Esplosività delle polveri

Ci sono diversi luoghi comuni riguardo alla pericolosità delle polveri combustibili. Eccone alcuni:

• Le esplosioni di polvere si verificano solo nelle miniere di carbone e nei silos per cereali.
• Per provocare un’esplosione è necessaria una grande quantità di polvere.
• Le esplosioni di gas sono sempre molto più violente delle esplosioni di polvere.
• Eliminare l’ossigeno rende automaticamente la situazione sicura.
• Non vi è alcun problema se la polvere non è visibilmente sospesa nell’aria.

Sono d’accordo: si tratta effettivamente di luoghi comuni. Tuttavia, come mi disse molti anni fa un mio collega: «Se tutte le polveri descritte come pericolose nelle valutazioni dei rischi che leggo fossero davvero così pericolose, la NASA avrebbe scelto di andare sulla Luna con un razzo a propulsione di polvere !»

Il senso della battuta è che, sebbene i pericoli associati alle polveri combustibili siano assolutamente reali, esiste anche una certa tendenza a sovrastimare il rischio, poiché le valutazioni si basano normalmente su criteri qualitativi.

Esiste un’ampia letteratura sulle esplosioni di polvere, gran parte della quale è supportata da solide ricerche sperimentali. La NFPA ha recentemente pubblicato un’eccellente norma che affronta l’argomento in modo organico e completo:

NFPA 660:2025 – Standard for Combustible Dusts and Particulate Solids

La NFPA 660 è una norma consolidata che riunisce prescrizioni precedentemente contenute in diverse norme NFPA relative alle polveri combustibili, tra cui la NFPA 652 – Standard on the Fundamentals of Combustible Dust, oltre a numerose norme specifiche per determinati settori industriali o tipologie di materiale.

Quando si valuta il rischio di esplosione provocato, ad esempio, da una fuoriuscita di gas da uno skid di alimentazione gas di un forno, le norme tecniche forniscono metodi quantitativi relativamente ben definiti. Le portate di emissione possono essere calcolate mediante equazioni derivate dalla meccanica dei fluidi e dalla termodinamica.

Nel caso delle polveri, la situazione è spesso piuttosto diversa. La valutazione si basa molto più frequentemente su criteri qualitativi e sul giudizio tecnico.

Un esempio spesso citato è quello di uno strato relativamente sottile di polvere combustibile — talvolta descritto come uno strato sufficientemente spesso da permettere di scrivervi il proprio nome con un dito — che può rappresentare un pericolo significativo qualora la polvere venga dispersa nell’aria.

Criteri di questo tipo sono utili per individuare situazioni potenzialmente pericolose. Tuttavia, se applicati senza tenere sufficientemente conto delle effettive condizioni di processo, delle caratteristiche della polvere, delle quantità presenti, della probabilità di dispersione e delle sorgenti di accensione, possono portare i tecnici a sovrastimare il reale rischio di esplosione.

Detto questo, il meccanismo di base di un’esplosione di polvere è abbastanza semplice da comprendere facendo riferimento all’esperienza quotidiana.

Qualsiasi materiale solido in grado di bruciare tende generalmente a bruciare tanto più rapidamente quanto maggiore è il suo grado di frammentazione. Un pezzo di legno, una volta acceso, brucia relativamente lentamente, liberando la propria energia nell’arco di un periodo di tempo relativamente lungo. Se lo stesso legno viene invece suddiviso in piccoli pezzi, la combustione diventa più rapida perché aumenta la superficie totale esposta all’aria.

Se la frammentazione prosegue fino a produrre particelle molto piccole — tipicamente dell’ordine di frazioni di millimetro — e tali particelle vengono disperse nell’aria a una concentrazione adeguata, la superficie disponibile diventa estremamente elevata. La combustione può quindi avvenire molto rapidamente e l’energia necessaria per l’accensione può diventare molto ridotta.

Se questa rapida combustione di una nube di polvere sospesa provoca un aumento della pressione sufficientemente rapido, si ha una deflagrazione di polvere e, in particolare in presenza di confinamento, potenzialmente una esplosione di polvere.

I materiali in grado di dare origine a esplosioni di polveri combustibili comprendono:

• Materiali organici naturali: farina, legno, tessuti, zucchero, ecc.
• Materiali organici sintetici: materie plastiche, pigmenti organici, pesticidi, composti farmaceutici, ecc.
• Carbone e torba
• Metalli: alluminio, magnesio, titanio, zinco, ferro, ecc.

La Fig. 7.2 mostra l’intervallo di concentrazione esplosiva per una tipica polvere organica naturale, come la farina di mais, dispersa in aria a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Questo intervallo è relativamente ristretto e si estende per meno di due ordini di grandezza, approssimativamente da 100 g/m³ a 2 kg/m³.

I limiti di esplosività variano sensibilmente da una polvere all’altra. Ad esempio, una polvere di zinco può avere una concentrazione minima esplosibile di circa 500 g/m³.

Le nubi di polvere potenzialmente esplosiva presentano una densità ottica molto elevata, anche a concentrazioni prossime al limite inferiore di esplosività. La Fig. 7.2 lo evidenzia confrontando l’intervallo di concentrazioni esplosive con le concentrazioni di polvere molto più basse normalmente associate all’esposizione professionale e all’igiene del lavoro. Queste concentrazioni ammissibili di polvere aerodispersa sono generalmente inferiori di tre o quattro ordini di grandezza rispetto alla concentrazione minima necessaria per generare un’esplosione di polvere.

In altri termini, le concentrazioni di polvere che possono già essere considerate eccessive o inaccettabili in un ambiente di lavoro — e che sono pertanto oggetto di controlli nell’ambito dell’igiene occupazionale — sono molto inferiori alle concentrazioni normalmente necessarie per formare una nube di polvere potenzialmente esplosiva.

Da ciò deriva una regola generale utile nella valutazione della probabilità di formazione di un’atmosfera esplosiva:

Un’atmosfera esplosiva dovuta a gas è spesso prevedibile all’esterno della tubazione o del recipiente che contiene il gas, a seguito di una fuoriuscita, mentre un’atmosfera esplosiva dovuta a polveri è più frequentemente prevedibile all’interno delle apparecchiature di processo, dove possono facilmente raggiungersi concentrazioni di polvere sufficientemente elevate. Questa indicazione deve naturalmente essere considerata un principio generale e non una regola assoluta, poiché nubi di polvere potenzialmente esplosive possono formarsi anche all’esterno delle apparecchiature a seguito di rilasci, della risospensione di depositi o di dispersioni secondarie.

Di conseguenza, la concentrazione minima esplosibile (MEC – Minimum Explosible Concentration) — che può essere considerata approssimativamente equivalente al limite inferiore di esplosività espresso come concentrazione massica per le polveri — rappresenta già una nube di polvere con densità ottica molto elevata. Concentrazioni di questo livello sono quindi poco probabili in modo continuo o regolare nelle aree di lavoro normalmente occupate.

La Fig. 7.3 illustra l’elevata densità ottica associata alle nubi di polvere esplosibili, sulla base di una regola empirica attribuita a Intelmann e citata da Zehr (1965):

«Si consideri una lampadina da 25 W osservata attraverso la nube di polvere da una distanza di 2 m. Se la lampadina non è più visibile, la concentrazione di polvere supera circa 40 g/m³.»

Questa concentrazione è già dello stesso ordine di grandezza della MEC di molte polveri combustibili, pur rimanendo inferiore ad essa.