▶개요
아주 미세한 가연성의 입자가 공기 중에 적당한-1㎥당 40~4,000g-농도로 퍼져 있을 때, 약간의 불꽃, 혹은 열 만으로 돌발적인 연쇄 산화-연소를 일으켜 폭발하는 현상.
주로 목공소(톱밥 가루)나 석탄갱/석탄공장(석탄분진), 밀가루를 다루는 공장(밀가루), 철공소나 플라스틱 가공 공장 (철/플라스틱 가루), 집 전기(먼지)에서 잘 일어난다. 다만 공기가 몹시 축축하거나 산소가 부족할 경우에는 위의 조건이 충족된다 해도 폭발이 일어나지 않는다. 또한 분진과 공기의 혼합 상태가 일정히 유지될 수 있는 밀폐 상태가 아닌 이상 위의 조건은 맞춰지기 어렵다. 바꾸어 말하자면 조건만 갖추어지면 분말 상태에서 연소가 가능한 것은 뭐든지 폭발시킬 수 있다는 소리가 되는데 이온화되기 쉬운 물질일수록 그 폭발력과 점화 난이도는 낮아진다.
*분진폭발의 조건
분진폭발을 일으키는 고체의 폭발 입경 = 100 마이크로미터
분진의 폭발 범위 하한 값 = 25~ 45mg/L, 상한 값 = 80mg/L
분진의 착화 에너지 : 10-3~10-2줄(J)
▶폭발원리
분진폭발은 분진 분자의 표면에서 산소와 반응이 일어나는 것으로서 가스폭발처럼 공기와 가연물이 균일하게 혼합된 상태에서 반응하는 것이 아니고, 일정한 덩어리로 되어 있는 가연물의 주위에 산화제가 존재하여 불균일한 상태에서 반응이 일어난다. 물질의 화학반응 속도는 물질(연료)과 공기(산소)의 접촉면 면적에 비례한다. 덩어리가 져있다면 일부가 연료 간에 접해있어 가루 상태로 공기 중에 흩뿌려진 상태보다 접촉면이 적어 덩어리 상태보다는 가루 상태(특히 공중에 날리는 상태)가 더 빠르게 화학반응이 일어난다. [2] 물론 실제 부피가 작은 가루는 화학반응이 일어나도 작은 효과 발생 후 반응이 종료되지만 이런 가루가 많고, 연쇄 작용을 할 수 있는 거리 안에 분포되어 있다면 각각의 가루 별로 연쇄반응을 일으켜 큰 폭발로 번지는 원리이다.
▶분진폭발이 일어나는 단계
부유 상태의 분진 입자에 점화원이 주어지면 입자 표면의 온도가 상승한다.
분진 입자 표면의 분자가 열분해 되어 가연성 기체가 입자 주위로 방출된다.
이 가연성 가스가 주위의 공기와 혼합되어 가연성 혼합기를 형성한다.
점화원에 의해 발화되고 화염을 일으킨다,
화염에 의해 발생한 열은 주위의 분진 입자들과 열분해 된 잔류물질들을 연소시킨다.
이러한 과정이 순간적으로 일어나 주위로 전파되어 급격한 압력의 상승과 화염을 발생시키게 된다.
화염으로 생긴 열은 연속적으로 미연 분말의 분해를 촉진시켜 차례로 기상에 가연성 기체가 방출되어 발화 전파한다.
▶분진폭발 요인
분진폭발은 분진의 화학적 성질과 조성과 관계가 있다. 휘발성분 함유량이 클수록 위험하며 회분(ash)의 함유량이 적을수록 발열량이 크다.
연소반응은 분진 입자의 표면에서 일어나기 때문에 연소에 의해 일어나는 압력 상승률은 대개 흩어진 분진 입자의 표면적에 따라 달라진다. 따라서 표면적이 입자 체적에 비해서 커지면 열의 발생 속도가 방산 속도보다 커져서 열축적이 발생한다. 분진 물질 전체 표면적의 주어진 양에 대한 결과적인 폭발의 격렬함은 입자 크기가 감소하면 증가한다. 입자가 작을수록 폭발은 더욱 격렬해진다. 일반적으로 가연성 분진 의의 폭발 위험 농도는 입자가 직경 420 마이크로미터 이하일 때이다. 하지만 입자가 너무 작아지면 분진의 종류에 따라 서로 끌어당기는 힘이 커져 폭발성이 감소하는 경우도 있다.
분진폭발은 수분에도 영향을 받는데, 수분에 의하여 부유성이 가감소하고 수분의 증발로 점화에 필요한 에너지가 증가, 그리고 수증기가 불활성 가스 역할을 한다.
습도의 한계치 이상에서는 분진 부유물이 착화되지 않을 것이다. 그러나 주변 공기의 함수율은 일단 연소가 시작된 다음에는 확산 반응에 거의 영향을 주지 않는다.
마그네슘, 알루미늄 등과 같은 금속성 물질은 물과 반응하여 가연성 가스(수소)와 열을 발생하므로 위험성이 증가한다.
부유분진, 공기 혼합기 내에서의 난류는 연소 속도를 크게 증가시키고 그로 인하여 압력 상승률도 증가시킨다. 밀폐된 용기의 모양과 크기는 난류의 특성에 영향을 줌으로써 분진폭발의 강도에 큰 영향을 줄 수가 있다.
▶분진폭발의 5요소
분진폭발 5요소는 기존의 폭발 3요소인 산소, 분진연료(Combustible dust), 발화원에 부유분진(분진이 공기중에 떠다니고 있을 것)과 한정된 공간(공장내부 등)내에 있을 것이라는 2가지 조건을 추가한 것이다. 분진이 계속 공기중에 있어야 한다(suspended in air)는 뜻은 분진이 쌓일 정도로 일정한 분진 밀도가 있어야 한다는 뜻이고, 한정된 공간에 있어야 한다는 것은 분진 폭발이 일어날때의 충분한 압력을 유지되어야 한다는 뜻이다.
사실 가스폭발은 흔한 단어이지만 분진폭발은 생소한 현상이다. 그러나 석탄가루나 금속파편가구는 물론이고 곡물가루(grain), 섬유(linen), 설탕(sugar) 등에 이르기까지 미세한 크기(finely ground)로 분진이 공기중에 떠다니는 공장내부 등에서는 일정한 조건(최소폭발농도, MEC, Minimum Explosive Concentration)에 도달하면, 발화원에 따라 바로 분진 폭발이 일어날 수 있다.
석탄분쇄기나 곡물운송용 컨베이어벨트, 사일로 같은 곳을 가정해 볼때 이런 곳에서는 항상 먼지나 분진이 쌓인다.
가스와 달리 먼지는 흩어지지 않고 내부에 그대로 남아있으며 겹겹이 쌓이게 된다. 쌓인 먼지 아래에는 모터와 같이 열을 발생시키는 장비가 있을 수 있고 모터에서 발생한 열은 표면에 쌓인 먼지로 인해 공기중으로 방출되지 못해 점점 더 뜨거워지면서 보온효과로 온도가 급격히 상승하게 된다.
발화가 일어나면? 먼지층은 연료 공급원으로 역할을 바꾸게 된다. 충분한 농도의 분진가루가 있고 확실한 발화원인 열이 발생하여 장비 위에 있던 분진에 불이 붙고 동시에 주변에서 흩날리는 먼지가루들(dust cloud)이 연쇄적으로 반응하면서 폭발로 이어진다. 분진 폭발은 1차적으로 폭발하는 힘에 의해 주변 물질의 파괴가 일어나지만, 2차 폭발 즉 근처에 떠다니던 분진들이 주변대기로 확장되면서 발생하는 상당한 에너지에 의해 더 큰 폭발이 일어납니다. 1차폭발에 비해 2차 폭발의 위력이 훨씬 더 큰 것으로 알려져있다.
지난 2013년 17명의 사상자를 낸 여수국가산업단지내 OO산업 화학공장의 폭발사고의 원인도 폭발 사고의 분진탱크속에 잔존해있던 다량의 분말이었다. 전기 장비의 작동중에 발생하는 스파크의 대부분은 주변의 먼지가루를 발화시킬 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있음에도 분말의 존재를 무시한 작업장의 부주의로 인한 사고로 볼수 있다.
분질폭발을 방지하기 위해서는 분질폭발의 5요소가 동시에 일어나지 않도록 해야 한다. 분진폭발의 5요소중 산소와 한정된 공간이라는 요소는 제거하기 쉽지 않으니, 나머지 요소들을 제거하여 분진폭발을 방지해야 한다.
환기와 작업장 청소가 잘되어도 위험성이 감소한다. 방폭 구조로는 박스(Enclosure)를 이용하여 폭발을 방지하는 방법(Ex tD)이 가장 폭넓게 사용되고 있다. 이 경우 박스(enclosure)의 표면온도에 제한을 걸고, 분진이 박스 내부로 유입되는 것을 방지하고자 IP등급에 측정해 발화원과 분진의 접촉을 막는 방법이 있다. 참고로 IP6X는 ATEX 규정 Category 1과 2 (Zone 0 지역과 Zone 1 지역)의 요구사항이고, IP5X는 Category 3 (Zone 2 지역)의 최소요구조건이다.
▶분진 분류
분진은 그 발화 온도에 따라 아래와 같이 3등급으로 분류되며 분진이 공기 중에 부유하여 전기, 전자기기의 고온부에 접촉하거나 쌓이거나 하면 발화 또는 폭발의 위험이 있다. 때문에 분진 방폭구조의 전자, 전기기기는 대상 분진의 발화 온도에 따라 기기의 온도 상승을 억제하여야 할 것이다.
현재는 가스는 T등급으로 분류하고 분진은 I등급으로 분류하고 있다. 하지만 분진은 취급장소의 각각의 물질을 실험을 통해서 그 실험 결과에 적합한 기기를 사용하도록 되어있다.
※ 분진의 발화도
|
화도 |
분진의 발화온도 |
|
I1 |
270°C 이상인 것 |
|
I2 |
200°C 초과 270°C 미만인 것 |
|
I3 |
150°C 초과 200°C 미만인 것 |
※ 발화도에 따른 분진의 분류
|
발화도 |
폭연성 분진 |
가연성 분진 |
|
|
전도성 |
비전도성 |
||
|
I1 |
마그네슘, 알루미늄, 알루미늄브론즈 |
아연, 코크스, 카본블랙 |
소맥, 고무, 염료, 페놀수지, 폴리에틸렌 |
|
I2 |
알루미늄(수지) |
철, 석탄 |
코코아, 리그닌, 쌀겨 |
|
I3 |
N/A |
N/A |
유황 |
발화 온도를 결정할 때는 공기 중 부유한 상태의 발화 온도와 쌓였을 때 (분진층) 실험을 통해 발화 온도 중 낮은 쪽을 선택하여야 한다. 가장 낮은 온도의 분진이 위험하기 때문이다.
▶가스와 분진의 종류
가스와 분진 관련하여 비슷한 용어가 많아 정확한 정의가 필요하다. 분류해보면 아래와 같다.
|
구분 |
물질의 정의 |
종류 |
|
가연성가스 |
보통의 대기상태(온도와 압력)에서는 기체의 형태로 존재하는 것을 말하며, 산소와 혼합하여 존재하여 일정한 조건이 되면 발화할 수 있다 |
수소, 메탄, 프로판 |
|
가연성증기 |
가연성 액체(flammable Liquid)가 증발해 증기의 형태로 존재하는 것을 말하며, 가연성 액체란 인화점(flash point)이 61도 이하인 액체이다. |
가솔린, 변성알코올(methylated spirits), 에탄올(ethanol) |
|
가연성미스트 |
인화성액체(Combustible Liquid)가 미스트의 형태로 존재하는 것을 말하며, 인화성 액체란 가연성 액체와는 달리 인화점(flash point)이 61도 이상이라 일반 대기온도로는 인화점에 도달하지 않는다. 그러나 인화성 증기가 충분한 양이 있다면 인화점에 도달하지 않더라도 폭발 가능성이 있다. |
경유, 중유(fuel oil) |
|
인화성 분진 |
크기가 500마이크론(0.5mm) 이하이고, 공기중에 부유물로 떠다니다기 결국 표면에 가라앉는 물질을 말한다 |
밀가루, 설탕가루, 석탄가루, 금속가루 |
|
인화성 부유물 |
크기가 500마이크론(0.5mm) 이하이고, 공기중에 부유물로 떠다니다기 결국 표면에 가라앉는 물질을 말한다 |
면, 모직(wool), 폴리프로필렌 |
참고자료: R.STAHL Marking of explosion-protected equipment(2010). Eaton사 Ex Digest (2004), WiKi Pedia, Chalmit사 Technical Instruction
▶분진 폭발 특징
가스폭발에 비해 연소 속도나 폭발 압력은 작으나 연소시간이 길고 발생 에너지가 크기 때문에 파괴력과 연소 정도가 크다. 발생 에너지는 최고치에서 비교한 경우 가스폭발의 수배 정도이고 온도는 2,000~3,000°C까지 상승한다. 이는 가스에 비해 분진이 단위체적당의 탄화수소량이 많기 때문이다. 화염의 전파속도는 상온, 상압 하에서 초기에는 2~3m/s정도이며 연소한 분진의 팽창에 의해 압력이 상승하므로 가속도 적으로 빨라지게 된다. 또한 폭발에 의한 압력으로 화염의 전파속도는 300m/s 정도까지 증가하게 된다.
연소열에 의해 화재가 동반되며 연소 입자의 비산으로 인체에 닿으면 심한 화상이나 점화원이 될 수 있다. 연료 과잉에 의한 불완전 연소가 되어 이산화탄소가 다량으로 존재하여 가스중독의 위험이 있다. 이는 단위공간당의 산소 연료비가 가스에 비해서 연료 과잉상태가 되어 불완전연소를 발생시킬 수가 있다. 즉, 이산화탄소, 메탄, 수소, 이외에 건류 가스의 발생도 있고 시안화수소와 같은 유독가스도 존재한다. 따라서 탄광 등 폐쇄된 장소에서의 분진폭발에 의한 사망원인은 폭발 압력보다 불완전연소가스에 의한 질식사가 대부분이다.
▶분진 폭발등급
분진의 위험성을 미국에서는 폭발 지수(Explosion index)로 나타내고 있다.
|
폭발정도 |
발화감도 |
폭발강도 |
폭발지수 |
|
약한 폭발 |
0.2 미만 |
0.5 미만 |
0.1 미만 |
|
중간 폭발 |
0.2~1.0 |
0.5~1.0 |
0.1~1.0 |
|
강한 폭발 |
1.0~5.0 |
1.0~2.0 |
1.0~10 |
|
매우 강한 폭발 |
5.0 초과 |
2.0 초과 |
10 초과 |
폭발 지수는 미국 광산국이 상대적인 분진의 폭발성을 나타내는 수치로서, 미국 펜실베이니아 주 피츠버그 시 부근에서 생산되는 석탄분진을 기준으로 하여 발화 감도 x 폭발 강도를 가지고 산출한 상대적 지수이다.
▶실제 사례
사례1) 대학 실험실에서의 알루미늄 가루 폭발
1999년 9월 18일 , 서울대학교 공학과 31-1동 원자핵공학과 실험실인 조립식 가건물에서 폭살사고 발생. 폭발음이 들리자 논술고사를 보던 수험생들과 도서관에 공부하던 서울대 학생들이 학교 밖으로 긴급히 대피하는 소동이 벌어 졌다. 사고가 난 실험실과 연결된 31동 건물 1층에서는 , 방사성 동위원소가 저장되어 있었으나 다행히 방사능 누출사고는 없었다. 이날 실험실에서는 " J " 기계상사로부터 의뢰를 받은 폭발물 실험이 있었다. 재래식 화약을 이용해 다이너마이트를 대처할수 있는 미세한 알루미늄 가루를 이용하여 프라즈마 (Plasma) 기법의 폭발물 실험이 진행 중이 었다.
화재가 발생하자, 소방차 35대와 특수구조차 4ㄷ가 출동하여 20분만에 진화됐다. 하지만 이 사고로 실험중이던 박사 및 석사과정의 대학원생 3명이 목숨을 잃었다.
사례2) 집진기 청소중 마그네슘 분진 폭발
2007년 10월 경남 OO휴대폰 제조 사업장의 마그네슘 합금재질의 휴대폰 외함 가공공정에서 발생한 분진을 포집한 집진기의 백필터 청소작업 중 분진폭발이 발생하여 2명이 사망하고 3명이 부상당한 사고가 발생 했다. 분진폭발 가능성이 높은 마그네슘분말 청소 작업 도중 정전기 발생이 큰 압축 공기 분사식 진공청소기 사용 압축공기에 의해 비산된 마 그네슘분말에 축적된 정전기가 압축 공기분사 금속 노즐 또는 집진기 외함 금속제로 방전하면서 폭발이 발생 했다.
사례3) 설탕공장에서의 설탕 분진 폭발
2008년 2월 미국조지아주에 있는 설탕공장인 lmperial sugar 에서 설탕 분진에 의한 폭발 사고가 발생 했다.이 사고로 13명이 사망하고 40명이 부상당했다. 부상자 대부분은 인근 메모리얼 병원으로 후송되었는데, 병원에 실려 온 환잔 대부분은 양손 전체에 80~90%의 심각한 화상을 입었다고 증언했고 당시 공장에 있던 근로자들은 공장 3층에서 큰폭발음이 들리고 1층으로 대피하기 시작하면서 일대 혼란이 일어나 더 큰 인명 피해가 발생 했다. 회사측은 설탕분진에 의한 폭발임을 인정하였고, 미국 산업안전보건청에서는 해당공장 2개소에 대해 약500만 달러와 377만 달러의 벌금을 부과했으며 앞으로 사고 재발을 방지하기 위한 규제를 더운 강화할 예정이다. 미 산업 안전보건청에서는 회사에 대해 3차 최종 사고조사를 실시한 결과 분진 폭발이 발생한 작업장에 다량의 폭발성 설탕 분진이 쌓여 있음을 확인했으며, 회사측에서는 이에 대해 아무 조치도 취하지 않았음을 인정했다.
사례4) 축우사료 이송중 폭발
축우사료를 생산하는 제분공장의 한 공정에서 버켓 (bucket) 엘리베이터를 사용하여 몇가지 원료를 사이로로 이송한다.그런데 글루텐을 운송하다가 엘레베이터에서 심각한 분진폭발이 일어났다. 다행이 엘레베이터에는 적절한 보호장치가 되어 있어 피해는 엘리베이터에만 국한되었다. 글루텐 이송용으로 사용한 이래 처음 발생한 사고 였다. 그러나 몇주후 같은 공장의 같은 버켓 엘레베이터로 글루텐을 취급하지 말도록 조치 했다.
사례5) 전분 분쇄 공정 중 정전기에 의한 분진 폭발
전분을 근간으로 몇가지 제품을 생산하는 회사의 분쇄 공정에서 사고 발생 최근 분쇄기 내부에 고장이 있었고 이것이 연쇄적으로 불꽃을 발생 시키자 집진기 내부에서 강력한 분진 폭발이 일어나게 된 것이다. 이 기계는 지난 30년간 아무 문제 없이 운전 되었다고 한다. 1913년 6월 미국 뉴욕 주 버펄로의 한 제분소에서는 이보다 더 큰 피해를 낸 분진폭발 사고가 일어났는데, 이 사고는 사망자 33명에 부상자 80여 명에 달하는 인명피해를 냈다.
사례6) 옥수수 보관창고에서 발생한 분진 폭발
2003년, 울산의 한 옥수수 저장창고에서 분진 폭발로 발생한 창고화재가 발생하였다. 이러한 분진 폭발을 막기 위해서는 작업중에 담뱃불과 같은 사소한 불티도 폭발 화재의 원인이 될수 있으므로 작업장 내 금연이 필수다. 또한 분진이 쌓이지 않도록 환기를 자주 해 주고 산소농도의 감소를 위해 자주 물을 뿌려주는 것이 좋다. 또한 이러한 분진 작업공정상의 스파크 발생은 아주 위험하므로 사전에 스파크를 탐지, 전원을 차단해 주는 불꽃센서 같은 감시 장비를 설치하는 것도 좋을 것이다. 스파크에서는 작은 불꽃은 물론 전기합선이나 기타 정전기 등으로 인한 스파크도 빠르게 감지 하여 전원을 차단하고 경보로 알려주는 최첨단 불꽃센서를 밀가루 공장, 사료 공장 등에 설치 하고 있다.
사례7) 석탄 분진 대폭발
1963년 11월 9일에는 일본 후쿠오카 현 오무타에 있던 미츠이 미이케 탄광에서 석탄가루에 의한 분진 대폭발로 458명이 사망하고 839명이 일산화탄소 중독 등으로 부상하는 일본 광업 사상 최악의 대참사가 벌어졌다. 공교롭게도 이 날에는 일본 국철의 2차대전 후 5대 참사로 손꼽히는 츠루미 사고까지 동시에 일어났기 때문에 '피투성이 토요일'로 불렸다.
2018년 8월 8일 경기도 포천시 신북면의 한 석탄화력발전소에서 폭발이 일어나 5명 정도가 사상당했는데, 이 원인을 석탄 가루로 인한 분진 폭발을 원인으로 잡고 있다.
사례8) 폴리에틸렌 폴리머 파우더 폭발사고
2013년 3월 여수 산단 OO산업 PE PWD Silo 폭발사고 : 아래 블로그에 잘 정리되어 있다.
▶문헌 및 기타자료
분진측정기
분진측정기, 분진모니터, 분진폭발 예방- 엠씨마스터스
분진폭발 분진폭발은 분진 분자의 표면에서 산소와 반응이 일어나는 것으로서 가스폭발처럼 공기와 가연물이 균일하게 혼합된 상태에서 반응하는 것이 아니고, 일정한 덩어리로 되어 있는 가
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