Stof tot nadenken: het gevaar van stofexplosies

Heb je je ooit afgevraagd hoe groot de kans is op een stofexplosie? Ga maar na: de VS draagt 24% bij aan het wereldwijde BBP, en als we dat schalen met het aantal stofexplosies (ongeveer 30 per jaar), dan komen we uit op maar liefst 125 stofexplosies wereldwijd per jaar – dat is er elke 2,9 dagen één!

In dit artikel leggen we uit wat stofexplosies zijn, waarom ze gebeuren en hoe je ze kunt voorkomen. Voordat we er dieper op ingaan, zijn hier de belangrijkste punten om snel antwoord te geven op je brandende vragen.

• Brandbaar stof is een van de drie elementen die nodig zijn voor een stofexplosie en dient als brandstof. Zuurstof en een ontstekingsbron zijn ook nodig.
• Er zijn twee soorten explosies: deflagraties (subsonisch tot sonisch) en detonaties (transonisch of ultrasoon).

• Tal van materialen kunnen als brandstof dienen voor stofexplosies, van zaagsel en papier tot rubber, metaalpoeder, kolenstof en zelfs menselijke huidcellen (huisstof).

• Confinement in stofexplosies verwijst naar de insluiting van stofdeeltjes in een beperkte ruimte waar opgehoopt stof snel kan ontbranden als het wordt aangestoken, waardoor de kracht van de explosie toeneemt.

• De meeste stofexplosies zijn secundair, geïnitieerd door een gebeurtenis die het stof doet ontploffen en in stand gehouden door de lancering van opgehoopt stof, waardoor een zichzelf onderhoudende en mogelijk verwoestende kettingreactie ontstaat. Deze stofwolk kan een verwoestende explosie veroorzaken.

• Industriële processen, zoals recycling, farmaceutische productie en kolenwinning, zijn gevoelig voor stofexplosies.
• De preventie van stofexplosies draait om de drie C’s: Contain, Capture en Clean. Effectieve huishouding, goede schoonmaakpraktijken en stofopvangsystemen spelen een belangrijke rol bij het verminderen van risico’s.

Allereerst is het belangrijk om te begrijpen dat er twee soorten explosies zijn. De natuurlijk voorkomende zijn sub-sonisch tot sonisch, meestal deflagraties genoemd, wat betekent dat ze op of onder de geluidssnelheid plaatsvinden. De transonische of ultrasone explosies, die sneller gaan dan de geluidssnelheid, worden detonaties genoemd en vereisen over het algemeen menselijke tussenkomst en/of technologie.

Detonaties worden gebruikt voor sloopwerkzaamheden, mijnbouw en vaak ook voor oorlogsvoering. De term wordt vaak misbruikt om “een explosie van elk type” aan te duiden. Krachtexplosieven, die een gefabriceerd product zijn, hebben extreem voorspelbare explosiviteitseigenschappen en genereren schokgolven die het grootste deel van het werk doen met weinig vlammen. Smeulende explosieven (vuurwerk, zwartkruit en nitrocellulose) deflagreren alleen.

Deflagraties ontstaan wanneer voldoende brandbare stofdeeltjes zo dicht in de lucht zweven dat een ontstekingsbron, of dat nu een vonk, open vlam of heet oppervlak is, zelfs maar één deeltje kan doen ontbranden. Omdat dergelijke deeltjes ongelooflijk klein zijn, hebben ze een enorm oppervlak in vergelijking met hun volume. Het deeltje verbruikt in een oogwenk zijn volledige brandstofvoorraad en groeit onmiddellijk uit tot een veelvoud van zijn grootte.

Deze expansie zorgt ervoor dat nog meer omringende deeltjes ontbranden, waardoor een cascade-effect ontstaat. Elk deeltje ontsteekt er nog veel meer, waardoor een vlammend golffront ontstaat dat zich gelijkmatig in alle richtingen door de stofwolk uitbreidt.

Stofexplosies ontstaan wanneer alle drie elementen van de branddriehoek – brandstof, zuurstof en hitte (ontsteking) – aanwezig zijn. In deze context kunnen verschillende stoffen die voldoen aan de brandstofcomponent een stofexplosie veroorzaken. Verderop in het artikel wordt een uitgebreide lijst van brandbare stofcategorieën en voorbeelden gegeven.

De volgende ontstekingsbronnen komen vaak voor:

• Wrijvingsvonken
• Elektrische vonken
• Open vuur (bijv. fakkels, kaarsen)
• Oververhitte machines
• Statische elektriciteitsontlading
• Defecte elektrische apparatuur
• Rookwaren (bijvoorbeeld sigaretten)
• Exotherme chemische reacties
• Blikseminslag
• Las- en snijgereedschap

Om ontstekingen in gevaarlijke omgevingen te voorkomen, maken bedrijven gebruik van Ex-gecertificeerde apparatuur. Kort gezegd is deze apparatuur zo gemaakt dat het onder geen enkele omstandigheid een ontstekingsbron kan vormen.

Als je nog niet bekend bent met de branddriehoek, raden we je aan onze artikel te bekijken voor een uitgebreid overzicht.

Voortbouwend op de eerdere uitleg over de branddriehoek, is het belangrijk om te begrijpen dat stofexplosies vijf belangrijke componenten vereisen, zoals uiteengezet in de stofexplosie vijfhoek. Dit concept gaat verder dan de vereisten van de branddriehoek, namelijk ontsteking, brandstof en zuurstof, door nog twee kritische factoren toe te voegen.

Deze omvatten de juiste dichtheid van stofdeeltjes die in de lucht zweven (dispersie), waarbij hun nabijheid een cascade-effect mogelijk maakt, en opsluiting (confinement), wat essentieel is voor het ontstaan van de explosie.

Het is bijna onmogelijk om buiten een stofexplosie te veroorzaken omdat het materiaal zich te snel kan verspreiden. Het is natuurlijk niet onmogelijk. Op sommige wereldwijde festivals, vooral in Azië, kleuren mensen maïszetmeel om in de lucht te gooien, of naar elkaar, om enorme wolken van roze, geel, paars, rood, groen en blauw te creëren. Als je dat in de “kom” van een rolschaatsbaan doet, is dat misschien eng genoeg om een explosie te veroorzaken.

Een incident uit 2015 in Taipei was geen stofexplosie, maar eerder een brand in de lucht waarbij 508 mensen verbrandden en 15 omkwamen. Ongeveer 200 mensen verkeerden in kritieke toestand na de brand die 40 seconden duurde. Als er sprake was geweest van insluiting, had het dodental veel hoger kunnen uitvallen.

Opsluiting doet zich voor wanneer stofdeeltjes worden ingesloten in een beperkt gebied, zoals een kamer of binnenin machines. Dit ingesloten stof bouwt een explosieve druk op wanneer het ontbrandt. Opsluiting verandert een gewone stofverbranding in een potentieel catastrofale gebeurtenis.

Zaagsel kan een goede brandstof zijn, vooral als het erg droog is door een insectenplaag van timmerhout, zoals twee zagerijen in British Columbia in Canada hebben geleerd. Dode bomen, gedood door pijnboomkevers, waren verantwoordelijk voor beide explosies.

Ook papierstof, rubberstof, poedermelk of suiker, meel, specerijen, cacao, koffie, tabak, poedervormige lichte metalen, kolenstof en organisch stof in een kledingfabriek kunnen perfect zijn. Andere brandstoffen zijn zeep, veel plastic stof, procesadditieven in farmaceutische laboratoria en zelfs biosolids van waterzuivering, bloedstof in een slachthuis of menselijke huidcellen (huisstof) die zich ophopen op je zolder! Gelukkig is er op zolder geen sprake van confinement. En hopelijk ligt er niet voldoende stof om brand te veroorzaken..

De meeste stofexplosies zijn secundair. De veroorzakende gebeurtenis kan het barsten van een verwarmingsketel zijn, of zelfs een relatief triviale knal of knal, maar het vervolgeffect is dat er opgehoopt brandbaar stof wordt gelanceerd dat vervolgens in brand wordt gestoken door de overblijfselen van de oorspronkelijke kleine explosieve gebeurtenis. Dit noemen we de primaire explosie.

Zodra dat gebeurt, houdt niet alleen de initiële vlam de actie in stand, maar de drukgolf die het vlamfront omringt, werpt nog meer materiaal op, waardoor letterlijk brandstof aan het vuur wordt toegevoegd. Het vuur houdt zichzelf nu volledig in stand en blijft doorgaan tot alle brandstof op is. Zodra deze stofwolk vlam vat, zal ze een secundaire stofexplosie veroorzaken. Secundaire stofexplosies kunnen zeer verwoestend zijn, zoals je zult leren van de voorbeelden verderop in dit artikel.

Recyclingbedrijven, vooral voor metalen, zijn gevoelig voor stofexplosies. Gemengde recycling geeft nog meer mogelijkheden om stof te creëren dat in combinatie de explosiviteit verhoogt.

Voor het maken van geneesmiddelen zijn “inerte” vulstoffen (zoals maïszetmeel) nodig om tabletten te maken. Een tablet kan 1000 mg (een gram) wegen om 10 of 15 mg medicijn te leveren. Ogenschijnlijk is het voor de verkoop om de pil er groter en indrukwekkender uit te laten zien om de prijs te verhogen. Omgekeerd zou het moeilijk zijn om producten te identificeren als ze te klein zijn.

Andere problematische industriële processen zijn kolenwinning, papierproductie, boekdrukkunst, het bedienen van graansilo’s, suiker- of graanraffinage en nog veel meer. Waar het allemaal op neerkomt is dat elke vaste stof die brandt een uitstekende brandstof is als hij in stof verandert.

Medische apparatuur maken is ook gevaarlijk. IV-zakken, slangen, hypodermische spuiten en rubberen onderdelen daarvoor kunnen allemaal in stof veranderen als onderdeel van het productieproces, zoals in 2003 werd ontdekt door de North Carolina West Pharmaceutical Plant. Dat incident resulteerde in 6 doden en 36 bijkomende verwondingen, de vernietiging van de fabriek en het verlies van honderden banen voor arbeiders in Kinston, North Carolina.

Het verminderen van het risico op stofexplosies komt neer op de drie C’s:
Contain, capture en clean

Als het brandbare stof goed wordt opgevangen en beheerd, krijgen problemen geen kans om zich te ontwikkelen en riskante niveaus te bereiken. Soms is het in een proces niet mogelijk om het gegenereerde stof volledig op te vangen, dus in plaats daarvan moet je het stof opvangen voordat het zich verspreidt. Technieken kunnen zo eenvoudig zijn als een afzuigsysteem voor een snij- of slijpmachine.

Soms is het nodig om een product (bijv. suiker of meel) bloot te stellen aan hitte en lucht om vocht te verwijderen, waardoor brandbaar stof vrijkomt. Dat kan opstijgen en zich afzetten op dwarsbalken van het dak, onder transportbanden en opgestapeld in hoeken bij toegangsdeuren. Dat moet worden opgeruimd, niet met een luchtpistool, dat het stof afvuurt en verder verspreidt, maar met mechanische opvang of stofzuigers.

Sommige stoffen zijn relatief onschadelijk, zoals niet-ontvlambare talk of zuiveringszout, die beide vaak worden gebruikt in brandbestrijdingsapparatuur. Om uw risico te kennen, kunt u monsters van uw typische stof verzamelen en deze naar een laboratorium sturen voor een stofexplosietest. Dergelijke laboratoria kunnen zeer specifieke informatie geven over de vereiste dichtheid die lichte tot extreme gevaren met zich meebrengt, zodat u de risico’s kunt beperken.

Wanneer we het hebben over stofveiligheid, is het essentieel om stof weg te houden van ontstekingsbronnen, maar de apparatuur zelf moet ook onderhouden worden. Stof dat zich ophoopt in het afzuigsysteem kan een onzichtbaar gevaar vormen. Wanneer alle delen van de fabriek zijn aangesloten op een vacuümsysteem, moet dit worden uitgerust met explosiebestendige automatisch sluitende overdrukdeuren, zodat explosies zich niet door de fabriek kunnen verspreiden. Deze systemen zijn uitgerust met ventilatieopeningen naar buiten, zodat de vuurhaarden een veilige uitgang hebben, weg van werknemers, apparatuur en brandstofbronnen.

Om verder te illustreren hoe krachtig stofexplosies zijn, moeten we ons denkbeeldig verplaatsen naar Hollywood. Explosies op het scherm in films, zoals auto’s, tanks, gebouwen enzovoort, worden vrijwel nooit gevoed door wat je ziet. Het ziet er misschien uit als een benzinetank die explodeert, maar wat het echt is, is gewoon een doos brandbaar poeder, meestal een soort schimmelsporen en een beetje nitrocellulose, die uit een luchtkanon wordt geschoten via een vonkengenerator.

Zo genereren ze die gigantische fontein van vlammen die er zo spectaculair uitziet. En spektakel is de reden waarom ze het doen, plus het feit dat het extreem veilig is in de handen van een professionele FX-technicus. Het gaat FLASH en stopt vrijwel onmiddellijk zonder gevaarlijke restjes.

Omdat het vrij stil is, kunnen ze “boem”-geluiden toevoegen, een paar vuile acetyleenbranders rond de “opgeblazen” auto plaatsen voor oranje vlammen, de camera een beetje laten schudden in de nabewerking, terwijl het een grote doos met kleine onderdelen registreert die van bovenaf, buiten beeld, wordt gedumpt om vlakbij neer te vallen.

In 1921 blies een explosie in een Australische kolenmijn, aangedreven door kolenstof, deze enorme kabeltrommels 15 meter de lucht in. En dat terwijl ze verankerd waren in betonnen funderingen!

Er zijn ontelbare voorbeelden van stofexplosies, die helemaal teruggaan tot 1785 toen een Italiaanse meelfabriek een stofexplosie meemaakte waarbij twee arbeiders gewond raakten. Giacomelli’s Bakery Warehouse kreeg te maken met deze explosie, waarschijnlijk doordat een olielamp het brandbare stof deed ontbranden.

De beruchte Washburn Mill explosie doodde 18 mensen in 1878, te zien op deze stereografische afbeelding van de Library of Congress. Stukken van het betonnen dak kwamen een heel eind verderop terecht, ramen werden uit huizen geblazen en twee aangrenzende molens werden zwaar beschadigd.

De stofexplosie van 1893 in Litchfield, Illinois, kostte aan één persoon het leven, verwoestte 40 huizen en verwoestte bedrijven in twee blokken rondom de locatie. De enorme verwoesting leidde tot de eerste voorschriften voor brandbestrijdingssystemen in fabrieken en vereiste een goede opleiding voor mensen die in deze omgevingen werkten.

De lijst gaat maar door, met 23 doden in de Quaker Oats-fabriek in 1916; 42 bij een graanstofexplosie in Pekin, Illinois; 18 in een snoepfabriek van Brach’s in 1948; een graanstofexplosie in 1975 waarbij slechts twee arbeiders omkwamen, maar die ruiten uitblies tot 20 blokken verderop; en de meelstofexplosie in 1977 waarbij 36 mensen omkwamen in Westwego, Louisiana.

De recordhouder is misschien wel de explosie van chemisch stof in Oppau, Duitsland, in 1921, toen silo’s met kunstmest ontbrandden. Bij de explosie kwamen 600 mensen om het leven en raakten nog eens 2000 mensen gewond.

We hopen dat het na het lezen van dit artikel duidelijk is geworden hoe gevaarlijk en misleidend stofexplosies kunnen zijn. Gevaarlijke stoffen vallen niet altijd op en stofexplosies zijn vaak destructiever dan gasexplosies.
Rampen kunnen worden voorkomen door een goede huishouding en het gebruik van explosieveilige apparatuur. Als je vragen hebt over ATEX of stofexplosies, helpen we je graag.