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2004-03-31 |
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첨부파일이 없습니다. |
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제 목 |
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1. 점화 폭발의 요인 |
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제 목 : 점화 폭발의 요인
가. 一般事項
靜電氣가 帶電되어 있는 物體가 어떠한 원인으로 放電될 경우 이때
발생하는 Energy는 주변에 있는 可燃性物質의 點火源 역할을 하여
火災.爆發을 誘發한다.
産業의 발달에 따라 量産되거나 새로 개발되고 있는 高分子 化合物은
靜電氣의 發生을 매우 용이하게 하여 이러한 火災.瀑發 災害의
危險性은 날로 증대하고 있다. 물론 先進國에서는 이에 대처한
硏究開發도 활발히 이루어지고 있어 靜電氣에 의한 火災·爆發 災害는
차츰 감소하고 있다.
靜電氣의 影響으로 일어날 수 있는 火災.爆發은 일반적으로 다음과
같은 3가지 條件이 맞아 떨어질 때 일어난다.
① 可燃性(爆發性) 混合物 (Explosive Mixture)이 존재하고 그
混合濃度가 爆發 (燃燒) 限界내에 있다.
② 帶電物體 (보통 接地가 되지 않은, 즉 絶緣되어 있는 不導體)가
존재하고, 충분히 많은 靜電氣 電荷가 蓄積되어 있다.
③ 그 장소에 존재하는 可燃性物質의 最小點火 (Minimum Ignition)
Energy보다 큰 放電 Energy를 放出하는 靜電氣放電이 일어난다.
따라서 적절한 防護對策을 강구하여 위의 條件들 가운데 적어도
한가지만 확실하게 제거하여 이 條件들이 같은 장소에서 동시에 존재하지
않게 하면 火災·爆發은 방지할수 있다.
나. 爆發性 混合氣體
燃燒過程에서 可燃性物質은 酸化劑와 작용하여 Energy를 방출한다.
酸化劑는 物質의 燃燒作用에서 필요로 하는 酸素 Ion을 낼 수 있는
물질로서, 보통 空氣이지만, 空氣보다 酸素를 다소 더 포함한 다른
氣體 混合物도 될 수 있다. 이러한 酸化劑를 支燃性氣體라고도 부른다.
반면에 靜電氣放電이나 다른 點火源에 의하여 空氣가 없이도 급격한
發熱反應이 일어날 수 있는 混合物이나 混合體가 있는데 이러한 것을
爆發物이라고 하며, 여기서는 다루지 않기로 한다.
1) 生成條件 및 限界濃度
[그림1] 可燃範圍와 溫度의 關係
可燃性氣體 또는 可燃性液體의 蒸氣가 空氣 또는 酸化劑와 混合하여
混合氣體의 組成이 있는 濃度範圍에 있을 때 이것에 點火하면 火焰이
傳播하고 氣體爆發을 일으킨다. 이 때의 組成限界를 可燃限界,
爆發限界, 또는 燃燒限界 등으로 부른다. (그림l)은 일정한
壓力條件下에서 可燃限界와 溫度와의 관계를 나타낸 槪念圖이다.
可燃性 雰圍氣의 溫度가 상승하면 下限界의 濃度는 減小하고 上限界의
濃度는 增加하여 可燃範圍가 널어지게 된다. 따라서 충분히 溫度가
상승하면 自然發火 領域이 나타난다. 또, 溫度가 低下하고 飽和蒸氣壓
曲線 이하의 溫度에서는 可燃性蒸氣의 擬縮이 시작되어 蒸氣와 空氣의
混合物중에 미세한 물방울 즉 Mist가 형성되며, 이에 따라 MiSt가
浮遊한 상태의 爆發性 混合氣體가 된다.
Gas나 粉塵 형태의 可燃性物質의 空氣중 混合物은 그 成分比가
燃燒下限界 및 燃燒上限界라고 불리는 두 限界 내에 들어 있어야
燃燒가 일어날 수 있는데, 이 限界値는 粉塵의 경우는 l㎥ 속에
포함되어 있는 粉塵의 무게 (g/㎥)로 나타내어지나, Gas의 경우는
空氣중의 可燃性物質의 부피濃度 (Vo1.%)로 나타내어진다.
즉, 混合濃度는 可燃性物質의 입장에서 혼합된 정도를 다음과 같이
나타낼 수 있다.
可燃性物質의 量
混合濃度 = ─────────────────── × 100
可燃性物質의 量 ＋ 支燃性物質의 量
여기서 量이 부피 (Volume)로 주어질 경우, 單位가 Vol.%로 표시된다.
爆發性 混合氣體를 형성하는 混合氣體가 可燃性氣體와 支燃性氣體
(酸化劑)의 2 成分으로 되어 있는 경우에는 上限界 및 下限界
濃度値로 可燃範圍를 나타내는 것이 가능하다. 이 限界値들 사이의
濃度의 範圍를 燃燒範圍라 하고, 이 範圍안에 있는 어떤 混合體을
흔히 可燃性 混合氣體 (Flammable Mixture Gas)라고 일컫는다.
대부분의 Gas는 燃燒範圍가 2∼l0 Vo1.%이지만 Acetylene, Ethylene
및 Hydrogen과 같이 燃燒範圍가 훨씬 넓은 物質들도 있다.
<표1> 可燃性物質 (液體 및 Gas) 의 引火點 및 燃燒範圍
┌───────────┬────┬────────────────────┐
│ │ │ 燃燒 範圍 (vo1. %) │
│ 可燃性物質 │ 引火点 │ │
│ │ ├─────────┬──────────┤
│ (Combustible) │ (°C) │ 空氣中 │ 酸素中 │
│ │ ├────┬────┼────┬─────┤
│ │ │ 下限界 │ 上限界 │ 下限界 │ 上限界 │
├───────────┼────┼────┼────┼────┼─────┤
│ [炭化水素] │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ Methane │ Gas │ 5.0 │ l5 │ 5.1 │ 61 │
│ Ethane │ Gas │ 3.0 │ 12.4 │ 3.0 │ 66 │
│ n-Butane │ -60 │ l.8 │ 8.4 │ l.8 │ 49 │
│ n-Hexane │ -3.9 │ 1.2 │ 7.4 │ 1.2 │ 52 │
│ n-Octane │ 13.3 │ 0.8 │ 6.5 │≤0.8 │ │
│ Ethylene │ Gas │ 2.7 │ 36 │ 2.9 │ 80 │
│ Propylene │ Gas │ 2.4 │ 11 │ 2.1 │ 53 │
│ Acetylene │ Gas │ 2.5 │ l00 │≤2.5 │ l00 │
│ Gasoline │ -45.5 │ 1.3 │ 7.1 │≤1.3 │ - │
│ Kerosene │ 37.8 │ 0.7 │ 5 │ 0.7 │ - │
│ [痲醉劑] │ │ │ │ │ │
│ Cyclopropane │ Gas │ 2.4 │ 10.4 │ 2.5 │ 60 │
│ Ethyl Ether │ -28.9 │ 1.9 │ 36 │ 2.0 │ 82 │
│ Vinyl Ether │ -30 │ l.7 │ 27 │ l.8 │ 85 │
│ Ethylene │ Gas │ 2.7 │ 36 │ 2.9 │ 80 │
│ Ethyl Chloride │ -50 │ 4.0 │ l4.8 │ 4.0 │ 67 │
│ │ │ │ │ │ │
│ [溶齊] │ │ │ │ │ │
│ Methyl Alcoho1 │ 12.2 │ 6.7 │ 36 │≤6.7 │ 93 │
│ EthyI Alcoho1 │ 12.8 │ 3.3 │ 19 │≤3.3 │ - │
│ Ethyl Acetate │ -4.4 │ 2.2 │ ll │≤2.2 │ 60 │
│ Acetone │ -l7.8 │ 2.6 │ 13 │≤2.6 │ 30 │
│ Benzene │ -ll.l │ l.3 │ 7.9 │≤l.3 │ - │
│ Naptha │ 37.8 │ 1.0 │ 6 │≤1.0 │ - │
│ Toluene │ 4.4 │ 1.2 │ 7.1 │≤1.2 │ 52 │
│ Butyl Chloride │ - 6.7 │ l.8 │ 10 │ 1.7 │ 57 │
│ Trichloroethane │ │ 6.3 │ 13 │ 4.0 │ 91 │
│Trichloroethylene │ 32.2 │ lO.5 │ 41 │ 5.5 │ │
│ [기타 物質] │ │ │ │ │ 93 │
│Acetaldehide │ -27.2 │ 4.0 │ 60 │ 4.0 │ - │
│Ammonia │ Gas │ l5.0 │ 28 │ l5.0 │ 79 │
│Aniline │ 75.6 │ l.2 │ 8.3 │≤l.2 │ - │
│Carbon Monoxide │ Gas │ 12.5 │ 74 │≤12.5 │ 94 │
│Carbon Disulfide │ -30 │ 1.3 │ 50 │≤l.3 │ - │
│Ethylene Oxide │ <17.8 │ 3.6 │ 100 │≤3.6 │ 100 │
│Hydrogen │ Gas │ 4.0 │ 75 │ 4.0 │ 95 │
│Hydrogen Sulfide │ Gas │ 4.0 │ 44 │≤4.0 │ - │
└───────────┴────┴────┴────┴────┴─────┘
※ 註: NFPA 53M "Manual on Fire Hazards in Oxygen-Enriched
Atmospheres" (1990)에서 拔萃 引用
주요 可燃性物質 (Gas 및 液體)의 爆發範圍 (燃燒範圍)는 <표1>과
같다.
Gas 또는 蒸氣와 空氣의 混合氣體의 燃燒範圍는 周邊溫度의 上昇에
따라 더 확장된다. 즉, 周邊溫度가 上昇함에 따라 常溫때와 비교하여
燃燒下限界는 더 낮아지고 燃燒上限界는 더 올라간다.
이는 混合氣體의 可燃性이 溫度의 上昇에 따라 增大함을 의미한다.
일반적으로 靜電氣放電 또는 다른 點火源에 0001
의한 爆發災害는 존재하는
可燃性混合體를 제거함으로써 豫防할 수 있다. 이것은 可燃性混合物의
濃度를 낮추기 위하여 외부공기와 換氣를 하거나, 不活性氣體
(Inert Gas)를 첨가하는 것 등에 의하여 가능하다.
可燃性氣體 및 液體의 點火 및 爆發에 관한 限界濃度 등의 特性値는
Coward 및 Jones에 의하여 처음으로 體系的으로 조사되어, 學界에 그
결과가 報告되었다. Barnet 및 Hibbard는 約 200種의 可燃性物質에
대해서 可燃範圍, 發火溫度, 燃燒速度, 最大點火에너지, 消焰距離
등의 Data를 제시했다.
그후 Zabetakis가 이를 補完하여 약 200種의 可燃性物質에 대한
Data를 추가하였다. 일본에서는 柳生이 300種 以上의 可燃性物質의
可燃範圍에 미치는 添加物, 溫度, 壓力 效果 등의 상세한 자료를
많은 자료를 토대로 하여 정리하였다.
NFPA에서는 數年마다 새로운 Data를 추가하여 발행하고 있는
"NationaI Fire Codes" 중에 1500種 以上의 可燃性物質의 引火點,
發火點, 可燃範圍 등의 特性値를 收錄하고 있다.
爆發性 混合氣體의 形成은 可燃性氣體 및 蒸氣에 의한 경우 외에
앞에서 서술한 可燃性液體의 Mist 및 可燃物의 粉塵이 空氣와 같은
支燃性氣體 중에 浮遊하는 경우가 있어 噴霧爆發 및 粉塵爆發을
일으킬 위험이 있다.
噴霧爆發 및 粉塵爆發의 경우에도 氣體爆發과 같이 爆發限界濃度가
존재한다.
2) 限界濃度의 推算
可燃限界의 Mcchanism은 對流 및 浮力에 의한 輸送現象과 熱的效果를
고려하여 여러 가지가 試驗되고 있으나 아직 통일된 定說은 확립하지
못하고 있다. 그러나 可燃限界濃度를 推定하는 방법으로서 현재 가장
많이 사용되고 있는 것에 대하여 기술하고자 한다.
Burgess-Wheeler의 法則에 의하여 다음 식을 얻을 수 있다.
L.Q = 一定
또는
l.q = 一定
여기서, L (vol%) 및 l (g/㎥)는 可燃範圍에 대한 下限界濃度이고,
Q (kcal/mol) 및 q (kcal/g)및 각각 分子燃燒熱과 單位質量當
燃燒熱이다. 空氣중에서 炭化水素類는 L.Q = 11 kcal/mol
또는 l.q = 500 kcal/㎥이 되어, 下限界濃度의 可燃性 混合氣體
l mo1 또는 1㎥이 갖는 燃燒熱은 일정하다.
이 관계로부터 可燃性物質疑 燃燒熱을 알면 下限界濃度를 구할 수
있다. 常溫에 대한 空氣중에서의 下限界濃度 l ^25 (mg/l)은 各種
炭化水素系 可燃性 液體 및 氣體에 대해서 實測値의 統計的 比較結果
다음과 같이 일정함을 알수 있다.
l^25 = 48±4 (㎎/l)
단, 例外的으로 Methane, Ethane 및 Propane의 경우는 각각 38, 41
및 42 이고, Etylene 및 Acetylene의 경우는 35 및 29가 된다.
위 식은 揮發油(Gasoline), Zet 燃料 등 高級炭化水素의 混合物의
下限界濃度를 추정할 경우에 편리하다.
常溫에서 空氣中에서의 下限界濃度 L^25 (vol.%)와 化學當量濃度
S1 (vol.%) 과의 관계에 대하여 알아보면, 炭化水素系 物質의 경우는
다음과 같다.
L25
─────── = 0.54 ± 0.05
S1
단, 例外的으로 水素: 0.14, Etylene: 0.41, Acetylene: O.32, 및
Metyl-Acetylene: 0.34이다. 또한, 硫黃化合物 및 窒素化合物에서는
통일된 값이 없다.
上限界濃度 U25 (vol.%)와 下限界濃度 L25 (vol.%)와의 관계는
Paraffin 系 炭化水素의 경우는 다음과 같이 주어진다.
U25 = 6.5√L25 = 4.8√S1
可燃性物質이 多成分으로 되어 있는 경우에는 可燃範圍의 下限界濃度
L (vo1%) 및 上限界濃度 U (vol.%)를 다음과 같은 Le Chatelier의
法則을 이용하여 구할 수 있다.
100
L = ──────────
n
Σ (xi / Li)
i=1
100
U = ──────────
n
Σ (xi / Ui)
i=1
n
여기서, Σ xi = 100 이고, xi(vol.%)는 n 成分으로 된
i=1
可燃性物質의 i번째 成分의 成分比이고, Li (Vo1.%) 및 Ui (vol.%)는
각각 i번째 成分 單獨의 可燃性範圍의 下限界濃度 및 上限界濃度이다.
이 Le Chatelier의 法則은 同系또는 同族化合物로 되어 있는
可燃性物質에는 實測値와 일치가 잘 되나 그 외의 경우나 冷炎이
발생되는 領域에서는 적용되지 않는다.
3) 溫度 및 壓力의 影響
可燃範圍는 일반적으로 溫度의 상승과 더불어 넓어져서 200~300 ℃
까지는 대체적으로 直線關係가 유지된다. 그러나 溫度가 더 상승하여
自然發火溫度에 가까워지다 火焰이 傳播하기 전에 混合氣體의 成分
및 狀態가 변화됨으로 測定値가 다르게 나타나고 있다.
下限界濃度를 溫度 依存性을 고려하여 수정된 Burgess-Wheeler의
法則에 의하여 구하면 다음과 같다.
Lt
─── = 1 - 7.21 × 10^-4 (t-25)
L25
여기서, Lt 및 L25는 溫度 t℃ 및 25℃ 에서의 下限界濃度이다.
이 식은 Paraffin系, Olefine系, Acetylene系, 芳香族 및 Alcohol類
炭化水素에 대해서는 實測値와 잘 일치한다.
上限界濃度에 대해서도 下限界에서의 火焰溫度와 같다고 가정하면
다음 식을 얻을 수 있다.
Ut
──── = 1 + 7.21 × 10^-4 (t-25)
U25
여기서, Ut 및 U25 溫度 t℃ 및 25 ℃에서의 上限界濃度이다.
위 식들로부터 常溫 25°C 에서의 下限界 및 上限界 濃度를 알면
高溫에서의 下限界 및 上限界 濃度를 각각 구할 수 있다.
[그림2]
可燃節圍의 壓力 依存性(a)
[그림3]
可燃節圍의 壓力 依存性(b)
可燃範圍의 壓力 依存性에 대해서는 (그림2)에 例示된 Metane의
경우와 같이 일반적으로 壓力이 높아지면 넓어지는 경향이 있다.
특히, 上限界의 擴張이 현저하다.
그러나, (그림3)에 있는 水素의 例와 같이 壓力이 상승할 때
처음에는 오히려 좁아지다가 어느 정도 지난 후부터 넓어지는
可燃性物質이 적지 않다. 이 可燃範圍가 최소로 좁아지는 壓力은
空氣중에서下限界는 水素, Metane, Etylene 및 一酸化炭素의 경우
각각 20, 30, 20 및 175 atm이고, 上限界는 水素, Metane 및
一酸化炭素의 경우 각각 10, 20 및 120 atm이다.
다음에 可燃範圍의 低壓限界는 高壓限界에 비하여 賞驗이 용이하므로
비교적 잘 조사되고 있다.
可燃範圍의 高壓限界에 대해서는 實測値가 거의 없고 그 數値도
變化가 심하여 信賴性이 작아 향후 硏究의 對象으로 남아 있다.
단지, 壓力이 올라감에 따라 火焰의 傅播速度가 작아지고
斷熱火焰溫度가 낮아지며 不完全燃燒의 比率이 높아지는 것 등에서
高壓限界가 存在할 것으로 추측되고 있다.
4) 添加物의 影響
可燃性의 氣體 또는 蒸氣와 酸素, 空氣, 鹽素, 室素酸化物 등의
支燃性物質과의 混合氣體에 각종 不活性氣體를 첨가한 경우에 대해서
可燃範圍가 測定되고 있다.
첨가는 可燃範圍의 縮小效果를 가져온다. 縮小된 程度는
燃燒濫度에서의 不活性의 熱容量를 및 熱傳導率에 지배되고, 燃燒筒의
직경이 작은 경우 (約 25mmØ以下)를 제외하고,
CO2 > H2O > N2 > He > Ar의 順序가 된다.
添加物에 의한 可燃範圍의 縮小效果를 나타내는 因子로서 消焰에
필요한 添加物의 最小濃度, 즉 火焰이 持續될 수 있는 添加物의
最大濃度를 잡고 이것을 Peak値라고 부른다. 不活性氣體로서
二酸化炭素 및 窒素를 이용한 때 각종 可燃性物質의 공기중에서의
Peak値가 <표2>에 나와 있다.
添加物에 의한 可燃範圍의 縮小效果를 나타내는 因子로서 또한
安全 最大 酸素濃度가 있다. <표3>는 각종 可燃性物質의 安全
最大 酸素濃度를 나타낸다.
<표2> 및 <표3>로부터 揮發油 (Gasoline) 과 같은 高級 炭化水素
混合物은 二酸化炭素 및 窒素에 대하여 Peak値는
각각 28 ± 2 % 및 42 ± 2 %이고, 安全最大酸素濃度는
각각 14.5 vo1.% 및 12.1 vo1.%인 것으로 추측하는 것이 가능하다.
<표2> 각종 可燃性物質에 대한 CO2 및N2의 Peak値
(可燃性物質-空氣系, 常溫, 大氣壓)
┌──────────────┬─────────────┐
│ │ Peak 値 (vol. %) │
│ 可 燃 性 物 質 ├──────┬──────┤
│ │ CO2 濃度 │ N2 濃度 │
├──────────────┼──────┼──────┤
0002
│ Paraffin系 炭化水素 │─┐ │─┐ │
│ Olefin系 炭化水素 │─┤ │─┤ │
│ 芳香族 炭化水素 │─┼ 28 ± 2│─┼ 42 ± 2│
│ 脂環 炭化水素 (Cycroalkane)│─┤ │─┤ │
│ Ester 類 │─┘ │─┘ │
│ Alcolrol 類 │ 3l ∼ 32 │ 45 ∼ 46 │
│ Ether 類 │ 32 ∼ 33 │ 46 ∼ 48 │
│ Ethane (C2H6) │ 23 │ 37 │
│ Ethylene (C2H4) │ 39 │ 49 │
│ Butadiene (C4H6) │ 34 │ 48 │
│ Acctylene (C2H2) │ 53 │ 63 │
│ 二硫化炭素 │ 58 │ 72 │
│ 硫化水素 │ 30 │ - │
└──────────────┴──────┴──────┘
Halogen 化合物을 첨가하면 可燃範圍는 不活性氣體의 경우보다
효과적으로 축소된다. 일례로서 <표4>은 Hexane-空氣系에 각종
Halogen炭化水素를 첨가한 때의 Peak値를 나타내고 있다.
二酷化炭素와 비교하여 매우 유효함을 알 수 있다.
이 때문에 Halogen 化合物은 消火劑로서 利用되고 있고,
그 消化效力 은 化合料중에 포함되는 Halogen에 대해서
I > Br 》 Cl > F의 順으 알려져 있다. 可燃性物質에 대한 添加物의
영향에 대한 개개 物質에 관한 效果는 다른 文獻에 자세히 나와
있다.
<표3> 각종 可燃性物質에 대한 CO2 및 N2에 의한 安全
最大 酸素濃度 (可燃性物賃-空氣系, 常溫, 大氣壓)
┌─────────────┬───────────┐
│ │ Peak 値 (vol. %) │
│ 可 燃 性 物 質 ├─────┬─────┤
│ │CO2 濃度 │ N2 濃度 │
├─────────────┼─────┼─────┤
│ 水素 │ 5.9 │ 5.0 │
│ 一酸化炭素 │ 5.9 │ 5.6 │
│ Methane (CH4) │ 14.6 │ 12.1 │
│ Ethane (C2H6) │ 13.4 │ 11.0 │
│ Propane (C3H8) │ 14.3 │ 11.4 │
│ Butane 및 高級炭化水素 │ 14.5 │ 12.1 │
│ Ethylene (C2H4) │ 11.7 │ 10.1 │
│ Propylene (C3H6) │ 14.1 │ 11.5 │
│ Cyclopropane (CH2CH2CH2) │ 13.9 │ 11.7 │
│ │ │ │
│ Butadiene (G4H6) │ 13.9 │ 10.4 │
│ Benzcne (C6H6) │ 13.9 │ 11.2 │
│ Metyl Alcohol │ 12.0 │ 9.7 │
│ Etyl Alcoho1 (C2H5OH) │ 13.2 │ 1O.7 │
│ 二硫化炭素 │ 7.6 │ 5.2 │
│ 硫化水素 │ 11.6 │ - │
└─────────────┴─────┴─────┘
<표4> Hexane-空氣系에 대한 Halogen 炭化水素의 Peak値
(常溫, 大氣壓, 上方傳播)
┌─────────────────┬───────────────┐
│ │ Peak 値 (Vol.%) │
│ ├────────┬──────┤
│ Halogen化 炭化水素 │ Halogen化 │Hexane 濃度 │
│ │ 炭化水素 濃度 │ │
├─────────────────┼────────┼──────┤
│四佛化二臭化 Ethane (CF2Br.CF2Br) │ 3.2 │ 3.4 │
│二佛化二臭化 Methane (CF2Br2) │ 3.6 │ 3.2 │
│요도化 Methyl (CH3I) │ 4.7 ⇒ 1.9 │
│三佛化一臭化 Methane (CF3Br) │ 4.9 │ 2.9 │
│一臭化一鹽化 Methane (CH2BrCl) │ 6.4 │ 2.5 │
│臭化 Methyl (CH3Br) │ 7.1 │ 2.1 │
│四鹽化炭素 (CCl2) │ 9.7 │ 3.2 │
│二佛化二鹽化 Methane (CF2Cl2) │ 13.5 │ 3.6 │
│三佛化二鹽化 Ethane (CF2CI?CFCI2) │ 14.4 │ 4.1 │
│二酸化炭素 (C02) │ 29.0 │ 2.3 │
└─────────────────┴────────┴──────┘
5) 粉壓 爆發의 限界濃度
粉塵爆發의 下限濃度는 粉塵의 粒度, 粒子表面의 化學的 活性,
粒子의 水率, 周圍空間內 分散의 均一度, 周圍空間 氣體의 成分,
點火方式. 測定裝置의 모양 등 많은 因子에 의존한다. 이 때문에
計測이 어렵고, 特性値는 相對的인 관점에서 이해되어져야 하며,
直接的인 試驗에 의하여 구해야 한다.
空氣中에 대한 爆發下限界濃度 l(mg/l)에 있어서 Polyethylene,
Poly-propylene 등의 炭化水素系 Plastic類의 粉塵에 대하여는
Burgess-Wheeler의 法則이 성립하여 l = 45∼50 mg/l이 된다.
기타 粉塵에서는 下限界 濃度는 l = 20∼60 mg/l
上限界 濃度는 l = 2000∼6000 mg/l이다.
爆發의 危險性은 주변 雰圍氣 氣體의 酸素濃度의 영향을 강하게
받고, 不活性氣體 등의 稀釋에 의한 酸素濃度의 低下에 따라
爆發下限界濃度가 증대하고 酸素濃度가 어떤 限界 이하가 될 경우
爆發은 일어나지 않게 된다.
이 때의 酸素濃度를 限界 酸素濃度라고 하며, 爆發災害 防止對策을
수립하는데 있어 고려하여야 중요한 因子중의 하나이다. 雰圍氣
氣體를 水分으로 稀釋한 경우, 有機物 粉塵에서는 下限界濃度가
增大하여 爆發이 일어나기 어렵게 되지만, 金屬 粉塵에 대해서는
반드시 爆發이 억제된다고 볼 수 없다.
雰圍氣 氣體에 可燃性 氣體 또는 可燃性液體의 蒸氣가 포함되어
있으면 粉塵 爆發의 下限界 濃度가 低下하고 危險性이 커진다.
粉塵雲의 雰圍氣 氣體에 炭酸 Calsium,Silica Gel (Si02.nH20),
無機鹽 岩粉 등의 不活性 粉塵을 混在시키는 것에 의하여
冷却效畏 浮遊抑制效果 등을 가져오며 이에 따라 爆發性을
低下시키는 것이 가능하다.
粉塵爆發의 傳播 Mechanism을 지배하는 熱을 授受할 때, 化學反應을
포함한 物理化學的 變化가 각각의 粒子 表面에서 일어나므로
平均 粒子直徑이 작은 粉塵은 比表面積이 크게 되어 爆發
下限界濃度는 작게 된다.
粉塵爆發의 下限界濃度를 포함한 特性値에 관하여 美國 鑛山局에서
오래전부터 體系的인 硏究가 실시되고 있으며, 金屬粉塵 314 種,
Plastic 粉塵 314 種, 農産物, 化學藥品, 醫藥品 등에 대해서
爆發下限界濃度, 最小點火 Energy, 限界酸素濃度, 最大爆發壓力,
爆發壓力 上昇速度 등의 Data를 내오고 있다.
噴霧瀑發 즉 可燃性液體가 미세한 液滴 (Mist)가 되어 煙霧質
(Aerosol 또는 Spray)로 空氣中에 분산되어 있을 때의 爆發性에
대해서 살펴보면, 槪略的으로 粉塵爆發과 유사한 現象으로 취급할
수 있으나, Mist의 크기가 10 micron 이하에서는 氣體爆發의 特性과
유사한 경향을 갖고 있음이 확인되고 있다.
특히, 下限界濃度 및 不活性氣體에 의한 添加物效果는 Mist의
크기가 작아짐에 따라 氣體爆發現象과 매우 유사하게 된다.
다. 最小 點火 Energy
1) 靜電氣의 放電 Energy
靜電氣가 放電할 때는 다음 식으로 주어지는 放電 Energy를 방출한다.
1 1
E = ── CV^2 = ── QV
2 2
여기서, E는 放電 Energy (單位: J), C는 靜電容量 (單位: F), V 는
帶電電壓(單位: V), 그리고 Q는 帶電된 靜電氣量 (單位: C)이다.
放電 Energy는 靜電氣量이 같아도 帶電電壓이 높을수록 커진다 또한,
物體面사이의 距離가 짧아질수록 靜電容量은 커지고, 멀어질수록
靜電容量이 감소하며 電壓은 높아진다. 空氣중의 放電에는 최소한
350~400 V 이상의 電壓이 필요하여 이보다 낮은 低電壓의 帶電은
그다지 위험하지 않은 것으로 알려져 있다.
靜電氣가 갖고 있는 Energy는 放電시에 여러 가지 형태를 통하여
外部로 放出한다. 대표적인 放電形態가 불꽃(spark) 으로서 이는
液體 또는 固體 導體 사이에서 일어나며, 아주 짧은 시간에 高密度의
電流와 閃光을 동반한다.
靜電氣 放電에 따른 點火能力을 평가하기 위해서는 이 放電 Energy와
可燃性物質의 最小點火 Energy를 비교하는 것이 보통이다.
그러나 ?003
?넋阮萬?抵抗이 있으면 저장된 Energy의 일부분이
이 抵抗에서 放散되고 Spark 時間도 길어지게 되어 이들의 단순
比較는 유효하지 않을 경우가 있다.
날카로운 모서리를 갖는 導體에서 주로 일어나는 Corona 放電의
點火能力은 Spark 放電의 경우보다 작다. 이러한 이유로 Corona
放電은 靜電氣를 除電하는 한 수단으로 사용될 수 있다.
可燃性 混合氣體가 존재할 우려가 있을때는 이러한 靜電氣
除電시스템을 설계하는데 있어 특별한 주의가 필요하다.
不導體에서 일어나는 Brush 放電의 경우는 點火能力을 결정하는
일반적인 방법이 없다. 보통, 높은 表面抵抗이 電荷의 흐름을
방해하기 때문에 Energy의 放出率은 비교적 낮으나, 높은 Energy
密度를 가진 부분이 존재할 수 있어 다른 형태의 Corona 放電보다
點火性이 더 강할 수가 있다.
高抵抗 不導體板으로부터 발생하는 傳播(Propagating) Brush 放電은
點火性이 매우 높다. 이 경우 不導體에 저장되는 全體 Energy量이
추산되면 이를 最小點火 Energy와 비교하여 點火性을 판단할 수
있다.
2) 最小 點火 Energy
靜電氣放電이 可燃性 混合氣體를 點火시킬 수 있는지의 여부는
可燃性 混合氣體의 成分 및 溫度, 放電 Energy 및 이 Energy의 분포
등에 달려 있다. 현장에서 가장 흔한 點火源은 絶緣物로부터
생겨나는 spark이며, 따라서 이 Spark가 點火 Energy를 측정하는데
있어 가장 널리 쓰여지고 있는 수단이 된다. 어떤 물체에 있어서
가장 낮은 點火 Energy는 空氣 중 濃度의 函數이다.
즉, 爆發性 混合氣體를 點火시키고, 火焰의傳播를 일으키기 위해서
그 反應系에 주어져야 하는 Energy의 最小量을 最小點火 Energy라고
한다.
Ethane, Butane과 같은 飽和炭化水素 Gas나 증기는 공기와의 混合比가
최적일 때, 불꽃放電에 의한 放出 Energy가 0.25 mJ이면 點火되는
것으로 밝혀지고 있다. Ethylene, Acetylenc 같은 不飽和炭化水素는
이보다 훨씬 낮은 Energy에서도 點火 가능하다. Gas/空氣 混合體의
最小點火 Energy는 대략 0.01∼1.0 mJ의 범위에 있고, Gas/酸素
混合體의 最小點火 Energy는 0.002∼0.1 mJ의 범위에 있다. 爆發物의
最小點火 Energy는 0.001 mJ까지 낮아질 수 있다.
주요 可燃性物質 (液體 및 Gas)dml 最小點火 Energy는 [表 1]에
나와 있다.
粉塵(Dust), 粉體(Powder) 및 纖維(Fiber) 등의 點火 Energy는 가스나
蒸氣보다 10∼100 배 이상으로 훨씬 높아 대개 2∼5000 mJ의 범위에
있는 것으로 알려져 있다.
粉塵의 最小點火 Energy는 化學的 成分외에 粒子의 크기에도 의존한다.
보통 粉舊의 粒子가 크면 點火 Energy도 커진다. Aluminium 粉塵의
最小點火 Energy는 20 mJ, 木粉은 30 mJ, 小麥粉은 160 mJ 등이다.
두 가지 이상의 可燃性物質이 섞여 있는 混合物의 경우, 각각의
물질의 濃度가 爆發下限界 이하일지라도 爆發性을 가질 수 있다.
특히 混合物을 구성하고 있는 物質들의 狀態가 다른 것을
異狀混合物이라고 하는데, 이 경우 點火 Energy는 크게 낮아질 수
있다. 예를 들어 粉塵에 가스가 혼합되면, 혼합된 가스의 含量이
爆發 下限界보다 크게 낮더라도 爆發이 일어날 위험이 있다.
또한, 공기중의 酸素 濃度가 증가할수록 點火 Encrgy는 감소하여
爆發 危險性이 커지게 된다.
3) 消舊距離
消焰距離는 爆發性 混合氣體로 채워진 容器를 좁은 通路로 연결된
2 部分으로 隔離한 경우, 한 쪽에 있는 混合氣體를 點火한 후 火焰이
이 좁은 通路를 傳播하여 가서 다른 쪽의 混合氣體에 引火될 때에
있어서 引火가 가능한 最大의 좁은 通路의 길이를 말한다.
즉, 이 길이보다 길 경우 火焰은 傳播되지 못하여 다른 쪽의
混合氣體를 引火시키지 못한다. 最小點火 Energy는 Energy 供給源의
幾何學的 形狀 및 供給速度와 方法에 따라 크게 영향을 받고,
消焰距離는 좁은 通路部分의 幾何學的 形狀에 크게 의존하며
이 兩者間에는 밀접한 관계가 있다.
[그림4]
最小點火 Energy Emin와 消焰距離 d의 관계
(炭化水素-空氣系)
(그림4) 는 각종 炭化水素類-空氣系에 대하여 平板 消焰距離와
最小點火 Energy와의 관계를 나타낸 것이다. 이 그림에서 보면,
最小點火 Energy Emin 와 消焰距離 d 사이에는 다음과 같은 관계가
있음을 알 수 있다.
E min ∝ d^2
이 식에서 可燃性 混合氣體가 點火되고 안정된 火焰傳播로 移行하기
위해서는 처음에 작은 點火容積이 存在하고 그 表面積이 關係하고
있는 듯이 보여진다. 이 最初의 火焰球가 갖는 全 Energy는
最小點火 Energy보다 약간크고 火焰의 傳播에 필요한 最小火焰直徑은
火焰의 消焰距離보다 약간 작다.
晨小點火 Energy Emin는 火焰傳播를 일으키는 臨界熱量으로
보여지는데, 이는 火焰面이 갖는 最小 Energy로 생각되어 진다.
4) 可燃性 氣體·蒸氣의 最小點火 Energy
容量性 불꽃放電은 誘導性 불꽃放電과 比較하여 電流값이 크고,
放電持績 時間이 그리 짧은 특징을 갖고 靜電氣放電과 같은 양상을
나타낸다. 이 때문에 容量性 불꽃放電에 의하여 구해진 點火
Energy는 그대로 靜電氣放電에 의한 點火性과 결부시키는 것이
가능하다.
(1) 溫度 및 壓力에 의한 影響
일반적으로 最小點火 Energy는 溫度의 上昇에 따라 현저하게
감소한다.
몇 가지 物質들의 點火 Energy의 溫度變化를 나타내며,
이 수치들은 대체적으로 다음 式을 따른다.
Eig = C e^kTo
여기서 Eig : 點火 Energy To : 可燃性 混合氣體의 初期溫度,
C 및 k : 可燃性物質에 따른 定歎.
最小點火 Energy의 壓力 依存性은 다음 식으로 나타내어진다.
Eig · Pb = 一定
여기서 P는 壓力(Power)이며, 그리고 대개의 경우, b ? 2 이다.
따라서, 壓力이 低下하면, 最小點火 Energy는 增加하지만 아주
낮은 壓力에서는 點火가 일어나지 않게 되며, 이 때의 壓力을
最小點火壓力이라 부른다. 最小點火壓力은 電極間際, 燃燒容器의
크기 등 實騷裝置에 크게 依在하므로 이를 決定하는 것은 거의
不可能하다. 最小點火 Energy의 壓力依存度를 實驗的으로 구하기
위해서는 電極問隙에 의한 消焰效果도 壓力에 의존하므로
電極間隙과 壓力을 變數로 하여 測定하여야 한다.
(7) 組成 및 添加物에 의한 影響
點火 Energy는 可燃性 混合氣體의 濃度에 따라서 현저하게
變化하여, 化學量論比 근처에서 最小値를 갖고, 低濃度側과
高濃度側에서 無限大가 된다.
이는 可燃範圍의 上限界 및 下限界를 定하는 의미를 갖고 있다.
대개의 可燃性物質에서는 最小點火 Energy는 化學量論比
(Stoichiometric Ratio) 보다 可燃性物質이 약간 高濃度인 쪽에서
나타난다. 點火 Energy와 濃度의 관계가 특이한 모양을 갖는
Acetylene-空氣系에 대한 것이 (그림5)에 나와 있다.
이 그림은 可燃節圍의 上限界가 存在하지 않음을 보여주고 있는데,
이는 충분히 높은 點火 Energy를 가하면 Acetylene 單一 Gas에
의한 分解爆發이 일어나기 때문이다.
[그림5]
Acetylene-空氣系의 點火 Energy
[그림6]
Methane-酸素系의 最小點火 Energy의 添加物에 대한 效果
可燃性 混合氣體에 不活性氣體를 첨가하면 最小點火 Energy가
증가한다.
(그림6)는 Metane-酸素系에 대한 不活性氣體의 添加 效果를
나타내고 있다.
그 效果는 He > N2 > Ar의 順序가 된다.
그 이유는 添加物質의 比熱과 熱傳導率에 관계하기 때문이다.
二酸化炭素의 效果는 He 程度의 효과를 갖고 있으나 可燃性物質에
따라 다를 수 있다.
(3) 기타 因子에 의한 影響
點火 Energy의 大小는 可燃性物質의 化學構适 따라서도 다르다.
炭化水素의 點火 Energy의 경우 Alkane > Alkene >Alkyne의 順으로
감소한다. Chain의 길이, Branch 및 負(-) 置換基는 點火 Energy를
증가시키고, 共有結合은 이를 감소시킨다. 또한, 過酸化結合은 點火
Energy를 감소시키고, Ester 및 Ketone 結合은 이를 증가시킨다.
可燃性 混合氣體가 流動하고 있을 경우에는 流勳速度가 클수록
點火 Energy가 커지게 되는데, 이는 流動할 때 熱損失이 있기
때문이다.
5) 可燃性 粉盡의 最小點火 Energy
粉塵의 最小點火 Energy는 可燃性氣體에 비하여 100∼1000 倍나
크고 대체로 10∼100 mJ이다. 粉塵爆發의 點火 Energy에 영향을
미치는 因子들로는 氣體에서와 마찬가지로 溫度, 壓力, 粉壓 濃度,
添如物 등을 들 수 있다.
이들 외에 추가적으로 粉塵粒子의 크기를 들 ?004
?있는데, 粉塵粒子의
平均 直徑이 작아질수록 下限界濃度가 낮아지고 爆發壓力을
증가시켜 爆發性을 증대시키는 경향이 있다.
이에 따라 點火 Energy도 粉塵粒子의 平均直徑이 작아지면 비례하여
작아진다. 이는 比表面積의 증가에 기인하는 것으로서 같은 크기의
平均直徑을 가진 粉塵이더라도 粉塵粒子의 形狀에 따라 달라진다.
즉, 얇은 Flake 같은 것은 球型의 경우보다 點火 Energy가 낮다.
6) 最小點火 Energy의 測定方法
最小點火 Energy는 電氣의 불꽃放電 Energy를 이용하는 방법이
精度도 높고 再現性이 좋아 일반적으로 많이 사용되고 있다.
靜電容量 C인 Condenser에 서서히 充電하고, 그 兩端의 電壓이
불꽃放電 電極의 絶緣破懷電壓 V1에 달하면 放電이 일어나게
된다. 放電후의 電壓은 v2가 되는데, 이 때의 放電 Energy E는
다음과 같이 주어진다.
1
E = ── C (V1^2 - V2^2)
2
點火의 有無에 의하여 最小點火 Energy Emin이 결정된다.
이 때 측정되는 點火 Energy는 電極의 形狀 및 電極間隙에 의하여
영향을 받으므로 이 因子들을 변수로 하여 측정하여야 한다.
粉塵爆發의 最小點火 Energy 測定方法은 可燃性 混合氣體의 경우와
원리는 同一하다. 그러나 粉塵을 균일하게 爆發容器內에 分散시키는
것이 어렵고, 最小點火 Energy가 氣體에 비하여 100∼1000 倍나
큰 것도 고려되어야 한다.
자료출처: 한국산업안전공단 |
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