Explosion de poussière

Une explosion de poussière est la combustion rapide de fines particules en suspension dans l' air dans un endroit clos. Les explosions de poussière peuvent se produire lorsqu'un matériau combustible en poudre dispersé est présent en concentrations suffisamment élevées dans l'atmosphère ou dans un autre milieu gazeux oxydant , tel que l'oxygène pur . Dans les cas où le carburant joue le rôle de matériau combustible, l'explosion est appelée explosion air-carburant.

Les explosions de poussières constituent un danger fréquent dans les mines de charbon , les silos et élévateurs à grains et dans d'autres environnements industriels. Elles sont également couramment utilisées par les artistes des effets spéciaux , les cinéastes et les pyrotechniciens , en raison de leur aspect spectaculaire et de leur capacité à être contenues en toute sécurité dans certaines conditions soigneusement contrôlées.

Les armes thermobariques exploitent ce principe en saturant rapidement une zone avec un matériau facilement combustible, puis en l'enflammant pour produire une force explosive. Ces armes sont les armes non nucléaires les plus puissantes qui existent.

Si une combustion rapide se produit dans un espace confiné , d'énormes surpressions peuvent s'accumuler, provoquant des dommages structurels majeurs et des débris volants. La libération soudaine d'énergie d'une « détonation » peut produire une onde de choc , soit à l'air libre, soit dans un espace confiné. Si la propagation de la flamme se fait à une vitesse subsonique , le phénomène est parfois appelé « déflagration », bien que l'usage plus large appelle les deux phénomènes « explosions ».

Les explosions de poussière peuvent être classées comme étant de nature « primaire » ou « secondaire ». Les explosions de poussière primaire peuvent se produire à l'intérieur d'équipements de traitement ou d'enceintes similaires, et sont généralement contrôlées par une décompression via des conduits spécialement conçus vers l'atmosphère extérieure. Les explosions de poussière secondaires résultent de l'accumulation de poussière à l'intérieur d'un bâtiment qui est perturbée et enflammée par l'explosion primaire, ce qui entraîne une explosion incontrôlée beaucoup plus dangereuse qui peut affecter l'ensemble de la structure. Historiquement, les décès dus aux explosions de poussière ont été en grande partie le résultat d'explosions de poussière secondaires.

Il y a cinq conditions nécessaires pour une explosion de poussière :

1. Une poussière combustible
2. La poussière est dispersée dans l'air dans certaines limites d'inflammabilité
3. Il y a un oxydant (généralement l'oxygène atmosphérique)
4. Il y a une source d'inflammation
5. La zone est confinée – un bâtiment peut être une enceinte

De nombreux matériaux courants connus pour brûler peuvent générer une explosion de poussière, comme la poussière de charbon et la sciure de bois . De plus, de nombreuses matières organiques par ailleurs banales peuvent également être dispersées dans un nuage de poussière dangereux, comme les céréales , la farine , l'amidon , le sucre , le lait en poudre , le cacao , le café et le pollen . Les métaux en poudre (tels que l'aluminium , le magnésium et le titane ) peuvent former des suspensions explosives dans l'air s'ils sont finement divisés.

Une gigantesque explosion de poussière de farine a détruit un moulin du Minnesota le 2 mai 1878, tuant 14 ouvriers du moulin Washburn A et quatre autres dans les bâtiments adjacents. Un problème similaire se produit dans les scieries et autres lieux dédiés au travail du bois .

Depuis l’avènement de la fabrication additive à base de poudre métallique à l’échelle industrielle dans les années 2010, il existe un besoin croissant d’informations et d’expériences pour prévenir les explosions de poussière et les incendies dus aux traces de poudre métallique excédentaire parfois laissées après le frittage laser ou d’autres méthodes de fusion. Par exemple, dans les opérations d’usinage en aval de la fabrication additive, l’excès de poudre libéré des porosités des structures de support peut être exposé aux étincelles provenant de l’interface de coupe. Des efforts sont en cours non seulement pour construire cette base de connaissances au sein de l’industrie, mais aussi pour la partager avec les services d’incendie locaux, qui effectuent des inspections périodiques de sécurité incendie des entreprises de leurs districts et qui peuvent s’attendre à répondre aux alarmes dans les ateliers ou les usines où la fabrication additive fait désormais partie du mix de production.

Bien qu'il ne s'agisse pas strictement de poussières, les particules de papier émises lors du traitement (notamment lors du laminage, du déroulement, du calandrage/refendage et de la découpe des feuilles) sont également connues pour présenter un risque d'explosion. Les zones fermées des usines à papier soumises à de tels dangers maintiennent généralement des taux d'humidité de l'air très élevés afin de réduire les risques d'explosion de poussières de papier en suspension dans l'air.

Dans les effets pyrotechniques spéciaux , la poudre de lycopodium et la crème non laitière sont deux moyens courants de produire des effets de feu sûrs et contrôlés.

Pour permettre une combustion rapide, la poussière doit être constituée de très petites particules avec un rapport surface/volume élevé , ce qui rend la surface collective ou combinée de toutes les particules très grande par rapport à une poussière de particules plus grosses. La poussière est définie comme une poudre dont les particules ont un diamètre inférieur à environ 500 micromètres, mais les poussières plus fines présenteront un danger beaucoup plus grand que les particules grossières en raison de la surface totale plus grande de toutes les particules.

En dessous d'une certaine valeur, la limite inférieure d'explosivité (LIE), il n'y a pas suffisamment de poussière pour soutenir la combustion à la vitesse requise pour une explosion. Une concentration combustible égale ou inférieure à 25 % de la LIE est considérée comme sûre. De même, si le rapport carburant/air augmente au-dessus de la limite supérieure d'explosivité (LSE), il n'y a pas suffisamment d'oxydant pour permettre à la combustion de se poursuivre à la vitesse nécessaire.

Il est difficile de déterminer la concentration explosive minimale ou maximale des poussières dans l'air, et la consultation de différentes sources peut conduire à des résultats très différents. Les plages d'explosivité typiques dans l'air vont de quelques dizaines de grammes/m3 ^pour la limite minimale à quelques kg/m3 ^pour la limite maximale. Par exemple, la LEL pour la sciure de bois a été déterminée comme étant comprise entre 40 et 50 grammes/m3 ^. [ Cela dépend de nombreux facteurs, notamment du type de matériau utilisé.

En règle générale, l'oxygène atmosphérique normal peut suffire à alimenter une explosion de poussière si les autres conditions nécessaires sont également réunies. Les environnements riches en oxygène ou en oxygène pur sont considérés comme particulièrement dangereux, tout comme les gaz fortement oxydants tels que le chlore et le fluor . De plus, les suspensions particulaires de composés à fort potentiel oxydant, tels que les peroxydes , les chlorates , les nitrates , les perchlorates et les dichromates , peuvent augmenter le risque d'explosion si des matières combustibles sont également présentes.

Les sources d'inflammation sont nombreuses, et une flamme nue n'est pas forcément la seule : plus de la moitié des explosions de poussières survenues en Allemagne en 2005 provenaient de sources autres que des flammes. Les sources d'inflammation les plus courantes sont les suivantes :

• décharge électrostatique (par exemple une bande transporteuse mal installée , qui peut agir comme un générateur Van de Graaff )
• friction
• arc électrique provenant de machines ou d'autres équipements
• surfaces chaudes (par exemple roulements surchauffés )
• feu
• auto-inflammation

Cependant, il est souvent difficile de déterminer la source exacte de l'inflammation lors d'une enquête après une explosion. Lorsqu'aucune source ne peut être trouvée, l'inflammation est souvent attribuée à l'électricité statique . Les charges statiques peuvent être générées par des sources externes ou peuvent être générées en interne par le frottement à la surface des particules elles-mêmes lorsqu'elles entrent en collision ou se déplacent les unes à côté des autres.

Les poussières ont une surface très importante par rapport à leur masse. Comme la combustion ne peut se produire qu'à la surface d'un solide ou d'un liquide, où elle peut réagir avec l'oxygène, les poussières sont beaucoup plus inflammables que les matériaux en vrac. Par exemple, une sphère de 1 kilogramme (2,2 lb) d'un matériau combustible d'une densité de 1 g/cm ³ aurait un diamètre d'environ 12,4 centimètres (4,9 pouces) et une surface de 0,048 mètre carré (0,52 pied carré). Cependant, si elle était divisée en particules de poussière sphériques de 50 μm de diamètre (environ la taille de particules de farine ), elle aurait une surface de 120 mètres carrés (1 300 pieds carrés). Cette surface considérablement accrue permet au matériau de brûler beaucoup plus rapidement, et la masse extrêmement faible de chaque particule leur permet de prendre feu avec beaucoup moins d'énergie que le matériau en vrac, car il n'y a pas de perte de chaleur par conduction au sein du matériau.

Lorsque ce mélange de combustible et d'air s'enflamme, en particulier dans un espace confiné comme un entrepôt ou un silo, une augmentation significative de la pression se produit, souvent plus que suffisante pour démolir la structure. Même des matériaux traditionnellement considérés comme ininflammables (comme l'aluminium) ou à combustion lente (comme le bois) peuvent produire une puissante explosion lorsqu'ils sont finement divisés et peuvent être enflammés même par une petite étincelle.

• Démonstration d'une explosion de poussière à ciel ouvert
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  Dispositif expérimental
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  La farine finement moulue est dispersée
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  Un nuage de farine s'enflamme
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  La boule de feu se propage rapidement
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  La chaleur radiante intense n'a rien à enflammer ici
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  La boule de feu et les gaz surchauffés s'élèvent
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  Conséquences de l'explosion, avec de la farine non brûlée sur le sol

Une explosion de poussière peut causer des dommages importants aux structures, aux équipements et au personnel en raison d'une surpression violente ou d'effets d'onde de choc. Les objets et débris volants peuvent causer des dommages supplémentaires. La chaleur rayonnante intense d'une boule de feu peut enflammer les environs ou provoquer de graves brûlures cutanées chez les personnes non protégées. Dans un espace hermétiquement clos, l'épuisement soudain de l'oxygène peut provoquer une asphyxie . Lorsque la poussière est à base de carbone (comme dans une mine de charbon), une combustion incomplète peut entraîner la création de grandes quantités de monoxyde de carbone (l' humidité résiduelle des mineurs ). Cela peut provoquer plus de décès que l'explosion initiale et entraver les tentatives de sauvetage.

De nombreuses recherches ont été menées en Europe et ailleurs pour comprendre comment contrôler ces dangers, mais des explosions de poussières se produisent encore. Les alternatives pour rendre les processus et les installations plus sûrs dépendent de l'industrie.

Dans l' industrie minière du charbon , une explosion de méthane peut déclencher une explosion de poussière de charbon , qui peut ensuite engloutir une fosse de mine entière. Par mesure de précaution, de la poussière de pierre incombustible peut être répandue le long des voies de la mine, ou stockée dans des plateaux suspendus au toit, pour diluer la poussière de charbon soulevée par une onde de choc au point qu'elle ne puisse plus brûler. Les mines peuvent également être aspergées d'eau pour empêcher l'inflammation.

Certaines industries excluent l'oxygène des processus produisant de la poussière, une précaution connue sous le nom de « inertage ». En général, on utilise de l'azote , du dioxyde de carbone ou de l'argon , qui sont des gaz incombustibles qui peuvent remplacer l'oxygène. La même méthode est également utilisée dans les grands réservoirs de stockage où des vapeurs inflammables peuvent s'accumuler. Cependant, l'utilisation de gaz sans oxygène entraîne un risque d' asphyxie pour les travailleurs. Les travailleurs qui ont besoin d'éclairage dans des espaces clos où une explosion de poussière présente un risque élevé utilisent souvent des lampes conçues pour les plongeurs sous-marins , car elles ne risquent pas de produire une étincelle ouverte en raison de leur conception étanche.

De bonnes pratiques d’entretien, comme l’élimination des dépôts de poussière combustible qui pourraient être perturbés et provoquer une explosion secondaire, contribuent également à atténuer le problème.

Les meilleures mesures de contrôle technique que l’on peut trouver dans les normes sur les poussières combustibles de la National Fire Protection Association (NFPA) comprennent :

• Mouillage
• Réduction de la concentration en oxydant
• Évacuation de la déflagration
• Confinement sous pression en cas de déflagration
• Suppression de la déflagration
• Déflagration évacuée à travers un dispositif de rétention de poussière et d'arrêt de flamme

Les nuages ​​de poussière sont une source courante d'explosions, provoquant environ 2 000 explosions par an en Europe. Le tableau répertorie les incidents notables dans le monde entier.