화염방지기 flame Arrester

 

국가화재평가원

김종락 위원 화공안전기술사 / 소방기술사

 

화염방지기의 원리

화염방지기는 가연성 가스의 유통부분에 금속망 혹은 좁은 간격을 가진 연소 차단용 금속판을 사용하여 고온의 화염이 좁은 간격의 벽면에 접촉, 열전도에 의해서 급속히 열을 빼앗겨 그 온도가 발화온도 이하로 낮아지게 함으로써 소염 되도록 하는 장치이다.  소염만을 고려하면 금속망의 mesh 간격이나 금속판의 간격은 작을수록 좋다고 하겠으나, 간격이 너무 좁으면 먼지 등의 이물에 의해서 막히거나 겨울철에는 결빙하여 막혀버리는 경우가 많으므로 mesh의 경우 보통 40 mesh 정도가 사용된다. 화염방지기 중에서 금속망형으로 된 것은 인화방지망 이라고도 한다. 폭발한계 내에 있는 가연성 가스로 충만된 배관 등의 내부에서 발화가 되면 일반적으로 연소→폭연→폭굉으로 발전하게 된다. 이러한 폭발에 의한 위험상태의 발생을 피하기 위해서는 혼합가스의 발화에 의해 생긴 화염을 가능한 빨리 한정된 작은 공간 내에서 소염 flame quenching 시켜 그 이상 전파하지 못하도록 할 필요가 있다. 이와 같이 배관내의 폭발화염을 그 초기단계에서 소염시켜 화염의 전파를 저지할 목적으로 사용하는 것이 화염방지기 이다.

 

화학플랜트 등에서는 여러 설비가 배관으로 상호 연결되어 있는 경우가 많으므로, 하나의 설비에서 폭발이 발생했을때 다른설비에 폭발이 전파 확대되어 가는 것을 방지하기 위해서 필히 화염방지기를 설치해야 한다. 화염방지기는 폭발화염의 저지라고 하는 관점에서 보면 두가지의 기능이 요구 되는바, 그 하나는 화염을 저지하는 소염능력이고, 다른하나는 폭발압력에 견디는 기계적 특성이다.

 

화염방지기의 구조

 

< 화염방지 소자의 구조 >

 

화염방지기는 폭발성 혼합가스로 충만된 배관 등의 내부에서 연소가 개시 될 때 연소가스의 유통부분에 금속망 혹은 연소 차단용 금속판을 사용하여, 고온의 화염이 좁은 간격의 벽면에 접촉하게 함으로써, 열전도에 의하여 급속히 열이 제거되도록 하는 장치이다.  또한 간격을 미세하게 하여 화염과 미연소가스의 충돌면에서 흐름을 교란시켜 연소중지와 동일한 효과가 발생하여 화염전파가 방지되도록 하는 경우도 있다. 그러나 미세한 간격 때문에 유체저항이 크게 되고, 또 정전기의 발생이 크게 증가하기 때문에 많은 양의 기체를 수송하는 부분에는 화염방지기를 설치하는 것이 곤란한 경우도 있다.

 

화염방지기의 종류

화염방지기의 종류는 금속망형, 평판형 및 수냉형이 있으며, 일반적으로 산업시설 에서는 금속망형과 평판형이 많이 쓰이고 있다. 금속망형은 열흡수율이 좋고 공기 흐름에 대한 저항을 최소한으로 줄일 수 있다는 장점이 있으며, 평판형은 튼튼하고 분해 및 청소가 쉬운 장점이 있으나 유체저항이 크다는 단점이 있다. 수냉형은 통기관이 순환하는 물속을 통과하게 함으로써 냉각효과를 증대시키고 가연성 증기를 액화시켜 다시 탱크로 돌려보내는 장치로서, 인화방지의 효과뿐만 아니라 내용물의 증발손실을 막는데도 효과적이다.

 

화염방지기의 재질은 보통 알루미늄, 주철, 모넬 Ni + Cu 내산성 , 스테인레스강 등이 쓰인다. 이중 알루미늄은 값이 싸고 가볍기 때문에 널리 쓰이나 화학공장에서는 장기 사용시 부식의 우려가 있으므로 제한적으로 사용해야 한다. 산이나 염기가 포함되어있는 공기는 화염방지기에 손상을 입히기 쉬우므로 부식성 가스가 체류할 가능성이 있는 지역이나 부식성 위험물을 저장할 때는 내부식성 금속을 사용한 것으로 선택해야 한다. 또한 탱크의 경우에는 탱크 내용물과 화염방지기의 금속이 화학반응이나 촉매작용을 일으킬 가능성도 검토해서 선정해야 한다.

화염방지기의 설치기준

화염방지기 또는 인화 방지망의 설치에 관한 우리나라의 기준은 산업안전 보건법과 소방법으로 2원화 되어 있는데 그 내용은 다음과 같다.

 

① 산업안전 보건법

노동부령인 “산업안전기준에 관한 규칙” 에 인화성액체 및 가연성가스를 저장 취급하는 화학설비로부터 증기 또는 가스를 대기로 방출하는 때에는 외부로부터의 화염을 방지하기 위하여 화염방지기를 그 설비 상단에 설치하도록 하고 있다.

 

② 소방관련법

“소방시설의 설치, 유지 및 위험물제조소 시설의 기준 등에 관한 규칙” 에, 옥내, 옥외 탱크저장소, 지하 탱크저장소 및 간이 탱크저장소에 설치되는 무변통기관 과 대기밸브 부착 통기관의 선단에 인화 방지망을 설치하도록 규정하고 있다.

 

③ 무변통기관 및 대기밸브 부착통기관

무변통기관은 통상 open vent라고 하며 실제 저장탱크의 구조, 용량, 위험물의 출입속도, 위험물의 양 등에 따라 그 직경이나 필요 개수가 결정되는데 최소직경은 30mm 이상이어야 하고, 또한 그 탱크에 설치된 위험물 유출 유입관의 직경보다 작아서는 안된다. 무변통기관의 구조는 우수의 침입을 막기위해 선단을 하향으로 45도 이상 구부리고 가는 눈의 동망 또는 flame arrester 등으로 인화 방지조치를 해야 한다. 대기밸브 부착통기관은 통상 atmos valve 라고 하며, 저장하는 위험물의 휘발성이 비교적 높은 경우에 사용되며 0.1 kg/cm2 이하의 압력에서 작동이 가능해야 한다.

 

화염방지기가 사용되는 장소

① 가연성액체 저장탱크의 통기관

② 예혼합 가스를 연료로 사용하는 burner

③ 탄광의 메탄가스 방출시스템

④ 전자부품을 제조하는 공장 등에서의 용제회수 시스템

⑤ 화학공장의 폐가스를 처리하는 flare stack

⑥ 하나의 프로세스를 다른 프로세스로부터 격리하는 장치

⑦ 버어너 또는 노 등에 가연가스를 이송하는 배관설비

⑧ 가연성증기 또는 가스를 배출시키기 위해 사용되는 환기장치의 배기닥트

⑨ 내연기관의 흡기, 배기 및 crank case 의 환기장치

⑩ 인화성 분위기 내에서 작동하는 디젤엔진 등의 배기통

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 4호에 기고된 글입니다.