Explosiva egenskaper hos damm

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.

För att studera dem explosiva egenskaperna hos ett material har RISE, bland annat genom kompetensplattformen säker bränslelagring (Fuel Storage Safety), byggt upp kunskap inom området dammexplosioner. Möjligheten att kombinera provning i samverkan med modellering samt forskning gör detta till ett område på uppgång.

Förutsättningar för att en dammexplosion ska kunna uppstå:

Till skillnad mot den traditionella brandtriangeln behöver ytterligare två komponenter tillföras för att en dammexplosion ska ske. Dammet behöver vara tillräckligt finfördelat och uppblandat i luften för att en antändningsbar atmosfär ska kunna uppstå och för att en tryckstegring ska ske behöver explosionen vara innesluten.

Antändningskälla:
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 varm yta.

Bränsle:
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.

Syre:
Förbränningen kräver syre, normalt är syrehalten i luft tillräcklig för att skapa en explosiv miljö.

Blandning/spridning:
Dammet måste vara luftburet. Även damm som normalt inte är luftburet kan bli det i samband med en annan explosion eller yttre påverkan.

Inneslutning:
Om explosionen sker i en inneslutning kan detta resultera i en snabb tryckökning.

Karakterisering och provning:

Dammets partikelstorleksfördelning och fuktinnehåll har signifikant betydelse för dess explosionsegenskaper. Generellt sett resulterar mindre dammpartiklar i en kraftigare reaktion då minskad partikelstorlek ger en större specifik area (d.v.s. area per massa). Förbränningen sprids snabbare bland små partiklar än stora, då större specifik area innebär att mer av materialet är exponerat mot syre och reaktionen blir kraftigare.

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, till exempel. Dem två sidor som först möts vid förbränning avgör den tunnaste delen hos en partikel.

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. Dem 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 dem industrier som hanterar grövre material, då själva hanteringen i sig kan ge upphov till en finfraktion.

Provning:

RISE har totalt sex stycken utrustningar och kan undersöka nio olika explosionsparametrar. Däribland 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) samt två stycken Hartmanntuber, en för screeningtest och en för att definiera minsta antändningsenergi.

Applicerbarhet

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 riktlinje 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.

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, ett kriterium för många anläggningar för att kunna uppfylla kraven i användardirektivet 1999/92/EG, kopplat till ATEX.

Simulering och modellering

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.