[논문]알루미늄 분체의 폭발위험성과 화염전파속도

한우섭; 이수희

doi:10.7842/kigas.2012.16.5.7

알루미늄 분체의 폭발위험성과 화염전파속도
Explosion Hazards and Flame Velocity in Aluminum Powders 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.5, 2012년, pp.7 - 13

한우섭 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원) , 이수희 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원)

초록
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알루미늄 분진폭발특성에 미치는 입경과 농도 변화에 따른 영향을 20 L 구형 분진폭발시험장치를 사용하여 실험적으로 조사하였다. 실험에 사용한 알루미늄 분진의 체적 평균 입경은 15.1 및 $34.8{\mu}m$이다. 실험결과, 평균 입경 $15.1{\mu}m$에서의 폭발하한농도(LEL)는 $40g/m^3$, 최대폭발압력($P_{max}$)은 9.8 bar, 폭발압력상승속도는 ($[dP/dt]_{max}$)는 1852 bar/s이었으며, 평균입경 $34.8{\mu}m$의 경우에는 LEL이 $70g/m^3$, $P_{max}$는 7.9 bar, $[dP/dt]_{max}$는 322 bar/s가 얻어졌다. Al분진의 폭발하한농도는 입경 증가에 따라 증가하는 경향이 관찰되었다. 또한 평균입경 $15.1{\mu}m$에서의 Al분진폭발압력으로부터의 화염전파속도의 계산값은 평균입경 $34.8{\mu}m$의 경우보다 5배의 크기를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study has been done to investigate the explosion characteristics of aluminum powders with different sizes and concentrations in a 20 L spherical explosion vessel. Two different sizes of aluminum powder were used : $15.1{\mu}m$ and $34.8{\mu}m$ with a volume mean diameter. The results revealed that $15.1{\mu}m$ Al powder has a Lower explosion limit (LEL) of $40g/m^3$, a maximun explosion pressure ($P_{max}$) of 9.8 bar and a maximum rate of pressure rise ($[dP/dt]_{max}$) of 1852 bar/s, in $34.8{\mu}m$ Al powder, LEL of $70g/m^3$, $P_{max}$ of 7.9 bar and $[dP/dt]_{max}$ of 322 bar/s. The LEL of Al powders tended to increase with the increase of particle size. Also, it was found that the flame velocity calculated from the powder with $15.1{\mu}m$ was about 5 times higher than that of the powder of $34.8{\mu}m$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Al의 폭발위험성을 평가하는데 있어서 농도에 따른 평균입경의 변화가 폭발특성에 어떠한 영향을 주는지 실험적으로 조사하였다. 또한 분진폭발사고조사와 폭발예방대책을 검토하는 경우에 배관 내 분진화염의 거동 예측은 분진화염 억제 장치 등의 안전장치를 설계하거나 설치하는 경우에 중요한 자료가 될 수 있는데 이를 위해 Al분진폭발 시의 화염전파속도에 대해서도 함께 고찰하였다.
본 연구에서는 Al분진의 입경 변화에 따른 폭발 특성을 실험적으로 조사하고 분진화염전파속도를 계산, 고찰하여 다음의 결과를 얻었다.
분진화염전파속도(V_f)는 분진폭발 특성값을 활용하여 계산하는 것이 가능하며 분진의 V_f는 V_f = V^1/3⋅[(dP/dt)_m/P_m] 와 같이 나타낼 수 있다[17]. 본 연구에서는 Al의 평균입경 변화에 따른 V_f를 조사하여 화염도달시간 등을 검토하였다. 분진화염의 도달 시간에 대한 정보는 분진화염 억제장치 등의 안전장치를 설계하거나 설치하는 경우에 중요한 자료가 될 수 있다.
본 연구에서는 Al의 폭발위험성을 평가하는데 있어서 농도에 따른 평균입경의 변화가 폭발특성에 어떠한 영향을 주는지 실험적으로 조사하였다. 또한 분진폭발사고조사와 폭발예방대책을 검토하는 경우에 배관 내 분진화염의 거동 예측은 분진화염 억제 장치 등의 안전장치를 설계하거나 설치하는 경우에 중요한 자료가 될 수 있는데 이를 위해 Al분진폭발 시의 화염전파속도에 대해서도 함께 고찰하였다.
폭발압력은 분진운의 분산 상태에 따라 달라지며 이러한 조건은 분진 분산 후의 지연시간(Delay time)에 영향을 받으므로 일정한 지연시간 설정이 요구된다. 이러한 이유로 본 연구에서의 분진 분산 후 60 ms의 지연시간을 두고 착화를 실시하였다. Al분진(-325 mesh 및 -200 mesh)의 농도변화에 따른 최대 폭발압력(P_m)과 폭발압력상승속도([dP/dt]_m)를 Fig.

제안 방법

Al분진폭발특성을 유기물 분진과 비교하기 위하여 표준분체로서 평균입경 32 μm인 석송자(Lycopodium)를 사용하여 폭발압력을 실험적으로 측정하고 화염전파속도를 계산하였다 (Fig.4).
화학점화기는 5 kJ의 착화에너지를 갖고 있으며, 착화에 따른 분진 폭발의 시간-압력 파형을 관찰하고 폭발한계농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다. 일정 농도에 있어서의 폭발특성시험평가는 상온(23℃), 대기압(1atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다.
에서 실시하였다. 입경변화에 따른 폭발특성의 영향을 조사하기 위하여 325 및 200 mesh의 Al시료를 구입하여 습식 입도분석기(Beckman Coulter LS 13320)를 사용하여 입도 분포를 측정하였으며, 그 결과를 나타내면 Fig. 1과 같다. 시료 325, 200 mesh에 대한 평균입경을 측정한 결과, 각각 15.

대상 데이터

본 연구에서는 순도 99 %이상의 Al분진 시료를 사용하였다. 실험 조건은 분위기온도 23 ℃, 상대습도 44~46 % R.
이를 위해 20 L의 구형 폭발용기 체적을 갖는 분진폭발시험장치(Kühner AG, Swiss)를 사용하였다.

성능/효과

(1) Al분진의 폭발하한계는 평균입경 15.1 및 34.8μm에 있어서 각각 40, 70 g/m3이 얻어졌는데, 입경 증가는 폭발하한계 상승으로 나타났다.
(2) Al분진의 입경변화(15.1 및 34.8 μm)에 따른 폭발특성을 조사한 결과, 각각 최대폭발압력은 9.8, 7.9 bar, 폭발압력상승속도는 1852, 322 bar/s가 얻어졌다.
(3) Al입경변화에 따른 최대화염전파속도는 15.1 및 34.8 μm에 있어서 각각 11, 55 m/s로 계산되었다.
8 μm에 있어서 각각 11, 55 m/s로 계산되었다. 15.1 μm의 경우 농도 2500 g/m³에서 Al분진의 화염전파속도는 유기물 분진의 표준분체에 해당하는 석송자에 비하여 7배 이상의 크기로서 Al분진의 폭발위험성이 매우 큼을 알 수 있었다.
4). 본 연구에서 조사된 석송자의 최대폭발압력은 6.3 bar가 얻어졌는데 최대폭발압력이 증가하면 화염전파속도도 증가하는 경향을 나타낸다. 화염전파속도는 500 g/m³에서 5.
상온(15℃), 대기압(1atm)에서 완전연소를 가정한 Al분진의 화학양론농도는 315 g/m³에 해당한다 [12]. 본 연구에서는 1500 g/m³에서 폭발압력이 가장 크게 나타나며 산화반응이 가장 활발하게 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 Al의 화학양론농도보다 약 5배 정도의 농도에 해당되며 이론상의 화학양론농도에 비하여 매우 큰 것을 알 수 있다.
8 μm에서는 농도 1500 g/m³에서322 bar/s로 최대로 나타났다. 입경 증가로 최대폭발압력상승속도가 급격히 감소하는데 입경의 증가가 폭발강도를 약화시키는 데 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있었다. 분진폭발 시의 강도를 평가하는 폭발압력지수(K_st)는 K_st=[dP/dt]_max·V^1/3와 같이 표현된다 [16].
9 bar, 폭발압력상승속도는 1852, 322 bar/s가 얻어졌다. 폭발강도를 나타내는 폭발특성값은 15.1㎛보다 입도가 큰 34.8㎛에서 감소하는 경향을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 금속 가공 과정에서 발생하는 분진은 어떻게 처리되는가?	국내 사업장에서 취급하고 있는 원료나 성형 제품 중에는 금속 재질인 경우가 많으며 성형제품의 가공 과정에서는 연마, 절단 등의 작업이 필수적이다. 이러한 금속 가공 과정에서 발생하는 분진은 집진기로 모아져서 폐기되거나 회수되어 재사용하게 되는데, 만일 이러한 금속분진에 착화원이 작용하면 분진폭발로 이어져 커다란 인명, 재산 손실을 초래할 수 있다.
	사고 비율이 가장 높은 금속분진 종류는 무엇인가?	국내에서 발생한 금속분진 폭발사고를 분석해보면 설비별로는 연마기, 분쇄기, 집진기와 그 주변에서 많이 발생하고 있다 [1]. 금속분진 종류별로는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg)에 의한 사고 비율이 가장 높고 사고가 반복적으로 발생하고 있어 예방 대책이 필요하다. 2010년 3월과 동년 6월에 발생한 알루미늄 분진폭발사고는 퇴적 분체의 착화가 부유 Al분 진이 존재하고 있던 집진기와 주변 배관부에까지 화염이 전이하고 이송 배관으로 연결되어 있던 쇼트기 설비로 화염이 매우 빠르게 전파하여 분진폭발 피해를 확대시킨 사례이다.
	알루미늄 분진폭발로 인한 피해예측을 위해서 화염전파속도에 대한 정보가 요구되는 이유는 무엇인가?	본 재해 사례와 같이 알루미늄 분진폭발로 인한 피해예측을 위해서는 화염전파속도(Vf)에 대한 정보가 요구된다. 집진기 등의 장치 파열로 인하여 방출된 분진화염의 장거리 전파 가능성과 배관 내의 화염전파시간을 예측하여 분진화염 전파억제장치의 설계를 위한 안전정보로 활용할 수 있기 때문이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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