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문제 정의
- 최근의 국내에서 발생한 부산 실내사격장 화재폭발사고도 잠정적으로 화약분진에 의한 역화(Back Draft) 및 폭발사고로 귀결되고 있어 앞으로 다양한 종류의 분진폭발에 대한 연구 및 폭발메커니즘에 관심이 그 어느 때보다 부각되고 있다. 따라서 본 연구는 중소기업형의 밀가루제분공정 및 기능성비누제조 공정(각질제거용 비누제조공장)에서 채집한 분진인 밀가루분진(Wheat Flour Dust) 및 살리실산분진(Salicylic Acid Dust) 2종에 대하여 폭발 및 열적특성의 변화를 살펴 보기 위하여 Hartman식 분진폭발장치와 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis)를 이용하여 불활성분진인 활석(Talcum)을 혼합함으로서 변화되는 폭발하한계 및 열적 특성인 흡열량의 변화를 살펴보기 위해 실험을 수행하였다. 향후 이러한 각종분진의 폭발위험성을 평가하고 측정하는 기술적인 방법을 고찰하므로써 분진폭발연구는 물론 분체를 취급하는 공정이나 관련 산업에 있어서의 기초자료축적, 분진폭발방지 및 방호대책으로 활용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 제조현장에서 채집한 밀가루 분진 및 살리실산 분진에 대하여 서로 폭발 및 열적특성실험을 수행한 결과 다음과 같은 종합적인 결론를 도출할 수 있었다. 대상시료에 불활성분진을 첨가시 분진의 농도변화에 따른 평균폭발확률은 대상시료 2종의 평균 50%로 나타났으며 폭발하한농도는 활석분진의 비율이 증가할수록 폭발하한 농도가 증가하는 것으로, 폭발압력은 활석의 양이 많아질수록 최대폭발상승압력은 감소하는 것으로 분석되어 활석 분진이 불활성으로 열흡수제의 역할을 하는 것으로 분석되었다.
제안 방법
- 먼저 폭발유무 판정은 투명한 폴리아크릴의 폭발통을 통해 육안으로 화염을 확인한 것과 폭발음을 내며 실린더 상판의 다이아프램을 파괴시킬 때 그리고 오실로스코프에 기록된 압력파의 생성여부에 따라 판정하였으며, 불활성분진인 활석의 혼합비를 50%까지 10%로씩 증가시킴으로써 그에 따른 농도의 변화에 대한 폭발확률을 계산하였다. 다음으로 폭발압력이나 압력상승속도를 측정할 때는 다이아프램으로 폭발통을 밀폐시키고 통의 상부에 압력변환기를 부착하여 압력을 측정하였다. 폭발당시의 압력을 측정하기 위해 폭발압력 센서로부터 오실로스코프로 나타난 파형을 Wave Star(ver.
- . 또한 시료의 열적 안정성평가를 위하여 시차주사열량계(D S C, TA instruments-US-모델명: DSC Q10) 및 열중량분석기(TGA, TA instruments-US-모델명: SDT Q600)를 이용하여 온도에 따른 흡열량 및 무게감량 등의 변화를 측정하였다.
- 열적 안정성평가를 위해 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 분해개시온도, 분해최고온도, 분해종료온도, 흡열량, 열유속을 측정하였고, 이때 시료의 활석첨가에 따른 영향을 고찰하였다. 또한 열중량분석기(TGA, Thermogravimetric analysis)를 이용하여 활석 첨가시 농도의 변화에 따른 무게감량을 측정하였다.
- 1 g의 중량비로 하여 0~50 %까지 활석을 첨가하면서 실험하였다. 먼저 폭발유무 판정은 투명한 폴리아크릴의 폭발통을 통해 육안으로 화염을 확인한 것과 폭발음을 내며 실린더 상판의 다이아프램을 파괴시킬 때 그리고 오실로스코프에 기록된 압력파의 생성여부에 따라 판정하였으며, 불활성분진인 활석의 혼합비를 50%까지 10%로씩 증가시킴으로써 그에 따른 농도의 변화에 대한 폭발확률을 계산하였다. 다음으로 폭발압력이나 압력상승속도를 측정할 때는 다이아프램으로 폭발통을 밀폐시키고 통의 상부에 압력변환기를 부착하여 압력을 측정하였다.
- 분진폭발에 대한 불활성 분진의 영향을 알아보기 위해 불활성분진인 200 mesh(74µm) 이하의 활석가루(Talcum)을 사용하였고 균일한 혼합을 위하여 시료통에 넣고 흔든 후 다시 체질화한 것을 밀가루 분진 및 살리실산의 분진에 혼합한 후 폭발유무(확률계산) 및 폭발하한농도, 폭발압력을 측정 하였다.
- 분진폭발에 대한 불활성 분진의 영향을 알아보기 위해 불활성분진인 200 mesh(74µm) 이하의 활석가루(Talcum)을 사용하였고 균일한 혼합을 위하여 시료통에 넣고 흔든 후 다시 체질화한 것을 밀가루 분진 및 살리실산의 분진에 혼합한 후 폭발유무(확률계산) 및 폭발하한농도, 폭발압력을 측정하였다. 실험대상 가연성분진 2종인 밀가루분진 및 살리실산분진에 대해 각각 기본적으로 0.1 g의 중량비로 하여 0~50 %까지 활석을 첨가하면서 실험하였다. 먼저 폭발유무 판정은 투명한 폴리아크릴의 폭발통을 통해 육안으로 화염을 확인한 것과 폭발음을 내며 실린더 상판의 다이아프램을 파괴시킬 때 그리고 오실로스코프에 기록된 압력파의 생성여부에 따라 판정하였으며, 불활성분진인 활석의 혼합비를 50%까지 10%로씩 증가시킴으로써 그에 따른 농도의 변화에 대한 폭발확률을 계산하였다.
- 1초, 착화지연시간은 0초, 분진의 점화원으로는 직류고전압 7kv를 사용하였고, 이때의 점화에너지는 600mJ이었다. 열적 안정성평가를 위해 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 분해개시온도, 분해최고온도, 분해종료온도, 흡열량, 열유속을 측정하였고, 이때 시료의 활석첨가에 따른 영향을 고찰하였다. 또한 열중량분석기(TGA, Thermogravimetric analysis)를 이용하여 활석 첨가시 농도의 변화에 따른 무게감량을 측정하였다.
- 다음으로 폭발압력이나 압력상승속도를 측정할 때는 다이아프램으로 폭발통을 밀폐시키고 통의 상부에 압력변환기를 부착하여 압력을 측정하였다. 폭발당시의 압력을 측정하기 위해 폭발압력 센서로부터 오실로스코프로 나타난 파형을 Wave Star(ver.1.0) Program으로 폭발당시의 압력을 반복 실험하여 기록하였다. 이렇게 반복된 실험을 통해 얻어진 폭발압력데이터를 가지고 최소자승법(Least Square Method)에 의해 활석의 첨가비율에 따른 폭발압력의 평균치를 계산하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 시료인 밀가루분진 및 살리실산분진은 밀가루 제분공장 및 각질 제거용 비누제조현장에서 채취한 것으로 입도분석기(Laser Particle Size Analyzer, Otsuka electronics, Japan, LPA-3000)에 의해 입도를 분석한 결과 2종 모두 140 mesh(100µm) 이하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 폭발유무, 폭발하한농도 및 최대폭발상승 압력측정을 위해 Figure 1과 같이 Hartman식 분진폭발장치(TA instruments-US-모델명: DET 01)를 이용하여 실험 하였다(4). 또한 시료의 열적 안정성평가를 위하여 시차주사열량계(D S C, TA instruments-US-모델명: DSC Q10) 및 열중량분석기(TGA, TA instruments-US-모델명: SDT Q600)를 이용하여 온도에 따른 흡열량 및 무게감량 등의 변화를 측정하였다.
- 0) Program으로 폭발당시의 압력을 반복 실험하여 기록하였다. 이렇게 반복된 실험을 통해 얻어진 폭발압력데이터를 가지고 최소자승법(Least Square Method)에 의해 활석의 첨가비율에 따른 폭발압력의 평균치를 계산하였다. 실험시 공기의 압력은 0.
성능/효과
- 그리고 폭발시 압력파의 Wave모형은 살리실산과 같이 가연성이 큰 분진일수록 뚜렷하게 감지되는 것으로 나타났다. TGA 분석결과 실험대상 2종 모두 시료의 양이 증가할수록 훈소개시온도가 낮아지고 연소형태는 모두 훈소하였다. 그리고 실험대상 2종 모두 시료의 불활성분진인 활석첨가량이 적을수록 즉, 고유농도가 커질수록 무게감량은 증가하고 온도가 증가할수록 각각의 곡선의 차이는 커지는 것으로 나타나 이는 내부물질의 분해가 느리기 때문에 발생하는 것으로 분석되었다.
- 구체적으로 살펴보면 밀가루분진의 경우 350oC 부근에서 평균 약 50% 정도의 수분감량이 발생하는 것을 볼 수 있었다.
- 그리고 DSC 실험결과 나타난 바와 같이 활석의 첨가량이 증가할수록 열유속은 감소하고 온도 또한 약간의 감소상태인 것으로 분석되었다. 아울러 활석의 양이 증가할수록 전체 무게감량이 줄어드는 것으로 나타났다.
- TGA 분석결과 실험대상 2종 모두 시료의 양이 증가할수록 훈소개시온도가 낮아지고 연소형태는 모두 훈소하였다. 그리고 실험대상 2종 모두 시료의 불활성분진인 활석첨가량이 적을수록 즉, 고유농도가 커질수록 무게감량은 증가하고 온도가 증가할수록 각각의 곡선의 차이는 커지는 것으로 나타나 이는 내부물질의 분해가 느리기 때문에 발생하는 것으로 분석되었다.
- 대상시료에 불활성분진을 첨가시 분진의 농도변화에 따른 평균폭발확률은 대상시료 2종의 평균 50%로 나타났으며 폭발하한농도는 활석분진의 비율이 증가할수록 폭발하한 농도가 증가하는 것으로, 폭발압력은 활석의 양이 많아질수록 최대폭발상승압력은 감소하는 것으로 분석되어 활석 분진이 불활성으로 열흡수제의 역할을 하는 것으로 분석되었다. 그리고 폭발시 압력파의 Wave모형은 살리실산과 같이 가연성이 큰 분진일수록 뚜렷하게 감지되는 것으로 나타났다. TGA 분석결과 실험대상 2종 모두 시료의 양이 증가할수록 훈소개시온도가 낮아지고 연소형태는 모두 훈소하였다.
- 본 연구에서는 제조현장에서 채집한 밀가루 분진 및 살리실산 분진에 대하여 서로 폭발 및 열적특성실험을 수행한 결과 다음과 같은 종합적인 결론를 도출할 수 있었다. 대상시료에 불활성분진을 첨가시 분진의 농도변화에 따른 평균폭발확률은 대상시료 2종의 평균 50%로 나타났으며 폭발하한농도는 활석분진의 비율이 증가할수록 폭발하한 농도가 증가하는 것으로, 폭발압력은 활석의 양이 많아질수록 최대폭발상승압력은 감소하는 것으로 분석되어 활석 분진이 불활성으로 열흡수제의 역할을 하는 것으로 분석되었다. 그리고 폭발시 압력파의 Wave모형은 살리실산과 같이 가연성이 큰 분진일수록 뚜렷하게 감지되는 것으로 나타났다.
- 또한 승온 속도(Heating rate, °C/min)에 따른 열적 안정성을 조사하기 위하여 밀가루분진 및 살리실산분진에 대해 활석을 첨가한 각 농도별로 승온속도를 5°C/min (Figure 8, 9 및 Table 7), 10 °C/min(Figure 6)로 변화시키면서 DSC 분석을 실시하였으며 그 결과는 시료 2종 모두 승온 속도가 증가할수록 흡열개시온도가 낮은 온도부분으로 이동하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 승온 속도가 증가할수록 시료의 분해위험성이 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 온도에 따른 그래프의 변화모형을 살펴본 결과 Figure 6과 8에 나타난 바와 같이 밀가루분진의 경우는 완만한 곡선의 형태를 나타내고 있으나 Figure 7과 9에서와 같이 가연성이 큰 살리실산의 경우는 깊고 폭이 좁은 형태로 나타남을 볼 수 있었다.
- 66 %로 나타났다. 따라서 밀가루 분진과 살리실산 분진의 폭발확률비율은 가연성이 보다 큰 살리실산 분진의 경우가 폭발 가능성이 더 있음을 알 수 있었다. 또한 Table 1, 2는 본 실험의 대상 시료인 밀가루분진 및 살리실산분진에 대하여 활석 가루를 혼합하여 폭발하한농도를 측정한 결과이다.
- 이는 고유농도의 증가 즉, 활석의 농도가 낮아질수록 열분해가 빨리 진행되어지는 것과 활석의 농도 증가가 밀가루 및 살리실산의 열분해를 늦추는 것으로 판단된다. 또한 무게감량의 비율은 살리실산분진이 밀가루분진에 비하여 동일한 농도조건에서 무게감량이 훨씬 더 잘 되는 것으로 분석되었다.
- 또한 살리실산의 경우는 200°C 부근에서 평균 약 74% 정도의 수분감량이 발생하는 것을 볼 수 있었다.
- 01 MPa 나타났다. 또한 살리실산의 경우는 평균 0%시 0.55 MPa, 10 %시 0.35 MPa, 20 %시 0.29 MPa, 30%시 0.25 MPa, 40%시 0.16MPa 나타났다.
- 또한 승온 속도(Heating rate, oC/min)에 따른 열적 안정성을 조사하기 위하여 밀가루분진 및 살리실산분진에 대해 활석을 첨가한 각 농도별로 승온속도를 5oC/min (Figure 8, 9 및 Table 7), 10 o C/min(Figure 6)로 변화시키면서 DSC 분석을 실시하였으며 그 결과는 시료 2종 모두 승온 속도가 증가 할수록 흡열개시온도가 낮은 온도부분으로 이동하고 있는 것으로 나타났다.
- Table 1은 밀가루분진에 대해 불활성분진인 (Talcum)를 0%, 10%, 30%, 50%씩 첨가하면서 폭발의 유무를 판정한 결과이다. 본래의 밀가루 분진 즉 활석이 0%시에는 폭발유무판정에서 60~80%의 폭발기록을 나타냈으나 활석의 양을 40~50%로 증가시키자 폭발이 30~ 10%로 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 활석의 혼합 비율에 따른 밀가루분진의 농도변화에 따른 평균폭발확률은 39.44 %로 나타났다.
- 살리실산분진의 경우는 Table 2에 나타난 것처럼 활석의 첨가가 없을 경우에는 80~100%의 폭발을 하는 것으로 나타났으며 활석의 양을 10 %씩 증가하며 실험을 해본 결과 밀가루분진의 경우처럼 급격한 폭발감소 현상이 없는 것으로 나타났다. 살리실산 분진의 경우 활석의 혼합비율에 따른 농도변화시 평균폭발확률은 56.
- Figure 6, 7 및 Table 6은 실험 대상시료 2종에 대한 승온속도 10°C/min의 DSC 결과이다. 살펴보면 밀가루 분진의 경우에는 활석의 첨가량과는 무관하게 흡열 개시온도와 흡열 최고온도 그리고 그에 따른 흡열량의 변화가 일관성 있는 증감의 특징을 보이지 않는 반면에 살리실산의 경우에는 활석의 첨가량이 증가할수록 흡열개시 및 최고 온도 그리고 그에 따른 흡열량이 크지는 않지만 미소하게 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 밀가루 분진보다는 살리실산분진의 흡열량이 훨씬 높은 것으로 분석되어 이 또한 앞서 기술한 폭발유무 및 폭발하한농도의 결과인 살리실산의 경우가 밀가루분진의 경우보다도 가연성이 상대적으로 크다는 일치된 결과를 보여주고 있다.
- 또한 Table 1, 2는 본 실험의 대상 시료인 밀가루분진 및 살리실산분진에 대하여 활석 가루를 혼합하여 폭발하한농도를 측정한 결과이다. 살펴보면 활석분진의 비율이 증가할수록 폭발하한농도가 증가하는 것을 볼 수 있고, 최초로 폭발이 일어나지 않는 농도를 찾으면 밀가루 분진인 경우에 중량이 0.01 g으로 감소시 활석비율 30 %에서, 살리실산의 경우는 중량이 0.01 g으로 감소시 활석첨가율이 50 %에서 폭발하한농도가 각각 6.66E-3 g/L와 4.76E-3 g/L로 계산되었다. 이러한 결과를 분석해 보면 밀가루 및 살리실산분진 모두 활석의 첨가량이 증가할수록 폭발하한농도가 증가하는 결과로 보아서 첨가되는 활석의 양이 폭발하한농도를 증가시키는 결과를 초래하는 것으로 분석되었고, 밀가루분진보다는 살리실산 분진의 폭발하한농도가 높음을 알 수 있었다.
- 그리고 DSC 실험결과 나타난 바와 같이 활석의 첨가량이 증가할수록 열유속은 감소하고 온도 또한 약간의 감소상태인 것으로 분석되었다. 아울러 활석의 양이 증가할수록 전체 무게감량이 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 분해속도가 줄어드는 것이고 이것은 위험성이 감소하는 것을 나타내는 것이다.
- 이러한 결과를 분석해 보면 Table 3에서와 같이 밀가루 분진인 경우 폭발하한농도와 마찬가지로 활석의 양이 많아질수록 최대폭발압력은 활석의 첨가율이 20 % 이상에 서 급격히 감소하는 것으로 분석되었고 Table 4에 나타난 바와 같이 살리실산분진의 경우는 일정한 비율로 최대폭발압력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 76E-3 g/L로 계산되었다. 이러한 결과를 분석해 보면 밀가루 및 살리실산분진 모두 활석의 첨가량이 증가할수록 폭발하한농도가 증가하는 결과로 보아서 첨가되는 활석의 양이 폭발하한농도를 증가시키는 결과를 초래하는 것으로 분석되었고, 밀가루분진보다는 살리실산 분진의 폭발하한농도가 높음을 알 수 있었다.
후속연구
- 이상의 실험결과와 더불어 향후 분진의 폭발억제를 위한 불활성물질에 대한 연구는 불활성분진 첨가뿐만 아니라 불활성가스의 사용에 대해서도 심도있는 연구가 이루어져야 하겠다. 또한 외국의 경우와 같이 분진의 폭발방지를 위한 제도적 준비와 다양한 분진발생장소인 면장갑 공장, 가축사료공장, 설탕가공공장, 제분관련공장등과 폴리에틸렌, 폐놀수지, 금속가루 등이 부유하는 위험분위기 장소 그리고 화약류취급 및 사용업체 등 분진의 잠재 폭발위험성에 대해 시험을 통한 국가적인 안전기준도 마련되어야 하겠다(7). 마지막으로 본 연구의 내용이 분진을 취급하는 공장이나 작업장에 기초적인 자료로 적용되어 분진폭발 사고의 방지에 큰 역할을 할 수 있기를 바란다.
- 또한 외국의 경우와 같이 분진의 폭발방지를 위한 제도적 준비와 다양한 분진발생장소인 면장갑 공장, 가축사료공장, 설탕가공공장, 제분관련공장등과 폴리에틸렌, 폐놀수지, 금속가루 등이 부유하는 위험분위기 장소 그리고 화약류취급 및 사용업체 등 분진의 잠재 폭발위험성에 대해 시험을 통한 국가적인 안전기준도 마련되어야 하겠다(7). 마지막으로 본 연구의 내용이 분진을 취급하는 공장이나 작업장에 기초적인 자료로 적용되어 분진폭발 사고의 방지에 큰 역할을 할 수 있기를 바란다.
- 이상의 실험결과와 더불어 향후 분진의 폭발억제를 위한 불활성물질에 대한 연구는 불활성분진 첨가뿐만 아니라 불활성가스의 사용에 대해서도 심도있는 연구가 이루어져야 하겠다. 또한 외국의 경우와 같이 분진의 폭발방지를 위한 제도적 준비와 다양한 분진발생장소인 면장갑 공장, 가축사료공장, 설탕가공공장, 제분관련공장등과 폴리에틸렌, 폐놀수지, 금속가루 등이 부유하는 위험분위기 장소 그리고 화약류취급 및 사용업체 등 분진의 잠재 폭발위험성에 대해 시험을 통한 국가적인 안전기준도 마련되어야 하겠다(7).
- 따라서 본 연구는 중소기업형의 밀가루제분공정 및 기능성비누제조 공정(각질제거용 비누제조공장)에서 채집한 분진인 밀가루분진(Wheat Flour Dust) 및 살리실산분진(Salicylic Acid Dust) 2종에 대하여 폭발 및 열적특성의 변화를 살펴 보기 위하여 Hartman식 분진폭발장치와 DSC(Differential Scanning Calorimeter), TGA(Thermogravimetric Analysis)를 이용하여 불활성분진인 활석(Talcum)을 혼합함으로서 변화되는 폭발하한계 및 열적 특성인 흡열량의 변화를 살펴보기 위해 실험을 수행하였다. 향후 이러한 각종분진의 폭발위험성을 평가하고 측정하는 기술적인 방법을 고찰하므로써 분진폭발연구는 물론 분체를 취급하는 공정이나 관련 산업에 있어서의 기초자료축적, 분진폭발방지 및 방호대책으로 활용될 수 있을 것이다.
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