폭발의 발생원인과 유형

화학물질 사고에 의한 피해는 화재, 폭발, 누출이라는 3 가지 형태의 노출에 의해 생긴다. 금번은 폭발의 발생원인과 유형에 대하여 공유하고자 한다.

 

 

 

폭발의 발생원인과 유형

폭발은 가스가 급격히 팽창하여 매우 강한 압력의 이동이나 충격파를 가져오는 현상이다. 

화재 vs. 폭발

폭발이 화재와 다른 점은 에너지의 방출 속도의 차이이다.

화재는 에너지를 느리게 방출하지만 폭발에서 방출되는 에너지는 일반적으로 10^-6초 차원에서 빠르게 일어난다. 따라서 폭발에 의한 손실의 원인은 압력이나 충격파이며, 피해 범위를 산정할 때 과압 단위(psi)로 표현한다. 충격파의 초기강도는 방출 순간의 가스압력에 의해 결정되며, 충격파의 전체 에너지는 방출가스의 전체량과 방출순간의 압력 및 온도에 의해 좌우된다.

일반적으로 화학공장에서 일어나는 폭발은 많은 경우 화재와 동반되어 피해의 규모를 키우게 된다.

 

 

폭발 분류 기준

폭발을 분류하는 기준은 여러 가지가 있는 데 원인물질의 상태를 기준으로 분류하면 가스 폭발, 분진 폭발, 가스 분해 폭발, 미스트 폭발, 고체 폭발, 증기 폭발로 분류할 수 있다.

- 가스 폭발은 가스가 공기와 혼합되어 있는 밀폐공간에서 가스의 부피가 크고 점화원이 있는 경우에 발생하며, 농도 조건과 발화원 2가지가 충족되어야만 발생한다.

- 분진 폭발은 가연성 고체가 미분말 상태로 공기 중에 현탁되어 있을 때 발생한다.

- 가스 분해 폭발은 가스폭발 중 특이한 사례이며, 가스 자체가 분해되는 과정에서 폭발이 일어나는 현상이다.

- 미스트 폭발은 가연성 액체가 증기화 되면서 공기와 균일하게 혼합된 다음 발화에 의해 폭발되는 현상이다.

- 고체 폭발은 자기반응성 고체에 의한 폭발이며, 고상간 전이에 의해서도 폭발이 일어나며, 고상에서 액상으로 전이되거나, 액상에서 기상으로 전이될 때도 폭발이 발생한다.

- 증기 폭발은 액상과 기상간의 상변화가 급격히 일어 날 때 체적팽창 때문에 과압이 생성되어 폭풍이 일어나는 현상이다.

 

 

폭발의 유형

화학공정에서 많이 일어나는 폭발은 증기운 폭발(Vapor Cloud Explosion, VCE)과 비등액체팽창증기폭발(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, BLEVE), 이상반응에 의한 폭발 등이 있다.

- 증기운 폭발(VCE)의 대부분은 개방계 증기운 폭발(Unconfined Vapor Cloud Explosion, UVCE)인데, 폭연을 일으키는 증기운에서 화염전파가 너무 빨라서 심각한 과압이 형성되면 폭발이 일어난다. UVCE에서 심각한 과압을 형성하게 되는 요인은 크게 세 가지로써 난류 혼합, 제한물이나 방출물, 폭굉이다. 즉, 증기운 폭발을 위해서는 반드시 난류성 흐름이 존재하여야 한다. 증기운 화재와 증기운 폭발의 구분은 연소속도의 차이이다. 연소속도에 의해 폭풍압 효과가 있는 경우에는 증기운 폭발이 일어나며, 없는 경우는 증기운 화재가 된다.

- 비등액체팽창증기폭발(BLEVE)은 화재에 의해서 일어난 경우에는 화구를 만들게 되며, 화재에 의한 경우가 아니라면 증기운이 생겨서 증기운 폭발로 발전하게 된다. 일반적으로 비등액체팽창증기폭발은 폭발이 일어날 때까지 단계적으로 진행된다. 처음에 가연성 액체 탱크 주변에 화재가 발생하게 되면 외부 열에 의해 탱크벽이 가열된다. 이때 탱크 내부에서는 액체가 차지하고 있는 부분의 탱크벽의 온도는 액체에 의해 냉각되지만, 액체 자체의 온도가 상승하면서 탱크 내부 압력이 빠르게 올라간다. 외부의 화염이 커져서 탱크 내부에서 기체가 차지하고 있는 부분의 탱크외벽까지 닿게 되면 탱크의 금속부분의 강도가 약해지고 최종단계에서 탱크가 파열되면서 폭발이 일어나게 된다.

- 이상반응에 의한 폭발은 반응공정에서 이상발열이 생긴 후 폭주반응에 의해 일어난다. 폭주반응은 발생 예상 조건을 예측하기 어려워 생각보다 자주 발생한다. 이상반응에 의한 폭발의 주요 원인은 반응속도 등 공정에 대한 전문성 부족이나 부적절한 운전 또는 불순물 혼입, 냉각장치 고장 등이다.

 

<표 1> 폭발의 유형

유형	정의	이미지 출처: https://en.wikipedia.org/wiki
증기운폭발 (VCE : Vapor Cloud Explosion)	가연성의 위험물질이 용기 또는 배관 내에 저장·취급되는 과정에서 서서히 지속적으로 누출되면서 대기 중에 구름형태로 모이게 되어 바람·대류 등의 영향으로 움직이다가 담배불, 정전기, 기계적 마찰, 스파크 등의 발화원에 의하여 순간적으로 모든 가스가 동시에 폭발하는 현상
비등액체 팽창증기폭발 (BLEVE: Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)	가연성 물질이 용기 또는 배관 내에 비점 이상의 온도와 압력에서 액체 상태로 저장·취급되는 상황에서 용기가 파손되면, 대기 중으로 누출되면서 갑자기 증기로 변화되어 치솟게 되는데 이때 외부 화재, 스파크, 정전기, 담뱃불 등의 발화원에 의하여 폭발과 화염이 발생되는 현상

 

 

분진 폭발

산업현장에서 자주 일어나는 폭발의 또 다른 유형은 분진 폭발이다.

위에서 언급한 바와 같이 분진 폭발은 가연성 고체가 미분말 상태로 공기 중에 현탁되어 있을 때 발생하며 먼지폭발, 분체폭발이라고도 한다. 석탄가루에 의한 탄진폭발이 잘 알려져 있으며, 그 밖에 밀가루, 설탕, 철가루, 플라스틱 가루, 폴리에틸렌, 페놀수지, 금속가루, 세제 등 많은 것이 분진폭발을 일으킨다. 

폭발한계는 분진의 크기와 점화원의 세기에 따라 다르며 최소 점화 에너지는 10~80mJ이다. 산업현장에서 분진은 주로 파쇄, 선별, 퇴적, 이적 기타 기계적 처리, 연소, 합성, 분해과정에서 발생한다. 고체가 세분되어 분체화 될 경우 고체입자는 서로 유동성을 갖게 되고 비표면적이 크게 되어 화학적 활성이 증가하기 때문에 원래 고체 상태와는 상당히 다른 성질을 나타내며 이로 인하여 폭발·화재의 위험성이 높게 된다.

분진폭발과 화재 측면에서 분진이란 200 BS mesh체를 통과하는 76μm 이하의 입자를 말하며, 최대 1,000μm(16BS mesh) 이하의 입자크기를 갖는 것은 분체로 분류한다. 공기 중에서 연소 할 수 있는 분진을 가연성 분진이라 하고 특히 공기 중의 산소가 적거나 이산화탄소만 있는 상태에서도 착화될 수 있으며 부유 상태에서는 격렬하게 폭발할 수 있는 금속분진을 폭발성 분진이라 한다.

분진의 화학적인 조성에 따라 폭발의 위험성이 달라진다. 일반적으로 COOH, OH, NH , NO , C≡N, C=N, N=N 그룹은 폭발 위험을 증가시키는 경향이 있고, Cl, Br, F 같은 할로겐족 그룹은 폭발위험을 감소시키는 경향이 있다.

분진폭발을 방지하기 위해서는 불활성 환경을 조성하고, 접지를 충실하게 하고, 현장의 분진을 제거하여 깨끗한 환경을 만들어야 한다.

 

Reference : 화학세계 2015. 09(윤준헌 화학사고의 유형과 자주 발생하는 사고형태)