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Riscos de explosões originadas por poeiras combustíveis.
Tipologia: Notas de estudo
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Aracaju – SE
Projeto de Pesquisa apresentado ao Núcleo de Pós-Graduação e Extensão da FANESE, como requisito para obtenção do título de Especialista em ENGENHARIA DE SEGURANÇA DO TRABALHO. Orientador: Prof M.Sc. Roberto Theobald
Aracaju – SE
Indústrias de processamento que em qualquer de suas etapas apresentem produtos na forma de pó são indústrias que representam um alto grau de risco no que se refere a incêndio e explosão. Isso é justificado porque materiais pulverulentos podem formar atmosfera explosiva quando encontram as condições ideais. Atividades industriais como beneficiamento de produtos agrícolas, fabricação de rações animais, beneficiamento de madeira, alimentícia, metalúrgica, entre outras podem ser incluídas na afirmação anterior. No Brasil, esses ramos de atividades são encontrados em larga escala e representam uma parcela significativa da economia do país. Porém, é importante destacar que, pouco se conhece e é divulgado com relação ao alto potencial de risco dessas indústrias e que acidentes já ocorreram inclusive com vítimas fatais. Esse artigo tem como objetivo difundir o tema explosões em pó, descrevendo os principais aspectos desses eventos, contribuindo para o entendimento da possibilidade de ocorrência de incêndios e explosões decorrentes de atmosferas originadas por poeiras combustíveis.
Palavras-chaves: Atmosferas explosivas. Explosão. Poeiras combustíveis.
Processing industries which in any of its stages present products on powder forms are industries that represent a high degree of risk of fire and explosion. This is justified because materials in powder forms may form explosive atmosphere when the conditions are ideal. Industrial activities such as processing of agricultural products, manufacture of animal feed, wood processing, food processing, metallurgy etc., can be included in the earlier statement. In Brazil, these branches of activities are found in large scale and represent a significant portion of the economy. However, it is important to note that, little is known and is disclosed in relation to high risk potential of these industries and accidents that have occurred including fatalities. This article aims to spread knowledge on dust explosions, describing the main aspects of these events, contributing to the understanding of the possibility of fires and explosions caused by atmospheres caused by combustible dust.
Keyword s: Explosive atmospheres. Explosion. Combustible dust.
Tabela 1 – Dados de explosividade de produtos granulados ou pulverizados.......................................................................................................... 20 Tabela 2 – Índices de explosividade, temperatura de ignição e energia mínima de ignição................................................................................................ 21 Tabela 3 – Eventos decorrentes de explosão de pó...................................... 22
2.1 Atmosferas Explosivas................................................................................. 11 2.2 Principais propriedades das substâncias inflamáveis.............................. 12 2.3 Limites inferior e superior de inflamabilidade............................................ 13 2.4 Os fundamentos físico-químicos das explosões....................................... 14
3. EXPLOSÃO DE PÓ........................................................................................... 17 3.1 Riscos de explosão a partir de poeiras combustíveis............................... 17 3.2 Quantidade de ocorrências e nível de criticidade dos eventos relacionados à explosão de pó...........................................................................
Equipamentos elétricos e outros meios que possam representar fontes de ignição, quando instalados em áreas onde existem produtos inflamáveis sendo manuseados, processados ou armazenados necessitam de cuidados especiais que garantam a preservação da vida humana, do meio ambiente e do patrimônio. Essas fontes de ignição em potencial podem ser divididas em fontes gerais e fontes específicas.
Fontes de ignição gerais tais como chama aberta, equipamento de solda, etc. podem ser controladas numa área de risco. Seu uso está geralmente sujeito a regulamentos e procedimentos de segurança. Entretanto, algumas fontes de ignição estão presentes em função da própria operação da planta, por exemplo, cargas eletrostáticas durante transferência de pós e líquidos, ou ignição por fricção durante moagem. Os equipamentos elétricos estão em algum lugar entre as duas. (JORDÃO, 2002, p,42 e 43)
Por suas próprias características, os equipamentos elétricos podem representar fontes de ignição, quer seja pelo centelhamento natural (devido à abertura ou fechamento dos contatos), quer seja por aquecimento de algum componente do circuito, devido a alguma anormalidade do processo. Indústrias processadoras de produtos onde em qualquer fase da produção, estes se apresentem na forma de pó são indústrias que possuem alto potencial de risco quanto à ocorrência de explosões e incêndios. Materiais em forma de pó, em função das suas características físico- químicas, podem apresentar potencial para formar atmosferas explosivas, sendo que a explosão de um pó caracteriza-se pela rápida propagação da combustão e pela correspondente produção de energia.
A poeira depositada ao longo do tempo nos mais diversos locais da planta industrial, quando agitada ou colocada em suspensão e na presença de uma fonte de ignição, com energia suficiente para a primeira deflagração poderá explodir, causando vibrações subsequentes pela onda de choque; fazendo com que mais pó
depositado entre em suspensão e mais explosões aconteça cada qual mais devastadora que a anterior, causando prejuízos irreversíveis ao patrimônio, paradas no processo produtivo, invalidez ou morte. (ANDRADE; BORÉM, 2004, p.7) A possibilidade da explosão de uma nuvem de pó está condicionada pela dimensão de suas partículas, sua concentração, a concentração de oxigênio e a potência da fonte de ignição. Para um melhor desenvolvimento do trabalho, faz-se necessária uma breve explanação sobre a formação de uma atmosfera explosiva.
2.1. Atmosferas explosivas
Indústrias que produzem, processam, transportam ou armazenam produtos inflamáveis estão sujeitas ao aparecimento de zonas potencialmente explosivas. Essas substâncias inflamáveis na forma de líquidos, gases ou partículas de poeira e fibras, ao se combinarem com o oxigênio do ar podem formar uma mistura explosiva. A norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), NBR IEC 60079-10 define atmosferas explosivas como sendo uma “mistura com o ar, sob condições atmosféricas, de substâncias inflamáveis na forma de gás, vapor, névoa ou poeira, na qual, após a ignição, inicia-se uma combustão auto-sustentada através da mistura remanescente”. A interação entre oxigênio (comburente), substância inflamável (combustível) e fonte de ignição, gera o conhecido “Triângulo do Fogo” (Figura 1). Sob certas condições esta interação pode provocar uma reação em cadeia, transformando-se no “Tetraedro do Fogo” (Figura 2) , que na maioria das vezes, é impossível controlar.
atmosfera. A seguir estão definidos os conceitos das principais propriedades: ponto de fulgor, ponto de ignição, ponto de combustão, energia mínima de ignição e limites de inflamabilidade. Segundo R. STAHL SCHALTGERATE GMBH (1999), o ponto de fulgor de um líquido inflamável é a temperatura mínima na qual um líquido libera vapor em concentração suficiente para formar uma mistura inflamável com o ar perto da superfície do líquido em condições normais de pressão. Se o ponto de fulgor de um líquido inflamável está muito acima da temperatura máxima que possa surgir, a atmosfera explosiva pode não ser formada. O ponto de inflamação de uma mistura de várias substâncias pode ser menor que a dos seus componentes individualmente. Porém, a essa temperatura, a quantidade de vapor emitido não é suficiente para manter uma queima contínua sendo que, quando a fonte é retirada, essa reação não consegue ser mantida. De acordo com a CETESB (2010), o ponto de ignição ou flash point , pode ser definido como a menor temperatura onde uma substância combustível libera vapores em quantidades mínimas na qual a mistura de gás-ar ou vapor-ar entra em ignição com o surgimento de uma chama. Jordão (2002, p. 10), define que “a menor temperatura na qual a mistura de vapor com o ar é inflamada por uma fonte externa de ignição continua a queimar constantemente acima da superfície chama-se ponto de combustão”. Já para R. STAHL SCHALTGERATE GMBH (1999), a energia mínima de ignição é definida como a menor quantidade de energia convertida suficiente para inflamar uma atmosfera explosiva.
2.3. Limites inferior e superior de inflamabilidade
Para que uma substância inflamável possa queimar, é necessário que exista (como visto anteriormente), uma fonte de ignição e uma “ mistura ideal ” entre o oxigênio do ar e o combustível. Como a quantidade de oxigênio no ar é praticamente constante (algo em torno de 21% de volume), a quantidade de combustível necessária para efetivação da queima dependerá de cada produto e sua dimensão se dá através de duas constantes: Limite Inferior de Inflamabilidade (LII) e Limite Superior de Inflamabilidade (LSI).
O limite inferior de inflamabilidade é definido por Jordão (2002) como a mínima concentração na qual uma mistura explosiva é capaz de provocar a combustão do produto, a partir do contato com uma fonte de ignição. A temperatura a ela associada é chamada de ponto inferior de inflamabilidade. Conforme a CETESB (2001), concentrações abaixo do LII não são combustíveis, pois nesta condição, tem-se excesso de oxigênio e pequena quantidade do produto para a queima, sendo a mistura considerada “ pobre ”. Já o limite superior de inflamabilidade é definido por Jordão (2002) como a máxima concentração de uma mistura explosiva é capaz de provocar a combustão do produto, a partir de uma fonte de ignição. A temperatura a ela associada é chamada de ponto superior de inflamabilidade. Também de acordo com a CETESB (2001), concentrações acima do LSI não são combustíveis, pois, nesta condição, tem-se excesso de produto e pequena quantidade de oxigênio para que a combustão ocorra, é a chamada "mistura rica". Pode-se então concluir que os gases ou vapores combustíveis só queimam quando sua percentagem em volume estiver entre os limites (inferior e superior) de inflamabilidade que, conforme descrito pela CETESB (2001) é a "mistura ideal" para a combustão. Na Figura 3 é apresentado um esquema representativo para os Limites de Inflamabilidade.
Figura 3: Limites de inflamabilidade. Fonte: Theobald (2009) - Adaptação (o autor).
2.4. Os fundamentos físico-químicos das explosões
Quando substâncias combustíveis são inflamadas, é possível a ocorrência de chama, deflagração, explosão ou detonação, que irá depender das
A ABNT NBR 13860 define deflagração como sendo “explosão que se propaga à velocidade subsônica”; explosão como sendo “fenômeno acompanhado de rápida expansão de um sistema de gases seguida de uma rápida elevação na pressão e, detonação como sendo “explosão que se propaga à velocidade supersônica, caracterizada por uma onda de choque”. Nas deflagrações, a chama e a onda de pressão podem se propagar com a mesma velocidade, podendo atingir até 100 m/s e desenvolve pressões de até 3 bar. Nas explosões, a onda de pressão vem à frente da chama, a velocidade de propagação pode chegar a cerca de 300 m/s e atingir 10 bar. Nas detonações, a onda de choque se propaga rapidamente na atmosfera causando variações instantâneas (altas densidades, pressão e velocidade molecular). Com isso, a velocidade de propagação pode atingir valores acima de 300 m/s e pressões acima de 12 bar. Então, pode-se concluir que a diferença entre esses três fenômenos está na velocidade de propagação e na pressão. Na Figura 5 encontra-se a representação das ondas de pressão decorrentes do processo de combustão. Quando o processo é lento, a expansão é lenta e a onda de pressão se caracteriza por um acréscimo gradual (curva “A”), gerando uma onda de sobre-pressão. Se a expansão for rápida a onda é caracterizada por um súbito acréscimo do valor da pressão (curva “B”) resultando em uma onda de “choque”, cujos efeitos apresentam alta magnitude.
Figura 5: Ondas de pressão e choque envolvidas processo de combustão Fonte: Esteves (2002) - Theobald (2009).
Pouco conhecida no Brasil, as explosões de pó já vitimaram diversas pessoas tanto aqui no país como também pelo restante do mundo, além de terem gerado grandes danos ao patrimônio. Os ambientes mais propícios para o acontecimento do fenômeno são os pólos industriais de produção e armazenamento de cereais, fabricação de rações e secagem e armazenagem de grãos. A grande maioria das substâncias combustíveis em forma de pó é capaz de causar uma explosão se estiverem suspensas, em forma de pó fino ou poeira no ar ou em qualquer outra atmosfera comburente. De acordo com (R. STAHL SCHALTGERATE GMBH, 2004), oitenta por cento de todas as poeiras industriais são combustíveis. Aliado a isso, o fato de muitas pessoas desconhecerem as características explosivas de alguns pós, transforma-os em ainda em mais perigosos do que outras substâncias explosivas mais conhecidas como a gasolina e a pólvora. Quase todos os materiais orgânicos como farinha, açúcar, amido, produtos farmacêuticos, na forma de pó fino ou poeiras representam um risco de explosão. Metais em pó como o alumínio ou o magnésio também apresentam este risco.
3.1. Riscos de explosão a partir de poeiras combustíveis
Semelhante ao que acontece com os combustíveis líquidos e gases inflamáveis, pó ou poeira combustível misturados com o ar e em presença de uma fonte de ignição podem provocar explosões. Explosões de poeiras têm características diferentes das explosões de líquidos e gases e em alguns casos, seus efeitos podem ser muito mais devastadores. Diferentemente dos gases, que são prontamente identificados por sua fórmula molecular, não se pode assumir à priori, por exemplo, que o algodão produzido por um determinado fornecedor tenha o mesmo Limite Inferior de
Igualmente aos gases e vapores inflamáveis, as poeiras também possuem um parâmetro de concentração com o ar, o que determina os limites inferior e superior de inflamabilidade. Segundo Jordão (2002, p. 39), “geralmente o limite inferior de inflamabilidade dos pós industriais se situa numa faixa de 20 a 60 g/m³ (nas mesmas condições ambientais de pressão e temperatura)”. É importante ressaltar que, as poeiras podem ser inflamadas estando suspensas no ar (na forma de nuvem), formando uma mistura poeira-ar, ou também através do acúmulo de poeiras no local de trabalho, depositada nos pisos, elevadores, túneis e transportadores ao longo do tempo. No caso de poeiras acumuladas, quando são aquecidas até o ponto de liberação de gases de combustão, estas poderão se inflamar com o auxílio de uma fonte de ignição.
Quando o pó se acumula em camada sobre uma superfície aquecida, essa camada começa a se desidratar, e inicia um processo de combustão passiva, chamada de combustão sem chama. Se a poeira tem características de isolante térmica, ela retém o calor e a temperatura de combustão sem chama diminui, aumentando o risco. Basta, então, que haja uma movimentação do ar próximo ao local onde está acontecendo o fenômeno, para que uma chama se manifeste, podendo gerar uma onda de choque e iniciar um incêndio, cuja pressão poderá levantar a poeira depositada em outros locais, formando nuvens que facilmente explodirão, e por sua vez essa onda de pressão, por similaridade, provocará outras explosões. (JORDÃO, 2002, p. 40 e 41)
A Tabela 1 apresenta alguns exemplos de produtos granulados ou pulverizados que se apresentam como risco para a ocorrência de incêndio ou explosão:
Tabela 1: Dados de explosividade de produtos granulados ou pulverizados Substância T. I (ºC) E.M.I (mJ) L.I.I (g/m³) P.M.E (bar) C.T Algodão 560 25 - 7,2 T Celulose 500 35 - 8,0 T Madeira 400 - 30 10,0 T Papel 540 - 30 8,6 T Cacau 580 100 125 7,4 T Polietileno 360 10 15 7,6 T Alumínio 530 50 15 12,1 T Bronze 390 - 750 4,1 T Enxofre 280 15 30 6,7 T Fonte: Jordão (2002). Onde: T.I = Temperatura de Ignição; E.M.I = Energia Mínima de Ignição L.I.I = Limite Inferior de Inflamabilidade; P.M.E = Pressão Máxima de Explosão; C.T = Classe de Temperatura.
Um parâmetro importante a ser observado é o índice de explosividade, que é determinado a partir da temperatura de ignição, da energia mínima de ignição, da pressão máxima de explosão e da variação máxima de elevação de pressão. Para Jordão (2002, p.42), “para índices menores ou iguais a 01, as explosões respectivas são consideradas fracas e para índices maiores ou iguais a 10, as explosões são violentas”. As fontes de ignição consideradas gerais como chamas abertas, arcos elétricos e faíscas de fricção podem ser controladas sendo determinada uma área de risco, onde o uso desses meios está sujeito a procedimentos de segurança específicos. Porém, algumas fontes estão diretamente ligadas ao próprio processo produtivo, como por exemplo, cargas eletrostáticas durante transferência de pós e líquidos ou fricção durante moagem. A maior parte das temperaturas necessárias para por em ignição as nuvens de pó, situam-se entre 300 ºC e 600 ºC e a grande maioria das potências de ignição estão entre 10 mJ e 40 mJ. A Tabela 2 indica alguns exemplos de índices de explosividade, temperatura de ignição e energia mínima de ignição de algumas substâncias:
