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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
플라스틱 분진의 화재폭발예방 연구
- 연구책임자
- 한우섭
- 수 행 연 도
- 2014년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구제목 플라스틱 분진의 화재폭발 예방 연구 2. 연구 필요성 및 목적 플라스틱 분진에 의한 국내 폭발사고사례를 보면 1989년 10월에 ABS 콤파운드가 폭발하여 사망 16명, 부상 17명의 인명피해가 발생하였다. 2000년 4월에는 MASS 중합방식의 PVC공정에서 Bag filter청소 시에 PVC 분진의 화재 폭발사고로 부상자 4명이 발생하였으며, 2000년 11월에도 PVC공정의 비정상 작업 중에 슬러리 탱크와 배관의 용접작업 과정 중에 PVC분진이 폭발하여 5명이 부상을 당했다. 2012년 6월에는 PE분진이 폭발하여 생산설비 등이 파손되었으며, 2013년 3월에는 HDPE분진이 폭발하여 사망 6명, 부상 11명의 인명 피해가 발생하였다. 플라스틱 분진의 폭발사고사례 및 원인분석을 통하여 알 수 있는 것은 화재폭발위험성과 이에 대한 안전대책이 부족하다는 것이다. 플라스틱 분진은 수 ㎜크기의 입경을 가지는 페렛(Pellet) 상태의 최종제품으로 출하되어 사용자에게 공급되고 있다. 이와 같이 비교적 입경이 큰 상태의 분진 제품은 분산성의 저하로 폭발 위험성이 상대적으로 작아지기 때문에 위험성에 대한 인식이 낮을 가능성이 높다. 플라스틱 제조시에는 건조 과정 후의 중간 공정에서 미세한 분진의 발생이 크게 증가하므로 상시 폭발의 잠재적인 위험성을 가지고 있는 반면에 이에 대한 화재폭발 위험성에 대해서는 작업자가 충분한 인식을 가지고 있지 않아 폭발 사고의 원인이 되고 있다. 또한 가스 누출에 의한 가스 폭발과 같이 어떠한 원인으로 1차 폭발이 발생하고 그 폭발 압력파에 의해 장치 내의 분진이나 시설 장비 등에 퇴적된 분진이 폭발 기류에 의해 분진운을 형성하면서 분진폭발로 발전하는 경우도 있으며 분진폭발 후에 분진화재가 함께 동반하는 과정에서 물적 및 인적피해는 더욱 증가할 수 있다. 플라스틱 제품 제조공정에서는 설비 외부로의 분진누출이 없는 경우라도 공정 설비 내에서는 미세 분진의 발생을 피할 수 없으며 분진의 농도 및 입도 등을 제어하는 것은 현실적으로 곤란하다. 그러므로 플라스틱 분진의 농도는 폭발범위 내에 존재할 가능성이 있다는 점을 고려하여 폭발방지대책을 강구하는 것이 필요하다. 또한 플라스틱 분진 제품에는 각종 기능성 첨가제가 포함되는데 이러한 물질은 분진의 폭발 발생 가능성과 폭발강도에 영향을 줄 수 있으므로 정확한 위험성을 아는 것이 폭발예방이나 피해최소화 대책을 강구하는데 매우 중요하다. 그러나 국내에서 유통되고 있는 플라스틱 분진 제품 중에는 과거 폭발사고사례가 있음에도 화재폭발특성 자료가 없는 경우가 적지않다. 이러한 플라스틱 분진 제품을 제조하거나 취급하는 경우에는 위험특성을 알지 못하여 잘못된 운전조건이나 취급 부주의로 인하여 발화나 화재폭발사고가 일어날 수 있으므로 안전대책을 강구하기 위한 정량적인 안전자료를 확보하는 것이 우선적으로 요구된다. 본 연구에서는 국내 유통량이 많거나 재해사례가 있지만 화재폭발특성 자료가 불명확한 플라스틱 분진을 대상으로 자연발화특성과 화재폭발 위험성을 실험적으로 조사하였다. 이러한 연구를 통하여 위험성 자료를 확보하고 안전 예방대책을 검토하여 동종 폭발사고를 예방하는데 기여하고자 하였다. 조사 대상으로 선정된 플라스틱 분진에 대하여 화재폭발의 발생 빈도를 알기 위하여 열분석에 의한 발화온도를 실험적으로 측정하고 발화온도를 예측하였다. 또한 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해를 최소화하기 위한 대책을 강구하는데 필요한 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 폭발특성값을 조사, 분석하였다. 3. 연구내용 및 방법 (1) 연구내용 및 범위 ○ 플라스틱 분진에 의한 화재폭발사고사례 조사 ○ 국내 사용실태 조사 및 연구대상 플라스틱 시료의 선정 ○ 분진운의 발화 및 폭발특성을 조사 ○ 플라스틱 분진폭발사고에 대한 안전대책 검토 (2) 연구방법 ○ 국내 플라스틱 분진폭발 사고사례 원인 분석 ○ 플라스틱 분진의 폭발 시에 화염전파 특성분석을 위한 실험방법 및 장치 검토 ○ 농도 변화에 따른 플라스틱 분진의 발화온도 조사 ○ 플라스틱 분진의 화염전파 및 폭발특성을 고려한 안전대책 검토 4. 연구결과 (1) 입도분석장치에 의한 PMMA, ABS, PE, PBT, MBS 의 입도분포를 측정한 결과, 체적기준의 평균입경은 각각 14.3, 209.8, 81.8, 21.3, 26.7 ㎛의 결과가 얻어졌다. (2) PMMA의 TGA(10 ℃/min) 결과에서는 250 ℃에서 질량감소가 시작되며 400 ℃ 부근에서 0 %로 종료되었으며, 250℃에서 흡열반응이 일어났다. SDTA결과에서는 270 ℃ 부근에서 급격한 발열과 동시에 TGA그래프에서 질량감소가 증가하며 산화반응이 진행되는 것으로 분석되었다. 또한 DSC에 의한 발열개시온도는 약 270 ℃이며, 340 ℃ 부근에서 급격한 산화분해(Oxidative decomposition)반응이 일어나는 것으로 분석되어 TGA측정값과 거의 동일한 결과가 얻어졌다. (3) ABS의 TGA 결과, 3단계의 질량감소구간으로 나타나는데 227 ℃ 부근에서 급격한 발열과 약 1 %의 질량 증가가 일어나는 것으로 보아 ABS 내 Polybutadiene의 자기 산화(Auto-oxidation)으로 인한 반응으로 추정되며, 질량감소가 267 ℃에서 시작되며 600 ℃ 부근에서 0%로 완전분해 되었다. (4) PE는 약 121 ℃에서 용융에 의한 흡열(100.8 J/g)이 발생하고 약 207℃에서 300 ℃ 까지 산화반응으로 추정되는 발열(296.5 J/g)이 일어났는데, 약 250 ℃ 부근에서 질량감소 시작되어 380℃를 넘어서면서 급격히 중량 감소와 발열(5.4 kJ/g) 동반하여 산화반응에 의한 분해 및 발열로 판단되었다. 특히 PE는 탈수소 반응과 탄소 연소반응이라는 2단계의 연소반응이 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있었다. (5) PBT의 열분해성은 2단계의 질량감소구간을 가지며, 313 ℃ 부근에서 질량감소가 시작되며 발열이 동반되는 것으로 보아 산화 분해(Oxidative decomposition) 반응으로 판단되며, 발열개시온도는 약 320 ℃이었으며, 440℃ 부근에서는 급격한 산화분해 반응이 일어나는 것으로 추정되었다. (6) MBS 의 TGA 질량감소 구간을 3단계로 나눌 수 있으며, 179∼295 ℃에서 29 %, 296∼427 ℃에서 55 %, 427∼536 ℃에서 15 %의 질량이 감소하였으며 540 ℃ 부근에서 0 %로 종료된다. DSC결과에서는 162 ℃ 부근에서 발열 반응이 분석되었다. (7) 열분석(TGA 및 DSC)의 실험결과로부터 PMMA, ABS, PE, PBT, MBS 분진층의 발화개시온도는 각각 270, 227, 320, 390, 180 ℃로 조사되었으며 발화위험성은 MBS가 가장 큰 것으로 판단된다. (8) PMMA, ABS, PE, PBT, MBS 에서의 폭발하한농도는 각각 40, 50, 30, 40, 50 g/㎥이 얻어졌으며, 최대폭발압력(Pmax)은 8.0, 4.9, 7.3, 5.9, 9.8 bar, 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max]는 750, 230, 218, 259, 1116[bar/s] 및 폭발지수(Kst)는 203.6, 62.4, 59.4, 70.3, 303 [m？bar/s]로 나타났다. (9) 플라스틱 분진폭발에 의한 피해예측을 위하여 화염전파속도(Flame 1/3？(dP/dt)m / Pm])을 사용하여 계산한 결과, PMMA, ABS, PE, PBT, MBS에서의 최대화염전파속도는 각각 28.0, 31.0, 9.1, 12.6, 31.0 m/s가 얻어졌다. (10) 분진폭발 시의 화염전파속도(Flame velocity, Vf)의 계산은 (Kst / Pm)에 의해 간단히 추정이 가능하며 계산결과는 추정식(Vf = V1/3？(dP/dt)m /Pm ])의 결과와 일치하였다. (11) 폴리에틸렌(PE)의 최저발화온도(MIT)를 조사한 결과, 100 g/㎥에서는 800 ℃가 얻어졌으며 농도증가와 함께 감소하여 500 g/㎥에서는 600 ℃, 1000 g/㎥에서는 최저발화온도(MIT)인 560 ℃가 얻어졌으며 그 이상의 농도에서는 발화온도가 증가하였다. 5. 활용방안 및 기대성과 (1) 플라스틱 분진의 폭발특성자료 제공을 통한 사업장의 안전대책에 활용 (2) 플라스틱 분진을 제조, 취급하는 국내 사업장의 분진폭발사고 예방 (3) 안전보건기술지침 제정을 통한 안전기술자료의 보급과 관련 사업장의 위험성평가 활동에 활용하여 플라스틱 분진 화재폭발사고 방지에 기여 6. 중심어 플라스틱 분진, 발화온도, 폭발하한농도, 분진폭발, 폭발압력, 화염전파속도(Plastic dusts, Ignition temperature, Minimum explosible concentration, Dust explosions, Explosion pressure, Flame velocity) 7. 참고문헌 및 연락처 - 한우섭 등, HDPE 분말의 화재폭발 위험성평가보고서, 2013-연구원 - 1397, 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2013). - Eckhoff, R.K., Dust explosions in the process industries - 3rd ed., Butterworth and Heinemann, Oxford (2003). - Font R., Marcilla A., Garcia A.N., Caballero J.A., Conesa J.A., Comparison between the pyrolysis products obtained from organic wastes at high temperatures, J. Anal. Appl. Pyrol.,;1995:32:41-49. - Jacobson, M., etc, Explosibility of dusts used in the plastic industry, Bureau of Mines, Report of Investigation-5971 (1962). - Kenneth L. Cashdollar, Martin Hertzberg, Isaac A. Zlochower, Effect of volatility on dust flammability limits for coals, gilsonite, and polyethylene, Symposium (International) on Combustion, Volume 22, Issue 1, pp.1757-1765 (1989). - Manju Mittal1, B. K. Guha, Minimum ignition temperature of polyethylene dust: a theoretical model, Fire and Materials, Volume 21, Issue 4, pp.169-177 (1997). - NFPA 654, Standard for the Prevention of Fire and Dust explosions from the Manufacturing, Processing, and Handling of Combustible Particulate Solids (2006). - 연락처 ▶ 연구책임자: 화학물질센터 한우섭 연구위원 ▶ 연구원 담당자: 산업안전보건연구원 화학물질센터 한우섭 연구위원
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