[논문]안전한 수소 이용을 위한 연소특성치 고찰

하동명

[국내논문] 안전한 수소 이용을 위한 연소특성치 고찰
Investigation of Combustion Properties for Using Safe Hydrogen 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.12 no.2, 2008년, pp.1 - 6

초록
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대부분의 가스공정의 안전한 설계와 조작을 위해서는 취급물질의 확실한 폭발한계, 인화점, 최소자연 발화온도, 최소산소농도 등을 알아야하고, 또한 고온 및 고압에서의 폭발한계도 알아야 한다. 본 연구에서는 수소의 안전한 취급을 위해 수소의 연소특성치인 폭발한계와 최소자연발화온도를 고찰하였다. 문헌자료를 고찰한 결과 수소의 폭발하한계와 상한계는 공기 중에서 4.0 vol%와 77.0 vol%를 추천하고, 최소 자연발화온도는 전면 가열인 경우는 $400^{\circ}C$, 국소 고온표면인 경우는 $640^{\circ}C$를 추천한다. 또한 수소의 폭발한계의 온도 및 압력의존성에 대한 새로운 예측식을 제시하였으며, 제시된 식에 의한 예측값은 문헌값과 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the safety design and operation of many gas process, it is necessary to know certain explosion limit, flash point, autoignition temperature (AIT) and minimum oxygen concentration of handling substances. Also it is necessary to know explosion limit at high temperature and pressure. In this study for the safe handling of hydrogen, explosion limit and AIT of combustion properties for hydrogen were investigated. By using the literatures data, the lower and upper explosion limits of hydrogen recommended 4.0 vol% and 77.0 vol%. Also the AIT of hydrogen with ignition sources recommended $400^{\circ}C$ at the electrically heated crucible furnace (the whole surface heating) and recommended $640^{\circ}C$ at the local hot surface. The new equations for predicting the temperature and the pressure dependence of the explosion limits of hydrogen are proposed. The values calculated by the proposed equations were a good agreement with the literature data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소의 폭발한계값들에 대해 여러 문헌에 제시된 자료를 분석하여 고찰하였으며, 폭발한계의 온도 및 압력의존성을 고찰할 수 있는 새로운 예측식을 제시하였다. 또한 최소자연발화온도 역시 발화원, 온도, 압력, 농도, 용기 등에 따라 달라지기 때문에 여러 문헌들을 고찰하여 공정의 안전을 확보할 수 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 수소의 화재 및 폭발 특성치 고찰을 통해 수소를 취급, 수송 및 저장하는 공정에서 안전성을 확보하여 중요한 자료로 이용하는데 목적이 있다. 또한, 본 연구에서 제시한 방법론을 사용하여 다른 가연성가스의 위험성평가에 도움을 주고자 한다.
본 연구에서는 미래 에너지인 수소를 현재 널리 사용되고 있는 LNG, LPG 및 가솔린 등과 위험성을 비교하고자 한다.
가연성혼합가스의 폭발한계는 초기온도, 초기압력, 산소농도, 연소열, 분자량, 발화원의 특성, 불활성가스의 비, 측정용기의 크기, 혼합기체의 물리적 상태, 화염전파방향 및 실험자의 숙련도 등에 영향을 받는다. 본 연구에서는 수소의 폭발한계값들에 대해 여러 문헌에 제시된 자료를 분석하여 고찰하였으며, 폭발한계의 온도 및 압력의존성을 고찰할 수 있는 새로운 예측식을 제시하였다. 또한 최소자연발화온도 역시 발화원, 온도, 압력, 농도, 용기 등에 따라 달라지기 때문에 여러 문헌들을 고찰하여 공정의 안전을 확보할 수 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 수소의 화재 및 폭발 특성치 고찰을 통해 수소를 취급, 수송 및 저장하는 공정에서 안전성을 확보하여 중요한 자료로 이용하는데 목적이 있다. 또한, 본 연구에서 제시한 방법론을 사용하여 다른 가연성가스의 위험성평가에 도움을 주고자 한다.
본 연구에서는 참고문헌[10]에 제시된 수소의 온도 증가에 따른 폭발하한계와 상한계 값을 이용하여 회귀분석에 의해 새로운 예측식을 제시한다. 본 연구에서 제시한 예측식에 의한 예측값과 문헌값의 차이의 정도는 A.

제안 방법

본 연구에서는 참고문헌[10]에 제시된 수소의 온도 증가에 따른 폭발하한계와 상한계 값을 이용하여 회귀분석에 의해 새로운 예측식을 제시한다. 본 연구에서 제시한 예측식에 의한 예측값과 문헌값의 차이의 정도는 A.A.P.E.(average absolute percent error)와 A.A.D.(average absolute deviation)을 사용하였다[11].
수소의 화재 및 폭발 특성치를 여러 문헌을 통해 고찰하고, 폭발한계, 자연발화온도 및 폭발한계의 온도 의존성 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
최근 문헌[5]에는 수소, 가솔린 그리고 메탄의 연소특성을 비교하여 수소를 기준으로 상대적 안전도를 제시하였는데, 본 연구에서는 수소를 기준으로 LNG의 주성분인 메탄, LPG의 하나인 프로판 및 가솔린의 연소특성을 구체적으로 구분하여 위험도를 비교하여 Table 1에 나타내었으며, Table 1에서 안정성의 순서는 1>2>3>4로 규정하였다.

이론/모형

Burgess-Wheeler 법칙을 근거로 하여 연소열과 폭발하한계의 관계에서, ∆Hc·(L25) = 1040을 식 (1)에 적용하여 폭발하한계의 온도의존식을 다음과 같이 제시하였다.

성능/효과

1) 최근 문헌을 고찰한 결과 안전을 위해서는 수소의 폭발하한계는 4.0 vol%, 폭발상한계는 77.0 vol%를 사용하는 것이 타당하다.
3) 수소 공정의 안전 확보를 위한 최소자연발화온도는 일반적으로 400℃ 이하 조건으로 운전하는 것이 타당하며, 만일 공정에서 개방된 공간에서 고온 표면(hot surface)이 발화원인 경우는 640℃를 기준으로 하는 것이 효율적이다.
최근 문헌[5]에는 수소, 가솔린 그리고 메탄의 연소특성을 비교하여 수소를 기준으로 상대적 안전도를 제시하였는데, 본 연구에서는 수소를 기준으로 LNG의 주성분인 메탄, LPG의 하나인 프로판 및 가솔린의 연소특성을 구체적으로 구분하여 위험도를 비교하여 Table 1에 나타내었으며, Table 1에서 안정성의 순서는 1>2>3>4로 규정하였다. 4가지의 연료를 기준으로할 때 수소를 1로 기준하여 상대 위험도를 나타내면 메탄은 1.03, 프로판은 1.22 그리고 가솔린은 1.44로서 수소가 가장 작은 값을 보이고 있으며, 메탄보다는 약간 큰 값으로 안전한 결과로 나타나고 있다.

후속연구

재해 예방의 중요성을 인식하다면, 완전하지 않은 예측식을 사용하기보다는 실험에 의해 확인하는 것이 바람직하나, 부득이 하게 실험하기 어려운 때는 예측식을 사용하여 안전을 확보할 수도 있다. 또한 실제와 가까운 예측식을 사용할 수 있다면 상황에 따라 제한된 실험을 해야만 할 때 실험에서 얻어진 측정 결과의 신뢰성을 고찰하는데 큰 역할을 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위험물질의 화재 및 폭발 특성 파악이 공정의 안전 확보에 중요한 이유는 무엇인가?	산업현장에서 취급하는 위험물질의 화재 및 폭발 특성 파악은 공정의 안전 확보에 중요하다. 그 이유는 위험물질의 취급, 처리, 수송 등에 있어 기기의 불안전한 상태 혹은 인적오류에 의해 위험물질이 누출되는 경우 누출된 물질이 공기와 혼합하여 혼합기체를 형성하고 주위에 발화원이 존재한다면 화재 혹은 폭발이 발생될 수 있기 때문이다. 대표적인 화재 및 폭발 특성치로는 폭발한계, 인화점, 최소자연발화점, 최소산소농도, 최소 발화에너지, 연소열 등을 들 수 있다[1,2].
	공정의 안전 확보에 중요한 것은 무엇인가?	산업현장에서 취급하는 위험물질의 화재 및 폭발 특성 파악은 공정의 안전 확보에 중요하다. 그 이유는 위험물질의 취급, 처리, 수송 등에 있어 기기의 불안전한 상태 혹은 인적오류에 의해 위험물질이 누출되는 경우 누출된 물질이 공기와 혼합하여 혼합기체를 형성하고 주위에 발화원이 존재한다면 화재 혹은 폭발이 발생될 수 있기 때문이다.
	대표적인 화재 및 폭발 특성치로는 무엇이 있는가?	그 이유는 위험물질의 취급, 처리, 수송 등에 있어 기기의 불안전한 상태 혹은 인적오류에 의해 위험물질이 누출되는 경우 누출된 물질이 공기와 혼합하여 혼합기체를 형성하고 주위에 발화원이 존재한다면 화재 혹은 폭발이 발생될 수 있기 때문이다. 대표적인 화재 및 폭발 특성치로는 폭발한계, 인화점, 최소자연발화점, 최소산소농도, 최소 발화에너지, 연소열 등을 들 수 있다[1,2].

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