hoofdartikel artikelen
database > cursussen > veiligheid, milieu en arbo (SHE)
Download download article

Stofexplosies

Stofexplosies ontstaan door de explosieve verbranding van stof met zuurstof uit de lucht. Als de concentratie van een stofwolk binnen bepaalde grenzen valt, is een statische ontlading vaak al voldoende voor ontbranding. Stofexplosies kunnen overal waar met een (brandbare) stof gewerkt wordt plaats vinden. Ze vinden vaak in de voedingsindustrie plaats, omdat daar vaak met organische (dus brandbare) stoffen gewerkt wordt. Voorbeelden zijn bijvoorbeeld koffiefabrieken, molens en bakkerijen.
Stofexplosies komen echter ook vaak voor in kolenmijnen,de plasticproductie en in de houtindustrie. In tabel 1 en 2 staan respectievelijk de statistieken van de stofexplosies in de VS van 1988-1997 en de stoffen waarmee gewerkt werd tijdens de explosie vermeld. Wat opvalt is het grote aantal stofexplosies in graanliften en ook het feit dat tarwe vaak de boosdoener is. Dit komt doordat graanliften vrijwel altijd gebruik maken van emmerliften;deze zijn zeer kwetsbaar voor stofexplosies. Tarwe is vaak de boosdoener omdat daarvan het grootste volume per jaar verwerkt wordt.

  1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Ten year total
Number 12 13 15 12 6 13 15 14 13 16 129
Dead 8 2 0 1 1 2 1 1 1 1 18
Injured 10 7 7 4 8 20 14 12 19 14 115
Est. damage to
facility ($ Mil.)
8.7 3.9 5.0 .3 .3 4.0 7.1 6.7 29.6 11.4 77.1
Type of facility                      
Grain elevator 7 7 8 1 5 9 7 4 4 9 64
Feed mill 1 1 1 4 0 0 3 4 4 2 20
Flour mill 0 0 2 1 0 1 2 0 1 1 8
Other:                      
Corn milling, dry 2 1 1 0 0 0 0 1 1 1 6
Corn milling, wet 0 2 1 0 0 1 1 2 0 0 7
Rice mill 1 0 1 1 0 0 0 2 1 0 6
Oat mill 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Other    
0 2 1 2 1 2 2 1 2 4 17

Tabel 1: Statistieken van de stofexplosies in de VS van 1988-1997
bron: Robert W. Schoeff, Kansas State University, in cooperation with Ralph Regan, FGIS-USDA, February 27, 1998

“In principe kunnen alle brandbare vaste stoffen explosief gedrag vertonen.”

Stofexplosies zijn van alle tijden, de eerste gedocumenteerde stofexplosie vond in 1785 plaats in Turijn. Hier ontplofte een wolk tarwemeel in een bakkerij, waardoor twee gewonden vielen. Dit ongeluk vond meer dan 200 jaar geleden plaats, maar stofexplosies zijn nog steeds aan de orde van de dag. In de periode van 1988 tot 1997 vonden er in de VS gemiddeld 13 stofexplosies per jaar plaats. Hierbij vielen in totaal 18 doden en 115 gewonden. De totale kosten werden geschat op $77,1 miljoen. In het Verenigd Koninkrijk werden er in de periode 1968-1979 474 explosies geteld, waarbij 25 doden en 633 gewonden vielen. Uit ontwikkelingslanden zijn geen cijfers van stofexplosies bekend, waarschijnlijk komt dit doordat de stofexplosies daar vaak niet als zodanig worden herkend. Dit is een verontrustende constatering, omdat dit betekent dat men daar dus ook geen maatregelen tegen stofexplosies neemt. Dit is een kwalijke zaak, omdat stofexplosies één van de vaakst voorkomende chemische ongelukken zijn en doordat stofexplosies krachtig tot zeer krachtig kunnen zijn. Een voorbeeld is de buskruitramp (buskruit is immers een stof) in Leiden in 1817. Hierbij ontplofte een schip met 85.000 kg buskruit in het centrum van Leiden met als gevolg 151 doden en ongeveer 2000 gewonden. Tot een afstand van 155 meter stortten huizen in en de hele stad werd getroffen door een regen van puin. De explosie werd waarschijnlijk veroorzaakt doordat de vierkoppige bemanning probeerde hun eten te bereiden op een fornuis, waardoor het buskruit ontbrandde.

Commodity 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 Ten year total
Corn 7 4 2 5 4 9 8 3 5 8 55
Sorghum 0 2 1 0 0 0 1 0 0 0 4
Soybeans 1 1 1 0 0 1 0 1 2 2 10
Wheat 1 0 1 1 1 1 2 1 0 3 11
Barley (malted) 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 4
Oats 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 4
Beet pulp 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 2
Corn starch 0 1 0 0 1 2 0 2 0 0 6
Corn gluten meal 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2
Distillers feed 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 2
Feed by-products 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 2
Grain screenings 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1
Mixed feed 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 3
Rice (bran)(flour)(hulls) 1 0 1 0 0 0 1 3 1 0 7
Wheat flour 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 3
Wheat (starch)(gluten) 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Other 0 0 4 4 0 0 1 1 1 2 13
Total explosions 12 13 15 12 6 13 15 14 13 16 130

Tabel 2: Stoffen waarmee gewerkt werd tijdens explosies
bron: Robert W. Schoeff, Kansas State University, Manhattan, KS 66506-2201, February 27, 1998

In principe kunnen alle brandbare vaste stoffen explosief gedrag vertonen, zolang aan een aantal voorwaarden wordt voldaan. Als eerste moet de deeltjesgrootte van de stoffen klein genoeg zijn. Daarnaast moet het materiaal ook goed gemengd zijn met lucht en moet de concentratie van de stof voldoende hoog zijn. De minimumconcentratie ligt meestal tussen de 50-100 gram/m3; de maximumconcentratie tussen de 2-3 kg/m3. Deze voorwaarden zijn terug te vinden in het stofexplosiepentagon, figuur 1. Hierin staat dat er voor een stofexplosie aan vijf voorwaarden voldaan moet worden. Allereerst moet er een voldoende fijn verdeelde brandbare stof aanwezig zijn. Daarnaast moet er een oxidant aanwezig zijn (meestal lucht) en een ontstekingsbron (een statisch ontlading kan in sommige gevallen al voldoende zijn). Daarnaast moeten de reactanten goed gemengd zijn en om een explosie plaats te laten vinden moet dit alles in een (gedeeltelijk) afgesloten ruimte plaatsvinden.

“In het Verenigd Koninkrijk werden er in de periode 1968-1979 474 explosies geteld, waarbij 25 doden en 633 gewonden vielen.”

 
Figuur 1: Stofexplosie vijfhoek

 

Om een stofexplosie plaats te laten vinden, moet er een ontstekingsbron aanwezig zijn. Omdat de ontbrandingsenergie van stoffen vaak erg laag is, zijn er veel verschillende ontstekingsbronnen mogelijk. Een stofexplosie kan bijvoorbeeld veroorzaakt worden door (open) vuur, maar ook door hete oppervlakken, elektrische vonken, statische elektriciteit en vonken veroorzaakt door wrijving. Zeker als er een dikkere laag stof aanwezig is, is vaak een relatief lage temperatuur van tussen 100 -200 °C of één enkele vonk al voldoende, doordat de laag dan gaat smeulen.

Aan de voorwaarden voor een stofexplosie wordt vaak alleen voldaan maar in machines waar stof verwerkt wordt, zoals molens, mixers en cyclonen. Gevolg hiervan is dat er bij een stofexplosie vrijwel altijd sprake is van het domino-effect. Hierbij vindt er als eerste een kleine primaire explosie plaats in de machine. Hierdoor worden lagen stof die om de apparatuur heen liggen de lucht in geblazen, waarna deze (grotere) wolken ook ontploffen. Door dit domino-effect kan een explosie die vaak lokaal in één apparaat begint zich door een hele fabriek verplaatsen en zeer veel schade aanrichten.

Een stofexplosie zelf is een complex fenomeen, waarbij tegelijkertijd momentum-, energie- en massatransport plaats vindt in een multi-fasesysteem. Het vlamfront verplaatst zich door de stofwolk op twee manieren. De ene manier is de directe oxidatie van het stofoppervlak. De tweede manier is de verbranding van de brandbare gassen die vrijkomen bij de deeltjes als deze verhit worden tot het kook- of pyrolysepunt. Hierdoor speelt de deeltjesgrootte een grote rol in het verbrandingsproces. Kleinere deeltjes verbranden sneller dan grotere deeltjes, omdat de kleinere deeltjes een grotere oppervlak per massa-eenheid hebben. Doordat ze kleiner zijn, verspreiden de deeltjes zich ook makkelijker in de lucht en blijven ze ook langer zweven. Door deze factoren hebben kleinere deeltjes een grotere kans om bij een stofexplosie betrokken te raken.

Het voorkómen van stofexplosies gebeurt op meerdere manieren. De eerste en meest robuuste oplossing is het aanpassen van processen zodat er niet meer met brandbare stoffen gewerkt wordt. Dit is helaas praktisch gezien niet altijd mogelijk, omdat dit economisch en technisch niet haalbaar is. Uit veiligheidsoverwegingen is het wel raadzaam om met zo klein mogelijke hoeveelheden te werken; vijf kleine hopen zijn beter dan één grote hoop. Een belangrijke veiligheidsmaatregel is het voorkomen van brandbare stofwolken. Hierbij moet vooral gedacht worden aan het voorkomen van stofophopingen, behalve op plekken waar dit niet mogelijk is. In dat geval moeten de ophopingen zo klein mogelijk gehouden worden. Een richtlijn van de NFPA (National Fire Protection Association) heeft hier een aantal voorschriften voor:

  1. een stoflaag van 0,8 mm zou opgeruimd moeten worden
  2. een stoflaag van deze dikte is gevaarlijk als dit meer dan 5% van het vloeroppervlak van een gebouw bedekt
  3. stofophopingen op andere plekken als wanden, plafonds, verlaagde plafonds, bekabeling, pijpen etc. moeten meegenomen worden bij berekening van de stofbelasting van de kamer.

Omdat een stoflaag van 0,8 mm extreem dun is, betekent dit dat alle oppervlakken in een faciliteit stofvrij gehouden moeten worden. Daarnaast moet er ook een stofverzamelsysteem aanwezig zijn. Tevens moet men ook voorzichtig zijn met vegen en het gebruik van perslucht of stoom, omdat daarbij explosieve stofwolken kunnen ontstaan. Ook mogen niet zomaar alle stofzuigers gebruikt worden bij het schoonmaken. Eén van de meest effectieve manieren om stofverspreiding door een faciliteit tegen te gaan is door het stof in de machine te houden. Een andere mogelijkheid om stofexplosies tegen te gaan is het uitbannen van ontstekingsbronnen. Dit kan bijvoorbeeld door het aanpassen van het proces, regelmatig onderhoud en het stellen van huisregels. Een laatste mogelijkheid is het inerten van het stof door gebruik te maken van stikstof, CO2, edele gassen en in sommige gevallen niet-brandbare stoffen.

De plant van Imperial Sugar voor de explosie. Omcirkeld zijn de suikeropslaghallen en de verpakkings-gebouwen. Rechtsonder zijn de opslaghallen voor ruwe suiker te zien.

Case
Op 7 februari 2008 om 19:15 vernietigde een serie heftige suikerstofexplosies de fabriek van Imperial Sugar in Port Wentworth, Georgia. Explosies raasden door het gebouw, gevoed door hopen suikerstof die verspreid door het gebouw lagen. Betonnen vloeren kwamen omhoog en bakstenen muren werden trappenhuizen in geblazen, waardoor veel vluchtroutes geblokkeerd werden. 14 werknemers vonden er de dood, 8 onmiddelijk en 6 overleden later in het ziekenhuis en er vielen 36 gewonden. De fabriek kon worden afgeschreven. Deze explosie was de zwaarste stofexplosie in de Amerikaanse industrie in enkele tientallen jaren.

Westelijke lifttoren; de silos 1, 2 en 3; en het zuidelijke verpakkingsgebouw verwoest door de suikerstofexplosie op 7 februari 2008.


De fabriek was in 1917 in gebruik genomen en was sindsdien uitgegroeid tot één van de grootste suikerfabrieken van de VS. In de fabriek werd de ruwe suiker opgeslagen in drie 30 meter hoge silos, waarna deze met behulp van lopende banden, schroeftransporteurs en emmerladders naar de verpakkingsgebouwen werd getransporteerd, waar de suiker verpakt werd. Tijdens dit proces werd er door de hele faciliteit suiker op de grond gemorst. Op sommige plekken vele centimeters diep. Het suiker bevatte ook kleinere deeltjes die de lucht in werden geblazen en daar bleven zweven. Daarnaast werd er ook gebruik gemaakt van hamermolens om de suiker kleiner te maken. Hierdoor kwam er nog meer stof in de lucht. De machines waren aangesloten op een stofverzamelsysteem, maar dit was te klein en werd slecht onderhouden. Daarnaast was het niet aangesloten op de vele transportbanden in de fabriek. Om de verpakkingsmachines schoon te maken werd gebruik gemaakt van perslucht, waardoor nog meer suikerstof in de lucht terecht kwam. Dit alles leidde er toe dat er grote hoeveelheden suikerstof terecht kwamen op hoge, moeilijk schoon te maken plekken als overhangende pijpen, ventilatieschachten en lampenkappen. Deze plekken werden niet vaak genoeg schoongemaakt om de hoeveelheid stof beneden de gevaarlijke hoeveelheden te houden. Onder de silo’s werd gebruik gemaakt van stortgoten om de ruwe suiker naar een lopende band in de tunnel te geleiden. Soms raakten de stortgoten verstopt door klompen suiker waardoor de lopende band geblokkeerd werd en er suiker op de grond en in de lucht terecht kwam. De tunnel was echter groot en geventileerd, waardoor de stofconcentraties nooit explosieve waarden haalden.

Grote lagen suiker op de vloeren en machines in de fabriek. Let ook op de bescherming boven de motor om het verspreiden van suikerstof tegen te gaan. (Imperial Sugar photos).

In 2007 werd de lopende band in de tunnel echter ingebouwd in roestvrijstalen platen, om zo mogelijke verontreinigingen van de suiker tegen te gaan. Deze behuizing was echter niet voorzien van een stofverzamelsysteem. Hierdoor was het suikerstof opgesloten in de behuizing. Op 7 februari 2008 werd geconstateerd dat een klomp suiker de stroom suiker op de lopende band blokkeerde, waardoor suiker op de grond naast de band morste en ook in de lucht terecht kwam. Doordat de behuizing geen ventilatie had, bereikte de suikerstof explosieve concentraties. Om 19:15 kwam de suikerwolk in contact met een ontstekingsbron, waarschijnlijk een oververhitte lager, en ontplofte. Deze primaire explosie vernietigde de behuizing en verspreidde zich naar de verpakkingsgebouwen. Suikerstoflagen werden de lucht in geblazen, waarna deze ontbrandden in een serie zware secundaire explosies die zich een weg door de gebouwen baanden. In een donkere en beschadigde omgeving moesten werknemers hun eigen weg naar buiten vinden om te ontsnappen aan het inferno. Velen slaagden hier niet in. Uit onderzoek bleek dat de leiding wist van het gevaar van suikerstof, maar desondanks nauwelijks maatregelen nam tegen de ophopingen van suiker door de verschillende gebouwen. Jaren zonder ernstige ongelukken had ze in slaap gesust.

Uit deze case blijkt wel het gevaar van stofexplosies. Stof wordt vaak niet herkend als gevaarlijk, waardoor gemakzuchtig met veiligheid wordt omgesprongen. Laat dit een waarschuwing voor u allen zijn.
bron: CAT Alembic, Universiteit Twente


forumGeef uw reactie op dit artikel
Alle velden zijn verplicht. Uw persoonlijke informatie wordt niet op de site geplaatst. Hyfoma levert geen machines, maar verwijst alleen naar de bedrijven die de machines leveren. De meeste genoemde bedrijven leveren alleen machines voor de voedselindustrie en produceren geen voedsel.

Naam: Email:
Functie: Bedrijf: