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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
부유성 금속분체의 발화위험성 연구
- 연구책임자
- 한우섭외 3명
- 수 행 연 도
- 2012년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- ,1. 연구제목 : 부유성 금속분체의 발화위험성 연구 2. 연구 필요성 및 목적 최근 국내에서 발생한 분진폭발사고는 마그네슘, 알루미늄과 같은 금속분진에 의한 사고가 가장 많이 발생하고 있는데 인적, 물적피해가 큰 특징을 가지고 있다. 금속분진의 발화위험성에 대하여 가스와 액체를 발열물질 대상으로 하여 물질내부의 균등한 온도를 가정한 Semenov의 이론적 연구가 있다. Semenov이론은 Frank-Kamenetskii에 의해 물질 내부에 온도 분포가 있는 경우를 고려하여 이론을 발전시켰다. 그 후 Thomas는 보다 실제적인 온도분포와 열전달을 고려하여 단일 입자의 착화온도에 적용하기 위한 이론까지 확장시켰다. 현재는 자연발화와 열에 의한 착화이론은 열폭발이론(F-K이론)으로 불리며 인용되는 경우가 많지만, 퇴적분진이나 분진운의 발화온도에 대한 계산은 고려해야할 영향인자가 많아 적용하기가 쉽지 않다. 분진의 발화온도에 대한 실험적 연구는 문헌 등을 통하여 알려지고 있지만 시험방법 및 시료 조건이 불명한 것이 대부분이다. 그러므로 금속분진의 최저발화온도 자료로서 사용하기 위해서는 실험을 통한 검증이 필요하다. 또한 최근에 사용량이 증가하고 있는 마그네슘 합금 등의 조성에 다른 발화온도도 실용적 관점에서 실험적 조사의 필요성이 요구된다. 본 연구에서는 금속분체의 발화위험성을 규명하는 것을 목적으로 하고 있다. 발화온도는 분진의 존재 형태에 따라 특성이 변화하기 때문에 재해예방을 위해서는 입경에 따른 부유 분진만이 아니고 퇴적분진 조건에서의 발화온도를 함께 조사하는 것이 활용성 높은 자료 확보를 위해서 필요하다. 구체적인 연구방법으로서 동일 입경 조건의 금속분진을 사용하여 우선적으로 열분해특성을 조사하고, 금속분진의 퇴적 및 부유 상태에서의 최저발화온도를 측정하였다. 조사 대상의 금속분진은 최근 폭발사고 발생빈도가 높은 Mg, Al, Mg-Al합금 분진을 사용하여 농도 변화에 따른 발화온도를 실험적으로 상세히 조사하였다. 본 연구는 금속분진 취급의 경우만이 아니고 장기 저장보관하거나 공정상 부유상태나 퇴적분체가 혼재하여 발화위험성이 높은 관련 사업장의 안전대책 확보를 위해서 안전기술자료를 제시하여 동종 금속분진폭발사고 방지에 기여하고자 한다. 3. 연구내용 및 방법 (1) 국내외 선행연구 조사 및 관련자료의 조사 ○ 국내 사업장의 금속분진 사용실태 조사 ○ 금속분진의 연소성과 폭발특성 관련의 문헌 및 논문 조사 (2) 연구내용 ○ 국내외 부유분진 화재폭발사고 사례를 통한 원인규명 대상 분진의 선정 ○ 부유분진 발화특성평가를 위한 실험장치 및 실험방법 검토 ○ 부유 금속분진의 폭발특성평가를 평가법 검토 ○ 분진의 온도변화에 따른 표면온도와 발화과정의 조사 ○ 실험결과를 통한 국내 금속분진 화재폭발사고 예방을 위한 안전대책 검토 (3) 연구방법 ○ 부유분진의 최저발화온도를 조사하기 위해 자체 제작한 실험장치를 활용 ○ 폭발특성 조사를 위한 실험용 분진의 선정 : Lycopodium, Al, Mg, Mg-Al(60:40wt%), Mg-Al(50:50wt%), Mg-Al(40:60wt%), Mg-Al(90:10%wt) ○ 입도분포 조사 : 입도분석기(Beckman Coulter LSI3320) ○ 폭발특성값(폭발한계, 최대폭발압력, 폭발지수 등)의 평가 : Kuhner사의 20L 분진폭발시험장치 ○ 분진의 발화특성 및 최소착화온도 등의 검토 : 열중량분석기 (METTLER TOLEDO Inc.)를 활용한 시험(TGA ; Thermogravimetric Analysis) 4. 연구결과 (1) 동일 입경조건(142 μm)의 퇴적 Mg에 대하여 공기중 승온속도를 5, 10, 20 ℃/min으로 변화시키는 경우에 중량증가개시온도(Temperature of weight gain)는 각각 490, 510, 530 ℃가 얻어졌으며, 승온속도의 증가에 따라 중량개시온도는 증가하는 경향을 나타냈다. (2) Mg분진은 10 ℃/min의 동일한 승온속도에서 퇴적분진 조건의 입경이 38, 142, 567 μm로 증가하면 중량개시온도는 각각 460, 480, 510℃로 증가하였다. (3) 최저발화온도 측정에 관련하여 본 연구결과의 타당성을 검토하기위하여 석송자(Lycopodium) 분진의 분진농도 변화에 따른 발화온도를 조사한 결과, 농도 500 g/m3에서 460 ℃로 최저발화온도가 측정되었다. 석송자의 최소발화온도에 대하여 관련 문헌에서는 420 ℃가 제시되고 있는데, 본 연구의 측정값(460 ℃)은 문헌값에 거의 비슷하기 때문에 측정 자료는 신뢰 범위에 있는 것으로 판단된다. (4) 부유 Mg분진의 최저발화온도(MIT)는 38, 142 μm에서 각각 710, 740℃가 얻어졌는데, 입경이 증가하게 되면 최저발화온도가 증가하는 경향을 보였다. (5) 부유 Al분진의 최저발화온도(MIT)를 조사하기 위하여 본 연구에서는 평균입경 16, 33, 88 μm의 시료에 대하여 검토하였다. 그 결과, 최대 890 ℃까지 분위기 온도를 올리면서 농도를 변화시켜도 발화가 일어나지 않았다. (6) 평균입경 160μm의 Mg-Al(60:40 wt%)의 최저발화온도로서 820 ℃가 얻어졌으나, Mg-Al(50:50 wt%) 및 Mg-Al(40:60 wt%)에 대해서는 최대 가열로의 설정온도 890 ℃까지 농도를 변화시키면서 조사하였으나 발화가 일어나지 않았다. (7) Mg분진의 입경변화에 따른 폭발압력(Pm)과 폭발압력지수(Kst)는 38μm에서 각각 8.5 bar, 42 [bar·m/s]가 얻어졌으며, 142 μm에서 각각 6.4 bar, 26 [bar·m/s]로 측정되었다. 입경이 증가할수록 Pm과 Kst는 감소하는 경향을 보였다. (8) Al분진의 입경에 따른 폭발압력(Pm)과 폭발압력지수(Kst)는 16 μm에서 각각 9.8 bar, 503 [bar·m/s], 33 μm에서는 각각 8.5 bar, 42 [bar·m/s], 88 μm에서는 각각 6.4 bar, 26 [bar·m/s]가 얻어졌는데 입경이 증가할수록 Pm과 Kst는 감소하였다. 특히 16 μm의 Al분진의 폭발압력상승속도([dP/dt]m)는 농도 증가에 따라 2500 g/m3까지 직선적으로 급격하게 증가하다가 이후에 급격히 감소하는 특징을 나타냈다. (9) 공기중에서 퇴적 Mg 및 Mg-Al(60:40wt%)의 금속분진(두께 5 mm)의 화염전파속도를 측정한 결과, Mg는 38, 142 μm에서 각각 1.0, 3.9mm/s로 나타났으며, 평균입경 160 μm의 Mg-Al(60:40wt%)에서는 0.3mm/s가 얻어졌다. 그러나 퇴적 Al분진은 입경에 관계없이 자기전파성에 의한 화염전파가 관찰되지 않았다. 5. 활용방안 및 기대성과 (1) 금속분진의 부유 또는 퇴적 조건에 따른 화재폭발특성 자료 확보를 통한 안전성평가 및 사고원인 규명 시에 활용. (2) 퇴적 금속분진의 화재폭발사고 예방을 위한 안전대책 제시 (3) 관련 학술지에 논문발표와 논문투고를 통한 안전정보 보급. (4) 사업장 의뢰의 안전진단, 안전교육 및 위험성평가보고서에 연구결과를 활용하여 사업장에 안전정보 제공 6. 중 심 어 금속분진, 분진폭발, 최소발화온도, 최대폭발압력, 화염전파속도(Metal dust, Dust explosions, Minimum ignition temperature, Maximum explosion pressure, Flame velocity) 7. 참고문헌 및 연락처 - 참고문헌 한우섭 등, 금속 퇴적분진의 화재폭발특성 연구, 2011-연구원-1397, 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2011) Eckhoff, R. K., Dust explosions in the process industries-3rd ed., Gulf professional publishing. ;2003. F.K. Sweis, The effect of admixed material on the ignition temperature of dust layers in hot environments, J. Hazard. Mater. 1998;A63;25-35 Hertzberg, M., Zlochower, I. A., & Cashdollar, K. L., Metal dust combustion: explosion limits, pressures, and temperatures. In 24th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, ;1992:1827-1835. ▶ 연구책임자：화학물질센터 한우섭 연구위원 ▶ 연구원 담당자：산업안전보건연구원 화학물질센터 한우섭 연구위원
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