Explosiva egenskaper hos damm

Hur uppstår en dammexplosion?

Brandfarliga gaser och vätskor har tydliga explosionsegenskaper som går att utläsa på deras säkerhetsdatablad. När det gäller damm och pulver är det tyvärr inte lika enkelt och många är ovetande om att de flesta organiska material som t.ex. trä, mjöl, socker, färgpulver och plast, men även en del oorganiska material såsom metaller, kan skapa en explosiv atmosfär

Till skillnad mot den traditionella brandtriangeln behöver ytterligare två komponenter tillföras för att en dammexplosion ska ske. För att antända dammet behövs energi. Den kan t.ex. komma från en liten källa med statisk elektricitet, en större energikälla som en öppen låga, elfel, eller självuppvärmning om det samlas tillräckligt mycket damm på en varm yta. Partikelstorleken är betydelsefull, mindre partiklar är mer lättantändliga och lättare att sprida i luften. Koncentrationen av dammet har också stor betydelse och måste vara inom ett givet intervall för att en explosion ska kunna uppstå. Förbränningen kräver syre och normalt är syrehalten i luft tillräcklig för att skapa en explosiv miljö. Dammet måste vara luftburet och även damm som normalt inte är luftburet kan bli det i samband med en annan explosion eller yttre påverkan. Om explosionen sker i en inneslutning kan detta resultera i en snabb tryckökning.

Två faktorer som har en stor påverkan på dammexplosioner

Dammets partikelstorleksfördelning och fuktinnehåll har signifikant betydelse för dess explosionsegenskaper. När damm blir mer finfördelat kommer ett dammolns specifika yta som är i kontakt med syre att öka. Detta innebär att förbränningen och explosionsförloppet är desto snabbare bland små partiklar än stora. 

Specifik ytstorlek är lätt att visualisera genom att dela upp en kub med måtten 1 x 1 x 1 cm.

I första figuren når syret 6 sidor vilket motsvarar 6 cm² i specifik ytstorlek, i andra fallet har samma figur 48 sidor och 12 cm² specifik ytstorlek och tredje fallet 384 sidor och den specifika arean uppnår 24 cm².

På samma sätt påverkar även formen förbränningshastigheten. En ojämn eller tunn partikel har större specifik area än en rund. De två sidor som möts först vid förbränning, avgör den tunnaste delen hos en partikel. Förbränningshastigheten är därmed proportionell mot den minsta dimensionen av en partikel dividerad med två.

Även dammets fukthalt är en väsentlig parameter och ett torrare damm är påvisat mer reaktivt än ett fuktigt. Många studier har gjorts inom detta område och det finns ett tydligt samband mellan partikelstorlek och fukthalt för dammets reaktivitet. I nuläget finns det mycket tillgängliga data på olika material, dock kan det vara väldigt svårt att hitta ett jämförelsebart resultat då explosionsegenskaperna är så vida beroende av bl.a. fukthalt och partikelstorlek - och just denna data är ofta utelämnad.

I de europeiska standarderna utförs provning på partiklar som är <500 μm, fukthalt skall redovisas men det finns ingen angiven rekommenderad nivå att förhålla sig till. De amerikanska standarderna är mer konservativa och rekommenderar en fukthalt på max 5 % samt en partikelstorlek på <75 μm. Provning kan även utföras på damm ”as received”, för att motsvara det material man finner i processen. Dock finns det en risk för att finfördelat damm förekommer även hos de industrier som hanterar grövre material, då själva hanteringen i sig kan ge upphov till en finfraktion.

Hur kan vi förebygga dammexplosioner?

RISE har totalt sex stycken utrustningar och kan undersöka nio olika explosionsparametrar. Däribland två Hartmanntuber, en för screeningtest, en ja/nej provning för att se om dammet är antändbart eller inte samt en för att definiera minsta antändningsenergi (minimum ignition energy). En 20 L sfär där provning bland annat ger en indikation på hur stort tryck en innesluten explosion genererar (p_max) och hur fort den sker (dp/dt _max och K_st). Två utrustningar definierar vid vilken temperatur ett dammlager samt ett dammoln antänder (minimum ignition temperature). 

Data från dammexplosionsprovningar kan bl.a. användas för att dimensionera för tryckavlastning samt ange vilken maximal yttemperatur som får uppnås på utrustning som ska installeras. Detta är ett kriterium för många anläggningar för att kunna uppfylla kraven i användardirektivet 1999/92/EG, kopplat till ATEX.

Damm har, precis som brandfarliga gaser, ett brännbarhetsområde där det finns en övre- samt undre explosionsgräns. Skillnaden är att man i praktiken kan ha vissa svårigheter med att tillämpa dessa gränser då dammkoncentrationen kan förändras snabbt genom att avlagringar kan, antingen virvlas upp, eller så kan uppvirvlat damm lägga sig. En tumregel är att när dammolnet är så pass tjockt att en 25 W lampa inte kan ses på två meters avstånd har den undre explosionsgränsen ofta passerat. En annan tumregel är att när man kan se fotspår på golvet är det dags att städa. 1 mm tjockt dammlager är tillräckligt för att skapa en explosiv atmosfär ifall dammet virvlas upp och bildar en homogen blandning.

RISE fokuserar på att förbättra processäkerheten genom att utföra forskningsprojekt med avancerade numeriska verktyg. Ett exempel är ett samarbete mellan RISE och Chalmers tekniska universitet där en open source modell för att simulera dammexplosioner är under utveckling, baserat på OpenFOAM toolbox. Data från en av utrustningarna, 20 L sfären, kan användas för att validera den numeriska modellen. Projektet kommer att tillhandahålla ett numeriskt verktyg med öppen källkod, detaljerad dokumentation för att kunna förutsäga risken för dammexplosion samt även ge rekommendationer för anläggningskonstruktioner beträffande dammexplosionsrisker.