화재·폭발 사고 개요

화학 공장에서 가장 흔하게 발생하는 세 가지 사고는 화재, 폭발, 독성 물질 누출 순서대로 발생하며, 유기 용제는 화학 산업에서 화재와 폭발의 가장 흔한 원인이다.

 

 

 

화재·폭발 사고 개요

화학 공장에서 발생하는 대부분의 사고는 독성, 인화성, 폭발성 물질의 유출로 이어지고, 세 가지 사고는 화재, 폭발, 독성 물질 누출 순서대로 발생한다.

화재 및 폭발로 인한 사고를 예방하려면 엔지니어는 화재 및 폭발의 규모와 결과를 추정하기 위해 물질의 화재 및 폭발 특성, 화재 및 폭발 과정의 특성, 화재 및 폭발 위험을 줄이기 위한 절차를 숙지하고 있어야 한다.

 

 

용어의 개념

 “화재(火災, fire, blaze, conflagration) ”란 사람의 의도에 반하거나 고의에 의해 발생하는 연소현상으로서 소화시설 등을 사용하여 소화할 필요가 있는 현상을 말한다. 또한 미국 USFA, National Fire Incident Reporting System 실무서에서는 파괴적이고 통제되지 않는(destructive and uncontrolled) 가연성 고체·액체·기체의 연소(burning)를 말하며 폭발을 포함한다.

따라서 "연소" 개념 정립이 선행되어야 한다.

"연소(燃燒, combustion)" 라는 것은 “에너지 방출속도가 느린 빛과 열을 수반하는 급격한 산화반응”으로 정의된다. 

이것보다 더 반응이 빨라지면 빛과 열뿐만 아니라 압력까지 발생하는데 이를 폭발이라고 부른다. 즉 "폭발(爆發, explosion)"이라는 것은 “에너지 방출속도가 빠른 압력을 수반하는 급격한 연소반응”으로 정의할 수 있다.

폭발 초기에는 에너지의 대부분이 급속도로 방출된다. 때문에 공기는 밝은 빛을 내는 "불덩어리"로 변하며 음속을 넘는 속도로 팽창하게 된다. 이로 인해 불덩어리의 팽창면에서는 충격파*가 발생하여 공기 중으로 퍼져나가게 되며, 이것이 유리창을 깨뜨리거나 건물을 무너뜨리는 등의 피해를 야기한다.

* 충격파(Shock wave): 기체를 통과하는 갑작스러운 압력 파동으로, 야외에서 충격파가 발생하면 강한 바람이 뒤따르는데, 충격파와 바람이 결합된 것을 폭발파(blast wave)라고 한다. 충격파의 압력 증가는 매우 빠르기 때문에 이 과정은 대부분 단열 작용을 한다. 

 

연소와 폭발의 가장 큰 차이점은 에너지 방출 속도이다. 연소는 천천히 에너지를 방출하는 반면, 폭발은 일반적으로 마이크로초 단위로 빠르게 에너지를 방출한다. 또한 연소(화재)는 폭발로 인해 발생할 수 있고 폭발은 연소(화재)로 인해 발생할 수 있다.

 

연소/화재/폭발 개념에 대한 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/3

연소의 3(4)요소 및 소화의 원리

 

 

fire triangle(불의 삼각형)

연소는 물질이 산소와 급격한 화학반응을 일으켜 열과 빛을 내는 강력한 산화반응 현상이며 연료(가연물), 공기(산화제), 점화원(발화원) 등 세 가지 요소가 동시에 있어야만 연소가 이루어질 수 있어 이를 ‘연소의 3요소’라고 한다.

연소현상은 상징적으로 삼각형을 그려 표현하기도 하는데 이를 다음 그림과 같이 'fire triangle(불의 삼각형)'이라고 한다.

<그림 1> fire triangle(불의 삼각형)

 

 

연소의 3요소

화재 또는 연소란 발화된 연료가 빠르게 발열 산화되는 것을 말한다.

연료(fuel)는 고체, 액체 또는 증기 형태일 수 있다. 고체, 액체 또는 증기 형태일 수 있지만 일반적으로 증기 및 액체 연료가 점화하기 더 쉽다. 연소는 다음 그림과 같이 항상 증기상에서 일어나며, 액체는 휘발되고 고체는 연소 전에 증기로 분해된다.

<그림 2> 연소 형태에 대한 개념도

 

연료, 산화제, 점화원이 필요한 수준으로 존재하면 연소가 발생한다.

즉, (1) 연료가 없거나 충분한 양이 존재하지 않고, (2) 산화제가 없거나 충분한 양이 존재하지 않으며, (3) 점화원이 화재를 일으킬 만큼 에너지가 충분하지 않은 경우 화재는 발생하지 않는다.

화재 삼각형의 세 가지 구성 요소의 일반적인 예로는 나무, 공기, 성냥, 그리고 휘발유, 공기, 불꽃이 있다. 화학 산업에서 흔히 사용되는 다양한 연료, 산화제 및 점화원은 다음과 같다.

 

Fuels	Oxidizers	Ignition sources
Gases: acetylene, propane, carbon monoxide, hydrogen Liquids: gasoline, acetone, ether, pentane Solids: plastics, wood dust, fibers, metal particles	Gases: oxygen, fluorine, chlorine Liquids: hydrogen peroxide, nitric acid, perchloric acid Solids: metal peroxides, ammonium nitrite	Sparks, flames, static electricity, heat

 

과거에는 화재와 폭발을 통제하는 유일한 방법은 점화원을 제거하거나 줄이는 것이었다. 하지만 실제 경험에 따르면 대부분의 가연성 물질의 발화 에너지가 너무 낮고 점화원이 너무 많기 때문에 이 방법은 충분히 강력하지 않은 것으로 나타났다.

따라서 현재는 인화성 혼합물을 방지하는 데 노력을 집중하면서 점화원을 지속적으로 제거하여 화재와 폭발을 예방하는 것이다.

 

Reference : Daniel A. Crowl & Joseph F. Louvar, Chemical Process Safety Fundamentals with Applications Fourth Edition