분진폭발에 영향을 미치는 요인

분진폭발에 영향을 미치는 요인으로 분진이 폭발하는 용이도나 폭발의 격렬 정도, 착화의 용이성 등은 가스폭발과 같이 분진의 종류에 따라 많이 다르며 특히 분진의 물리적, 화학적 성상에 따라 큰 차이가 있다.

 

 

 

분진폭발에 영향을 미치는 요인

분진폭발에 영향을 미치는 요인으로 분진이 폭발하는 용이도나 폭발의 격렬 정도, 착화의 용이성 등은 가스폭발과 같이 분진의 종류에 따라 많이 다르며 특히 분진의 물리적, 화학적 성상에 따라 큰 차이가 있다.

 

 

분진폭발에 영향을 주는 인자

1. 입경 및 입자의 분포

(1) 입경이 500 ㎛ 이상의 입자라도 설비 중에서 입자가 부서져서 분진이 발생 될 수 있다.

(2) 입자의 분포도 또한 폭발에 영향을 미치며 500 ㎛ 이하의 분진이 30 % 이상 존재하는 경우에는 폭발이 발생할 수 있다.

2. 연소한계

분진의 연소하한계는 분진의 크기 및 분포에 따라 다르나 대략 20～60 g/㎥ 정도이다.

3. 최소점화에너지

(1) 분진의 최소점화에너지는 분진의 크기에 따라 다르나 보통 100 mJ 미만이다.

(2) 최소점화에너지는 시스템의 온도와 압력에 따라 영향을 받는다.

4. 최대압력 및 최대압력상승율

(1) 밀폐용기에서의 분진폭발은 급격한 압력상승을 초래한다.

(2) 분진폭발의 최대압력 및 최대압력상승율은 분진의 크기가 작을수록 증가한다.

5. 초기온도 및 압력

(1) 분진폭발은 밀폐공간내 초기온도 및 압력에 따라 폭발압력이 달라진다.

(2) 주어진 초기압력에서 초기온도가 상승하면 최대압력상승률이 감소된다.

(3) 주어진 초기온도에서 초기압력이 상승하면 최대압력상승률이 증가된다.

6. 습도 및 수분

(1) 대기의 습도는 분진폭발에 크게 영향을 주지 않는다.

(2) 분진의 수분함량이 많을수록 발화온도를 상승시킨다.

7. 불활성 물질

(1) 불활성분체는 열흡수에 의하여 분진의 연소능력을 저하시키지만 분진폭발을 방지하기 위해서는 40～80 %를 유지해야 하기 때문에 적용이 어렵다.

(2) 불활성 가스는 산화제의 농도를 희석시키므로 유용한 분진폭발 방지조치가 될 수 있다.

8. 발화온도

(1) 분진의 발화온도는 분진의 입경, 모양과 부유상태 또는 퇴적상태에 따라 다르다.

(2) 부유상태의 분진의 경우에는 열의 손실이 많아 퇴적상태보다 발화온도가 높다.

(3) 퇴적상태의 분진은 발화온도보다 낮은 온도에서 열분해하여 자연발화를 할 수 있다.

 

 

분진의 화학적 성질과 조성

분진의 화학적 성질과 조성은 분진 자체의 화학적 구조나 반응성은 대단히 중요한 요인으로 발열량이 큰 분진일수록 폭발성이 크다. 대표적인 가연성 유기고체의 발열량은 다음 표와 같다.

 

〈표 1>가연성 유기고체의 발열량

물질명	발열량(kcal/kg)
탄화수소류	> 10,000
합성품(고분자)	3,000 ~ 11,000
석탄	5,000 ~ 8,000
목재	3,500 ~ 5,000

 

석탄분진과 같이 분진에 휘발성분이 함유된 경우는 휘발성분이 많을수록 폭발이 용이하다. 특히, 석탄분진에 휘발성분이 11 % 이상이 있으면 폭발이 쉽고, 폭발의 전파가 용이한 것을 특별히 폭발성 석탄분진이라 한다.

분진 가운데 회분함량이 낮으면 폭발이 용이하고, 15~30 %의 회분함량을 가지는 역청탄으로 휘발성분이 40 % 이상인 경우는 폭발하기 쉽다. 분진 자체의 열분해 용이성이나 탄화수소 기체의 발생속도 등도 관계가 있다.

 

 

분진의 입도(Particle size)와 입도분포(Particle size distribution)

분진의 입도(Particle size)와 입도분포(Particle size distribution)에 크게영향을 많이 받는다.

그런데 입자표면에서 반응하기 위해서는 표면적이 입자체적에 비교하여 증대되면 열의 발생속도가 방산속도 보다 크게 되어 폭발이 용이하다.예를 들어, 한 변이 1㎝인 정사각형 입방체의 표면적이 6 ㎠ 지나지 않다.

그러나 이것을 분쇄하여 1㎛의 입방체로 만들면 다음 표와 같이 총 표면적의 합은 6 ㎡에 증가하여 평균입자경이 작고,밀도가 작은 쪽이 비표면적은 크게 되어, 표면에너지도 커져 폭발이 용이하게 된다.

 

〈표 2〉입자의 크기별 표면적의 증가량

분쇄하여 만든 입자 수(개)	한 변의 길이	표면적(㎡)
1 ~ 1,000	1mm	0.006
10,000	100㎛	0.06
100,000	10㎛	0.6
1,000,000	1 μm	6.0

 

같은 체를 통과한 것에서도 통과 입자의 입도 크기가 꽤 다른 경우가 있다.그러므로 통과 분진의 입도 분포를 알 필요가 있다. 다만, 입도 분포가 다름에 따른 폭발특성은 일반적으로 보다 작은 입경의 입자를 포함한 분진 쪽이 폭발성이 높다. 또한, 평균 입자의 형상과 표면의 상태는 평균 입자의 크기가 동일한 분진도 입자의 형상과 분진표면의 상태에 따라 다음 표와 같이 표면적이 달라 분진폭발에 큰 영향을 준다.

 

<표 3>분진폭발과 입자의 형성관계

시료분진	폭발지수
	구상	부정형
메타크릴산메칠의 성형 compound	6.1	>10
메타크릴산메칠, 아크릴산공중합체	7.2	>10
석탄산 수지	<0.1	>10
석탄산 수지 비가열 반응물	2.3	>10
석탄산 수지 유도체	5.8	>10

 

입자표면이 공기(산소)에 대해서 활성인 경우, 노출시간을 짧게 하면 폭발성은 높아진다.

 

 

일반적으로 침강속도(Sedimentation velocity,沈降速度)는 구형의 입자가 스토크스의 법칙(Stokes' Law)에 따라 입자 직경의 제곱에 비례하고, 유체의 밀도에 비례한다.

하지만, 실제로 부유분진의 입자가 작을수록 부유시간이 길고, 표면적이 넓어 분진폭발의 가능성이 현저하게 증가한다. 분진의 부유성은 미세한 상태의 지속성 즉, 응집의 난이에 좌우되고, 입자의 대전성이나 대전의 극성 및 흡습성에 큰영향을 받는다.

 

분진 중에 존재하는 수분

분진 중에 존재하는 수분은 폭발성에 영향을 주며, 일반적으로 분진의 부유성을 억제하지만, 소수성(疏水性)의 분진에 대해서는 부유성에 별로 영향이 없다. 수분의 증발로 점화에 유효한 에너지가 감소하거나 발화한 수증기가 불활성 가스로 작용하는 것은 대전성(帶電性)을 감소시키는 효과가 있다. 하지만, 마그네슘, 알루미늄 등과 물이 반응해 수소를 발생시켜, 오히려 위험성을 증가시키는 것도 있다.

 

 

분진의 폭발한계농도

분진의 폭발한계농도는 기체의 경우처럼 명확하지 않아 입도(粒度), 부유(浮游)상황 또는 점화원의 종류와 강도 등에 따라 복잡하게 달라진다. 일반적으로 폭발한계농도는 기체폭발과 같이 분진폭발에서도 일정한 농도한계 밖에서는 화염이 전파되지 않는다.

분진의 종류에 따라서 각각 고유의 폭발한계농도에 대한 확실한 수치는 얻을수 없다. 그러나 일반적으로 분진의 폭발하한 농도는 20~60 g/㎥, 폭발상한농도는2,000~6,000 g/㎥의 범위에 있으나 입도, 입도 분포, 그 밖의 요인에 의해서 상당히 변동이 크다.

가장 폭발을 일으키기 쉬운 농도는 대개 경우 200~500 g/㎥의 범위이다. 이농도는 분체중의 가연물이 공기 중의 산소에 의해 이론적으로 완전연소 하는 것과 같은 농도보다 수배 높은 것으로 알려져 있다.

분체설비는 정상운전 할 때는 분진농도가 폭발상한농도보다 높게 운전하여 분진폭발의 위험은 낮다. 그러나 최초 분진을 투입하거나 운전 중에 분진의 취급량이 감소하여 폭발상한농도에 들어가며 분진폭발이 일어날 가능성이 높아진다.

 

또한, 분진폭발의 규모는 주로 최대폭발압력 상승속도로 나타내나 이것도 분진의 입도, 농도, 밀폐도에 따라서 변동되며 대표적인 분진의 공기 중에서 폭발하한농도는 다음 표와 같다.

 

〈표 4〉공기 중에서의 분진의 폭발하한농도

분진	하한농도(g/㎥)		분진	하한농도(g/㎥)
요소계	70 ~140		마그네슘	20~50
페놀계	25~175		알루미늄	35~40
리그닌계	40~65		철(카보닐법)	105
비닐계	20~40		철(수소환원)	120~250
폴리스틸렌계	20		안티몬	190~220
초산셀룰로오스	35~40		지르코늄	190
셀락	14~20		망간	210~350
합성고무	30		아연	300
역청탄	30~38

 

 

폭발한계농도에 영향을 미치는 요인은 입도, 입도 분포, 수분, 산소농도, 가연성가스, 발화원 등이 있다.

1. 분진의 입도와 입도 분포는 분진의 입도가 작은 것일수록 폭발하한농도가 낮아진다.

2. 분진에 수분이 있으면 폭발하한농도가 높아져서 폭발성을 잃게 된다.

3. 산소농도가 높아지면 하한농도가 낮아짐과 동시에 입도가 큰 것도 폭발성을 갖게 되고, 산소농도를 감소시키면 폭발하한농도가 높아져서 폭발불능영역이 생기게 된다.

4. 메탄 등의 인화성 가스, 인화성 액체의 증기가 분진에 혼입해 들어오면 폭발하한농도가 저하되어 위험성이 커진다. 즉 가스가 폭발범위에 들어가면 분진이 존재하지 않더라도 폭발하고 발화에너지는 보다 작아지므로 위험성이 증가한다. 다만 분진의 폭발상한 농도에서는 가스 그 자체의 농도가 폭발 범위에 들어 있더라도 분진농도가 지나치게 크면 결국 연료과잉으로 폭발성을 잃게 된다.

 

점화원은 분진에 접촉하는 발화원의 온도와 표면의 온도가 높고 표면적이 큰 발화원 쪽의 폭발하한농도가 낮아진다.

 

Reference : 1. KOSHA 화공안전 기술편람

                    2. KOSHA GUIDE D - 16 - 2012

                    3. KOSHA GUIDE P - 41 - 2015