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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
금속 퇴적분체의 화재폭발 특성 연구
- 연구책임자
- 한우섭,이근원,이수희,최이락
- 수 행 연 도
- 2011년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1.연구목적 및 필요성 국내 사업장에서는 분진을 취급하고 있는 과정에서 화재폭발사고가 발생하고 있는데,최근에 일어난 퇴적 Mg-Al합금 폭발사고 및 Al퇴적금속 분진폭발사고 사례와 같이 분진이 바닥이나 공정 설비 등의 표면에 퇴적되어 발화,착화되어 분진폭발로 이어진 사례가 적지 않다. 그러므로 금속 퇴적분체의 폭발과정 및 위험성을 조사하기 위해서는 최저발화온도,열적분해 특성과 함께 화재폭발 시의 폭발압력과 화염전파 속도 등에 대하여 종합적으로 검토할 필요가 있다.종래의 퇴적 금속분진의 폭발위험성에 대한 연구는 각각의 금속에 대한 개별적인 폭발특성 연구가 대부분이었다.그러나 기존의 문헌 등에 있는 폭발특성값은 시료의 조건과 측정 방법이 불명하여 이를 개개의 퇴적 금속분진에 대한 화재폭발특성 자료로서 활용하기에는 많은 어려움이 있으며 자료도 매우 부족한 상황이다. 본 연구에서는 퇴적 금속분체의 화재폭발특성 조사방법으로서 퇴적 상태에서의 최저발화온도,열분해특성을 측정하고,퇴적 금속분진이 부유 상태로 전이 하였을 경우의 폭발위험성으로서 폭발압력과 화염전파 속도를 조사하였다.화염전파속도는 실제의 분진폭발사고 시의 폭발 발생과정과 피해 상황을 예측하는데 중요한 자료로서 활용할 수 있는데, 본 연구에서는 분진의 폭발압력 자료를 기반으로 분진폭발 시의 화염전파속도에 대하여 계산을 통하여 예측하였다.국내 퇴적 분진 폭발사고 사례를 보면 집진기 배관 등에서 퇴적된 분체의 발화는 부유분체를 형성시켜 분진폭발로 이어지는 경우가 많으므로 퇴적분체의 발화특성은 부유 상태의 분진 폭발특성과 함께 위험성을 종합적으로 검토하는 것이 필요하다. 보다 구체적으로 발화온도의 측정은 관련 시험 규격(IEC 61241-2-1)을 참고로 하여 본 연구에서 제작한 실험장치를 사용하였으며,열적분해특성은 열중량분석장치(TGA)를 사용하였다.또한 퇴적 금속 분체의 발화가 주변 부유 분체를 착화시켜 분진폭발로 이어지는 상황을 고려하여 부유 분진의 폭발특성을 함께 측정하여 퇴적-부유 금속분체의 폭발과정에 대하여 검토하였다.이를 위해 20L 구형 분진폭발시험장치를 사용하여 농도 변화에 따른 폭발압력을 조사하였다. 2.연구내용 및 방법 가.국내외 선행연구 조사 및 관련자료 조사 ○ 국내 사업장의 금속분체 사용실태 조사 ○ 금속분체의 연소성 및 폭발특성치 관련 해외 문헌 및 논문 조사 나.연구내용 ○ 국내외 퇴적분체 화재폭발사고 사례를 통한 원인규명 대상 분체의 선정. ○ 퇴적분체 발화특성평가를 위한 실험장치 및 실험법 검토. ○ 부유 금속분체의 폭발특성평가를 평가방법 검토. ○ 분체의 온도변화에 따른 표면온도 및 발화과정의 조사. ○ 실험결과를 통한 국내 퇴적분체 화재폭발사고 예방을 안전대책 검토. 다.연구방법 ○ 퇴적분진의 최저발화온도를 조사하기 위해 자체 제작한 실험장치의 활용 ○ 폭발특성 조사를 위한 실험용 분체 :Lycopodium,Al,Mg,Mg-Al(60:40wt%), Mg-Al(50:50wt%), Mg-Al(40:60wt%),Mg-Al(90:10%wt) ○ 입도분포 조사 :입도분석기(BeckmanCoulterLSI3320) ○ 폭발특성치(폭발한계,최대폭발압력,폭발지수 등)의 평가:Kuhner사의 20L 분진폭발시험장치 ○ 분진의 발화특성 및 최소착화온도 등의 검토 :열중량분석기(METTLER TOLEDO Inc.)를 활용한 시험 (TGA ; ThermogravimetricAnalysis),퇴적분진 발화온도 실험장치 3.연구결과 가.Al성분이 10% 함유된 Mg-Al(90:10wt%)퇴적 합금 분진의 화염대 연소시간은 순수한 Mg에 비하여 크게 증가하여 소염이 될 때까지 연소가 지속되었으며 산화물층 두께도 증가하였다.그러나 Al성분 비율이 증가하여 40%가 되는 Mg-Al(60:40wt%)합금의 퇴적분진 에서는 화염전파가 지속하지 못하고 소염이 이루어지며 이러한 경향은 Al 50및 60wt%에서와 같이 Al성분 비율이 증가할수록 높아진다. 나.Mg의 평균적인 화염전파속도는 약 1.8mm/s로 나타났는데,10%의 Al성분이 포함된 Mg-Al(90:10wt%)합금 분체에서의 화염전파 속도는 약 3.3 mm/s로 증가하였지만, Mg-Al(60:40 wt%) 및 Mg-Al(50:50 wt%)에서와 같이 Al성분비율이 증가하면 화염전파속 도는 각각 0.2,0.1mm/s로서 감소 경향을 나타냈다. 다.Mg에 Al성분이 포함되는 Mg-Al합금은 승온 속도가 증가할수록 중량증가 개시온도도 증가하며, 또한 동일한 승온 조건에서의 Mg-Al합금의 열분해특성은 Mg의 성분비율이 적을수록 중량증가 개시온도가 증가하였다. 라.Mg-Al합금 퇴적분진의 발화온도를 측정한 결과,Mg-Al(60:40wt%)은 약 600℃에서 미세한 발열반응이 일어나지만 착화로까지는 진행하지 않았으며,퇴적층 중심 내부에서 부분적으로 산화반응이 일어난 것이 관찰되었다. 또한 Mg-Al(50:50 wt%) 및 Mg-Al(60:40 wt%)의 경우는 580∼600 ℃에서도 발화현상이 일어나지 않았으며 검토한 Mg-Al합금 분진의 발화온도는 600℃이상으로 판단된다. 마.밀폐공간의 분진폭발에서 화염전파속도(Flamevelocity,Vf)를 계산하기 위하여 분진의 연소시간과 화염면의 도달시간을 고려하여 폭발압력으로부터 추정하는 방법(Vf=V1/3？[(dP/dt)m /Pm])을 제시하였다. 바.층류 및 난류 상태에서 표준분체인 석송자 분진폭발의 화염전파속도를 비교한 결과,500 g/m3에서는 5.5 m/s로 층류상태에서보다 약 12배 이상 증가하는 것으로 나타났으며 화염전파속도의 증가율은 농도가 증가함에 따라 증가율도 커지는 경향을 보였다. 사.Mg-Al(60:40wt%),Mg-Al(50:50wt%),Mg-Al(40:60wt%)의 최대화염전파속도는 각각 15.5,18,15.2m/s로 계산되었으며 Al성분 비율이 증가할수록 최대화염속도는 감소하는 경향을 보였다. 아.20μm 이하로 추정되는 알루미늄 분진폭발사고를 설명하기 위하여 평균입경 15.1μm의 알루미늄 분진을 대상으로 폭발압력 실험 및 화염전파속도를 계산한 결과,최대폭발압력이 9.8 bar,최대화염전파속도는 농도 2500g/m3에서는 55m/s의 결과를 얻었다.이러한 결과를 통하여 집진기에서 쇼트기까지 25m 거리를 분진화염이 전파하는데 0.45s의 시간이 걸린 것으로 추정된다. 4.활용 및 기대효과 가.금속분체의 퇴적 또는 부유 조건에 따른 화재폭발특성 자료 확보를 통한 안전성평가 및 사고원인 규명 시에 활용. 나.퇴적 금속분체의 화재폭발사고 예방을 위한 안전대책 제시 다.관련 학술지에 논문발표와 논문투고를 통한 안전정보 보급. 라.사업장 의뢰의 안전진단,안전교육 및 위험성평가보고서에 연구결과를 활용하여 사업장에 안전정보 제공 5.중 심 어 퇴적 금속분진,분진폭발,분진운,폭발압력,화염전파속도 (Metaldustlayer,Dustexplosions,Dustcloud,Explosion pressure, Flamevelocity)
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