concentrazione del comburente

Come abbiamo visto, l’ossigeno è uno dei comburenti più diffusi. L’aumento di ossigeno in atmosfera ATEX accentua la reazione di combustione, aumentando quindi la velocità di esplosione. Al contrario, per fermare il fenomeno esplosivo, è necessario ridurre l’ossigeno mediante miscelazione con gas inerti quali azoto, anidride carbonica ecc.

Granulometria

Man mano che le dimensioni delle particelle di polvere diminuiscono, la superficie di contatto aumenta e la polvere brucia più facilmente. Questa situazione è amplificata dal fatto che le microparticelle sono più disperdibili e restano più a lungo in sospensione. Anche la pressione massima di esplosione aumenta al diminuire della granulometria.

Umidità

In generale possiamo dire che la presenza di umidità tende a diminuire l’esplosività perché le particelle di polvere diventano più coese e creano degli agglomerati che sono più difficoltosi da disperdere e quindi più difficili da innescare. Questa reazione non è però valida per tutte le tipologie di polveri

Come abbiamo visto in questo articolo, le polveri esplosive possono essere più o meno pericolose a seconda delle diverse caratteristiche chimico-fisiche delle stesse e dei fattori esterni che possono influenzarne l’esplosione.
Per evitare conseguenze dannose, gli impianti utilizzati in ambienti ATEX devono essere dimensionati e strutturati tenendo in considerazione la natura delle polveri, i fattori ambientali e le norme in materia.
Se volete approfondire la tematica e scoprire tutti i componenti da utilizzare negli impianti ATEX, potete visitare la nostra pagina web dedicata o contattarci per ricevere consulenza professionale e personalizzata!