수소의 폭발위험장소 설계 시 고려사항

수소의 폭발위험장소 구분도를 작성하고 수소 취급 및 저장 시설 설계 시 고려해야 될 사항에 대해 IEC 60079-10-1에서 설명하고 있는 내용에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

수소의 폭발위험장소 설계 시 고려사항

 

수소의 화재·폭발 특성

수소는 무색, 무취, 무미의 가연성 기체로 대기온도와 대기압에서 가스로 존재한다.

수소 기체의 밀도는 0℃, 1 atm에서 83.764 g/㎥ 이고, 공기에 대한 비중은 0.0695이며, 기체 중에서 최소의 가스밀도와 최대의 확산속도를 갖는다. 수소는 동일 조건으로 비교해서 가장 확산하기 쉬운 기체이며, 25℃, 1 atm에서 공기 중의 확산계수는 0.710 ㎠ /s로서 산소의 경우보다 약 3.4배 정도 크며, 부상속도도 1.2-9 m/s로서 비교적 큰 편이다.

 

1. 넓은 범위의 폭발한계

수소와 공기 또는 수소와 산소는 넓은 조성 범위에서 폭발분위기를 형성한다. 수소의 폭발한계 (flammability limits)는 101.3 kPa (14.7696 psia) 건조공기에서는 4.1-74.8%이며, 산소 분위기에서는 4.1-94%로 넓게 나타난다.

 

2. 수소의 자연발화온도

일반적으로 101.3 kPa의 압력하의 공기 중에서 773-850 K, 산소 중에서는 773-833 K이다.

 

3. 낮은 최소점화에너지

폭발한계 범위 내의 수소가 폭발하려면 점화에 필요한 최소한의 에너지가 필요하고, 이 에너지를 최소점화에너지라고 하며, 일반적인 탄화수소의 최소점화에너지는 0.24 mJ 정도이다. 수소의 경우, 최소점화에너지는 101.3 kPa에서 0.011(일부 문헌에서는 0.017) mJ로 굉장히 작은 에너지이며 사람의 정전기와 같은 작은 에너지에서도 점화할 가능성이 있다. 또한, 5.1 kPa에서 0.09 mJ, 2.03 kPa에서 0.56 mJ로 압력이 낮아질수록 최소점화에너지는 커지는 경향을 보인다.

 

4. 고압의 수소 분출 시 자기발화 위험성

고압의 수소는 공기 중으로 분출될 때 충격파가 공기를 압축하며, 접촉면에서 수소를 혼합한다. 또한 공기, 수소 혼합물의 온도가 증가하며 발화 가능성을 높이게 된다. 

 

 

수소 위험성의 이해를 위한 연소특성에 대한 자세한 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/633

수소 위험성의 이해를 위한 연소특성

 

수소 관련 설비 설계 시 고려사항

 

1. 공기 중에서 수소의 인화 범위는 부피기준으로 4% ~ 77 %이다. 수소는 통상 정유·정제공정에서와 같이 인화성 가스의 혼합물에 존재한다. 기타의 특별한 데이터를 활용할 수 없다면, 가스 혼합물이 부피기준 30% 이상의 수소를 포함하는 곳에서의 가스 그룹은 IIC 또는 IIB + H2를 고려한다. 혼합물*에서의 3%를 넘는 가스의 최소 발화온도를 온도등급으로 한다.

* IEC 60079-20-1은 관련 가스 그룹에 대해서 코크스오븐가스(COG)와 산업용 메탄과 같이 수소를 함유하는 특정 가스 혼합물에 대한 지침이다.

 

2. 수소의 발화온도는 560 ℃이다. 수소와 공기 혼합물을 발화시키는데 매우 높은 온도가 필요하지만, 수소가 누설되어 고온 표면에 노출되지 않도록 주의해야 한다.

 

3. 부력에 의한 기체의 확산율은 공기의 상대밀도에 비례한다. 수소는 공기보다 가벼워서 위쪽으로 상승하면서 급속히 확산된다. 그러나 가스가 확산됨에 따라 주어진 부피에서의 부피밀도는 공기의 밀도에 근접하는 경향이 있다. 수소의 농도가 감소됨에 따라 부피밀도는 공기의 부피밀도에 근접하고, 낮은 농도의 수소는 공기와 함께 움직이는 경향을 보인다.

 

4. 다량의 수소의 누출은 위의 공간에 축적될 수 있다. 수소가스 누출은 환기가 잘 되지 않는 작은 공간(alcove), 천장(roof peak), 지붕창(domer) 등에 가스 주머니(pocket)를 형성할 수 있다. 반대로, 이와 같은 공간에 있는 상대적으로 작은 개구부는 수소를 빠져나가게 하여 축적을 막을 수 있다.

 

5. 수소가스의 누출은 누출점 방향에서 제트 기둥(plume)을 형성한다. 제트 모멘텀이 소멸되면 기둥은 더 수직 상승하게 되고, 일반적으로 상해를 입히지 않고 환기가 잘되는 장소로 흩어진다.

 

 

6. 일반적으로 포화압력 4 bar의 용기에서 액화수소 유출은 용기 내의 극저 운(cloud) 내용물이 갑자기 주위압력에 노출될 수 있다. 이와 같은 조건에서는 액체의 상당 부분을 순간적으로 끓게 하거나 섬광을 일으키게 하고, 나머지 내용물은 잠재 초저온 증기로 흘러내린다. 액화수소는 1기압, 20 K의 온도에서 끓고 그 내용물은 충분한 열을 갖고 있는 주위온도에 노출되었을 때 액화수소를 급속히 기화시킨다. 액화수소 유출 노출 단면적은 내용물이 기화되어 온도가 올라가는 비율에 영향을 미친다. 수소의 끓는점에서 차가운 수소 증기는 온도가 올라갈 때까지 공기보다 무겁다. 차가운 증기가 공기와 혼합됨에 따라, 응축되어 육안으로 보이는 운(cloud)이 형성되는 이슬점 아래로 공기가 냉각된다. 지면 근처에 머물면서 충분히 온도가 올라가면, 눈으로 보이는 증기 운은 상승 시에 기둥을 형성할 수도 있다.

 

7. 수평방향으로의 연소를 제한하고 아래 방향으로 제한하는 것은 말할 것도 없이, 수소 공기 흔합물에서 관찰되는 화염의 앞쪽은 덜 연소된다.

다량의 수소 유출은 기둥의 중심선 쪽으로 증가된 농도의 수소를 가지는 기둥을 형성한다. 낮은 농도의 수소공기 혼합물의 지역에서는 기둥 가운데의 높은 농도에서의 발화에너지보다 더 큰 발화에너지가 필요하다. 움직임이 없고 건조한 상태의 구성이 같은 혼합물과 비교할 때, 기둥에서 움직임이 있고 증기가 있으면 더 큰 발화에너지가 필요하다.

따라서 수소기둥의 상승 시, 화학량적인 혼합물과 비교했을 때 기둥의 외곽지역(발화원과 직면할 가능성이 있는 지역)은 발화 가능성이 적다. 만약 기둥의 외곽지역에서 발화가 일어난다면, 발화원의 바로 근처에 있는 가스만이 연소될 것이며, 운(cloud)을 통한 화염의 전파 또는 폭발적인 연소의 가능성이 낮다. 따라서 일부 공정이 수소기둥을 급속히 혼합하여 운(cloud)을 통하여 공기와 화학량적인 혼합물을 형성하지 않는다면, 누출 시에 혼합(확산, 부력, 바람, 난류)에 전형적으로 영향을 주는 일반적인 요인들로는 기둥의 완전연소를 초래하지 않는다.

 

 

8. 수소 누출 감소 대책으로는 누출 시에 잠재적 발화원을 방지하기 위해서, 구조물로부터 떨어져서 공기를 개방하여 가스의 급속한 상승이 이루어지도록 할 것을 고려한다. 실내에 누출에 대한 희석 및 확산을 위해 추가적인 환기 및 적절한 공간을 제공한다.

● 수소 누출 통제조치로서의 가스탐지기를 사용하는 곳에서는 센서를 누출 포인트의 위쪽에, 그리고 천장 부근, 배출 팬 또는 배출 덕트 근처에 설치한다. 센서들은 정기적인 교정계획이 있어야 하며, 교정가스로 수소를 사용하여 교정한다.

 

9. 수소가스는 근로자에 대한 여러 안전보건상의 유해한 사항들이 있는데, 이 사항들을 시설 설치 시에 고려하여야 한다.

● 수소가스는 산소 결핍을 초래할 가능성이 있다. 공기 중에 수소가 증가한 혼합물 상태에서 짧은 시간 동안의 호흡은 안전할지도 모른다. 그러나 분위기는 잠재적으로 폭발 분위기를 형성할 수 있는 인화하한(LFL) 값 이상일 수 있다.

● 불순물이 혼입되어 있지 않는 한, 낮 동안에 수소화염을 보기는 매우 어렵다. 아주 적은 적외선을 방출하는 수소의 특성은 화염에 신체 접촉이 있을 때까지 좀처럼 수소연소를 느끼지 못한다. 공기 중에서의 수소연소는 햇볕에 과도하게 노출되었을 때와 유사한 효과를 나타내는 자외선을 생성한다.

수소는 누출이 있고 점화 또는 불꽃이 통상적으로 예견되는 곳에서 매우 쉽게 발화된다.

● 작은 누출이 발생하여 발화할 수 있지만, 유지보수 작업자가 그 지역에 들어갈 때까지 눈에 띄지 않는다. 발화된 수소기둥은 수소 누출원 쪽으로 급속한 섬광을 일으킨다. 위험요인을 제어하는 관점에서, 누출원에 위치한 수소 화재에서는 종종 수소기둥을 성장시키는 것이 바람직하다.

 

● 고온 고압 시스템과 같이 수소 누출이 문제가 되는 곳에서는 누출원에 대한 추가적인 안전조치가 필요하다. 그 안전조치는 다음을 포함한다.

- 제트 누출 모멘텀을 제한하고 확산을 촉진하는 굴절 가드

- 고온누출을 냉각시키고, 가스를 습하게 하고 제트 누출 분산작용을 변경시키기 위해 누출원 주위에 스팀 분사

● 수소 운(cloud)의 연소는 수 초 이내에 완전히 일어난다. 건물에 사용되는 건설 기자재를 점화시키는데 충분한 열에너지의 축적은 없다. 근접거리에 있는 작업자는 심각한 화상을 입을 수 있고, 인화성 액체에 직접 노출되어 발화될 수도 있다.

● 고압으로 저장된 수소는 누출 시 고속분출(jet)를 형성한다. 만약 발화 시, 화염의 통로에 위치하는 모든 것들에게 매우 위험한 거의 눈에 보이지 않은 화염의 매우 큰 고속분출이 일어난다. 누출에 대한 추가적인 제어에 취약한 조인트가 있는 고압 시스템에서 고려된다.

 

Reference : KS C IEC 60079-10-1