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粉塵爆発とは、密閉された空間内で空気中に浮遊する微粒子が急速に燃焼する現象である。粉塵爆発は、大気中または純酸素などの酸化性ガス媒体中に、十分な濃度で分散した粉末状の可燃性物質が存在する場合に発生する可能性がある。燃料が可燃性物質の役割を果たす場合、その爆発は燃料空気爆発と呼ばれる。
粉塵爆発は、炭鉱、穀物倉庫、サイロ、その他の産業環境において頻繁に発生する危険である。また、その壮観な外観と、特定の厳密な管理条件下で安全に封じ込めることができることから、特殊効果アーティスト、映画制作者、花火師などによってもよく利用されている。
熱圧兵器はこの原理を利用して、可燃性の高い物質で領域を急速に飽和させ、その後点火して爆発力を発生させます。これらの兵器は、現存する非核爆発物の中で最も強力です。[ 1 ]
密閉空間で急速な燃焼が発生すると、膨大な過圧が発生し、構造物の重大な損傷や破片の飛散を引き起こす可能性があります。爆発によるエネルギーの急激な放出は、開放空間でも密閉空間でも衝撃波を発生させます。炎の伝播速度が亜音速の場合、この現象は「爆燃」と呼ばれることもありますが、より広義にはどちらの現象も「爆発」と呼ばれます。
粉塵爆発は、「一次」または「二次」に分類される。一次粉塵爆発は、プロセス機器や同様の密閉空間内で発生する可能性があり、通常は専用のダクトを通して外部大気へ圧力を解放することで制御される。二次粉塵爆発は、建物内部に蓄積した粉塵が一次爆発によって攪拌され、引火した結果、はるかに危険な制御不能な爆発となり、建物全体に影響を与える可能性がある。歴史的に、粉塵爆発による死亡事故は、主に二次粉塵爆発によるものである。[ 2 ]
粉塵爆発には5つの必要条件があります: [ 3 ]
石炭粉塵やおがくずなど、燃焼することが知られている多くの一般的な物質は、粉塵爆発を引き起こす可能性があります。さらに、穀物、小麦粉、デンプン、砂糖、粉ミルク、ココア、コーヒー、花粉など、普段はごくありふれた有機物も、危険な粉塵雲となって拡散する可能性があります。アルミニウム、マグネシウム、チタンなどの金属粉末も、細かく粉砕されると空気中に爆発性の懸濁液を形成することがあります。
1878年5月2日、ミネソタ州で小麦粉の粉塵が爆発し、ウォッシュバーンAミルで14人の労働者が死亡、隣接する建物でも4人が死亡した。[ 4 ]製材所や木材加工に特化した他の場所でも同様の問題が発生している。
2010年代に工業生産規模の金属粉末ベースの積層造形（AM）が登場して以来、レーザー焼結やその他の溶融方法の後に残ることがある余分な金属粉末の痕跡による粉塵爆発や火災を防ぐためのより多くの情報と経験が求められています。 [ 5 ]例えば、 AM造形の後の機械加工工程では、サポート構造の多孔質から放出された余分な粉末が、切削界面からの火花にさらされる可能性があります。[ 5 ]業界内でこの知識ベースを構築するだけでなく、管轄区域内の事業所の定期的な防火安全検査を実施し、AMが生産ミックスの一部となっている工場や工場で警報に対応することが予想される地元の消防署と共有するための取り組みが進められています。[ 5 ]
厳密には粉塵ではないものの、製紙工程、特に巻き取り、巻き戻し、カレンダー加工／スリット加工、シートカットの際に発生する紙粒子も、爆発の危険性があることが知られています。このような危険にさらされる製紙工場の密閉された区域では、空気中の紙粉塵爆発の可能性を低減するために、一般的に非常に高い湿度を維持しています。
特殊効果花火では、ヒカゲノカズラ粉末[ 2 ]と乳製品不使用のクリーマー[ 6 ]が、安全で制御された炎の効果を生み出す2つの一般的な手段です。
急速な燃焼を促進するためには、粉塵は表面積対体積比の高い非常に小さな粒子で構成されている必要があり、それによって、より大きな粒子からなる粉塵と比較して、すべての粒子の集合的または結合された表面積が非常に大きくなる。粉塵は、直径が約500マイクロメートル未満の粒子からなる粉末と定義されるが、より細かい粉塵は、すべての粒子の総表面積が大きいため、粗い粒子よりもはるかに大きな危険性をもたらす。
爆発下限値（LEL）というある一定の値以下では、爆発に必要な速度で燃焼を維持するのに十分な粉塵が存在しない。[ 7 ] LELの25%以下の可燃性濃度は安全とみなされる。[ 8 ]同様に、燃料対空気比が爆発上限値（UEL）を超えると、必要な速度で燃焼を継続させるのに十分な酸化剤が存在しない。
空気中の粉塵の最小爆発濃度または最大爆発濃度を決定することは難しく、異なる情報源を参照すると、まったく異なる結果になることがあります。空気中の典型的な爆発範囲は、最小限界で数十グラム/m³、最大限界で数キログラム/m³です。たとえば、おがくずのLELは40～50グラム/ m³と決定されています。[ 9 ]これは、使用される材料の種類など、多くの要因に依存します。
一般的に、他の必要な条件が揃っていれば、通常の酸素濃度でも粉塵爆発を起こすのに十分です。高酸素環境や純酸素環境は特に危険であり、塩素やフッ素などの強力な酸化性ガスも同様です。また、過酸化物、塩素酸塩、硝酸塩、過塩素酸塩、二クロム酸塩など、酸化力の高い化合物の微粒子懸濁液は、可燃性物質が存在する場合、爆発の危険性を高める可能性があります。
発火源は数多くあり、裸火だけが原因とは限りません。2005年にドイツで発生した粉塵爆発の半数以上は、炎以外の原因によるものでした。[ 7 ]一般的な発火源には以下のようなものがあります。
しかし、爆発後の調査において、正確な発火源を特定することはしばしば困難です。発火源が見つからない場合、発火は静電気によるものと判断されることがよくあります。静電気は外部から発生する場合もあれば、粒子同士が衝突したりすれ違ったりする際に、粒子表面の摩擦によって内部的に発生する場合もあります。
粉塵は質量に比べて表面積が非常に大きい。燃焼は固体または液体の表面でのみ起こり、そこで酸素と反応するため、粉塵はバルク材料よりもはるかに燃えやすい。例えば、密度が 1 g/ cm³の可燃性物質の1 kg (2.2 lb)の球は、直径が約12.4 cm (4.9 in)で、表面積は0.048 m² (0.52 sq ft)である。しかし、これを直径 50 μm (小麦粉の粒ほどの大きさ)の球状の粉塵粒子に砕くと、表面積は120 m² (1,300 sq ft)になる。このように表面積が大幅に増加すると、物質ははるかに速く燃焼し、各粒子の質量が非常に小さいため、物質内部での熱伝導による熱損失がなく、バルク材料よりもはるかに少ないエネルギーで発火する。
燃料と空気の混合物が着火すると、特に倉庫やサイロのような密閉空間では、著しい圧力上昇が生じ、多くの場合、構造物を破壊するのに十分すぎるほどの圧力になります。従来、不燃性（アルミニウムなど）または燃焼速度が遅い（木材など）と考えられてきた物質でさえ、細かく粉砕されると強力な爆発を起こし、小さな火花でも着火する可能性があります。
粉塵爆発は、激しい過圧や衝撃波の影響で、構造物、設備、人員に大きな損害を与える可能性があります。飛散物や破片がさらに損害を与える可能性があります。火球からの強烈な放射熱は周囲に引火したり、防護されていない人に重度の皮膚の火傷を引き起こしたりする可能性があります。密閉された空間では、酸素の急激な枯渇により窒息を引き起こす可能性があります。粉塵が炭素を主成分としている場合（炭鉱など）、不完全燃焼により大量の一酸化炭素（鉱夫のアフターダム）が発生する可能性があります。これは、最初の爆発よりも多くの死者を出したり、救助活動を妨げたりする可能性があります。[ 10 ] [ 11 ]
ヨーロッパをはじめとする世界各地で、こうした危険を制御する方法を理解するための研究が数多く行われてきたが、粉塵爆発は依然として発生している。製造工程や工場をより安全にするための代替策は、業界によって異なる。
石炭採掘業界では、メタンガス爆発が石炭粉塵爆発を引き起こし、鉱山全体を巻き込む可能性があります。予防策として、不燃性の石粉を坑道沿いに撒いたり、天井から吊るしたトレイに保管したりして、衝撃波で巻き上げられた石炭粉塵を希釈し、燃えにくくします。また、発火を防ぐために鉱山に水を散布することもあります。
一部の産業では、粉塵発生工程から酸素を排除する「不活性化」と呼ばれる予防措置をとっています。通常、これには窒素、二酸化炭素、またはアルゴンといった不燃性ガスが使用され、酸素を置換することができます。可燃性蒸気が蓄積する可能性のある大型貯蔵タンクでも、同様の方法が用いられています。しかし、酸素を含まないガスを使用すると、作業員が窒息する危険性があります。粉塵爆発の危険性が高い密閉空間で照明が必要な作業員は、水中ダイバー用に設計されたランプを使用することがよくあります。これは、密閉防水設計のため、火花が発生する危険性がないためです。
集塵機を使って可燃性粉塵の堆積物を除去するなど、適切な清掃・整理整頓を行うことも、問題の軽減に役立ちます。
全米防火協会（NFPA）の可燃性粉塵基準[ 12 ]に記載されている最良の工学的制御対策には、以下のものが含まれます。
塵雲は爆発の一般的な原因であり、ヨーロッパでは年間約2,000件の爆発を引き起こしていると推定されている。[ 13 ]表には、世界中で発生した注目すべき事例が一覧で示されている。
フランスとアメリカで発生した事件：
粉塵爆発の危険性から加工工場、穀物取扱施設などを保護する：
