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화재안전 자료실

F10 화재예방 F-DHA – 취급 분진 폭발성 여부 확인 및 폭발 특성 값 해석
  • 작성일2023/07/03 11:16
  • 조회 158

F-DHA – 취급 분진 폭발성 여부 확인 및 폭발 특성 값 해석

국가화재평가원

전성호 소장(소방기술사 /소방시설관리사)

최진우 과장(위험물기능장)

취급 분진의 분진 폭발 특성 값을 확인하는 목적

1.아래 표는 화력발전소에서 직접 채취된 Coal과 Wood pellet 분진 시험체의 폭발 특성 값 결과물입니다.
2.이 특성 값들로 분진의 폭발성 유무 평가 및 폭발의 피해 정도를 평가할 수 있으며, 안전관리 대책을 수립하는 지표가 됩니다.
 

구분

Coal

Coal

Coal

Wood

Pellet

Wood

Pellet

Wood

Pellet

Coal +

 Wood Pellet

시료 채취

KOSHA

P-41

사업장1

사업장2

사업장3

사업장4

사업장5

사업장6

Median(μm)

24㎛

68%<75㎛

23%<75㎛

60%<75㎛

54%<75㎛

95%<75㎛

15%<75㎛

MIE(mJ)

 

300

1000

300

300

300

1000

MEC(g/㎥)

60

40

60

30

50

40

40

Cmax(g/㎥)

 

2,000(추정)

2,000(추정)

N/A

N/A

N/A

N/A

Pmax

(bar)

9.2

7.6

6.6

7.5

6.7

6.6

6.5

(g/m3)

 

500

750

833

584

751

332

dP/ dt(bar/s)

 

461

228

396

203

433

195

Kst (m.bar/ s)

129

125

62

107

55

55

107

Vf(m/s)

 

16.65

9.48

14.49

8.44

17.8

8.23

분진운 발화점(℃)

 

440

660

590

610

560

590

분진층 발화점(℃)

 

200(12.5mm)

280(5mm)

260(12.5mm)

260(12.5mm)

300(5mm)

260(12.5mm)

LOC (Vol%)

 

12.5

11.5

11.5

12.5

11.5

12.5

Temp limit – cloud(℃)

 

293.33

440

393

406

373

393

Temp limit – layers(℃)

150

175

205

235

235

225

235

Ignition sensitivity(I.S.)

 

0.66

0.1

0.66

0.38

0.52

0.15

Explosion severity(E.S.)

 

0.92

0.39

0.78

0.35

0.76

0.33

Index Explosibility(I.E.)

 

0.61

0.03

0.51

0.13

0.39

0.05

Explos. Class

ST 1

ST 1

ST 1

ST 1

ST 1

ST 1

ST 1

 

 Median(μm) : 입자 크기

 MEC(g/㎥) : 최소폭발농도

 MIE(mJ) : 최소점화에너지

 Pmax(bar) : 최대폭발압력

 Cmax(g/㎥) : 최대폭발압력이 발생하는 분진 농도

 dP/dt(bar/s) : 최대폭발압력상승속도

 Kst(m.bar/s) : 폭연지수

Vf (m/s) : 폭연 화염 전파 속도

Temp limit(℃) : 최소점화온도

Ignition sensitivity(I.S.) : 점화감도 지수

Explosion severity(E.S.) : 폭발강도 지수

Index Explosibility(I.E.) : 폭발 지수

Explos. Class : 폭발등급

분진의 폭발성 확인(검사) 방법

1.취급 분진이 폭발성을 가지고 있는지 가지고 있으면 파괴력이 얼마나 큰지의 평가가 필요합니다.
2.보통 미국 OSHA의 분진 위험성 평가(DHA)의 기초가 되는 기준인 NFPA652를 인용하며 아래는 관련 항목의 주요 내용입니다.
3.폭발 특성이 이미 잘 알려진 분진의 경우 - 현재의 물질 및 공정 조건을 대표한다고 간주되는 역사적 자료 또는 공표된 데이터의 사용이 허용됩니다. 예를 들어  탄소질 분진의 경우 역사적 자료 또는 공표된 자료에 의하여 폭발성 분진으로 확인 가능합니다 아래는 KOSHA GUIDE P-41에 규정된 탄소질 분진의 폭발 특성 치입니다.
4.폭발성이 알려지지 않은 경우, 분진의 폭발성 결정은 다음 시험 중 하나에 따라 결정되어야 합니다.

폭발성이 알려지지 않은 분진의 경우 폭발 특성치를 이용한 폭발성 확인(검사) 방법

1.폭발성이 알려지지 않은 분진의 경우 NFPA499에서는 분진의 폭발강도(explosion severity)와 점화감도(Ignition sensitivity)를 산출하여 분진폭발 위험물질 여부를 구분하고 있습니다.
2.분진의 점화 감도가 0.2 이상, 폭발 강도가 0.5 이상인 경우 가연성, 폭발성 분진으로 구분하며, 해당 값 이하로 떨어지는 분진은 일반적으로 심각한 폭발 위험으로 간주되지 않습니다.
3.다만, 충분하고 다양한 조건에서의 분진 폭발 시험 조건 및 횟수를 확보하기가 현실적으로 어렵기 때문에, 심각한 폭발위험으로 간주되지 않더라도 폭발 위험 분진에서 제외시키는 판단은 사업장, 시험기관, 전문가, 기타 관계자의 충분한 논의와 협의를 통하여 신중하게 접근하여야 합니다.

 

국내 폭발성 분진의 정의 – KS C IEC 600978-10-2의 가연성 분진 정의

1.국내에서 적용되고 있는 KS C IEC 600978-10-2에서 정의하는 가연성 분진은 “공기 중 부유할 수 있으며, 자중에 의해 침적될 수 있는 공칭크기 500 ㎛ 이하의 미세한 고체 입자로 공기 중 연소 및 발염할 수 있고, 대기압 정상 온도에서 공기와 폭발성 혼합기체를 형성할 수 있는 분진”으로 정의 하고 있습니다.
2.하지만 이 정의에는 정량적 특성 값은 500 ㎛ 이하 하나만 규정되고 나머지(연소, 발염, 폭발성 혼합기체 등) 정의는 모호하여 사업장의 취급 분진의 가연성, 폭발성 여부를 결정하기가 쉽지 않습니다.
3.즉, 점화에 필요한 에너지나 폭발 강도에 대한 정량적 기준이 없어 물리적으로 매우 낮은 폭발 위험 특성치를 가지고 있는 분진의 경우에도 폭발성 분진에 해당될 수 있다는 뜻으로 해석될 수 있어 사업장의 분진 안전관리가 적정하게 투입되지 않을 수 있다는 점을 고려해야 합니다.

 

사압장 안전관리에 주로 사용되는 폭발 특성 값

사업장에 분진 관리에 필요한 주요 특성치는 보통 아래 와 같습니다.

 

1.   MIE(mJ) : 최소점화에너지
2.   MEC(g/㎥) : 최소폭발농도
3.   Temp limit(℃) : 최소점화온도
4.   Vf (m/s) : 폭연 화염 전파 속도
5.   Pmax(bar) : 최대폭발압력
6.   dP/dt(bar/s) : 최대폭발압력상승속도

1. 최소점화에너지(MIE)  

a.최소점화 에너지는 부유 분진이 점화할 수 있는 최소 에너지이며 단위는 mJ입니다.
b.MIE 값이 낮은 분진일수록 점화에너지가 작아 폭발 가능성이 커집니다.
c.MIE는  분진의 입경이 작아질수록, 주변온도가 높아질수록 MIE는 작아져 위험합니다.
d.MIE는 사업장 분진 취급 장소의 정정기, Spark 관리의 지표로 활용되어 취급분진의 공구 사용, 분진 이송 덕트의 정전기 관리 등에 적용할 수 있습니다.
 
 

MIE [mJ]

분진의 정전기 안전 지침

100 < MIE ≤ 500

낮은 점화 민감도를 가진 분진으로 설비 접지를 해야 한다.

25 < MIE ≤ 100

설비 접지 및 인체 접지를 고려 해야합니다

10 < MIE ≤ 25

설비/인체 접지 및 분진에 의한 정전기 방전 위험을 고려해야 한다

1 < MIE ≤ 10

점화 민감도가 높은 분진으로 접지 및 정전기 방전을 고려해야 하며, 플라스틱의 사용 제한 및. 벌크 분말로 인한 정전기 위험을 추가적으로 고려해야 한다.

MIE < 1

점화에 대한 극도의 민감도. 예방 조치가 있어야 합니다

2.  최소폭발농도(MEC)  

a. 최소폭발농도 MEC는 분진이 폭발할 수 있는 부유 분진의 공기 중 농도입니다. 그러므로 단위는 (g/㎥)이고요.
b. MEC 값이 낮을수록 분진 폭발 분위기를 쉽게 조성할 수 있어 위험합니다.
c. MEC는 공정 내 부유분진이 형성되는 장소의 분진 농도가 폭연,폭발 위험이 있는지 여부를 확인하는데 활용할 수 있습니다.
d. 또한 퇴적분진이 부유 할 경우 폭발 농도를 형성할 수 있는지 여부를 평가할 수 있습니다.
e. 분진 농도계의 사용이 적합지 않아 보통 구역 내 가시도로 평가할 수 있으며, 보통 가시도가 2m 이하일 때 폭발 위험농도로 평가됩니다.
f. 아래는 Coal분진을 부유시켰을 때의 가시도와 MEC와 관계입니다.
 

3.  Temp limit(℃) : 한계 위험 온도

 

a. 한계 위험 온도는 분진의 취급, 저장 공정상 한계치 온도로
b. 한계 온도이상으로 분진을 취급하거나 저장하는 경우 자연발화 또는 분진 폭발 가능성이 높습니다.
c. 그러므로 공정 내 어는 한 부분이라도 한계온도 이하로 관리되어야 하며, 분진 방폭기기도 기기 최고 표면온도를 평가하여 표기됩니다.
d. 분진 방폭 기기는 각각의 한계온도가 표기되며 기기 최고온도는 분지의 한계 위험온도를 초과해서는 안됩니다.

 

 

4. Vf (m/s) : 폭연 화염 전파 속도 

a. Vf는 분진 폭발 발생 시 폭연이 전파되는 속도를 나타냅니다.
b. Vf는 폭연 억제/방어 설비의 배치 간격에 적용되며, (설비와 폭연 전파 방지 설비와의 이격거리 등)
c. 분진 폭발 사고 시 폭연 전파 방향 및 최초 폭발 지점 등을 유추하는데도 사용됩니다.   
d. 예를 들어 시험에서 확인된 Vf가 9.48 m/s일 경우 폭연 발생 시 약 10 m/s로 화염이 전파됨을 추정할 수 있으며. 이는, 100m 길이의 에어 컨베이어 끝단에서 폭연 발생 시 폭연이 컨베이어 전체를 전파시키는데 약 10초 정도 소요될 수 있다고 추정할 수 있습니다.
e. 분진 폭발의 주요 특징 중 하나가 연쇄 폭발로 Vf는 폭발 확대 방지에 중요하게 사용됩니다.
 

5.  Pmax(bar) : 최대폭발압력

 

6.  dP/dt(bar/s) : 최대폭발압력상승속도

a. Pmax와 dP/dt(bar/s) 분진 폭발 시 발생가능한 최대 압력과 최대압력으로 상승하는 속도입니다.
b. 분진 폭발도 폭발처럼 순식간에 압력이 상승합니다 다만, 가스 폭발만큼 폭발 압력이 높지는 않습니다.
c. Pmax와 dP/dt(bar/s)는 폭발 방어 특히 용기의 내압구조와 폭발 방출구의 설계 및 시공에 중요한 지표로 사용되어집니다.
d. 예를 들어 분진폭발 내압용기의 경우 dP/dt(bar/s) 속도로 상승하는 최대압력 Pmax를 견디어야 하며,
e. 내압용기가 아니라 용기에 폭발 방출구를 설치하는 경우 Pmax에 도달하기전 적정 타이밍에 폭발 압력이 방출되어야 합니다.  
 

 

폭발 특성값의 평가 및 해석

1.이러한 분진의 폭발 특성 값의 사용은 단순히 시험 값을 확인하는 것만으로는 사업장에서 사용할 수 없습니다.
2.그러므로 사용할 수 있는 형태로 가공하고 각각의 특성치가 어떤 의미를 가지는지를 해석하여야  적정하게 사업장의 안전관리에 적용할 수 있습니다.
3.http://tool.kfsl.co.kr/login의 화재안전 계산Tool – 분진 – 폭발특성평가 카테고리에서 아래와 같은 다양한  분진 폭발 위험평가 Tool을 오픈 소스로 제공하고 있습니다.  (취급 분진의 위험 특성 값에 대하여 사용가능한 형태로 해석 평가하여 유저에게 제공)
 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 21호에 기고된 글입니다.