석탄 粉塵 爆發

분진 폭발(粉塵 爆發)은 분진 분자의 표면에서 산소와 반응이 일어나는 것으로써 가스폭발처럼 공기와 가연물이 균일하게 혼합된 상태에서 반응하는 것이 아니고, 일정한 덩어리로 되어 있는 가연물의 주위에 산화제가 존재하여 불균일한 상태에서 반응이 일어난다.

 

 

 

석탄 粉塵 爆發

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.

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

 

 

분진폭발 요인

분진폭발은 분진의 화학적 성질과 조성과 관계가 있다. 휘발성분 함유량이 클수록 위험하며 회분(ash)의 함유량이 적을수록 발열량이 크다.

연소반응은 분진 입자의 표면에서 일어나기 때문에 연소에 의해 일어나는 압력 상승률은 대개 흩어진 분진 입자의 표면적에 따라 달라진다. 따라서 표면적이 입자 체적에 비해서 커지면 열의 발생 속도가 방산 속도보다 커져서 열축적이 발생한다. 분진 물질 전체 표면적의 주어진 양에 대한 결과적인 폭발의 격렬함은 입자 크기가 감소하면 증가한다. 입자가 작을수록 폭발은 더욱 격렬해진다. 일반적으로 가연성 분진 의의 폭발 위험 농도는 입자가 직경 420 마이크로미터 이하일 때이다.하지만 입자가 너무 작아지면 분진의 종류에 따라 서로 끌어당기는 힘이 커져 폭발성이 감소하는 경우도 있다.

분진폭발은 수분에도 영향을 받는데, 수분에 의하여 부유성이 가감소하고 수분의 증발로 점화에 필요한 에너지가 증가, 그리고 수증기가 불활성 가스 역할을 한다. 습도의 한계치 이상에서는 분진 부유물이 착화되지 않을 것이다. 그러나 주변 공기의 함수율은 일단 연소가 시작된 다음에는 확산 반응에 거의 영향을 주지 않는다.

마그네슘, 알루미늄 등과 같은 금속성 물질은 물과 반응하여 가연성 가스(수소)와 열을 발생하므로 위험성이 증가한다.

부유분진, 공기 혼합기 내에서의 난류는 연소 속도를 크게 증가시키고 그로 인하여 압력 상승률도 증가시킨다. 밀폐된 용기의 모양과 크기는 난류의 특성에 영향을 줌으로써 분진폭발의 강도에 큰 영향을 줄 수가 있다.

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.

 

 

석탄의 분류

석탄은 특성치 및 용도에 따라서 갈탄, 아역청탄, 무연탄, 원료탄, 일반탄 등 다양하게 분류된다.

이중에서 일반적으로 사용되는 기준은 탄화도에 따른  분류로써 <표 1>처럼 갈탄부터 하드콜까지 5가지로 구분할 수 있다.

<표 1> 석탄의 분류 및 구분기준

<표  1>에서 구분하는 기준 이외에 비트리나이트  반사율을 기준으로 저등급, 중등급, 고등급탄으로 구분하기도 하는데, 저등급탄에는 갈탄과 아역청탄, 중등급탄에는 역청탄, 고 등급탄에는 무연탄이 각각 해당된다. 

일반적으로 갈탄이나 역청탄, 아역청탄처럼  탄화도가 낮은 저급탄은 상대적으로 높은 휘발성분으로 인하여 저장 및 취급과정에서 자연발화의 위험성이 있는 것으로 알려져 있다.

 

 

석탄의 분진 폭발

대부분의 물질은 고체 상태에서는 연소하지 않지만, 분체 상태가 되면 산소와의 접촉 면적이 커져 연소가 쉽게 일어난다.

석탄 분진은 분진 폭발을 일으키는 대표적인 물질 중 하나다.

분진 폭발이 발생하기 위해서는 연소의 3요소인 가연물, 산소, 점화원 외에 부유 분진(suspension)과 한정된 공간(confinement)이 필요하다. 분진 폭발이 일어나기 위해서는 분진이 일정 밀도로 공기 중에 떠 있어야 하며, 한정된 공간에서 충분한 압력이 유지되어야 한다. 석탄을 이송하는 컨베이어는 석탄 분진이 비산되지 않도록 밀폐된 상태로 설치되는데, 이는 분진 폭발의 주요 원인이 된다.

 

 

석탄의 자연 발화

석탄의 종류에는 발열량이 좋아 화력발전소용으로 가장 많이 사용하는 역청탄, 발열량은 역청탄보다 낮으나 휘발분이 가장 많은 아역청탄, 가장 오래되어 탄화도가 높은 무연탄 등이 있다.

아역청탄은 역청탄보다도 탄화도가 낮기 때문에 다량의 휘발분을 함유하고 있으며, 휘발분 중에는 산소와 접촉하여 낮은 온도에서 산화가 일어나는 성분이 포함되어 있다. 따라서 석탄에서 자연 발화가 가장 일어나기 쉬운 석탄은 아역청탄이다. 아역청탄은 느린 속도의 저온 산화가 발생하고 있는 상태에서 저장 기간이 장기화되면 석탄 파일 내부에서 산화 현상이 발생한다. 산화로 생성된 열 에너지가 외부로 열 전달이 되지 않아 열이 축적되고 석탄 파일 내부 온도가 상승하면 자연 발화로 이어진다. 따라서 아역청탄과 같이 저급의 석탄을 취급하는 화력발전소는 다른 고급탄과 비교하여 자연 발화의 위험성이 크다.

 

 

<그림 1> 석탄공급시스템에서 주요 공정별 퇴적분진 발생가능 장소(출처:KOSHA 화력발전용 아역청탄 분진의 화재폭발 위험성평가 )

석탄의 장기보관은 비교적 낮은 온도범위에서도 자연발화를 유발하여 설비 내 가연성 분진운이 발생하는 경우에 점화에너지의 공급원으로써 작용될 가능성이 높다고 할 수 있다.

 또한 아역청탄의 경우 흐름성이 비교적 좋지 않아서 입자간 뭉치는 특성이 있는 것으로 관측되는데, 일반적으로 안식각(angle of repose)이 25도 보다 작으면 흐름성이 좋은 것으로, 40도 보다 크게 되면 분체의 흐름성이 좋지 않은 것으로 평가된다. 안식각은 약 50도 정도로 높은 경우는 상기 그림처럼 분체 이송 및 저장 설비의 주요 부분에서 브릿 지나 뭉침 등에 의한 분체의 퇴적층이 형성될 가능성이 높다고 할 수 있으며, 이러한 시료의 퇴적부분은 장기간 보존 시 훈연(smoldering)에 의한 자연발화로 이어져 가연성 분진운의 점화원으로 작용할 가능성이 있다고 할 수 있다.

 

 

석탄의 자연 발화 방지 대책

아역청탄을 취급하는 화력발전소의 자연 발화를 방지하기 위해서는 자연 발화성이 낮은 등급의 원료로 대체하는 것이 가장 좋은 방법이다.

그러나 저급탄을 사용하기 위해 설치된 발전소는 이 방법이 불가능하기 때문에 가능한 저장 용량을 소분하는 방식을 고려해야 한다. 이것이 불가능한 경우 석탄 파일 내부 온도를 감시하고 살수 장치를 설치하여 석탄 파일에 생기는 열을 정기적으로 제거해 주어야 한다. 집진기 하부나 버킷 엘리베이터 하부 등 공정 내 분진의 퇴적이 빈번한 장소는 청소 주기를 짧게 하고 청소가 불가능한 곳은 온도 감시 및 경고 장치를 설치하여 내부 온도를 관리해야 한다.

석탄의 저장 기간 동안에 석탄이 수분과 접촉되어 있을 경우 산화를 촉진시키기 때문에 적절한 수분 관리가 필요하다. 또한 단위 공정 설비 중 밀폐가 가능한 곳은 질소 퍼지 등의 방법으로 불활성화시키는 방법을 적용하고, 완전 밀폐가 불가능한 경우에는 살수나 스팀 분사 등의 대체 방법을 고려해야 한다.

 

 

분진 폭발 방지 대책

분진 폭발 방지 대책으로는 분진 퇴적 및 분진 운의 생성 방지, 점화원의 제거, 불활성 물질 첨가 등이 있다.

그러나 컨베이어나 버킷 엘리베이터와 같은 설비는 석탄을 계속해서 이동시키므로 부유 분진이 항상 존재할 수밖에 없어 분진 운의 생성을 완벽히 방지하기는 어렵다. 또한, 설비 내부를 질소와 같은 불활성 가스로 퍼지해 산소와의 접촉을 차단하는 방법도 있지만, 이는 비용이 많이 든다. 이에 따라 주로 스프링클러 설치가 이루어지지만, 이 방법은 화재 진압용일 뿐, 분진 폭발을 원천적으로 예방하지는 못한다.

따라서 분진 폭발 방지를 위해서는 점화원을 제거하거나 제어하는 것이 가장 효과적인 방법으로 간주되고, 그 이외에는 폭발이 발생했을 때 피해를 최소화 할 수 있는 대책을 수립하는 것이 현실적으로 유효하 다고 할 수 있다. 

이와 관련하여 적용 가능한 일반적인 방법들을 구분하여 <표 2>에 제시하였다.

 

<표 2> 화력발전소 석탄 취급공정의 안전대책

구분	내용
자연발화 방지대책	· 자연발화성이 낮은 등급의 원료로 대체를 고려. · 가능한 저장용량을 소분하는 방식을 고려하고 불가능한 경우 내부 온도 감시 및 하절기 외부 냉각장치(탱크표면 살수장치 등) 설치를 고려. · 공정 내 분진의 퇴적이 빈번한 장소의 청소주기를 짧게 할 것. (집진기 하부나 버켓엘리베이터 하부 등) · 청소가 불가능한 곳은 온도감시 및 경고장치를 설치하여 내부온도를 관리할 것. · 저장기간 동안 수분의 적절한 관리를 실시할 것. · 단위 공정 설비 중 밀폐가 가능한 곳은 질소 불활성화 등의 방법을 고려. (완전 밀폐가 불가능한 경우에는 살수나 스팀분사 등 대체방법 고려)
분진폭발관련 안전대책	· 분진이 있는 장소에서는 착화원이 될 수 있는 용접, 용단 및 그라인더 등의 작업을 하지 않는다. · 분진이 퇴적된 설비의 점검구를 한번에 열면 공기의 유입이나 부착된 분진이 탈락, 낙하하면서 부유분진이 발생하여 분진폭발 위험성이 있으므로, 개방 전 살수나 스티밍(steaming)을 실시한다. · 설비에 부착 된 분진층이 박리될 때는 대전되어 방전 위험이 있으므로 분진이 발생한 상태에서는 작업하지 않도록 하고 부유 분진이 침강하기까지 15∼20 분 간 방치한다. ·  가열된 표면에 분진이 퇴적되면 산화반응이 촉진되어 착화로 이어질 수 있으므로 과열 위험이 있는 부분은 분진 방호구조로 하고 정기적인 청소를 해야 한다. · 대형 분진 저장조를 사용하면 분진폭발한계 이상의 농도가 공간 내에 형성되어 분진폭발 위험성이 증가할 수 있으므로 저장조를 작게 하거나 여러 개의 저장조로 분할하여 설치한다. · 부유 분진의 주요 착화원이라 할 수 있는 전기 스파크, 불꽃, 정전기 방전 등에 서는100 mJ을 넘는 에너지가 발생할 수 있으므로 공정상 분진 농도의 컨트롤이 어려운 경우에는 폭발 예방을 위한 착화원 대책을 우선적으로 고려해야 한다. · 폭발과압에 따른 설비 파손이나 폭풍압 유출로 인한 작업자에의 상해 등을 예방 하기 위하여 집진기, 버켓엘이베이터, 사일로 등 대량의 부유분진이 발생하는 주요 설비에 대하여 안전설비(폭발 방산구, 폭발억제장치, 화염전파 차단장치 등)등의 설치를 검토해야 한다.

 

Reference : 1. https://namu.wiki/w/분진폭발

2. 세이프티퍼스트닷뉴스(https://www.safety1st.news)

3. KOSHA 화학사고 예방 및 원인규명을 위한 화력발전용 아역청탄 분진의 화재폭발 위험성평가