알루미늄(Al) 粉塵 爆發

알루미늄(Al)과 같은 경금속의 분진은 위험물안전관리법의 위험물에 해당하며, 충격 마찰불꽃, 정전기의 스파크, 자연발화 등에 의한 점화원으로 폭발화재가 될 위험이 있다.

 

 

 

알루미늄(Al) 粉塵爆發

분진폭발(粉塵爆發) 개요

분진폭발(粉塵爆發)은 아주 미세한 가연성의 입자가 공기 중에 적당한 농도로 퍼져 있을 때, 약간의 불꽃, 혹은 열만으로 돌발적인 연쇄 산화-연소를 일으켜 폭발하는 현상을 말한다. 괴상으로는 쉽게 연소하지 않는 금속 등의 고체가 미분화하여 공기와 일정한 비율로 혼합된 상태에서는, 발화원이 있으면 순간적으로 격렬하게 폭발을 일으키게 된다.

주로 목공소(톱밥), 석탄갱 및 석탄공장(석탄분진), 제분소(밀가루), 철공소(철가루), 플라스틱 가공공장(플라스틱 가루) 등에서 잘 일어난다.

분진폭발과 일반 연소를 구분하는 요소는 분진폭발은 분산(dispersion)과 밀폐(confinement)라는 요소가 추가적으로 필요하다는 것이다. 밀폐환경과 분산이 동시이 조성되었을 경우 분진폭발의 가능성이 있으나, 밀폐환경이 없을 경우 섬광화재(flash fire)로만 그 피해규모가 감소할 가능성이 있다.

 

 

분진폭발의 조건 및 특징

분진폭발의 조건은 ① 가연물, ② 미분상태, ③ 조연성가스(공기) 가운데에서의 교반과 유동, ④ 발화원의 존재 등을 들을 수 있으며 그 메카니즘은 그림 1과 같다.

<그림 1> 분진의 폭발과정

 

① 입자 표면이 열에너지를 받아 표면온도가 상승한다.

② 입자 표면의 분자가 열분해 또는 기화하여 기체 상태로 입자 주위에 방출된다.

③ 이 기체가 공기와 혼합하여 폭발성 혼합기체를 생성하고, 연소한다.

④ ①~③을 반복하여 확대하여 간다. 이 속도는 도시가스 등과 비교하여 늦다고 할 수 있다.

 

분진폭발의 특징으로써는

1. 연소속도와 폭발압력은 일반적인 가스폭발과 비교하여 작지만, 연소시간은 비교적 길고, 발생에너지가 크기 때문에 연소규모가 크다.

2. 분진폭발시에는, 분진이 연소하면서 비산하기 때문에 부근의 가연물에 국부적인 탄화를 일으키게 하거나, 작업자 등이 화상을 입기 쉽다.

3. 일단 폭발이 일어나면, 그 폭풍으로 주변의 분진올 비산시키게 되어 2차, 3차 폭발로 진전된다.

4. 가스와 비교하여 불완전 연소를 일으키기 쉽기 때문에 일산화탄소가 다량 발생하게 된다. 따라서 가스 중독의 위험이 있다.

 

 

Al 분진의 폭발연소

알루미늄 분진의 폭발연소 과정은 그림 2와 같다.

 

<그림 2> Al 분진의 폭발 연소 과정

 

① 가열된 Al분진은 공기중에서 표면이 산화되어 산화피막을 형성한다.

    4Al + 3O2 → 2Al2O3 + 400.48(kcal/mol)

② 그때 발생하는 반응열이 크기 때문에 분진의 가열이 가속된다.

⑨ 산화물은 용해 또는 기화하여 새로운 표면으로 노출함과 동시에, 내부에서 금속 원자의 증발이 시작된다.

④ 기상의 금속 증기는 즉시 연소하여 높은 열을 발생하고, 계속하여 금속의 증발을 촉진한다.

 

 

Al 분진의 폭발특성

-입도(粒度)

분진은 미세할수록 단위중량에 대한 표면적이 크게되어 공기와의 접촉 면적이 증가하기 때문에 위험도 증가한다. 입도 이외에 분진의 형상, 표면상태 등도 연소속도에 큰 영향을 미칠 수 있다.

-부유성(浮遊性)

일반적으로 입자가 작고 가벼운 것은 공기중에서 산란, 부유하기 쉽고, 공기중에 체류하는 시간도 길기 때문에 위험이 크다.

-수분

보통 수분은 분진의 부유성을 억제하고, 친수성 분진은 표면에서 수분을 흡수하여 대전성을 감소시킨다. 그러나 Al분진에 있어서는 물과 반응하기 쉽기 때문에 위험하다.

-폭발하한계

분진폭발의 경우 기체(가스)폭발과 달리 입도에 크게 좌우되지만, 분진 혼합농도의 균일화가 불가능하고, 폭발하한 농도도 기체처럼 일정하지 않다. 또 온도(열)나 발화원의 종류 및 강약에 의하여서도 변화한다. 예를 들면, AI분진의 경우 전 스파크에 의한 폭발하한농도는 50g/㎡이지만 면화약을 사용하여 점화하면 25g/㎡으로 폭발한다.

-발화온도

일정 시간 내에 부유한 분진이 발화하는 최저온도는 입도가 작을수록 낮아진다.

-최소 발화에너지

분진의 최소 발화에너지는 10~80mJ로 기체(가스)보다 크다.

-최대 폭발압력 및 압력 상승속도

파괴력을 나타내는 것으로서, 폭발압력과 압력 상승속도 모두가 큰 분진은 파괴위험이 크다고 할 수 있다.

 

 

<표 1> 금속분진의 특성

 

 

위험성지수

폭발 지수(Explosion index)는 미국 광산국에서 개발한 상대적인 분진의 폭발성을 나타내는 수치로서, 미국 펜실베이니아 주 피츠버그 시 부근에서 생산되는 석탄분진을 기준으로 하여 발화도×폭발 강도를 가지고 산출한 상대적 지수이다.

 

- 발화도= [(표준석탄분진의)최소발화에너지 X 폭발하한농도 X 발화농도]/ [(측정분진의) 최소발화에너지 X 폭발하한농도 X발화농도]

- 폭발강도= [(측정분진의)최대폭발압력 X 최대압력상승] / [(표준석탄분진의)최대폭발압력 최대압력상승속도]

- 폭발성지수= 발화도 X 폭발강도

 

<표 2> 금속분진의 폭발위험성 지수

※ 표준 석탄분진(피츠버그 탄진)을 1로 한 경우임.

 

 

Al분진의 물과의 접촉위험

Al분진이 물과 반응하면 수소가스를 발생한다.

Al은 물과 공기의 존재하에서 시간의 경과와 더불어 산화피막이 파괴되어

2Al+6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2↑와 같이 발열현상을 일으키고 수소를 발생하게 된다.

 

실험에 의하면 수온이 50℃일 때, 2시간 후에 수소를 발생하기 시작하여 4시간 34분 후에 최대 발생 23%(V)를 나타내었다. 또, 수온이 70℃인 경우에는 10분 후에 수소를 발생하기 시작하여 14분 후에는 52%(V)에 달하였다.

 

 

사고사례와 사후 조치

어느 A부품제조 공장에서 A분진에 의한 폭발·화재가 두차례 발생하였다. 폭발화재가 발생한 장소 외 공장측의 개선 조치내용을 정리하면 표 3과 같다.

 

<표 3> 화재사례와 사후조치

 

 

사고 예방대책

건축물에 덕트를 설치할 경우, 방화구획선을 관통하는 곳 이외에는 의무사항이 아니다. 즉, 공장 등에 집진용 덕트를 설치할 때 법적인 규제는 없는 셈이다.

따라서, 분진폭발이 자주 발생하는 덕트설비의 보호를 위하여서는 차후 다음과 같은 점이 보완되어야 할 것이다.

1. 분진의 퇴적을 자동으로 감지할 수 있는 용적감지기(Level sensor) 설치

2. 사이클론 내의 온도를 감지할 수 있는 센서 등의 설치

3. 집진장치의 트러블에 의한 진동을 감지하여 팬을 자동 정지시킬 수 있는 감진(感振) 장치의 설치

 

Reference : 防災 技術 위험관리정보 제75호