[국내논문]폐타이어 분쇄물의 자연발화현상에 대한 재연실험 및 열분석에 관한 연구 A Study on Replay Experiments and Thermal Analysis for Autoignition Phenomenon of Shredded Waste Tires원문보기
본 연구에서는 최근 빈번히 발생하고 있는 폐타이어의 가공 및 저장상황에서의 산화열에 의한 자연발화현상을 규명하기 위해 폐타이어 분쇄물에 대한 화재 재연실험과 가공 및 저장장소에서 수거한 화재 잔존물에 대한 면밀한 성분 분석 및 발화개시온도, 무게감량, 반응열 등을 분석하였다. 이를 위해 열축적이 용이한 폐타이어 분쇄물 2.5~15 mm 범위의 파쇄된 분쇄물을 대상으로 재연실험 및 DSC 및 TGA, DTA, DTG, GC/MS를 통한 열분석을 시행하여 자연발화의 가능성에 대한 과학적인 개연성을 부여하고자 하였다. 연구결과를 살펴보면 재연실험을 통하여 관찰한 결과 48시간 저장시에 온도의 급상승($178^{\circ}C$) 및 탄화현상, 연기발생이 관찰되었다. 또한 DTA, DTG 분석한 결과 $166.15^{\circ}C$에서 최초 중량감소가 일어나는 것으로 분석되었다. 아울러 DSC 및 TGA를 이용한 폐타이어 분쇄물 1(Unburnt)의 실험결과 $180^{\circ}C$ 부근에서 열분해를 시작하는 것으로 나타나 폐타이어의 발화 개시온도는 $160{\sim}180^{\circ}C$라고 말할 수 있다. 그리고 $305^{\circ}C$에서 최초 원료 무게의 10 % 중량감소가 있었고, 원료 무게의 50 % 중량감소는 $416^{\circ}C$로 분석되었다. 또한 GC/MS와 DSC를 이용한 산화성 및 자기반응성시험에 있어서는 1,3 cyclopentnadiene 등 산화성성분이 다량 검출되었지만 표준물질과 폐타이어 분쇄물과의 열분석실험결과 기준치 이하로 분석되어 자기반응성은 없는 것으로 분석되었다. 따라서 폐타이어의 산화열에 의한 자연발화현상을 방지하기 위해서는 분쇄시 열축적이 적거나 없는 냉동파쇄방식 등의 가공공정으로 전환유도를 고려해야하며 현재 파쇄 분쇄물을 대형 마대(500 kg)로 저장하는 방식에서, 마대를 소형화하여 분쇄물을 분산 저장하는 등의 방법으로 열축적을 방지해야한다.
본 연구에서는 최근 빈번히 발생하고 있는 폐타이어의 가공 및 저장상황에서의 산화열에 의한 자연발화현상을 규명하기 위해 폐타이어 분쇄물에 대한 화재 재연실험과 가공 및 저장장소에서 수거한 화재 잔존물에 대한 면밀한 성분 분석 및 발화개시온도, 무게감량, 반응열 등을 분석하였다. 이를 위해 열축적이 용이한 폐타이어 분쇄물 2.5~15 mm 범위의 파쇄된 분쇄물을 대상으로 재연실험 및 DSC 및 TGA, DTA, DTG, GC/MS를 통한 열분석을 시행하여 자연발화의 가능성에 대한 과학적인 개연성을 부여하고자 하였다. 연구결과를 살펴보면 재연실험을 통하여 관찰한 결과 48시간 저장시에 온도의 급상승($178^{\circ}C$) 및 탄화현상, 연기발생이 관찰되었다. 또한 DTA, DTG 분석한 결과 $166.15^{\circ}C$에서 최초 중량감소가 일어나는 것으로 분석되었다. 아울러 DSC 및 TGA를 이용한 폐타이어 분쇄물 1(Unburnt)의 실험결과 $180^{\circ}C$ 부근에서 열분해를 시작하는 것으로 나타나 폐타이어의 발화 개시온도는 $160{\sim}180^{\circ}C$라고 말할 수 있다. 그리고 $305^{\circ}C$에서 최초 원료 무게의 10 % 중량감소가 있었고, 원료 무게의 50 % 중량감소는 $416^{\circ}C$로 분석되었다. 또한 GC/MS와 DSC를 이용한 산화성 및 자기반응성시험에 있어서는 1,3 cyclopentnadiene 등 산화성성분이 다량 검출되었지만 표준물질과 폐타이어 분쇄물과의 열분석실험결과 기준치 이하로 분석되어 자기반응성은 없는 것으로 분석되었다. 따라서 폐타이어의 산화열에 의한 자연발화현상을 방지하기 위해서는 분쇄시 열축적이 적거나 없는 냉동파쇄방식 등의 가공공정으로 전환유도를 고려해야하며 현재 파쇄 분쇄물을 대형 마대(500 kg)로 저장하는 방식에서, 마대를 소형화하여 분쇄물을 분산 저장하는 등의 방법으로 열축적을 방지해야한다.
These days, spontaneous ignition phenomena by oxidizing heat frequently occur in the circumstances of processing and storing waste tires. Therefore, to examine the phenomena, in this work, this researcher conducted the tests of fires of fragmented waste tires (shredded tire), closely investigated co...
These days, spontaneous ignition phenomena by oxidizing heat frequently occur in the circumstances of processing and storing waste tires. Therefore, to examine the phenomena, in this work, this researcher conducted the tests of fires of fragmented waste tires (shredded tire), closely investigated components of the fire residual materials collected in the processing and storing place, and analyzed the temperature of the starting of the ignition, weight loss, and heat of reaction. For the study, this researcher conducted fire tests with fragmented waste tires in the range of 2.5 mm to 15 mm, whose heat could be easily accumulated, and performed heat analysis through DSC and TGA, DTA, DTG, and GC/MS to give scientific probability to the possibility of spontaneous ignition. According to the tests, at the 48-hour storage, rapid increase in temperature ($178^{\circ}C$), Graphite phenomenon, smoking were observed. And the result from the DTA and DTG analysis showed that at $166.15^{\circ}C$, the minimum weight loss occurred. And, the result from the test on the waste tire analysis material 1 (Unburnt) through DSC and TGA analysis revealed that at $180^{\circ}C$ or so, thermal decomposition started. As a result, the starting temperature of ignition was considered to be $160^{\circ}C$ to $180^{\circ}C$. And, at $305^{\circ}C$, 10 % of the initial weight of the material reduced, and at $416.12^{\circ}C$, 50 % of the intial weight of the material decreased. The result from the test on oxidation and self-reaction through GC/MS and DSC analysis presented that oxidized components like 1,3 cyclopentnadiene were detected a lot. But according to the result from the heat analysis test on standard materials and fragmented waste tires, their heat value was lower than the basis value so that self-reaction was not found. Therefore, to prevent spontaneous ignition by oxidizing heat of waste tires, it is necessary to convert the conventional process into Cryogenic Process that has no or few heat accumulation at the time of fragmentation. And the current storing method in which broken and fragmented materials are stored into large burlap bags (500 kg) should be changed to the method in which they are stored into small burlap bags in order to prevent heat accumulation.
These days, spontaneous ignition phenomena by oxidizing heat frequently occur in the circumstances of processing and storing waste tires. Therefore, to examine the phenomena, in this work, this researcher conducted the tests of fires of fragmented waste tires (shredded tire), closely investigated components of the fire residual materials collected in the processing and storing place, and analyzed the temperature of the starting of the ignition, weight loss, and heat of reaction. For the study, this researcher conducted fire tests with fragmented waste tires in the range of 2.5 mm to 15 mm, whose heat could be easily accumulated, and performed heat analysis through DSC and TGA, DTA, DTG, and GC/MS to give scientific probability to the possibility of spontaneous ignition. According to the tests, at the 48-hour storage, rapid increase in temperature ($178^{\circ}C$), Graphite phenomenon, smoking were observed. And the result from the DTA and DTG analysis showed that at $166.15^{\circ}C$, the minimum weight loss occurred. And, the result from the test on the waste tire analysis material 1 (Unburnt) through DSC and TGA analysis revealed that at $180^{\circ}C$ or so, thermal decomposition started. As a result, the starting temperature of ignition was considered to be $160^{\circ}C$ to $180^{\circ}C$. And, at $305^{\circ}C$, 10 % of the initial weight of the material reduced, and at $416.12^{\circ}C$, 50 % of the intial weight of the material decreased. The result from the test on oxidation and self-reaction through GC/MS and DSC analysis presented that oxidized components like 1,3 cyclopentnadiene were detected a lot. But according to the result from the heat analysis test on standard materials and fragmented waste tires, their heat value was lower than the basis value so that self-reaction was not found. Therefore, to prevent spontaneous ignition by oxidizing heat of waste tires, it is necessary to convert the conventional process into Cryogenic Process that has no or few heat accumulation at the time of fragmentation. And the current storing method in which broken and fragmented materials are stored into large burlap bags (500 kg) should be changed to the method in which they are stored into small burlap bags in order to prevent heat accumulation.
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문제 정의
현재 폐타이어의 처리를 위한 각종 재활용 방법이 개발되어 활용되는데, 그 중 20 %이상을 점유하는 가공이용 방법으로 처리하는 폐타이어 파쇄·분쇄 공장에서의 화재가 빈번히 발생하고 있으며 일부는 폐타이어 분쇄물을 저장한 장소에서 화학적 발화 요인에 의해 발화가 일어나고 있다. 그러나 고무류의 특성상 화재가 발생하면 대부분 대형화재로 이어지므로 현장감식에 필요한 잔유물이 사라지거나 전소되어 발화가능성을 입증하는데 어려움이 있어 발화원인을 오판하기 쉽고, 화학적인 발화요인에 대해서도 대부분 배제되어 미상 또는 기타의 원인으로 오판 처리될 가능성이 있는 바, 화학적 발화 가능성이 존재하는 현장에서의 화재감식 및 폐타이어 가공공정에서의 화재안전관리 시에 본 연구를 참고하여 과학적이고 체계적인 조사로 발화요인을 오판하지 않고 정확한 원인규명을 할 수 있는 방법 및 화재안전관리대책을 마련하고자 한다.
아울러 각종 취득된 자료를 정밀 분석하여 Cleanup 하였으며 2단계인 Scooping 단계로서 현장에서의 저장된 가공 및 저장상황에서의 재연실험과, 화재현장에서 수거한 화재 잔존물에 대한 면밀한 성분 분석 및 발화시작점, 최초발화온도, 무게감량, 발열량 등을 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis), DTA(Differential Thermeral Analylsis), DTG(Differential Thermogravimetry), GC(gas chromatography)/MS(Mass Spectrograph)를 활용하여 분석하였다. 3단계로서는 앞서의 단계에서 취득된 자료를 분석비교 고찰하였으며 마지막 결론으로서 향후 자연발화 가능성에 대한 개연성 및 방지법에 대해 기술하고자하였다.
현재까지의 실험결과를 토대로 폐타이어 분쇄물의 자연발화요인 및 과정을 요약하면, 열축적 된 분쇄물을 대형 마대(500 kg)에 단층 또는 복층으로 다량 저장하여 축적된 열이 외부로 배출되지 못하고 지속적인 열축적 진행되고, 열축적 된 분쇄물의 각종 산화성 물질의 산소와 접촉하여 산화반응이 진행되는 것으로 분석되었다. 따라서 현장에서의 화학적 요인에 의한 자연발화가능성 및 폐타이어 분쇄물의 자연발화 방지대책 방안으로 다음과 같이 제안하고자 한다. 먼저 자연발화 위험성에 대한 화재예방 대책으로는 특수가연물에 대한 저장·취급 기준 등 관련법규 강화해야한다.
제안 방법
폐타이어의 처리 과정은 일반적으로 가공이용, 열이용, 원형이용으로 나누어지는데, 본 연구에서는 자연발화 가능성이 존재하는 기계식 상온 가공이용 처리과정으로 생산된 파쇄·분쇄물(고무조각 등) 중, 열축적이 가장 용이한 2.5~15 mm 범위의 파쇄된 분쇄물이 공기중 산화하여 그 산화열이 축적되어 자연발화가 발생되는 가능성을 고찰하는 것으로 범위를 한정 하였다.
5~15 mm 범위의 파쇄된 분쇄물이 공기중 산화하여 그 산화열이 축적되어 자연발화가 발생되는 가능성을 고찰하는 것으로 범위를 한정 하였다. 또한 폐타이어 분석대상물은 3가지로 분류하여 실험을 수행하였다. 폐타이어 분석물 1(Unburnt) 은 전혀 타지 않은 것, 폐타이어 분석물 2는 거의 타지 않은 것(Almost Unburnt), 폐타이어 분석물 3은 탄 것(Burnt)으로 구별하여 열분석실험을 수행하였다.
또한 폐타이어 분석대상물은 3가지로 분류하여 실험을 수행하였다. 폐타이어 분석물 1(Unburnt) 은 전혀 타지 않은 것, 폐타이어 분석물 2는 거의 타지 않은 것(Almost Unburnt), 폐타이어 분석물 3은 탄 것(Burnt)으로 구별하여 열분석실험을 수행하였다. 연구방법으로는 Figure 1에서 보는바와 같이 1단계인 Screen 단계로서 각종 국내, 외 연구자료 및 동향을 파악 분석하였고 아울러 국내에서의 화재통계 중 자연발화에 관한 화재사례를 모아서 분석하였다.
또한 폐타이어 분석대상물은 3가지로 분류하여 실험을 수행하였다. 폐타이어 분석물 1(Unburnt) 은 전혀 타지 않은 것, 폐타이어 분석물 2는 거의 타지 않은 것(Almost Unburnt), 폐타이어 분석물 3은 탄 것(Burnt)으로 구별하여 열분석실험을 수행하였다. 연구방법으로는 Figure 1에서 보는바와 같이 1단계인 Screen 단계로서 각종 국내, 외 연구자료 및 동향을 파악 분석하였고 아울러 국내에서의 화재통계 중 자연발화에 관한 화재사례를 모아서 분석하였다.
폐타이어 분석물 1(Unburnt) 은 전혀 타지 않은 것, 폐타이어 분석물 2는 거의 타지 않은 것(Almost Unburnt), 폐타이어 분석물 3은 탄 것(Burnt)으로 구별하여 열분석실험을 수행하였다. 연구방법으로는 Figure 1에서 보는바와 같이 1단계인 Screen 단계로서 각종 국내, 외 연구자료 및 동향을 파악 분석하였고 아울러 국내에서의 화재통계 중 자연발화에 관한 화재사례를 모아서 분석하였다. 아울러 각종 취득된 자료를 정밀 분석하여 Cleanup 하였으며 2단계인 Scooping 단계로서 현장에서의 저장된 가공 및 저장상황에서의 재연실험과, 화재현장에서 수거한 화재 잔존물에 대한 면밀한 성분 분석 및 발화시작점, 최초발화온도, 무게감량, 발열량 등을 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis), DTA(Differential Thermeral Analylsis), DTG(Differential Thermogravimetry), GC(gas chromatography)/MS(Mass Spectrograph)를 활용하여 분석하였다.
연구방법으로는 Figure 1에서 보는바와 같이 1단계인 Screen 단계로서 각종 국내, 외 연구자료 및 동향을 파악 분석하였고 아울러 국내에서의 화재통계 중 자연발화에 관한 화재사례를 모아서 분석하였다. 아울러 각종 취득된 자료를 정밀 분석하여 Cleanup 하였으며 2단계인 Scooping 단계로서 현장에서의 저장된 가공 및 저장상황에서의 재연실험과, 화재현장에서 수거한 화재 잔존물에 대한 면밀한 성분 분석 및 발화시작점, 최초발화온도, 무게감량, 발열량 등을 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis), DTA(Differential Thermeral Analylsis), DTG(Differential Thermogravimetry), GC(gas chromatography)/MS(Mass Spectrograph)를 활용하여 분석하였다. 3단계로서는 앞서의 단계에서 취득된 자료를 분석비교 고찰하였으며 마지막 결론으로서 향후 자연발화 가능성에 대한 개연성 및 방지법에 대해 기술하고자하였다.
폐타이어 가공이용방식을 분류하면 현재 가장 많이 사용되는 방식으로 상온에서 폐타이어를 Chipping하여 갈거나 커팅하여 고무분말을 생산하는 기계식 상온 파쇄방식과 액체질소로 냉각시켜, 분쇄하여 미세 고무분말 생산하는 냉동 파쇄방식, 파쇄 Media를 물로 하여 맷돌식으로 파쇄하는 상온수 파쇄방식 등으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 실제 화재발생통계에서 일 수 있듯이 자연발화 가능성이 가장 높게 존재하는 Figure 5 및 Figure 6과 같이 기계식 상온 파쇄방식에 한정하여 집중적으로 분석하였다 .
실험도구로는 탑침 디지털온도계, BLL온도계, 열화상카메라, 디지털카메라, 온도·습도계, 위생통, 가열기, 열풍기 등을 사용하였고, 실험 대상은 폐타이어 분석물 1(Unburnt)로서 실험방법은 분쇄물을 분쇄 생산 시의 온도내외로 간접 가열한 뒤, 실내 온도를 32~35 ℃ 유지시킨 후, 온도변화 및 자연발화의 초기 형태인 탄화현상(3,4)을 고찰하였다.
앞서 언급한대로 폐타이어 분석대상물을 3가지로 분류하여 실험을 수행하였다. 폐타이어 분석물 1(Unburnt)은 전혀 타지 않은 것, 폐타이어 분석물 2는 거의 타지 않은 것(Almost Unburnt), 폐타이어 분석물 3은 탄 것(Burnt)으로 구별하여 열분석실험을 수행하였다.
성능/효과
다음 Figure 12는 열분해 장비 JCL-22 및 성분분석 장비 GC/MS를 이용하여 분석물 1(Unburnt)의 화학적 구성 성분을 분석한 것으로 고무가 62 %, 카본블랙이 31 %, 산화아연이 2 %, 황 및 아세틸렌이 각각 1 % 함유되어 있는데 반해 Figure 13은 분석물 3(Burnt)으로서 강열시에 폐타이어 분쇄물의 구성성분의 변화이다. 살펴보면 무게감량이 88 %가 되고 유기물 8 %, 폴리머 2 %, 카본블랙이 2 %, 재(ash)가 없는 것으로 분석되었다.
또한 Figure 14는 분석물 2(Almost Unburnt)의 구성성분을 분석한 것으로 즉 연소초기의 진화된 잔재물로서 카본 83 %, 수소, 7 %, 황 1 %, 산소 3 %, 질소 0 %, 재(ash)가 6 %로 분석되었다. 이상의 분석에서 알 수 있듯이 폐타이어에 강열시에는 카본블랙이 거의 2.5배 정도로 급격히 증가하는 구성성분을 보이고 있다.
68 cal/g이 아주 낮은 영역에 존재함을 Figure 17에서 볼 수 있다. 아울러 ASTM E 659-78(7)을 이용한 폐타이어분쇄물의 탄화 시작점 등 분석한 결과 탄화시작점 176.9~196.9 ℃ 사이였으며, 측정결과에서 알 수 있듯이, 탄화시작점은 분쇄물의 탄화가 매우 낮은 온도(176.9 ℃)에서도 시작되는 것으로 분석되었으며, 각종 연구 자료에서 분석된 열분해가 발생되는 온도(166.5 ℃)와 비슷한 온도 대에서 탄화가 시작되는 것으로 보아, 분쇄과정에서 높은 열이 축적된 분쇄물이 산화반응이 진행되어, 저장된 분쇄물이 탄화되는 온도까지 쉽게 접근이 가능할 것으로 보이며, 탄화시 발생하는 각종 유증기 등에 의해 발화될 가능성이 높을 것으로 판단된다. Figure 16, 18은 열분해 장비 JCL-22 및 성분분석 장비 GC/MS를 이용하여 시간경과에 따라 찾아낸 폐타이어 분쇄물에 포함된 산화성물질 및 발화성 물질의 구조식이다.
아울러 DSC, TGA이용한 폐타이어 분석물 1(Unburnt)의 DSC, TGA 실험결과도 180 ℃ 부근에서 열분해를 시작하는 것으로 나타나 폐타이어의 발화 시작점은 160~180 ℃라고 말할 수 있다.
결국 DSC, TGA실험의 반응결과를 볼 때, 냉각된 상태의 분쇄물에서는 자연발화의 가능성이 낮은 반면에, 파쇄·분쇄시에 발생된 100 ℃ 내·외 고열이 축적된 분쇄물을 저장·보관 시에는 분쇄물에 포함된 화학적물질의 산화반응으로 열이 상승되고 그 영향으로 온도가 지속적으로 상승함에 따라 열분해를 촉진시키고 열상승이 가속화되어 마침내 발화에까지 이르게 하는 실험 결과를 도출하였다.
또한 폐타이어 시료를 1일~4일 간 실내저장한 뒤, 온도·습도 등의 조건을 여름철과 가까운 환경으로 조성하여 실험한 결과, 2일경과 시에 분쇄물의 온도가 급상승하고, 분쇄물 내부에서 부분적으로 탄화된 흔적을 볼 수 있었다.
이것은 아마도 이미 한번 탄 타이어로 분자구조의 열분해가 일어나서 약해진 동일 물질(폐타이어1과 폐타이어2의 두 번째 peak의 물질로 판단된다. 위의 열분해 결과를 종합해 보면 성분이 불분명하고, 원료의 혼합과, 탄 것과 타지 않은 폐타이어의 비교는 소결부분이 샘플 채취할 때 마다 다르기 때문에 정확한 분석은 쉽지 않지만 그래도 열분해 시 거동은 위의 Figure 19~25와 비슷할 것으로 판단된다.
이상의 실험결과를 요약해 보면 재연실험을 통하여 관찰한 결과 2일째 저장시에 온도의 급상승(178 ℃) 현상이 관찰되었으며, 열분석시험인 DTA 분석 결과도 166.15 ℃에서도 중량감소가 일어나는 것으로 분석되었다. 아울러 DSC, TGA이용한 폐타이어 분석물 1(Unburnt)의 DSC, TGA 실험결과도 180 ℃ 부근에서 열분해를 시작하는 것으로 나타나 폐타이어의 발화 시작점은 160~180 ℃라고 말할 수 있다.
결국 DSC, TGA실험의 반응결과를 볼 때, 냉각된 상태의 분쇄물에서는 자연발화의 가능성이 낮은 반면에, 파쇄·분쇄시에 발생된 100 ℃ 내·외 고열이 축적된 분쇄물을 저장·보관 시에는 분쇄물에 포함된 화학적물질의 산화반응으로 열이 상승되고 그 영향으로 온도가 지속적으로 상승함에 따라 열분해를 촉진시키고 열상승이 가속화되어 마침내 발화에까지 이르게 하는 실험 결과를 도출하였다. 또한 분쇄공장에서 발생한 화재사례와 실험 결과에서 알 수 있듯이 각 공장에서 화재가 발생한 일시의 기상상태를 살펴보면, 눈 또는 비가 내리거나 습도가 매우 높은 일시에 대부분의 화재가 발생하였으며, 재연실험에서도 온도가 급상승한 시간대에는 비가 내려 습도가 매우 높았던 점을 보면, 습도가 발화에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 아울러 GC/MS를 이용하여 불에 타지 않은 것과 불에 탄것의 타이어 분쇄물의 화학적 구성성분을 분석한 결과 불에 타지 않은 것의 카본블랙은 31 %였고, 불에 탄 것은 카본블랙이 31 %로 분석되어 폐타이어에 강열시에는 카본블랙이 거의 2.
또한 분쇄공장에서 발생한 화재사례와 실험 결과에서 알 수 있듯이 각 공장에서 화재가 발생한 일시의 기상상태를 살펴보면, 눈 또는 비가 내리거나 습도가 매우 높은 일시에 대부분의 화재가 발생하였으며, 재연실험에서도 온도가 급상승한 시간대에는 비가 내려 습도가 매우 높았던 점을 보면, 습도가 발화에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 아울러 GC/MS를 이용하여 불에 타지 않은 것과 불에 탄것의 타이어 분쇄물의 화학적 구성성분을 분석한 결과 불에 타지 않은 것의 카본블랙은 31 %였고, 불에 탄 것은 카본블랙이 31 %로 분석되어 폐타이어에 강열시에는 카본블랙이 거의 2.5배 정도로 급격히 증가하는 구성성분을 보이고 있다. 또한 자기반응성실험에서는 표준물질인 과산화벤조일(BPO)과 비교시에 낮은 영역에 위치하고 있어 폐타이어 분쇄물의 자기반응성은 없는 것으로 분석되었다.
5배 정도로 급격히 증가하는 구성성분을 보이고 있다. 또한 자기반응성실험에서는 표준물질인 과산화벤조일(BPO)과 비교시에 낮은 영역에 위치하고 있어 폐타이어 분쇄물의 자기반응성은 없는 것으로 분석되었다. 이상의 분석에서 나타난 것처럼 폐타이어분쇄물의 화재발생현상은 산화반응으로 온도가 상승됨에 따라 미세한 열분해가 진행되는 과정에서 생성된 가스, 석유류 등 화학물질이 화학적 반응으로 열상승의 가속화를 촉진시키고, 외적요인으로 저장된 장소의 태양열, 산소 공급, 습도 등의 환경적 요인과 함께 산화반응의 가속화로 이어져 자체적으로 발화되는 것으로 분석되었다.
현재까지의 실험결과를 토대로 폐타이어 분쇄물의 자연발화요인 및 과정을 요약하면, 열축적 된 분쇄물을 대형 마대(500 kg)에 단층 또는 복층으로 다량 저장하여 축적된 열이 외부로 배출되지 못하고 지속적인 열축적 진행되고, 열축적 된 분쇄물의 각종 산화성 물질의 산소와 접촉하여 산화반응이 진행되는 것으로 분석되었다. 따라서 현장에서의 화학적 요인에 의한 자연발화가능성 및 폐타이어 분쇄물의 자연발화 방지대책 방안으로 다음과 같이 제안하고자 한다.
몇 가지 자연발화 사례를 보면 첫 번째로 폐타이어를 분쇄하여 건물 외벽에 즉 실외에 적재한 상태에서 연기와 불꽃이 보였고, 현장을 조사한바 폐타이어 분쇄 중 발생한 열의 축적과 외부 열에 의해 폐타이어에서 발생된 유증기에 착화된 것으로 추정되는 자연발화가 있었고(온도 20 ℃, 습도 82 %), 두 번째로는 최초 발화지점은 실내의 1차 파쇄기 주변으로 추정되나 화염으로 심하게 소훼되어 발화원을 규명할 수 없는 미상의 원인에 의해 발화하여 폐타이어 분말(생산품) 및 공장 전체로 연소 확대된 화재와(온도 0 ℃, 습도 95.9 %) 세 번째는 최초 원자재를 보관하는 실내에서 화재가 출화한 형태이나 발화요인, 발화열원 및 최초 착화물은 알 수 없는 원인미상의 화재(온도 5.8 ℃, 습도 96.1 %) 등을 들 수 있다.
실험결과로는 Figure 9와 Table 1에 나타난 것과 같이 분쇄물 저장 후, 1일째 일시적인 온도하락이 있었으나, 2일째 저장시에 온도의 급상승(178 ℃) 현상이 관찰되었으며, 이에 비례하여 온도 급상승이 관찰된 일시의 기상상태는 기상청 일기 데이터를 검색한 결과 비가 내리고 습도가 100 %에 근접한 매우 높은 상태였다. 또한 Figure 11(c)에서 나타난 결과 측정 시간대에 탄화현상 및 미소한 연기발생이 관찰되었다.
또한 자기반응성실험에서는 표준물질인 과산화벤조일(BPO)과 비교시에 낮은 영역에 위치하고 있어 폐타이어 분쇄물의 자기반응성은 없는 것으로 분석되었다. 이상의 분석에서 나타난 것처럼 폐타이어분쇄물의 화재발생현상은 산화반응으로 온도가 상승됨에 따라 미세한 열분해가 진행되는 과정에서 생성된 가스, 석유류 등 화학물질이 화학적 반응으로 열상승의 가속화를 촉진시키고, 외적요인으로 저장된 장소의 태양열, 산소 공급, 습도 등의 환경적 요인과 함께 산화반응의 가속화로 이어져 자체적으로 발화되는 것으로 분석되었다.
후속연구
둘째로는 관계자에 대한 교육 및 지도점검 강화측면으로 분쇄시 열축적이 적거나 없는 냉동파쇄방식 등의 가공공정으로 전환유도를 고려해야 하며 현재 파쇄·분쇄물을 대형 마대(500 kg)로 저장하는 방식에서, 마대를 소형화하여 분쇄물을 분산 저장하는 등의 방법으로 열축적을 방지해야한다. 또한 분쇄물 저장시 분쇄물 간의 이격을 두어 열축적을 방지하고 화재시 초기 진화를 위하여 자체 소방대를 이용한 방화순찰을 강화해야한다. 이상의 연구결과에 있어서 본 실험에서 취득된 자료가 폐타이어 분쇄물의 자연발화를 포함한 각종 화학화재 등의 현장감식과 관련업체 관계자들의 화재안전관리에 있어서 작은 도움이 되기를 기대한다.
또한 분쇄물 저장시 분쇄물 간의 이격을 두어 열축적을 방지하고 화재시 초기 진화를 위하여 자체 소방대를 이용한 방화순찰을 강화해야한다. 이상의 연구결과에 있어서 본 실험에서 취득된 자료가 폐타이어 분쇄물의 자연발화를 포함한 각종 화학화재 등의 현장감식과 관련업체 관계자들의 화재안전관리에 있어서 작은 도움이 되기를 기대한다.
참고문헌 (7)
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