Factores de riesgo de explosión en silos de cereales. Parte II

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En el presente artículo continuaremos desarrollando esta investigación hecha por el ingeniero Alexander Eslava. En esta entrega se explicará cuáles son las temperaturas necesarias para la ignición del polvo de grano, se mostrará cuál es la ecuación para calcular la concentración del polvo resultante de la capa y se explicará a través de ejercicios cómo calcularla, entre otros importantes temas

Por: Alexander Eslava Sarmiento
Consultor portuario y especialista en logística internacional
laeslavas@unal.edu.co
Santa Marta, Colombia

 

Las temperaturas necesarias para la ignición del polvo de grano se sitúan entre 200°C y 600°C (una fuente de calor a 188°C requiere de solo 44 minutos para incendiar 50 m3 de polvo de trigo, y a 152°C requiere de 7 horas para incendiar 1.500 m3 de polvo de trigo); un cigarrillo al encendido genera entre 500°C y 700°C, al aplastarlo el pie del fumador genera entre 900 y 830°C.

Por su parte, una bombilla de filamento de 60 W genera entre 2.500°C (Figura 8), un trabajo de soldadura o corte con acetileno genera 3.000°C y 3.100°C, y la mayoría de las chipas, cuya energía de ignición se conoce, está entre los 10 y 50 milijulios. Se sabe que, si una bombilla incandescente de 25 W se encuentra a una distancia de 2 m de la nube de polvo, y se logra ver, esto quiere decir que la concentración de polvo es aproximadamente inferior a 40 g/m3.

Capa de polvo de grano decantado en recintos y en diferentes superficies de una planta de silos. Fuente: Iowa State University, Department of Agricultural and Biosystems Engineering.

Los ataques biológicos también son responsables de los incendios en el manejo de granos; ataques de insectos, hongos o bacterias, pueden contribuir a la autoignición del material agrícola (combustión espontánea). Los productos alimenticios pueden ser atacados por insectos o ser deteriorados por la fermentación, lo que puede conducir a su autoignición o combustión espontánea.

El polvo de grano de maíz, trigo, cebada, alfalfa y soya presentan alto riesgo de autoignición, mientras que la harina de trigo presenta un nivel medio de combustión espontánea (Figura 9). El calor de reacción producido durante la descomposición de materiales orgánicos puede producir gas de carbonización, que a su vez puede conducir a una mezcla explosiva de gas/aire.

Estudios recientes demuestran que un volumen de 100 m3 de polvo de trigo presentará autoignición (combustión espontánea) de 65°C después de aproximadamente 14 años; pero un volumen de solo 0,650 m3 de polvo de trigo se autoinflamará en solo 3,3 meses, aunque necesitaría una temperatura de aproximadamente 100°C.

Sin embargo, las fuentes calor externo, como el sol, podrían cambiar la estabilidad térmica del polvo de grano. La temperatura alcanzada en un silo debido al sol dependerá de la estación del año, si el silo está hecho de acero u hormigón, del diseño y si está solo o en una batería de silos, etc. Además, el peso específico del grano a granel y/o su compactación (que afecta el tamaño de la interfaz de aire-grano), también afectan el proceso de calentamiento.

Combustión espontánea de harina de soya en bodega de buque durante la operación de descargue.

Siempre habrá partículas finas de polvo adheridas a los granos de cereales y oleaginosas. Algunos procesos industriales contribuyen a separar estas partículas finas y, como resultado, se producen nubes y capas peligrosas de polvo en condiciones ambientales variables. Es en este punto, en donde procesos hiperbáricos pueden desarrollarse, aumentando el riesgo de explosión.

Granos y polvo de grano almacenados en silos pueden sufrir oxidación y calentamiento espontáneo, aumentando el riesgo de autoinflamación y, por tanto, de incendio y explosiones. De igual forma, el polvo de grano, que puede acumularse alrededor de cintas transportadoras, alrededor de maquinaria y en almacenes, etc. (Figura 10) puede sufrir autocalentamiento y autoinflamación por la autoignición.

. Capa de polvo asentado en diferentes superficies de máquinas y equipos de procesamiento de granos. Fuente: Iowa State University, Department of Agricultural and Biosystems Engineering

La literatura técnica actual, informa que la capa de polvo puede encenderse incluso si su temperatura mínima de ignición (TMI) determinada en la prueba estándar es más alta que la temperatura nominal del equipo ubicado en el recinto donde se encuentra almacenado el grano.

El estándar IEC 61241-2-1, determina la temperatura mínima de ignición de una capa de polvo de grano de hasta 5 mm de espesor a 360 °C. De acuerdo con la Figura 11, se observa que la temperatura, a medida que aumenta el espesor de la capa, la temperatura de autoignición de la capa de polvo desciende a 100°C por cada 5 mm de espesor de la capa de polvo de grano.

Correlación entre la temperatura máxima permitida de la superficie de los equipos y el espesor de la capa de polvo de grano con la que hace contacto. Fuente: EN 61241-2-1.vc dc

Capas de polvo de grano por encima de los 5 mm sugiere temperaturas muy bajas de autoignición de la capa. Este proceso a menudo es causado ​​por reacciones exotérmicas que involucran oxígeno del aire circundante. Podría ser una reacción química (oxidación), una reacción física (adsorción) o un proceso de descomposición (principalmente en el caso de polvos de cereales y oleaginosas).

La autoinflamación (autoignición) la determina la temperatura del área circundante, los factores geométricos del recinto y del volumen del polvo.

Ahora, a menos que haya una corriente de aire o turbulencia en la atmósfera, el polvo se asentará (sedimentará) y formará una cama fija con un cierto grado de porosidad. En estas condiciones, el polvo no puede explotar. Sin embargo, las capas de polvo establecidas evidentemente representan un peligro. Si esta capa de polvo fija se asienta no en la superficie de las máquinas y/o equipos de la instalación sino en el piso del recinto donde se almacenan y procesan los granos (Figura 12).

Capa de polvo de grano decantado en las galerías de la planta de silos (izquierda), acumulación de almidón de maíz en el pie del elevador de cangilones (derecha). Fuente: Kansas State University. Dept. of Grain Science and Industry; Dalhousie University, Halifax, NS, Canada.

La concentración de polvo resultante de la capa se calcula con la ecuación (1):

                  (1)

Donde a es la densidad aparente de la capa de polvo sedimentada (kg/m3); h es el espesor de la capa de polvo (m); H es la altura de la nube de polvo producida por la capa (m); C es la concentración de polvo resultante (kg/m3).

A modo de ejemplo, una capa de polvo de grano de 1m2 área, con una profundidad de 1 mm y con una densidad aparente de 500 kg/m3 generará una nube de polvo con una concentración de 100 g/m3 si la altura de la nube es de 5 m (es decir, 5 m3 de nube de polvo por m2 de capa sedimentada), y una concentración de 500 g/m3 si solo se expande a una altura de 1 m (1 m3 de nube de polvo).

Otro ejemplo. Después de realizar las operaciones de recibo en una planta de silos de cereales, la limpieza y la recolección de polvo no se consideran importantes, y en el suelo (10 m de largo x 36 m de ancho, con una altura de 3 m) siempre hay una capa de aproximadamente 1 mm de polvo de maíz.

La densidad aparente de la capa de polvo sedimentada es de 721 kg /m3. Después de varios años sin ningún problema, un día se presenta una explosión en elevador de cangilones. La explosión dispersa todo el polvo sedimentado sobre todo el volumen del recinto, y una explosión secundaria ocurre inmediatamente. Después del siniestro, los ingenieros requieren estimar el peso de la capa de polvo de maíz en la nube y la concentración de polvo resultante de la capa.

Entonces, el peso de la capa de polvo de maíz en la nube (Pmaíz; kg) se calcula de la siguiente manera:

Pmaíz = 10 m X 6 m X 0,001 m X 721 kg = 43,26 kg (¡En solo 1 mm de espesor!)

La concentración de polvo de maíz resultante de la capa se calcula con la ecuación (1):

                  

De acuerdo con la Tabla No. 1 (Parte I. Edición 107) la concentración mínima de explosión (CME) para polvo de maíz es de 45 g/m3, y con 240 g/m3. ¡El riesgo de explosión era evidente!

Un caso interesante es el de los conductos cilíndricos, que a menudo se utilizan en la extracción o transporte de polvo. Si la pared interna de un conducto de diámetro Dducto (m) contiene una capa de polvo con una de espesor h (m) que, debido a la turbulencia del aire, se dispersa homogéneamente en toda la sección transversal del conducto, la concentración resultante se calcula con la ecuación (2):

                  (2)

En el caso de un conducto con un diámetro de 0,2 m, típico de muchos conductos de extracción de polvo en la industria de granos, un grosor de capa de solo 0,1 mm es suficiente para generar una concentración de polvo de 1000 g/m3 con un polvo de densidad aparente de 500 kg/m3.

De otro lado, entre lo posible que pueda ocurrir en los procesos de industrialización de cereales y oleaginosas son las reacciones exotérmicas, incluida la combustión espontánea de granos y harinas.

Se sabe que la Tioglycosides o Glucosinolatos, molécula inestable que se degrada en isotiocianato por una enzima que siempre está presente en la harina de colza, sufriendo hidrólisis a temperatura elevada (40°C) y cuando el contenido humedad de este producto se eleva, da como resultado compuestos con un punto de inflamación muy bajo, incluyendo 4-pentenenitrilo (a 26°C), la tendencia de la harina de colza es a autocalentarse y presentar autoignición.

Esta condición ha calificado a la harina de colza, en el código internacional de para el transporte de mercancías peligrosas, en la Clase 4: sólidos inflamables, Sub-Clase 4.2: sustancias que pueden experimentar combustión espontánea.

El polvo de harina de colza que tiene un tamaño de partícula de menos de 125 (µm), siendo susceptible de explosión, la concentración mínima de explosión (CME) es de 30 g/m3, con una presión máxima de explosión (PME) de 2.300 kPa (334 psi), y una velocidad máxima de aumento de presión (VMAP) de 8.500 kPa m/s (1.233 psi/m) suficiente para causar colapso de estructuras donde se almacena o transporta.

Para la mayoría del polvo inflamable, en un recinto de 5 m de altura, el espesor de la capa de polvo de no más de 1 mm es suficiente para crear, si se dispersa, una nube de concentración promedio de 100 g/m3, asumiendo que la densidad aparente del polvo es igual a 500 kg/m3, la densidad a granel de la colza está en el rango 513-581 kg/m3, dependiendo del contenido de humedad (5,2-17,7%), con un máximo de contenido de humedad igual a 12,7%.

Una explosión de polvo no solo requiere una concentración explosiva de polvo de grano y una fuente de ignición, también requiere de una concentración suficiente de oxígeno para soportar la combustión. El 20% de oxígeno (O2) presente en la atmósfera es suficiente para iniciar y mantener cualquier tipo de combustión.

Las variaciones de la concentración de oxígeno afectan la facilidad de ignición de las nubes de polvo de grano y a las presiones de su explosividad. Al disminuir la presión parcial del oxígeno, la energía necesaria para que se produzca la ignición aumenta, la temperatura de ignición de igual forma aumenta y las presiones máximas de explosión disminuyen.

La combustión del polvo se produce en la superficie de las partículas, por tanto, depende de la íntima mezcla de polvo de grano con el oxígeno. Por esto, la mezcla de polvo combustible en estado turbulento produce explosiones más violentas de las que se producen en mezclas relativamente más inactivas. Un estudio reciente ha indicado que el contenido de energía del polvo de grano debe estar por encima de 7.000 J/g para facilitar una deflagración -maíz 16.162 J/g; trigo 15.336 J/g; sorgo 14.871 J/g; harina de soya 12.765 J/g-, y las partículas en la nube de polvo deben estar dentro de un cierto rango de distancia para permitir que la llama se propague de partícula a partícula.

En lo que respecta al confinamiento, como en todas las explosiones de polvo de granos (cereales, oleaginosas), excepto las detonaciones, la presión que se genera después de la ignición del polvo aumenta hasta que se consume el combustible (el oxígeno, O2) o hasta que haya ventilación suficiente (permitir que los productos de la combustión y el polvo no quemado escapen a través de aberturas).

Ahora, si la ventilación es ilimitada (confinamiento), las presiones de explosión serán mínimas y el incidente sería más bien una ignición súbita. Pero, si aumenta el confinamiento, las presiones pueden ascender hasta 690 kPa (100 psi) o más. Los edificios y equipos de los silos no soportan tales presiones, por lo que sufrirían graves daños a no ser que exista ventilación suficiente.

En cuanto al contenido de humedad de las partículas de polvo, la humedad no hace parte del pentágono de explosión de polvo de grano, pero desde la primera explosión de polvo de grano registrada en Turín, Italia, en 1785, existe cierta sospecha de que las condiciones atmosféricas como la humedad relativa y la temperatura ambiente podrían influir en la ocurrencia de explosiones.

Esta creencia era tan fuerte que, en un momento dado, se aconsejó a los empleados de la Federal Grain Inspection Service evacuar la planta de silos cuando la humedad relativa estuviese por debajo del 35% y los niveles de polvo suspendido estuviesen por encima de cierta concentración debido a un alto riesgo de explosión.

En 1982 un panel de expertos en el tema de causas y prevención de explosiones en elevadores de grano, concluyó que la baja humedad relativa del ambiente aumenta la posibilidad de descargas electrostáticas pero no estaba claro si estas descargas liberan chispas y causan que el polvo del grano explote.

Investigaciones citando datos de explosiones de polvo de grano en el periodo de 1979 a 1986 en Estados Unidos, han informado que la mayoría de las explosiones ocurrieron durante los meses de invierno. Sin embargo, a la fecha, no existe, o no se ha publicado una sola investigación rigurosa con respecto a la incidencia de explosiones de polvo de grano y su relación con las condiciones meteorológicas locales.

La dispersión del polvo, componente del pentágono (Figura 5. Parte I. Edición 107), es un factor importante en la explosión de polvo de grano, ya que indica en qué medida las partículas de polvo se pueden «excitar» (propagarse y sostener la combustión).

Una consideración importante en la dispersabilidad (acción de dispersarse) del polvo explosivo es su contenido de humedad. Se ha demostrado científicamente que la dispersabilidad de la harina de trigo aumenta al disminuir su contenido de humedad.

Para un estudio publicado en 2013, la humedad relativa ambiental es un factor importante para determinar la dispersión del polvo explosivo. Adicionalmente, informa el estudio, que el aumento del contenido de humedad conduce a un aumento de la temperatura de ignición, de igual forma de la energía de ignición y de mínima concentración explosiva (MCE).

Investigaciones desarrolladas en el Siglo XX indican que la humedad del aire que rodea las partículas de polvo de grano no tiene efecto significativo en el desarrollo de la deflagración, una vez que se ha producido la ignición.

Sin embargo, existe una relación directa entre el contenido de humedad y la energía mínima necesaria para la ignición (EMI), la concentración mínima de explosión (CME), la presión máxima de explosiva (PME) y la velocidad máxima de aumento de presión. Por ejemplo, la temperatura de ignición del almidón de maíz puede aumentar hasta 50°C con un aumento del contenido de humedad del 1,6% al 12,5%.

Desde el punto de vista práctico, la humedad no puede considerarse como un medio preventivo efectivo contra las explosiones de polvo de grano, porque la mayor parte de las fuentes de ignición proporcionan calor más que suficiente para calentar y evaporar la humedad que pueda haber presente y poner el polvo en estado de ignición.

Para que la humedad impidiera la ignición del polvo a partir de fuentes comunes de ignición, este tendría que estar tan empapado (saturado) que no podría formarse una nube. Al aumentar la humedad del polvo la conductividad eléctrica del polvo aumenta, lo que reduce significativamente la acumulación de carga y la ocurrencia de electricidad estática.

De acuerdo con las investigaciones más recientes, Siglo XXI, no concluyentes, está claro que sí existe una relación entre la aparición de explosiones de polvo de grano y las condiciones meteorológicas predominantes del sitio donde se almacena, acondiciona, conserva y se transfiere el grano, por tanto, es importante considerar la humedad relativa local como un “nuevo” factor de riesgo de explosión en silos de cereales.

Los procesos de industrialización del grano (cereales y oleaginosas) Siglo XXI, como medida de prevención, han de transitar del pentágono al hexágono de explosión de polvo de grano (Figura 13).

Hexágono de explosión de polvo de grano.

Finalmente, y de manera general, entre los factores de riesgo para la ocurrencia de una explosión de polvo de grano se tienen los siguientes:

  • El polvo debe ser combustible y lo suficientemente fino para ser transportado por el aire (partículas de tamaño de 1-100 µm o más y de composición muy variada).

 

Las partículas de la nube de polvo de tamaño mayor a 100 µm se depositan rápidamente, por lo que los polvos con granulometría inferior a 100 µm son los que representan el mayor riesgo, ya que es más fácil que la nube entre en ignición por ser mayor la superficie expuesta por unidad de peso de la materia.

  • La velocidad de sedimentación de partículas con tamaño de 100 µm es de 488 m/h, mientras que una partícula de 10 µm tendrá una velocidad de sedimentación de 10 m/h, finalmente, una partícula de 0,50 µm tendrá una velocidad de sedimentación de 0,036 m/h.

 

  • La dimensión de la partícula de polvo influye de manera directa sobre la velocidad del incremento de la presión (relación entre el aumento de la presión de explosión y el periodo de tiempo en que sucede), ya que un polvo grueso presenta una velocidad de aumento de presión mucho más baja que un polvo fino (Tabla No.1. Parte I. Edición 107).

 

  • La nube de polvo debe superar la mínima concentración explosiva (MCE) para ese polvo en particular (Tabla No.1. Parte I. Edición 107).

 

  • La fuente de ignición de una explosión de polvo de grano generalmente la proporciona un dispositivo mecánico o eléctrico.

 

  • Una pequeña cantidad de polvo de grano altamente inflamable puede aumentar fuertemente la inflamabilidad de un polvo de grano menos reactivo.

 

  • La producción de polvo y el porcentaje de finos aumentan exponencialmente cuando la velocidad del aire de alimentación del sistema de transporte neumático para el manejo de granos en la planta de silos es superior a 20 m/s.

 

  • Capas dispersas de polvo de grano en las plantas de proceso representan un riesgo potencial de explosiones secundarias de polvo, que deben reducirse en la medida de lo posible.

 

  • La acumulación de polvo en los suelos, paredes, respiraderos y equipos puede convertirse en polvo en suspensión a causa de las vibraciones, fuegos o pequeñas explosiones.

 

Si este polvo acumulado pasa a suspensión y alcanza una concentración suficiente, esta puede arder y convertirse en una explosión. El polvo en suspensión puede alcanzar grandes volúmenes y propagar pequeñas explosiones a través de todo un silo.

 

  • Debe haber suficiente oxígeno en la atmósfera para soportar y mantener la combustión.

 

  • Debe haber una fuente de ignición.

 

  • El polvo debe estar confinado y con un determinado porcentaje de humedad (seco).

 

  • Las emisiones de polvo son más altas en lotes de maíz que han estado expuestos a temperaturas de secado en el rango de 100°C a 105°C.

 

  • La probabilidad de ocurrencia de una explosión en el pie del elevador de cangilones aumenta de manera exponencial con las fallas de mantenimiento de este.

 

  • El equipo eléctrico conectado a tierra incorrectamente constituye un grave riesgo de incendio. El pie del elevador debe estar conecto a tierra eléctricamente. La conexión a tierra evitará explosiones del polvo de grano causadas por electrostática.
  • Las investigaciones de explosiones de polvo de grano indican que la mayoría de las explosiones comienzan en la base del elevador de cangilones.

 

  • Cuanto mayor sea el contenido de humedad (%) y el de cenizas (%), menor serán las propiedades explosivas de un polvo de grano: maíz con contenido de humedad del 10,6 %, tendrá 10,6 % de cenizas, y con 11,4 % tendrá 1,5 %; Trigo con contenido de humedad del 10,3 %, tendrá 6,6 % de cenizas y con 6,8 % tendrá 42 % de cenizas.

 

Conclusiones

 

De acuerdo con lo expuesto en la totalidad del texto, se puede concluir que:

  • La concentración mínima explosiva (CME) para polvo de grano de cereales varía de acuerdo con el tamaño de la partícula y la energía mínima de ignición para encender el polvo.

 

  • La explosividad de la nube de polvo aumenta a medida que crece el grado de fragmentación de la partícula.

 

  • Entre más fina es la partícula (mayor área de superficie) más explosivo es polvo.

 

  • Las partículas más pequeñas son las más violentas y poderosas.

 

  • El polvo más explosivo es fracción de polvo de grano asociada con tamaños de partículas aerodinámicas de menos de 100 μm, porque el área superficial por unidad de masa aumenta a medida que el tamaño de partícula disminuye. Sin embargo, fracciones más grandes (250-500 μm) en concentraciones suficientes también son explosivas.

 

  • A medida que disminuye el tamaño de la partícula, aumenta el riesgo de deflagración o explosión.

 

  • La mayoría de las partículas de polvo de cereal pueden encenderse por encima de los 200°C.

 

  • La concentración mínima de explosión (CME) para polvo de grano es de 25 g/m3 (varía con el tamaño de partícula)

 

  • La presión máxima de la explosión de polvo agrícola es mayor que 690 kPa (100 psi).

 

  • La velocidad máxima de aumento de presión se aproxima a 1.232 kPa por segundo (8.500 psi por segundo).

 

Las estructuras de concreto (como los ascensores) soportan aproximadamente 172 kPa (25 psi), mientras que la mayoría de los equipos de manipulación de granos fallarán a presiones inferiores a 41 kPa (6 psi). La mayoría de las instalaciones fallan a 172 kPa (25 psi) o menos. Pero, la presión del polvo de cereales es casi 4 veces esta magnitud.

 

  • La mayoría de los incidentes en una explosión de polvo de grano ocurren en el elevador de cangilones (Figura 14), donde el potencial de generación de polvo es muy alto debido a la velocidad y rapidez con que se lleva a cabo la transferencia de grano y a los grandes volúmenes de grano manejados por estas instalaciones.

 

Además, por el uso de transportadores mecánicos, como elevadores de cangilones durante la transferencia de grano, lo que conduce a una gran separación de polvo del grano.

 

  • El almidón de maíz es considerado uno de los productos más peligrosos ya que es altamente volátil y potente.

 

  • Estudios recientes han determinado la dependencia no lineal de la concentración mínima explosiva (CME) g/m3 en la fracción de polvo de grano, lo que significa que una parte parcial de la fracción más pequeña (<75 μm) en la mezcla de polvo de grano grueso es suficiente para la concentración mínima explosiva se reduzca significativamente.

 

  • El contenido de humedad tiene un fuerte efecto sobre la explosividad del polvo, aunque el efecto es generalmente débil para la humedad contenido por debajo del 10%. En el otro extremo del rango, polvo con un contenido de humedad superior al 30% es poco probable que sea responsable de la iniciación de una explosión.

 

  • La concentración de oxígeno en la atmósfera circundante tiene un fuerte efecto sobre la explosividad del polvo, lo que aumenta a medida que aumenta la concentración de oxígeno. Inversamente, la explosividad disminuye a medida que la concentración de oxígeno disminuye y la concentración de inertes aumenta.

 

  • Investigaciones recientes, no concluyentes, indican que sí existe una relación entre la aparición de explosiones de polvo de grano y las condiciones meteorológicas predominantes del sitio donde se industrializa.

 

Explosión de polvo de grano en el elevador de cangilones. Lacrosse, Estados Unidos., 15 de abril de 2015. Fuente: nwitimes.com.

Desde la primera explosión de polvo de grano, documentada científicamente, la cual se registró en Turín, Italia, en 1785, la humanidad ha transitado, por más de un siglo de investigaciones, desde el triangulo hacia el hexágono de explosión de polvo de grano, la forma de prevenirlas. (Figura 15).

La pregunta es: ¿Se podrán prevenir, o aún existen factores desconocidos no controlables, y que, en efecto, permitirán que sigan ocurriendo? 

Del triángulo al hexágono de explosión de polvo de grano, ¡Más de un siglo de investigaciones!

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