|

Propagatie van stofexplosie: mythen en realiteiten

door: Jérôme Taveau

Oorspronkelijk gepubliceerd in 2013

Download de inhoud van deze whitepaper in pdf-formaat.

Ontrafeling van de voortplanting van stofexplosies voor een algemene strategie voor explosiebescherming

De ongelukkige neiging van stofexplosies om hele faciliteiten te vernielen en levens te eisen, is gemeld bij talloze incidenten in het verleden. Een recente illustratie is de enorme explosie die plaatsvond op 7 februari 2008 bij de Imperial Sugar Company in Port Wentworth (Georgia), waar 14 mensen werden gedood en 36 mensen gewond raakten.

Poederverwerkingsprocessen bestaan vaak uit onderling verbonden behuizingen en apparatuur. Vlam en druk als gevolg van een stofexplosie kunnen zich daarom voortplanten door leidingen, over galerijen en andere apparaten of behuizingen bereiken, wat tot grote schade leidt.

Hoewel het vermogen van stofexplosies om zich voort te planten algemeen wordt erkend, leiden sommige misvattingen tot het valse gevoel van veiligheid dat explosie-isolatie niet vereist is.

Geïnspireerd door Paul Amyotte's boek "An Introduction to Dust Explosions" [1], zal dit artikel de volgende gemeenschappelijke mythen over de voortplanting van explosies opsommen, illustreren en ontrafelen:

  • Mythe #1: er is een grote hoeveelheid stof nodig om een explosie te verspreiden
  • Mythe #2: een stofexplosie die begint in een geventileerd vat kan zich niet voortplanten via aangesloten leidingen
  • Mythe #3: een stofexplosie kan zich niet voortplanten tegen de processtroom in
  • Mythe #4: een stofexplosie wordt zwakker naarmate deze zich voortplant
  • Mythe #5: pijpen met een kleine diameter ondersteunen de verspreiding van stofexplosies niet

Mythe #1 Er is een grote hoeveelheid stof nodig om een explosie te verspreiden

Stofexplosies hebben geen grote hoeveelheden brandstof nodig om zich voort te planten.

In zijn boek [2], Eckhoff onderstreept dat zelfs een laag van 1 mm een stofexplosiegevaar kan opleveren in een typische kamer. Dit is experimenteel bevestigd door Tamanini [3], die een reeks maïzena-explosieproeven uitvoerde in een galerij op ware grootte uitgerust met verschillende ventilatiepanelen. De explosie had slechts een laag stof van 1/100 inch op de grond nodig om zich volledig te verspreiden.

Tijdens een geventileerde explosie wordt onverbrande brandstof buiten de primaire behuizing uitgeworpen en kan een secundaire explosie ontstaan. Hetzelfde fenomeen doet zich voor wanneer een stofexplosie plaatsvindt in een vat dat is aangesloten op leidingen. Valiulis et al. [4] bestudeerde de vlamverspreiding in een 89 voet lang kanaal voor schone lucht dat was aangesloten op een 0,64 m lang3 initiërende behuizing die maïszetmeel of fenolstof bevat. Uitgevoerde tests hebben geresulteerd in vlamverspreidingsafstanden van 6 tot 20 meter, zelfs in een kanaal met schone lucht.

Recente bevindingen van het onderzoek van de Fike Corporation naar de verspreiding van stofexplosies [5, 6] hebben aangetoond dat een vlam zich nog gemakkelijker voortplant als de stofconcentratie in de leidingen laag is (50 g / m3 vergeleken met 500 g / m3), zowel voor brandstoffen met een lage reactiviteit (houtmeel) als voor brandstoffen met een hoge reactiviteit (fenolstof); dit werd toegeschreven aan de verhoogde traagheid van rijkere stof-luchtmengsels.

Mythe #2 Een stofexplosie die begint in een geventileerd vat kan zich niet voortplanten via verbonden leidingen

Het is een algemene overtuiging dat het beschermen van een behuizing door middel van ontluchting of onderdrukking de voortplanting van explosies zodanig zal beïnvloeden dat er helemaal geen explosie-isolatie nodig is.

In de vroege jaren 1990, Chatrathi et al. [7] voerde gasexplosie-experimenten uit met een 2,6 m3 vat aangesloten op leidingen, en konden bewijzen dat "[...] hoewel ventilatie een vat beschermt tegen de hoge drukken die door een explosie worden gegenereerd, dit niet noodzakelijk voorkomt dat de explosie zich via leidingen naar andere vaten verspreidt." Deze verklaring is ook volledig geldig voor stofexplosies.

Van Wingerden et al. [8] voerde een reeks tests uit met maïszetmeel, turf en tarwestof om de voortplanting van explosies te bestuderen in een geïntegreerd systeem met een 5,8 m3 Geventileerd zakkenfilter, aangesloten op een vat van 2 m3. Experimenten met maïszetmeel resulteerden in explosieverspreiding door het hele systeem.

Holbrow et al. [9] heeft explosietests uitgevoerd met kolen-, toner- en antrachinonstof met behulp van een combinatie van geventileerde vaten (2 m3, 6,3 m3, 20 m3), verbonden door een pijp tot 15 meter lang. Ze toonden aan dat een explosie in een primair geventileerd vat zich kan voortplanten naar een secundair geventileerd vat (Figuur 1).

 

Explosietests met onderling verbonden geventileerde vaten uitgevoerd door Health and Safety Laboratory (VK)

onderling verbonden geventileerde vaten 2

Figuren 1. Explosietests met onderling verbonden geventileerde vaten uitgevoerd door Health and Safety Laboratory (VK)

Fike Corporation voert routinematig demonstratietests uit op zijn externe testfaciliteit. Een van deze tests betreft een stofcollector met twee leidingen. Op figuur 2 is te zien dat, hoewel de stofcollector wordt geventileerd, de vlam zich door deze pijpen kan verspreiden. Uiteindelijk is chemische isolatie met natriumbicarbonaat (blauwe wolk aan de rechterkant van de figuur) nodig om de resulterende vlam te doven.

Demonstratietests uitgevoerd door Fike Corporation (VS)

Figuur 2. Demonstratietests uitgevoerd door Fike Corporation (VS)

Het feit dat een stofexplosie van een geventileerd vat zich over lange afstanden door leidingen kan voortplanten, wordt ook goed geïllustreerd door het incident dat plaatsvond op 29 oktober 2003 in Huntington, Indiana, VS (Figuur 3, hieronder). In deze fabriek voor de productie van autowielen begon een aluminiumstofexplosie in een stofcollector beschermd door een ventilatiepaneel en verspreidde zich via leidingen naar de hele faciliteit, resulterend in 1 dodelijk slachtoffer en 7 gewonden. [10].

Zicht op de stofafscheider (buiten) en de faciliteit (binnen) na de stofexplosie

Figuur 3. Zicht op de stofafscheider (buiten) en de faciliteit (binnen) na de stofexplosie

Mythe #3 Een stofexplosie kan zich niet verspreiden tegen de processtroom in

Een vaak gehoord argument is dat een stofexplosie zich niet kan voortplanten tegen de pneumatische processtroom in.

Om deze bewering te betwisten, Vogl [11] voerde explosievoortplantingstests uit in een pneumatisch transportsysteem bestaande uit een stofaanvoer, een transportleiding van 131 voet (of 157 voet), een cycloon en een zuigventilator. Maïszetmeel, lycopodium en tarwemeel werden als brandstof gebruikt. De stofconcentratie in de buis werd gevarieerd in het bereik van 75 - 450 g / m3. Verder werk van dezelfde auteurs [12] inclusief een geventileerd startvat. Beide experimentele programma's toonden duidelijk aan dat een explosie zowel met als tegen de processtroom kan reizen (Figuur 4), zelfs over lange afstanden.

Voortplantingstests voor stofexplosie uitgevoerd door FSA (Duitsland)

Figuur 4. Voortplantingstests voor stofexplosies uitgevoerd door FSA
(Duitsland)

Recenter [5, 6]Voerde Fike Corporation een uitgebreid experimenteel programma uit om de voortplanting van stofexplosies in industriële transportsystemen te bestuderen. Voor dat doel werd in de afgelegen testfaciliteit van Fike Corporation een grootschalige testopstelling gebouwd, bestaande uit een geventileerd vat dat is verbonden met twee pijpleidingen. Door middel van een ventilator werden verschillende stromingscondities bepaald (van 15 m / s tot 30 m / s).

Naast andere bevindingen toonde dit onderzoek uiteindelijk aan dat explosievoortplanting vanuit een getransporteerd geventileerd vat zowel met als tegen de processtroom mogelijk is (Figuur 5).

Figuur 5. Voortplantingstests voor stofexplosies (actief transport) uitgevoerd door Fike Corporation (VS) Figuur 5. Voortplantingstests voor stofexplosies (actief transport) uitgevoerd door Fike Corporation (VS)

Figuur 5. Voortplantingstests voor stofexplosies (actief transport) uitgevoerd door Fike Corporation (VS) Figuur 5. Voortplantingstests voor stofexplosies (actief transport) uitgevoerd door Fike Corporation (VS)

Figuur 5. Voortplantingstests voor stofexplosies (actief transport) uitgevoerd door Fike Corporation (VS)

Mythe #4: een stofexplosie wordt zwakker naarmate het zich verspreidt

Literatuur bevat talrijke discussies over explosiegedrag in onderling verbonden schepen.

Experimenteel bewijs heeft aangetoond dat explosies zich niet alleen voortplanten, maar als gevolg van drie verschijnselen steeds schadelijker worden [13]:

  • Vlamversnelling: gasstroming gecreëerd door de primaire explosie in een vat zal de voortplantende vlam in de leidingen strekken, waardoor het oppervlak en de verbrandingssnelheid toenemen, wat leidt tot hogere vlamsnelheden en druk. Uiteindelijk kan de aanvankelijke deflagratie (subsonisch) een detonatie (supersonisch) worden, wat resulteert in veel hogere explosiedrukken;
  • Vlamstraalontsteking: wanneer de grote en snelle vlam afkomstig van het primaire vat de secundaire omhulling zal bereiken, zal het het resterende onverbrande materiaal heftiger ontsteken en leiden tot hogere explosiedrukken en snelheden van drukstijging,
  • Druk opstapelen: gasexpansie van de primaire explosie zal de druk in de leidingen en de secundaire omhulling verhogen ("pre-compressie") voorafgaand aan de passage van de vlam, wat leidt tot een heftiger explosie dan onder omgevingsomstandigheden.

Lunn et al. [14] kolen- en tonerstofexplosies uitgevoerd met behulp van een combinatie van ingesloten vaten (2 m3, 4 m3, 20 m3), verbonden door een pijp tot 4 meter lang. Aangetoond werd dat een explosie in het primaire vat kan leiden tot explosievoortplanting en een veel heftiger explosie in het secundaire vat kan veroorzaken (zowel in termen van maximale snelheid van druktoename als maximale explosiedruk, zie Tabel 1). Hetzelfde effect werd aangetoond, zij het in mindere mate, voor onderling verbonden geventileerde vaten door Holbrow et al. [9].

Samenvatting van geselecteerde onderling verbonden explosietests van gesloten vaten uitgevoerd door Health and Safety Laboratory (VK)

Dit aspect wordt ook goed geïllustreerd door enkele van de ergste stofexplosies die ooit in graanelevatoren hebben plaatsgevonden [15]:

  • In 1982 (Metz, Frankrijk) ontstond een stofexplosie in een hoofdgebouw, verspreid over de bovenste galerij en ruimtes tussen silo's (Figuur 6)
Zicht op de graanelevator van Metz vóór de explosie

Figuur 6. Aanzicht van de Metz graanelevator voor de explosie

Zicht op de graanelevator van Metz na de explosie

Figuur 6. Zicht op de Metz graanelevator na de explosie

  • In 1997 (Blaye, Frankrijk) vond een stofexplosie plaats in het noordelijke hoofdgebouw voordat het zich voortplantte in de bovenste galerij tot aan het zuidelijke uiteinde van de galerij (Figuur 7)
Figuur 7. Schematische weergave van de vermeende explosie in Blaye, Frankrijk

Figuur 7. Schematische weergave van de vermeende explosie in Blaye, Frankrijk

zicht op de schade veroorzaakt door de Blaye-explosie

Figuur 7. Overzicht van de schade veroorzaakt door de Blaye-explosie

  • In 1998 (Wichita, Kansas, VS) werd stof ontstoken in de oostelijke tunnel van de zuidelijke reeks silo's en verspreid door de hele graanelevator (Figuur 8)
Figuur 8. Zicht op de DeBruce graanelevator na de explosie

Figuur 8. Zicht op de DeBruce graanelevator na de explosie

Figuur 8. Zicht op de DeBruce graanelevator na de explosie bovengalerij

Figuur 8. Zicht op de DeBruce graanelevator na de explosie bovengalerij

In alle gevallen kon een kleine primaire gebeurtenis zich snel ontwikkelen tot een grote explosie waarbij een hele faciliteit betrokken was, wat leidde tot het geheel of gedeeltelijk instorten van constructies van gewapend beton.

Mythe #5 KLEINE DIAMETERLEIDINGEN ONDERSTEUNEN GEEN STOFEXPLOSIE VOORTPLANTING

De verspreiding van stofexplosies in kleine leidingen is altijd een controversieel onderwerp geweest. Het belangrijkste argument is dat de voortplanting van vlammen op de proef wordt gesteld door warmteverlies naar de buiswanden.

In enkele van de eerder genoemde experimenten [11], Vogl gebruikte een 4 inch pijp en observeerde volledige voortplanting.

Van Wingerden et al. [8] waargenomen verschillende voortplantingsgedragingen van explosies in 6 inch buizen, afhankelijk van de reactiviteit van het stof: terwijl er geen voortplanting plaatsvond met tarwestof (KST = 55 bar.m / s), maïszetmeel (KST = 145 bar.m / s) kon in bijna alle gevallen volledige voortplanting volhouden. Ze concludeerden dat "hoe reactiever een stof is, hoe groter de kans op vlamverspreiding door het hele systeem is en hoe sterker het effect kan zijn." Ze merkten echter ook op dat "stof met vergelijkbare KST waarden vertonen niet altijd hetzelfde gedrag bij voortplanting door kanalen ”.

Andrews [16] voerde een uitgebreid experimenteel programma uit met betrekking tot vlamstraalontsteking van stofwolken. Hij onderzocht de effecten van verschillende parameters (grootte van het primaire vat en ontluchtingsopstelling, stof, pijpdiameter, pijplengte, aanwezigheid van obstakels) op de waarschijnlijkheid dat een vlam zich voortplant vanuit een primair vat en een stofwolk in een secundair vat doet ontbranden. Hij gebruikte als alternatief een 2 m3 vaartuig en een 20 m3 vaartuig verbonden door een 16 voet lange pijp (6 inch, 10 inch, 20 inch diameter) aan een 18,25 m3 vat (vat met vlamstraalontsteking).

Hoewel er geen vlamtransmissie plaatsvond met behulp van een 6 inch-buis die aan de 2 m3 vat, vlam verspreidde zich in bijna alle gevallen bij gebruik van de 20 m3 vaartuig.

Volgens het onderzoek van Fike Corporation uitgevoerd met verschillende brandstoffen [5, 6]wordt de voortplanting van explosies meer beïnvloed door de verminderde druk en impuls die worden ontwikkeld in het primaire vat (ongeacht of deze worden gegenereerd door veranderingen in KSTstofconcentratie of ventilatiegebied), in plaats van op buisdiameter. Recente tests in Fike Corporation 5 m3 vat-pijpleidingen systeem met 6 inch pijpen vertoonden volledige voortplanting met en tegen de processtroom.

Hoewel de omstandigheden waaronder stofexplosies zich voortplanten in pijpen met een relatief kleine diameter nog niet volledig zijn vastgesteld, is hun vermogen om zich voort te planten duidelijk aangetoond door verschillende onderzoekers.

Conclusies

Een overzicht van eerdere incidenten en experimenten onthult dat de verspreiding van stofexplosies in leidingen op industriële schaal een realiteit is en geen mythe. De geschiedenis heeft aangetoond dat de meest verwoestende stofexplosies plaatsvonden toen de aanvankelijke deflagratie zich voortplantte en versterkte, met wijdverbreide schade en talloze doden tot gevolg.

Hoewel explosiebeveiligingstechnieken, zoals ontluchting en onderdrukking, over het algemeen worden toegepast op behuizingen en apparatuur, wordt de noodzaak van explosie-isolatie onderschat omdat er nog steeds mythes bestaan over de voortplanting van stofexplosies. Dit artikel somde een aantal van deze mythen op en ontrafelde ze.

De voortplanting van explosies wordt beïnvloed door veel parameters. Daarom is specifieke kennis van primair belang om te bepalen onder welke omstandigheden explosies zich wel of niet voortplanten.

Erkenningen

De auteur erkent de onschatbare inspanningen van het explosiebeschermingsteam van Fike Corporation bij het uitvoeren van het vlamverspreidingsonderzoek. Bovendien erkent de auteur de steun van Fike Corporation voor het verstrekken van de middelen en financiering die nodig zijn om dit programma voort te zetten en hun toestemming om dit werk te publiceren.

Referenties

  1. Amyotte, PR, "An Introduction to Dust Explosions: Understanding the Myths and Realities of Dust Explosions for a Safer Workplace", IChemE, 2013
  2. Eckhoff, RK, "Dust Explosion in the Process Industries", 3e editie, Elsevier, 2003
  3. Tamanini, F., "Voortplanting van stofexplosies in gesimuleerde graantransportgalerijen", technisch rapport FMRC JI OFIR2.RK. National Grain and Feed Association, Washington, DC, 1983
  4. Valiulis, J .V., Zalosh, RG, Tamanini, F., "Experiments on the Propagation of Vented Dust Explosions to Connected Equipment", Process Safety Progress, Volume 18, Issue 2, 99-106, 1999
  5. Farrell, T., Vingerhoets, J., Snoeys, J., Going, J., "Dust Flame Propagation in Industrial Scale Piping - Part 1: Empirical Study in a Conveying Vessel-Pipeline System", 9th Global Congress on Process Safety, San Antonio, Texas, 2013
  6. Vingerhoets, J., Farrell, T., Snoeys, J., "Dust Flame Propagation in Industrial Scale Piping - Part 2: CFD Study of a Conveying Vessel-Pipeline System", 9th Global Congress on Process Safety, San Antonio, Texas, 2013
  7. Chatrathi, K, DeGood, R., "Explosion Isolation Systems Used in Conjunction with Explosion Vents", Process Safety Progress, Volume 10, Issue 3, 159-163, 1991
  8. van Wingerden, K., Alfert, F., "Dust Explosion Propagation in Connected Vessels", VDI Berichte 975, 1992
  9. Holbrow, P., Andrews, S., Lunn, GA, "Dust Explosions in Interconnected Vented Vessels", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Volume 9, Issue 1, 91-103, 1996
  10. Raad voor chemische veiligheid, "Aluminium Dust Explosion and Fire, Hayes Lemmerz International, Inc., Huntington, Indiana, 29 oktober 2003", rapport nr. 2004-03-I-IN, 2005
  11. Vogl, A., "Flame Propagation in Pipes of Pneumatic Conveying Systems and Exhaust Equipment", Process Safety Progress, Volume 15, Issue 4, 219-226, 1996
  12. Vogl, A., "Explosionsübertragung aus Behältern in Rohrhleitungen pneumatischer Anlagen", VDI Berichte 1272, 1996
  13. Bjerketvedt, D., Bakke, JR, van Wingerden, K., "Gas Explosion Handbook", Journal of Hazardous Materials, Volume 52, Issue 1, 1-150, 1997
  14. Lunn, GA, Holbrow, P., Andrews, S., Gummer, J., "Dust Explosions in Totally Enclosed Interconnected Vessel Systems", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Volume 9, Issue 1, 45-58, 1996
  15. Taveau, J., "Secondary Dust Explosions: How to Prevent them or Mitigate their Effects?", Process Safety Progress, Volume 31, Issue 1, 36-50, 2012
  16. Andrews, SP, "Jet Ignition of Dust Clouds", Health and Safety Laboratory, 1998

Hulp nodig
0032 14 21 00 31

Dutch
English Portuguese Spanish Dutch