7. 폭발 - 화재와 폭발(연소 공학)
7. 폭발
7.1 개요
7.1.1 용어정의
7.1.1.1 폭발 : 가스가 급격히 팽창하여 급격히 이동하는 압력이나 충격파를 가져오는 것
7.1.1.2 기계적폭발 : 고압, 비반응성 기체가 들어 있는 용기의 파열에 의한 폭발
7.1.1.3 폭연 : 폭발충격파가 미반응 매질 속에서 음속이하의 속도로 이동
하는 폭발
7.1.1.4 폭굉 : 폭발충격파가 미반응 매질 속으로 음속보다 큰 속도로 이동
하는 폭발
7.1.1.5 밀폐계폭발 : 용기나 빌딩내에서 일어나는 폭발
7.1.1.6 개방계폭발 : 개방된 상태에서 일어나는 폭발
7.1.1.7 충격파 : 가스를 통하여 이동하는 압력파의 일종
7.1.1.8 과압 : 충격에 의한 충격파의 결과와 같은 물질위에 나타나는 압력
7.1.2 화재와 폭발
7.1.2.1 폭발의 정의 : 연소의 일종
- 압력의 해방에 따른 폭음과 충격파를 발생하며 순간적으로 반응이 완료
되는 현상
7.1.2.2 화재와 폭발의 차이
구분
화재
폭발
에너지발생속도
느리다
아주 빠르다
착화물
필요하다
반드시 필요하지는 않다
7.1.2.3 폭발의 성립조건
- 가연성 가스, 증기 및 분진이 공기 또는 산소와 혼합되어 연소범위 내에 있어야 한다.
- 혼합가스 및 분진에 발화를 일으킬 수 있는 최소점화에너지 이상의
에너지가 주어져야 한다.
- 혼합가스 및 분진이 어떤 구획된 방이나 용기와 같은 것의 공간에 존재 하여야 한다.
7.1.2.4 폭발발생의 필수인자
- 온도 : 가연성 가스가 발화하는데 필요한 최저온도
- 조성 : 가연성 가스와 지연성 가스 혼합비율로 폭발범위를 말한다.
- 압력 : 고압일수록 폭발범위가 넓다
일산화탄소는 공기와 혼합 시 고압이 되면 폭발범위가 좁아진다.
압력이 높아지면 발화온도는 낮아진다.
- 용기의 크기 및 모양 :
온도, 압력, 조성이 갖추어져도 용기 크기가 작으면 발화하지 않거나
발화하여도 폭발로 진행되지 못한다.
7.1.3 폭발에 영향을 주는 인자
7.1.3.1 주위의 온도
- 발화온도 : 가연성 가스가 발화하는데 필요한 최저온도
- 최소점화에너지 : 가스의 온도, 조성, 압력에 따라 다르다
- 외부점화에너지
7.1.3.2 주위의 압력
- 고압일수록 폭발범위가 넓어진다.
- 일산화탄소는 공기와 혼합해 고압이 되면 폭발범위가 좁아진다.
- 압력이 높아지면 발화온도는 낮아진다.
7.1.3.3 폭발물질의 조성
7.1.3.4 폭발물질의 물리적 성질
7.1.3.5 착화원의 성질 : 형태, 에너지, 지속시간
7.1.3.6 주위의 기하학적 조건 : 개방 또는 밀폐
7.1.3.7 가연성 물질의 양
7.1.3.8 가연성 물질의 유동상태 : 난류
7.1.3.9 착화지연시간
7.1.3.10 가연성 물질이 방출되는 속도
7.1.4 폭발의 성장원인
- 폭굉 한계내의 가스가 어느 정도 다량으로 존재할 때
- 존재된 잔여가스에 방전이나 화염, 충격 등 점화원이 작용할 때
- 소규모 푹발이라도 이 충격으로 2차적 폭발이 일어날 때
7.2 폭발의 종류
7.2.1 공정에 의한 분류
7.2.1.1 핵폭발 :
- 원자핵의 분열 또는 융합에 의한 강력한 에너지의 방출에너지
7.2.1.2 물리적 폭발 : 물리변화를 주체로 한것
- 과열액체의 급격한 비등에 의한 증기폭발
- 고압용기에 설치된 가스의 과압 과 과충전등에 의한 용기파열에서
급격한 압력개방
- 도선폭발
- 공기와의 산화폭발 및 융해열, 수화열등에 의한 폭발
7.2.1.3 화학적 폭발 : 화학반응에 의한 짧은 시간에 급격한 압력상승을
수반할 때 압력이 급격하게 방출되어지면 폭발
- 산화폭발 : 가연성가스, 증기, 분진, 미스트 등이 공기가 유입되어 혼합
가스가 형성될 경우 산화성․ 환원성 고체 및 액체혼합물 또는 화합물의 반응에 의해서 발생된다.
- 분해폭발 : 아세틸렌(C₂H₂), 산화에텔렌과 같은 분해성 가스와 디아조 화합물등 자기분해성 고체류는 분해해서 폭발한다.
분해열 : 2,400[Kcal/㎥]
- 중합폭발 : 염화비닐, 초산비닐 그 외 중합물질 모노마가 폭발적으로
중합이 발생되면 격렬하게 발열하여 압력이 상승하고 용기 가 파괴되는 경우 발생
분출한 모노마 증기에 착화되어 2차적 산화폭발이 되어 발생 피해를 확대시키는 폭발
냉각설비 및 안전장치
7.2.1.4 물리․ 화학적 폭발
7.2.2 원인물질의 상태에 의한 분류
7.2.2.1 기상폭발
- 혼합가스폭발( 산화폭발 ) : 가연성가스 또는 인화성액체가 공기와 혼합 해서 가연성 혼합기체를 형성하여 착화원 에 의해서 폭발 발생
- 분무폭발 : 공기 중에 분출된 가연성액체의 미세한 액적이 무상형태
- 분진폭발 : 미분탄, 소맥분, 금속분, 플라스틱 분말 같은 가연성 고체가 미분말상태로 부유하면서 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체 를 형성아고 착화원에 의해서 폭발 발생
- 증기운폭발 : 대량의 가연성 가스 또는 기화하기 쉬운 가연성 액체가
유출하여 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체를 형성하고
착화원에 의해서 폭발 발생
- 분해폭발 : 산화에틸렌, 아세틸렌, 제5류 위험물 등 물질은 온도와 압력 의 영향을 받아 분해되며 이때 발생하는 열과 압력에
의해서 폭발하는 것
7.2.2.2 응상폭발
- 수증기폭발 : 액체의 폭발적인 비등현상으로 상변화에 따른 폭발현상
- 증기폭발 :
액화가스의 폭발적인 비등현상으로 상변화에 따른 폭발현상 저온액화 가스(LPG, LNG)가 사고로 인해 물위에 분출되었을 때 급격한 기화에 동반하는 비등현상이 발생하며 상변화에 따른 폭발현상
넓은 의미로 수증기폭발을 포함한다.
- 고상간의 전의에 의한 폭발 :
고체인 무정형안티몬이 고체상의 안티몬으로 전이할 때 발열함으로서
주위의 공기가 팽창하여 폭발현상을 나타내는 것
- 전선(도선)의 폭발 :
고상에서 급격히 액상을 거쳐 기상으로 전이할 때에도 폭발현상이 일어 난다
알루미늄계 전선에 한도이상의 대전류를 흘렸을 때 순식간에 전선이
가열되어 융융(850℃)과 기화가 급격히 진행될 경우 폭발이 발생한다
7.3 푹발의 형식
- 미반응물질 속으로 화염의 전파(Propagation)반응이 아음속일 때 폭연
(Deflagration)이 되고 초음속일때는 폭굉(Detonation)으로 형식을 구분 한다
7.3.1 폭굉 : Detonation
- 화염면에서 전파속도가 스스로 가속되며 반응성 Radical이 급격히 증가 하는 폭발현상으로 중요한 가열 기구는 충격 압력파에 의한 것이다
- 연소전파속도 : 1,000~ 3,500[m/s]
( 정상연소 시 0.03~ 10[m/s] )
- 폭굉파( Detonation wave )를 수반하며, 이 폭굉파는 파장이 짧은 단일 압력파로 급격한 파괴현상을 일으킨다
- 압력상승은 초기압력의 20배 이상이다
7.3.2 폭연 : Deflagration
- 화염면에서 전파속도가 열분자 확산이나 난류확산에 의존하는 폭발형식
- 연소전파속도 : 0.1~ 10[m/s]
- 연소파(Combustion wave)를 수반하나 파괴현상은 없다
- 압력상승은 초기압력의 8배 이하이다
7.3.3 차이점 비교
차이점
폭굉 : Detonation
폭연 : Deflagration
폭발전달기구
- 충격파에 의한 에너지반응
(자연발화온도 이상으로 압축시키는 충격파 형성)
- 반응성 라디컬에 의한 반응
- 열분자 확산이나 난류확산에 의존하는 반응
전파속도
1,000~ 3,500[m/s]
0.1~ 10[m/s]
압력
초기압력의 20배이상
(충격파 형성)
초기압력의 8배이하
- 폭연 : 내연기관 1 / 300초 안에 완전연소
폭굉 : 1 / 10,000초 안에 완전연소
7.4 폭연에서 폭굉으로 전이 메카니즘
7.4.1 폭연에서 폭굉으로 전이하기 위한 조건
- 가연성 혼합기의 농도가 폭발범위에 있어야 하고
- 혼합기가 들어있는 용기나 파이프 직경에 대한 길이의비가 10이상 되고
- 파이프의 직경이 최소 12[mm]이상이어야 한다
7.4.2 폭연에서 폭굉으로 전이 메카니즘
7.4.2.1 개요
- 가연성 물질의 종류에 따라 개방공간 보다 밀폐공간에서 쉽게 발생
7.4.2.2 전이 메카니즘
- 밀폐된 배관이나 덕트 등의 미연소 혼합가스의 한 부분에서 착롸가 발생
- 화염은 전방의 미연소혼합기를 팽창시키며 전방으로 진행
- 화염은 전면에 발생한 압력파는 화염에 선행하여 진행
- 선행한 압력파의 후면에서 새로운 압력파가 발생하여 압력파의 중첩이 발생
- 압력파는 강력한 압축작용(단열압축)으로 자연발화에 의해 화염을 형성
하며 진행
7.4.2.3 폭굉 유도거리( DID) : 완만한 연소가 격렬한 폭굉으로 발전할 때 거리를 폭굉유도거리라 한다
- 정상연소속도가 큰 혼합물일수록
- 관속에 방해물이 있거나 관경이 가늘수록
- 고압일수록
- 점화원의 에너지가 강할수록 짧아진다
7.4.2.4 폭발압력의 변화
- 폭발가스의 팽창으로 인하여 주위의 공기가 압축되어 충격파로 인해 먼 거리까지 전파된다
- 폭발 직후에는 폭풍의 방향과 압력이 달라지며, 거리에 따라서 부압과
정압을 나타내므로 파편이 반대방향으로 날아 들어온다
7.4.3 폭굉전이 방지 및 방호대책
7.4.3.1 장치의 강도는 최소한 3.5[MPa]이상의 압력에 견딜 수 있도록 설계 한다
7.4.3.2 장치의 형상을 폭굉으로 전이되지 않도록 한다
- 장치의 지름에 대한 길이의 비를 10이하로 줄인다
- 공정라인에서 방향전환이 요구되면 가급적 완만하게 전환한다
- 파이프 안에서 가급적 오리피스 같은 장애물을 두지 않는다
- 엘보, 티등의 입구와 같은 중요한 관의 위치에는 관을 확대하는 등의
조치를 취한다
7.4.3.3 관내에 화염방지기(Flame Arrestor)를 설치한다
- 폭발화염을 그 초기단계에서 소멸 (소염 / Flame Quenching)시켜 화염 의 전파를 저지할 목적으로 사용
7.4.3.4 파열판을 설치하여 과압에서는 용기내의 압력을 줄인다
7.5 증기운 폭발 : Vapor Cloud Explosion
- 개방된 대기 중에서 발생 : 자유공간중의 증기운 폭발
- Flashing Liquid (플래싱 액체)
- 순간증발 (Flashing)
7.5.1 물질의 저장상태에 따른 증발형태
저장상태
해당물질
증발형태
1) 상온, 상압 하에서 액체이며 인화점이 상온보다 낮은 물질
가솔린
아세톤등
-열전달이 증발을 제한한다
- 임계온도〈주위온도
2)상온, 가압 하에서 액화되어 있는 물질
LPG
액화프로판
액화부탄등
- 임계온도〉주위온도
- 비점 〈 주위온도
- 순간증발 (Flashing)
저장상태
해당물질
증발형태
3)그 물질의 비점이상의 온도에 있고 가압 하에서 액화된 물질
반응기 내의
벤젠, 핵사등
- 임계압력〉주위압력
- 비점〈 주위온도
- 순간증발 (Flashing)
4)상압 하에서 저온으로 액화된 물질
LNG
저온 에탄등
- 열전달이 증발을 제한한다
- 임계온도〈주위온도
7.5.2 위험성분류
- 상기의 2), 3)의 저장상태의 물질이 증기운 형성 위험성이 가장 높다
이들 물질은 증발에 필요한 에너지를 항상 보유하고 있으므로 저장탱크
의 어떤 결함이 발생하면 즉각적으로 증발하는 순간증발 (Flashing)이 일어난다.
- 순간증발 (Flashing)이란 기화한 액체의 량(q)과 전체 액체량(Q)의 비를 순간증발 (Flashing)이라 부른다.
순간증발률 =
7.5.3 증기운 폭발의 영향변수
- 방출된 물질의 양
- 증발된 물질의 분율
- 증기운의 점화확률
- 점화되기 전 증기운이 움직인 거리
- 증기운이 점화되기 까지의 시간지연
- 화재라기보다 폭발의 확률
- 물질이 폭발할 수 있는 한계량 이상 존재
- 폭발효율
- 방출에 관련된 점화원의 위치
7.5.4 증기운 폭발의 특징
- 증기운의 크기가 증가하면 점화확률이 증가한다.
- 증기운에 의한 재해는 폭발보다는 화재가 보통이다
- 폭발 효율이 작다
- 누출된 가연성 증기가 양론비에 가까운 조성의 가연성 혼합기체를 만들 경우 폭굉 발생의 가능성이 크다
7.5.5 증기운 폭발의 메카니즘
7.5.5.1 개방계 증기운폭발 전개 4단계
- 가연성 증기, 가스 혹은 미스트가 누출되어
- 주위공기와 누출된 물질의 혼합이 가연범위의 증기운을 형성하고
- 가연성 혼합물이 점화하여
- 농도가 가연범위 이내인 곳까지 증기운의 영역을 통해 화염이 전파된다.
7.5.5.2 폭연을 일어키는 증기운 종류
- 화염전파가 너무 느려 심각한 과압이 일어나지 않는다.
(Flash 화재로 취급한다)
- 화염전파가 너무 빨라 심각한 과압이 일어나지 않는다.
(개방계 증기운 폭발이다)
7.5.5.3 개방계 증기운 폭발의 심각한 과압 형성 인자
실제로 개방계 증기운 폭발을 조사해 보면 증기운 내에 최대과압은 인구
과잉인지역(Congested Areas)의 경우 약 15Psi이다
평평하고 장애물이 없는 지역의 경우 파압은 1.5Psi이다
- 난류혼합 : Turbulence
- 부분 구획물이나 장해물
- 폭굉
7.5.6 예방대책
- 가스나 증기의 누출을 막는다.
- 휘발성이며 가연성 물질을 저장, 취급할 때에는 재고량을 낮게 유지한다.
- 아주 낮은 농도에서 누설을 감지할 수 있도록 검출기를 설치한다.
- 누설이 있을 시는 초기에 시스템이 자동적으로 중지되도록 자동블럭밸브 를 설치한다.
7.6 고압 LPG 저장탱크의 BLEVE
7.6.1 BLEVE ( Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)
- 비등액체팽창증기운폭발
- 용기에 액체가 1/2에서 3/4까지 차있을 때 많이 발생한다.
- 200배 이상의 체적 팽창
7.6.1.1 BLEVE의 크기, 계속시간 및 방사열
- D[m] = 3.77
t[sec] = 0.258
- 파이어볼로부터 방사열은 방사율을 1(완전흑체)
= τ E
τ : 에너지전도율 : 0 ~ 1
E : 표면방사열류속[Kw/㎡]
: 파이어볼의 형태계수
τ = 2.02 (Pw X)
E =
=
7.6.1.2 BLEVE를 일으키는 화재시간과 대책
- 냉각용 물분무설비가 없는 비단열용기 소규모용기의 경우 수분에서, 대형 용기의 경우 수 시간후에 BLEVE가 발생
- 방지대책 : 탱크 아래 바닥과 탱크 외면으로부터 최소 5m까지의 바닥은 경사도 15° 이상인 콘크리트로 경사지게 하여 누설물이 저장소내에 체류하지 않도록 한다
화염으로부터 탱크로의 입열을 억제한다 :
단열, 지하에 매립, 물분무소화설비 설치
폭발방지장치를 설치한다 : 열전도도가 큰 알루미늄 합금 박판 을 설치하여 기상부의 온도 상승을 액상부로 신속히 전달
시킴으로서 강판의 온도를 파괴점이하로 유지시킨다.
용기 내압강도를 유지할 수 있도록 견고하게 탱크를 제작한다.
7.6.2 Fire Ball : 파이어볼 : 화구
- 화염온도 : 1,500[℃]정도
- 실제 대형용기로부터 76[m] 떨어진 위치에서 화상으로 사망한 사례가 있다
7.6.2.1 Fire Ball의 형성과정
- 액화가스 탱크가 BLEVE현상 등으로 탱크가 파열하면 플래시(Flash)증발 을 일으켜 가연성 액체 및 기체 혼합물이 대량으로 분출된다.
- 이것이 발생하면 지면에 반구상으로 화염을 형성한 후 부력으로 상승함 과 동시에 주변의 공기를 빨아 들인다.
- 주변에서 빨아들인 화염은 공모양( 구상 )으로 상승하여 버섯형태의 화염 을 만든다.
7.7 분진폭발 : 금속분류, 곡물류, 석탄분류, 플라스틱분 및 기타 가연성분진 이 부유하면서 폭발범위의 농도를 유지하고 있을 때 점화원 에 의해서 폭발이 발생되는 것
7.7.1 분진폭발 메카니즘
- 제1단계 : 주위로부터 열을 받는 흡열과정
- 제2단계 : 가연성 분진이 열분해 되어 가연성 가스(휘발물질)를 방출
- 제3단계 : 분진 주위의 가연성 가스가 폭발범위를 형성한 후 점화원에 의하여 1차 폭발
- 제4단계 : 폭발로 인해 분진이 주위로 날려 2차, 3차 분진폭발을 일으킴
7.7.2분진폭발의 성립조건
- 가연성이며 폭발범위 내에 있어야 한다.
- 충분한 점화원을 가져야 한다.
- 분진이 화염을 전파할 수 있는 크기의 분포를 가져야 한다.
- 지연성 가스 중에서 교반과 유동이 일어나야 한다.
7.7.3 분진폭발의 특징
- 연소속도나 폭발압력은 가스폭발에 비하여 작지만 연소시간이 길고
에너지가 크기 때문에 파괴력과 그을음이 크다.
- 연소하면서 비산하므로 가연물에 국부적으로 심한 탄화를 발생시키고
특히 인체에 맞을 경우 화상이 심하다.
- 최초의 부분적 폭발에 의해서 폭풍이 주위의 분진을 날려 2차, 3차의
분진폭발로 파급하면서 피해가 커진다.
- 불완전 연소를 일으키기 쉽기 때문에 폭발 후 일산화탄소가 다량으로
존재하므로 가스 중독의 위험이 있다.
7.7.4 분진폭발에 영향을 주는 주요 요인
7.7.4.1 분진의 화학적 조성과 성질
- 특정한 화학구조의 존재는 폭발위험을 증가시킨다.
-OH, -COOH, -NH, -NO, -C≡N- 및 -N≡N- 그룹은 폭발위험을 증가 시키는 경향이 있고
Cl, Br 및 F와 같은 할로겐 그룹은 폭발위험을 감소시키는 경향이 있다.
7.7.4.2 입도 및 입도분포
- 분진폭발의 용이성은 분진의 입도나 입도분포에 크게 좌우된다.
- 입자표면에서 가연성 가스를 방출하는 특징으로 인해 표면적이 입자체적 에 비해 커지면 열의 발생속도가 방출속도를 상회하게 된다. 따라서
평균 입자경이 작고, 밀도가 작은 쪽이 비표면적은 크게 되어 표면
에너지도 커지게 된다.
- 점화에너지는 분진입자직경에 3승에 비례하므로 입자가 작을수록 점화
에너지가 낮아져 폭발성이 커진다.
- 입도가 너무 작아지면 분진의 종류에 따라서 서로 끌어당기어 분산이
좋지 않게 되어 오히려 폭발성이 감소하므로 입자의 전기적 특성도
관계한다.
- 입도분포 시 입경이 작은 분진을 많이 포함한 경우가 폭발성이 크다.
7.7.4.3 입자의 형상과 표면상태
- 평균 입형이 동일한 분진에 있어서도 형상이나 표면의 상태가 폭발성에 큰 영향을 준다.
- 분진입자의 체적에 대한 비표면적이 클수록 폭발성은 커진다.
- 입자표면이 공기에 활성인 경우 노출시간이 짧을수록 폭발성이 커진다.
- Stearic acid로 피복하거나 지방을 함유하면 폭발하기 쉽다.
7.7.4.4 수분
- 수분이 많을 경우 분진의 부유성을 억제하고 점화에 필요한 유효한
에너지를 감소하거나 대전성을 감소시키는 등 폭발성에 영향을 미친다.
- 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 등과 같이 물과 반응하여 수소를 발생시키는 분진 등은 오히려 위험성을 증가시킬 수 있다.
7.7.4.5 분진의 부유성
- 부유성이 큰 분진은 공기 중에서 체류하는 시간이 길고 위험성을 증가
시킨다.
- 분진의 부유성은 입자의 대전성이나 극성 및 흡수성에 큰 영향을 받는다.
- 풍량 과 부유유출량(W %)의 관계는 W=KP의 실험식이 얻어지고 K, n 은 분체의 고유정수이다.
7.7.4.6 분진의 농도
- 폭발가능한 분진의 농도범위는 좁다.
일반적으로 양론농도보다 약간 높은 농도에서 폭발속도가 최대가 된다.
7.7.4.7 산소의 농도
- 폭발압력과 최대폭발압력 상승속도는 산소농도가 감소할수록 감소한다.
- 산소의 농도가 감수할수록 폭발 가능한 농도범위도 좁아진다.
7.7.4.8 압력
- 점화전 분진-공기 혼합물의 초기압력의 증가는 대기압에서 점화된 폭발 과 비교하여 증가된 압력에 영향을 준다.
7.7.4.9 온도
- 최대폭발압력(P)을 감소시키고 최대폭발압력 상승속도를 증가시킨다.
7.7.5 분진폭발의 위험성
7.7.5.1 분진의 분류
- 폭발하는 성질에 따라서 폭연성 분진과 가연성 분진으로 나눈다.
7.7.5.2 분진의 발화도
발화도
발화온도
11
270℃ 이상
12
200℃ 이상 270℃ 미만
13
150℃ 이상 200℃ 미만
7.7.5.3 분진 위험장소 분류
- 생성분진의 종류에 따라서 폭연성 분진 위험장소와 가연성 분진 위험
장소로 구분한다.
7.7.5.4 발화도에 따른 분진의 종류
발화도
폭연성 분진
가연성 분진
전도성
비전도성
11
마그네슘, 알루미늄, 알루미늄브론즈
아연, 티탄, 코크스, 카본블랙
옥수수, 밀, 고무, 염료, 페놀수지, 설탕
12
철분, 석탄
코코아, 리그닌, 쌀겨
13
유황
7.7.5.5 위험성 지수
7.7.5.5.1 발화도
발화도 =
7.7.5.5.2 폭발강도
폭발강도 =
7.7.5.5.3 폭발성지수 = 발화도 × 폭발강도
7.7.6 분진폭발의 방지대책
7.7.6.1 폭발예방대책
7.7.6.1.1 분진의 퇴적 및 분진운의 생성방지
- 정기적 청소작업
- 환기설비에 의한 환기
- 집진장치를 이용하여 분진을 모아 폐기
- 살수를 해도 지장이 없는 공정은 물을 분무하여 분진제거
7.7.6.1.2 점화원의 제거
- 나화, 고온표면, 복사열, 충격 및 마찰, 전기스파크, 정전기 불꽃 등의 제거
- 열의 축적에 의한 자연발화방지
- 용접이나 절단 시 발생되는 불똥 등의 제거
7.7.6.1.3 불활성물질의 첨가
- 불활성 가스의 첨가 (아르곤, 이산화탄소, 질소 등)
- 불활성 분진 첨가 (탄산칼슘, 규조토, 실리카겔)
7.7.6.2 분진폭발방호
7.7.6.2.1 봉쇄 : 최대폭발압력의 1.5배 이상의 강도를 갖도록 용기설계
7.7.6.2.2 폭발억제
7.7.6.2.3 폭발배출
- Rupture Disk
- Bursting Diaphragm
- 폭발 방산공
7.7.6.2.4 공정 및 장치에 대한 방호
- 공정은 가능한 단위별로 분리 설치
- 습식공정 사용
7.7.6.2.5 건물의 위치 및 구조개선
7.8 방폭대책 :
폭발방지에 대한 기술적인 핵심 요소는 폭발분위기의 억제와 압력증가를 사전에 제어하여야 하고, 폭발사고 발생 시에는 그 피해를 최소화하는데 초점을 맞추어야 할 것이다.
대개의 폭발사고와 화재는 상호연관이 있으므로 방폭대책 과 방화대책은
함께 고려되고 실행함이 바람직하다고 할 수 있다.
7.8.1 폭발분위기 억제
7.8.1.1 폭발범위
: 폭발재해는 대부분 가연성 가스나 인화성 액체의 증기로 인한 것이며
이들은 공기 중 일정농도에 폭발범위를 형성하며 점화원이 존재하게
되면 재해가 발생한다.
이런 종류의 위험물질을 취급하는 작업장 이나 공정에서는 혼합가스의
폭발 범위 밖에서 작업이 진행되도록 하여야 하며 이에 필요한 몇 가지
사항은 다음과 같다.
- 공기 중으로 누설, 누출의 방지
- 설비내부(밀폐용기 등)로의 공기 혼입 금지
- 필요시 환기, 신선한 공기 주입 등으로 희석
7.8.1.2 불활성물질
: 폭발범위는 산소농도가 저하되면 변화하게 되며 특히 이것은 산화폭발
방지에 중요한 역할을 한다.
질소, 수증기, 이산화탄소 등의 불활성가스 나 분진폭발 방지를 위해서는 탄산칼슘, 모래, 석분, 석고분말 등의 불활성 분진을 첨가할 수 있다.
7.8.1.3 점화원관리
: 폭발 화재의 위험성이 있는 화학물질을 취급, 저장하는 작업장소에서는 항상 가연성 혼합가스가 존재한다고 볼 수 있으며, 따라서 이 경우에는 특히 점화원의 관리가 안전대책의 기본이라고 할 수 있다.
점화원 관리에 필요한 몇 가지 요소는 다음과 같다.
- 직화관리 : 용접기, 화로, 성냥 등
- 고열 및 고온물체의 표면관리 : 설비, 배관, 회전기기류 등의 표면
- 충격, 마찰 : 기기 구동부, 동력 전달부 등
- 전기설비 : 방폭화, 접지, 정전기 제거
- 가스누출감지경보기 : 가연성, 독성가스 누출 시 감지 및 경보
7.8.2 폭발방호
: 폭발방호란 폭발에 따른 압력증가의 사전예방 조치이다.
7.8.2.1 폭발봉쇄
- 폭발이 일어날 수 있는 장치나 건물이 폭발 시 발생하는 압력에
견디도록 충분히 강하게 만드는 것이다. 폭발보호 대책은 작은 규모의
플랜트에만 실효성이 있으며, 엄청난 피해를 가져올 용기가 파괴되는 것 을 방지한다.
- 다른 봉쇄방법은 폭발위험이 있는 지역을 에워싸는 방폭벽(Blast Walls), 차단물(Barricades), 방폭큐비클 등을 설치한다.
7.8.2.2 폭발차단
: 폭발이 다른 곳으로 전파되기 전 자동적으로 고속 차단하는 설비를
말하며, 이런 장치에는 폭발을 매우 빨리 검지하는 설비와 Valve를
차단시키는 설비가 병행 설치되어야 한다.
7.8.2.3 불꽃 전파방지기
: 불꽃방지기는 불꽃이 인화성 가스나 증기-공기 혼합물로의 전파를 예방 하는 설비이다.
불꽃방지기는 가스나 증기가 통과할 수 있는 좁은 틈을 가지는 망이
설치되어 있으며, 이 망은 너무 좁아 불꽃을 통과시키지 않는다.
불꽃이 방지기 내로 들어올 경우 작은 불꽃으로 세분화되어 곧 소화된다. 불꽃방지기는 폭발위험이 있는 플랜트와 장치에 널리 사용된다.
7.8.2.4 폭발진압
- 폭발 초기단계는 압력이 비교적 천천히 상승된다.
폭발 초기단계에서 파괴적인 압력으로 발달하기 전에 인화성 분위기내로 소화약제를 고속으로 분사하여 진압시키는 방법으로 즉 파괴적 압력
으로 발달 전에 인화성 분위기 내로 소화약제를 고속으로 분사하는
시스템으로 보통 연소 시작 후 10/ 1000초 이내로 작동한다.
- 대표적인 저장탱크, 석탄분쇄기, 사이로(silo) 및 화학반응기 등에 이용
된다.
7.8.2.5 폭발방출
- 폭발로 인해 발생된 최대압력을 실이나 용기 구조에 피해를 주지 않는 수준으로 제한하는 것이며, 방출구를 통해 외부로 폭발압력을 방출하는 것이다.
- 방출구로는 폭발문 이나 파열판넬(Blow out panel), 폭압방산공 등이 있다.
7.8.3 폭발피해의 확대방지
7.8.3.1 입지조건 및 배치
- 지형, 지반, 자연현상 및 주변 환경 등을 고려하고 설비 및 공정 간의
안전거리와 공지의 확보, 소화, 피난 등의 활동을 위한 통로나 비상사태 시에 필요한 안전설비를 구비한다.
7.8.3.2 위험공정 및 설비의 자동화
- 위험공정 및 설비는 원격조정방식을 도입하고 작업차가 접근할 수 없는 연동설비(Inter Lock)를 설치한다.
7.8.3.3 방호벽
- 폭발가능성이 높은 설비나 폭발 시 보호 대상 설비에는 방호벽을 설치
하여야 하며 충격파가 안전한 방향으로 방산될 수 있는 구조로 한다.
7.8.3.4 긴급배출설비
- 용기 내부 또는 밀폐장소에 있는 가스 등을 안전장소에서 처리할 수
있도록 긴급 배출설비를 설치한다.
7.8.3.5 저장량의 최소화
- 위험물질은 항상 최소 필요량을 유지함으로서 재해 발생 시 그 피해를 줄일 수 가 있다. 또한 저장설비에는 방유제, 자동소화설비를 설치하여 누출, 화재사고에 대비하도록 한다.
7.8.3.6 안전장치 설치
- 압력상승으로 인한 폭발이나 화재 등을 방지하기 위하여 다음과 같은
안전장치를 설비하여야 한다.
- 안전밸브
- 파열판
- 폭발방산공
- 화염방지기
- 용융 안전플러그
- 폭발억제장치
7.8.3.7 소화설비 설치
7.9 폭발진압설비
- 폭발의 발생을 조기에 감지하여 연소 억제제를 살포하는 것에 의해 화염 을 소멸시키고 폭발의 성장을 정지시키는 것이 가능하므로 이와 같이
적극적으로 폭발억제 하는 것을 목적으로 한 자동시스템을 폭발억제
장치라 한다.
7.9.1 특징
- 방호하는 장치 내부에서만 억제과정을 종료시킨다.
- 고속의 작동성 과 고도의 신뢰성이 요구된다.
- 억제설비는 폭발 개시 후 10/1,000초 이내에 작동한다.
7.9.2 억제장치의 구성
7.9.2.1 폭발검출기구
- 빠른 응답성과 정확한 작동성이 요구되는 설비
- 압력이 3.5kPa 정도 높아지면 폭발억제장치가 작동한다.
- 검출기구의 종류
○ 압력스위치 방식
○ 금속 다이아프램(Diaphragm) 과 마이크로 스위치(Micro Switch)
○ 자외선 감지기
7.9.2.2 분사장치
- 검출기로부터 신호를 받아 억제제를 고속으로 분사(살포)하는 기구
- 억제장치의 핵심을 이루는 기구이다.
- 살포방법
약한 용기 내에 억제제를 채워 용기를 폭발시켜 억제제를 살포하는 방법
파열판을 설치하여 용기 내에 억제제를 질소 등으로 가압 충전시켜 놓고 압력에 의해 살포하는 방법
억제제의 종류 : Halon-1301, 물(), 기타 화학약품
분사속도가 최고 600ft/s이기 때문에 소량으로도 많은 양의 물질의
폭발을 억제할 수 있다.
7.9.2.3 제어기구
- 제어기구란 폭발발생 신호를 받아서 뇌관을 기폭 시키는 기능을 가진
기구로서 예측되지 않는 폭발을 대비하기 위하여 뇌관회로를 포함한
전기 회로를 감시하는 기능 및 예비전원으로 구성된다.
- 폭발 검출기, 전기뇌관 및 이들의 배선은 방폭구조, 방폭배선으로 공사
해야 한다.
7.9.3 적용장소
- 저장탱크
- 석탄분쇄기
- Silo, 화학반응기등
7.10 화염방지기
7.10.1 개요
- 폭발성 혼합가스로 충전된 배관 등의 내부에 연소가 개시되는 때에 타
구역의 가연성 가스나 증기-공기 혼합물로의 화염전파(Flame Propagation) 를 방지하기 위하여 설치하는 안전장치를 화염방지기라 한다.
이 장치는 화학장치 등에서 배관 도중에 연결되어 있어 한 설비에서 폭발 발생시에 다른 설비에 폭발이 전파 확대되어서 큰 피해가 발생하므로
이를 차단하기 위한 설비로 사용한다.
7.10.2 화염전파 방지원리
- 착화원이 되는 고온의 화염이 화염방지기 내부로 들어올 경우 소염소자 를 통과하면서 열전도에 의해 급속히 열이 제거된다. 따라서 착화원의 온도가 급속히 저하되어 반응에 필요한 분자생성속도가 손실속도보다 낮음으로써 화염이 소멸되는 원리이다.
7.10.3 화염방지기의 구조
7.10.4 요구되는 기능
- 폭발화염을 저지하는 열역학적 특성인 소염능력이 요구된다.
- 폭발압력에 견디는 기계적 특성이 요구된다.
7.10.5 종류
: 화염방지기는 금속막형, 평판형 및 수냉형이 있으며
산업시설에는 금속망형과 평판형이 많이 쓰이고 있다.
- 금속망형은 열 흡수율이 좋고 공기 저항을 최대한 줄일 수 있다
평판형은 튼튼하고 분해 및 청소가 쉬운 장점이 있으나 공기저항이 큰 단점 - 수냉형은 통기관을 순환하는 물속을 통과케 함으로써 가연성 가스를
액화시켜 다시 탱크로 되돌려 보내는 장치로서 인화방지 효과뿐만
아니라 내용물의 증발손실을 막는데도 매우 효과적이다.
7.10.6 화염방지기 설치시 고려할 사항
- 화염의 전파방향
상향전파, 수평전파, 하방전파 순으로 소염성능이 나쁘다.
- 의 금속망을 선택하면 소염성능이 가장 우수
- 하방전파 시에는 금속망 부분에 정체현상이 나타나 그 성능이 대단히
떨어지므로 주의하여야 하고
- 금속망을 복수로 적층 사용하면 일정한 매수까지는 소염성능이 급격이 증가한다는 것이다.
: 따라서 화염방지기 설치 시에는 화염방지기 성능뿐만 아니라 설치위치, 설치위치의 주변 상황을 충분히 고려하여 완벽한 설비로 시공하여야
할 것이다.
7.10.7 설치되는 설비
- 폐가스를 처리하는 Flare stack
- 인화성 액체를 저장하는 탱크의 통기관
- 회수장치로 솔밴트 증기를 이송하는 덕트 내부
- 버너 또는 로 등에 가스를 이송하는 배관설비
- 내부 연소 엔진의 크랭크
- 인화성 분위기 내에서 작동하는 엔진의 배기통
7.11 폭압방산공
7.11.1 개요
- 폭압방산공이란 내부에서 폭발을 일으킬 염려가 있는 건물, 설비, 장치 등에 부속 덕트류 등의 일부에 설계강도가 가장 낮은 부분으로 폭발
압력을 그곳으로 방출함으로서 장치 등의 전체적인 파괴를 방지하기
위하여 설치한 압력방출장치의 일종이다.
특히 방산공은 다른 압력방출장치에 비해서 방출량이 크므로 폭발에
대한 방호가 적당하다.
반면에 폭굉에 대해서는 압력방출효과는 기대할 수 없다.
7.11.2 폭압방산공의 원리
- 장치 내의 혼합가스 폭발에 의하여 내부압력이 상승하면 패널은 작동
하지만 동압에 달했을때 작동압력은 패널의 관성에 의해 개구의 설정
압력보다 크게 된다.
이때 장치 내에서는 폭발이 계속되어 개구부의 면적이 작아져 내부압력 의 상승 속도가 압력의 방출속도보다 크게 될 때 패널이 동압에 의해
열려서 압력을 방출함으로서 장치전체의 파손을 방지하는 것이다.
일반적으로 개구면적은 개구비라 하며 방산공을 설치하는 장치 등의
내용적에 대한 개구면적의 비를 말한다.
7.11.3 방산공의 구조
7.11.3.1 방산공 개구부의 크기 및 모양, 위치 등의 기준
- 방산공을 설계한 장치 등의 내부에서 폭발에 의하여 발생하는 최대압력 은 개구부의 면적이 클수록 적다.
- 개구부의 형상은 개구부의 단면이 기체가 유출하기 쉬운 모양으로 하는 것이 효과적이다.
- 개구부의 설치는 발화원 가까이 설치한다. 그러나 발화원의 위치를
특별히 정 할 수 없는 경우에는 개구부의 위치를 방산공을 설치하는
면의 중앙에 설치토록 한다.
7.11.3.2 패널의 구성재료 및 고정작업
- 패널은 가능한 한 낮은 압력에서 개구부를 만드는 것이 요망되지만 장치 등의 조업 조건 등을 고려하여 장시간에도 변화에 의하여 작동압력이
높게 되지 않고 또한 위험한 비산물이 생기지 않는 재료를 선택한다.
- 패널의 고정방법은 파열막식, 경첩 판넬식, 이탈식 등이 있다.
7.11.3.3 보호덕트
- 건물 내에 장치를 설치하는 경우 방산공에 보호덕트를 접속시켜 분출물 을 안전한 장소로 배출시키도록 한다.
- 또한 덕트류는 압력방출에 대한 장애물이 될 수 있으므로 가능한 한
지름을 크게, 길이를 짧게 하여 도중에 굴곡 되는 부분이 없도록 한다.
- 덕트류의 강도는 방산공을 설치하는 장치의 강도와 동일한 것으로 한다.
7.11.3.4 장치등의 강도
- 장치 등의 강도가 클수록 필요한 개구면적을 적게 할 수 있으므로
개구부 이외에는 가능한 한 원통형의 견고한 구조로 한다.
'시리즈 > 연소' 카테고리의 다른 글
정전기(공학적 관점)- (0) | 2014.08.25 |
---|---|
8. 위험물 - 연소공학 (0) | 2014.08.19 |
6. 연기 위험성 및 방재특성 (0) | 2014.08.10 |
연소공학 - 화재 (3) | 2014.08.06 |
열 및 화염의 전달. 성장 (0) | 2014.07.26 |