الانفجار الغباري

الانفجار الغباري هو الاحتراق السريع للجسيمات الدقيقة العالقة في الهواء داخل مكان مغلق. يمكن أن تحدث انفجارات الغبار في حالة وجود أي مادة مبعثرة من المسحوق القابل للاحتراق بتركيزات كافية في الغلاف الجوي أو في أي وسط مؤكسد غازي آخر مثل الأكسجين النقي. في الحالات التي يلعب فيها الوقود دور مادة قابلة للاحتراق يُعرف الانفجار بانفجار الوقود والهواء.
تعد الانفجارات الغبارية من المخاطر المتكررة في مناجم الفحم ومصاعد الحبوب والبيئات الصناعية الأخرى. كما يتم استخدامها بشكل شائع من قبل فناني المؤثرات الخاصة وصانعي الأفلام وفنيي الألعاب النارية، نظرًا لمظهرها المذهل والقدرة على احتواءها بأمان في ظل ظروف معينة يتم التحكم فيها بعناية.
تستخدم الأسلحة الحرارية هذا المبدأ عن طريق إشباع منطقة بسرعة بمادة قابلة للاشتعال ثم إشعالها لإنتاج انفجار. هذه الأسلحة هي أقوى الأسلحة غير النووية في الوجود.
تعريف
في حالة حدوث احتراق سريع في مكان محصور، يمكن أن تتراكم ضغوط زائدة هائلة، مما يتسبب في أضرار كبيرة في الهيكل الإنشائي مع توليد حطام متطاير. يمكن أن ينتج عن الإطلاق المفاجئ للطاقة من «الانفجار» موجة صدمة تحدث إما في الهواء الطلق أو في مكان محصور. إن كانت سرعة انتشار اللهب بسرعة أقل من سرعة الصوت، فإن هذه الظاهرة تسمى أحيانًا «الاحتراق»، ومن الشائع استخدام كلمة «انفجار» للتعبير عن الظاهرتين.
يمكن تصنيف الانفجارات الغبارية على أنها إما «أولية» أو «ثانوية». قد تحدث الانفجارات الغبارية الأولية داخل الحاويات ومعدات العمل ويتم التحكم فيها بشكل عام عن طريق تخفيف الضغط من خلال مجاري مبنية لهذا الغرض تصل إلى الجو الخارجي. الانفجارات الغبارية الثانوية هي نتيجة تراكم وانتشار الغبار داخل المبنى مرة أخرى نتيجة للانفجار الأولي مما يؤدي إلى انفجار أكثر خطورة يمكن أن يؤثر على الهيكل الإنشائي بأكمله. تاريخياً، الدمار الكبير والوفيات المرافقة له كانت بسبب الانفجارات الغبارية الثانوية.
الشروط المطلوبة لحدوث الانفجارات الغبارية
هناك خمسة شروط ضرورية لحدوث الانفجار الغبار:
غبار قابل للاشتعال
انتشار الغبار في الهواء بتركيز عالي
وجود عامل مؤكسد (عادة الأكسجين الجوي)
وجود مصدر اشتعال
وجود منطقة محصورة - كبناء مغلق على سبيل المثال
مصادر الغبار
هناك العديد من المواد الشائعة القابلة للاحتراق تستطيع أن تولد انفجارات غبارية مثل الفحم ونشارة الخشب. يمكن أيضًا أن يسبب انتشار غبار العديد من المواد العضوية العادية سحابة غبار خطيرة، مثل الحبوب والدقيق والنشا والسكر والحليب المجفف والكاكاو والقهوة وحبوب اللقاح. يمكن أن تشكل البودرة الناعمة للمعادن (مثل الألومنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم) معلقات متفجرة في الهواء.
يمكن أن ينشأ الغبار المتفجر من أنشطة مثل نقل الحبوب، وغالبًا ما يتم تدمير صوامع الحبوب بشكل عنيف. يؤدي استخراج الفحم إلى تكوين غبار الفحم، وبالمثل تحتوي مطاحن الدقيق على كميات كبيرة من غبار الدقيق نتيجة طحن القمح. دمر انفجار هائل لغبار الدقيق مطحنة في مينيسوتا في 2 مايو 1878، مما أسفر عن مقتل 18 عاملاً في واشبورن إيه ميل وأربعة آخرين في المباني المجاورة. حدثت كوارث مماثلة في مناشر الخشب والأماكن الأخرى المخصصة لأعمال النجارة.
منذ ظهور الإنتاج الصناعي على نطاق واسع لتصنيع المساحيق المعدنية وهي من المواد الرئيسية المستخدمة في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (AM) في عام 2010 أصبحت هناك حاجة متزايدة لمزيد من المعلومات والخبرات لمنع الانفجارات الغبارية والحرائق الناجمة من انتشار غبار بودرة المعادن أثناء تصنيع العناصر بواسطة الليزر أو خلال معالجتها بطرق الانصهار الأخرى.
على الرغم من أنه ليس غبارًا بالتعريف الدقيق، إلا أن جزيئات الورق المنبعثة أثناء المعالجة - خاصة اللف أو إعادة فتح الورق الملفوف، التسوية وقطع الأطراف الزائدة، قطع الأوراق..ألخ- من الممكن أن تقود إلى خطر الانفجار الغباري. عادةً ما تحافظ مناطق مصانع الورق المغلقة المعرضة لمثل هذه الأخطار على رطوبة هواء عالية جدًا لتقليل فرصة انفجار غبار الورق المنتشر في الهوء.
في عروض المؤثرات النارية، يعتبر مسحوق الليكوبوديوم ومبيض القهوة وسيلتين شائعتين لإنتاج تأثيرات حريق آمنة نستطيع التحكم بها.
لدعم الاحتراق السريع، يجب أن يتكون الغبار من جزيئات صغيرة جدًا ذات مساحة سطح عالية نسبة إلى الحجم، مما يجعل مجموع مساحة الأسطح لجميع الجسيمات كبيرة جدًا مقارنة بمساحة سطح الجزيئات الأكبر. يُعرَّف الغبار بأنه مسحوق ذو جسيمات يقل قطرها عن 500 ميكرومتر، الغبار ذو الجزيئات الأصغر يمثل خطرًا أكبر بكثير من الغبار ذوق الجسيمات الخشنة بفضل مساحة السطح الكلية الأكبر لجميع الجسيمات.
تركيز المواد
لا يحدث الانفجار الغباري عندما يكون تركيز المواد في الوسط المؤكسد أقل من قيمة الحد الأدنى لحدوث الانفجار (LEL) بسبب عدم وجود غبار كافٍ لدعم الاحتراق بالمعدل المطلوب للانفجار. يُعتبر تركيز المواد القابلة للاشتعال عند 25٪ أو أقل من الحد الأدنى للإنفجار آمنًا. وبالمثل: إذا زادت نسبة الوقود في الهواء فوق الحد الأعلى لحدوث لانفجار (UEL) سيتم استهلاك العامل المؤكسد قبل الوصول إلى حالة احتراق مستمر.
من الصعب تحديد الحد الأدنى والحد الأقصى لتركيز المواد القابلة للاحتراق في الهواء التي تسبب بحدوث الانفجار الغباري، تملك المراجع المختلفة أرقام متباينة لهذه المحددات، تتراوح مستويات التراكيز النموذجية في الهواء من بضع عشرات من الجرامات / م 3 للحد الأدنى، إلى بضعة كجم / م 3 للحد الأقصى. على سبيل المثال، تم تحديد LEL لنشارة الخشب بين 40 و 50 جرامًا / م 3 . يتغير هذا الحد بتغير العديد من العوامل بما في ذلك نوع المواد المستخدمة.
المؤكسد
عادةً يكون الأكسجين الجوي العادي كافيًا لدعم الانفجار الغباري في حالة توفرالظروف الضرورية الأخرى. تعتبر البيئات عالية الأكسجين أو البيئات التي يتوفر فيها الأكسجين النقي خطرة بشكل خاص، وكذلك البيئات التي تتوفر فيها الغازات المؤكسدة القوية مثل الكلور والفلور. أيضًا، يمكن أن تزيد معلقات المركبات المؤكسدة مثل البيروكسيدات والكلورات والنترات والبيركلورات وثنائي كرومات من خطر حدوث الانفجار في حالة وجود مواد قابلة للاحتراق أيضًا.
مصادر الاشتعال
هناك العديد من مصادر الاشتعال ولا يلزم وجود لهب لحدوث الاحتراق: أكثر من نصف انفجارات الغبار في ألمانيا في عام 2005 كانت من نتيجة حوادث لا علاقة لها باللهب. تشمل المصادر الشائعة للاشتعال ما يلي:
تفريغ إلكتروستاتيكي (على سبيل المثال، حزام ناقل مُركب بشكل غير صحيح، والذي يمكن أن يعمل مثل مولد Van de Graaff)
احتكاك
قوس كهربائي من الآلات أو غيرها من المعدات
الأسطح الساخنة (مثل المحامل شديدة الحرارة)
نار
اشتعال الذاتي
من الصعب غالبًا تحديد المصدر الدقيق للاشتعال عند التحقيق بعد حدوثه. عندما يتعذر العثور على مصدر، غالبًا ما يُعزى الاشتعال إلى الكهرباء الساكنة. يمكن أن تتولد الشحنات الساكنة من مصادر خارجية، أو يمكن أن تتولد داخليًا عن طريق احتكاك أسطح الجسيمات نفسها أثناء اصطدامها أو تحركها فوق بعضها البعض.
آلية حدوث الانفجارات الغبارية
يملك الغبار مساحة سطح كبيرة جدًا مقارنة بكتلته. ونظرًا لأن الاحتراق يمكن أن يحدث فقط على سطح المواد الصلبة والسائلة حيث يمكن للمادة القابلة للاحتراق التفاعل مع الأكسجين، فإن هذا السطح الكبير يجعل الغبار أكثر قابلية للاشتعال من المواد الخام في حالتها الطبيعية. على سبيل المثال: كرة وزنها من مادة قابلة للاحتراق بكثافة 1 غرام/ سم 3 سيكون قطرها حوالي وتبلغ مساحتها . ومع ذلك إذا تم تقسيمها إلى جزيئات غبار كروية قطرها 50 ميكرومتر -حوالي حجم جزيئات الدقيق- فستكون مساحة سطحها . تسمح مساحة السطح الكبيرة للمادة بالاحتراق بشكل أسرع، والكتلة الصغيرة للغاية لكل جسيم تسمح له بالاشتعال عند طاقة أقل بكثير من الطاقة اللازمة لاحتراق المادة في حالتها الطبيعية، حيث لا يوجد فقد حراري داخل المادة نتيجة الناقلية الحرارية.
عندما يتم اشتعال هذا المزيج من الوقود والهواء -خاصة في مكان مغلق مثل المستودع أو الصوامع- تتولد زيادة كبيرة في الضغط غالبًا ما تكون أكثر من كافية لهدم الهيكل الإنشائي. حتى المواد التي يُعتقد تقليديًا أنها غير قابلة للاشتعال (مثل الألمنيوم) أو بطيئة الاحتراق (مثل الخشب) يمكن أن تنتج انفجارًا قويًا عند تقسيمها إلى جزيئات صغيرة حيث يمكنها أن تشتعل بواسطة شرارة صغيرة.
نتائج الانفجارات الغبارية
يمكن أن يتسبب الانفجارالغباري في حدوث أضرار جسيمة للهياكل الإنشائية والمعدات والأفراد بسبب الضغط الزائد العنيف أو تأثيرات الموجات الصدمية. يمكن أن تتسبب الأجسام والحطام المتطاير نتيجة الانفجار المزيد من الأضرار. كما يمكن أن تؤدي الحرارة المشعة الشديدة الناتجة عن الكرة النارية إلى إشعال المناطق المحيطة بها أو التسبب في حروق جلدية شديدة في الأشخاص غير المجهزين بوسائل حماية من النار. يمكن أن يسبب النضوب المفاجئ للأكسجين في مكان مغلق بإحكام الاختناق للموجودين في داخله. عندما يكون أساس الغبار الكربون -كما هو الحال في منجم الفحم- قد يولد الاحتراق غير الكامل كميات كبيرة من أول أكسيد الكربون الذي يمكن أن يتسبب في وفيات أكثر مما سببه لانفجار الأصلي بالإضافة إلى إعاقة محاولات الإنقاذ.
الحماية والتخفيف من الأضرار
تم إجراء الكثير من الأبحاث في أوروبا وأماكن أخرى لفهم كيفية السيطرة على هذه المخاطر لكن لا تزال الانفجارات الغبارية تحدث. نعرض الأفكار التالية لجعل مراكز الإنتاج والمصانع أكثر أمانًا.
في صناعة استخراج الفحم، يمكن أن يؤدي انفجار غاز الميثان إلى انفجار غبار الفحم، والذي يمكن أن يدمر حفرة المنجم بأكملها. كإجراء احترازي يتم نشر غبار الحجارة غير القابلة للاحتراق على طول طرق المناجم، أو يتم تخزينه في صواني معلقة من السقف، لتخفيف نسبة غبار الفحم المنتشر في الهواء نتيجة موجة الصدمة إلى قيمة لا يمكن أن يحترق فيها. يمكن أيضًا رش المناجم بالماء لمنع الاشتعال.
تستبعد بعض الصناعات الأكسجين من عملياتها وهو إجراء احترازي يُعرف باسم «الخمول». عادةً ما يستخدم النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون أو الأرجون، وهي غازات غير قابلة للاحتراق يمكن أن تحل محل الأكسجين. تُستخدم نفس الطريقة أيضًا في الخزانات الكبيرة حيث يمكن أن تتراكم الأبخرة القابلة للاشتعال. سلبية استخدام الغازات الخالية من الأكسجين هي وجود خطر اختناق العمال.
غالبًا ما يستخدم العمال الذين يحتاجون إلى الإضاءة في الأماكن المغلقة حيث يكون الانفجار الغباري خطرًا كبيرًا مصابيح مصممة للغواصين تحت الماء، حيث لا يتعرضون لخطر إصدار شرارة مفتوحة بسبب تصميمها المحكم المقاوم للماء.
تساعد ممارسات التدبير المنزلي الجيدة مثل التخلص من تراكم رواسب الغبار القابلة للاحتراق والتي يمكن أن تنتشر في الهواء وتؤدي إلى انفجار ثانوي على التخفيف من حدة المشكلة.
أفضل الإجراءات الهندسية في هذا المجال يمكن العثور عليها في الكود NFPA: معايير الغبار القابل للاحتراق للجمعية الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA):
ترطيب
تخفيض تركيز المؤكسد
تنفيس الاحتراق
احتواء ضغط الاحتراق
قمع الاحتراق
تنفيس الاحتراق من خلال جهاز احتجاز الغبار وإيقاف اللهب
حوادث ملحوظة
تعتبر السحب الترابية مصدرًا شائعًا للانفجارات، حيث تسبب ما يقدر بنحو 2000 انفجار سنويًا في أوروبا. يسرد الجدول الأحداث البارزة في جميع أنحاء العالم.
انظر أيضًا
نسبة الهواء إلى الوقود
سلاح حراري
المراجع
روابط خارجية
حوادث في فرنسا والولايات المتحدة:
منتجات التحقيق في انفجار الغبار القابل للاحتراق من مجلس السلامة الكيميائية
معهد سياسة الغبار القابل للاحتراق - ATEX
دراسات حالة OSHA لانفجارات الغبار
حماية المصانع ومنشآت الحبوب من مخاطر انفجار الغبار:
معدات مراقبة المخاطر - الاختيار والتركيب والصيانة
ندوات حول سلامة الغبار القابل للاحتراق
http://www.hse.gov.uk/pubns/books/hsg103.htm - نصائح HSE (المملكة المتحدة) بشأن التعامل الآمن مع الغبار القابل للاحتراق.
الصحة والسلامة المهنية
انفجارات
انفجارات ونيران صناعية
جسيمات معلقة
عمليات كيميائية
غبار
مخاطر