[논문]마그네슘 분진의 열분해 및 발화온도 특성

한우섭; 이정석

doi:10.7842/kigas.2013.17.5.69

[국내논문] 마그네슘 분진의 열분해 및 발화온도 특성
Characteristic of Thermal Decomposition and Ignition Temperature of Magnesium Particles 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.5, 2013년, pp.69 - 74

한우섭 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원) , 이정석 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원)

초록
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본 연구에서는 Mg분진의 분진입경과 승온속도에 따른 열분해 및 발화온도 특성을 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 시료는 평균 입경이 서로 다른 38, 142, $567{\mu}m$의 Mg분진을 사용하였다. 실험에서는 열중량분석장치(TGA)와 IEC 61241-2-1규격에 따라 제작한 자연발화온도(MIT) 실험장치를 사용하여 실시하였다. 실험 결과 퇴적 Mg에 있어서 공기중 승온속도가 증가하면 중량개시온도는 증가하였으며, 동일한 승온속도 조건에서 입경의 증가는 발화온도의 증가로 나타났다. 또한 부유 Mg분진의 최저발화온도(MIT)는 평균 입경이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The study was conducted experimentally on characteristic of thermal decomposition and minimum ignition temperature of magnesium dusts. For this purpose, three different Mg dusts of mean diameter (38, 142, $567{\mu}m$) were used. Experimental investigations were conducted by using TGA(Thermo gravimetric analysis) and MIT(Minimum Ignition Temperature) apparatus made in accordance with IEC 61241-2-1 standard. As the results, temperature of weight gain in Mg dust layers increased with increasing of heating rates in air and, under the same heating rate condition, minimum ignition temperature increased with particle size. Also the MIT of suspended Mg dust clouds tended to increase with increasing of mean diameter.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화재폭발사고 발생 빈도가 높은 마그네슘(Mg) 분진의 발화위험성을 실험적으로 조사하였다. 발화온도는 분진의 존재 형태에 따라 특성이 변화하기 때문에 퇴적 및 부유 상태에서 분진 입경에 따른 발화온도 특성을 평가하였다.
부유 분진의 발화온도는 분진농도에 의존하기 때문에 농도 변화에 따라 발화온도가 달라진다. 본 연구에서는 분진 발화에 의한 실험시의 위험성을 최대한 억제하기 위하여 최대 3000 g/m³이하의 농도범위에서 실험을 수행하였다. 먼저 본 실험장치의 신뢰성을 검토하기 위하여 표준분체인 석송자(Lycopodium)를 사용하여 측정한 최저발화온도(MIT)를 문헌자료와 비교하였다.
본 연구에서는 Mg분진의 열분해 및 발화온도 특성을 조사하였다. 이를 위해 분진 입경이 열적 분해특성에 어떠한 영향을 주는가를 상세히 알기 위하여 평균 입경(38, 142, 567 μm)이 서로 다른 Mg분진에 대하여 열중량분석과 최저발화온도(MIT)를 실험적으로 조사하였으며 이하의 결과를 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 화재폭발사고 발생 빈도가 높은 마그네슘(Mg) 분진의 발화위험성을 실험적으로 조사하였다. 발화온도는 분진의 존재 형태에 따라 특성이 변화하기 때문에 퇴적 및 부유 상태에서 분진 입경에 따른 발화온도 특성을 평가하였다. Mg의 열분해특성을 승온속도 및 분진 입경에 따라 조사하고, 부유 Mg분진의 농도 변화에 따른 발화온도를 실험적으로 측정하고 고찰하였다.
발화온도는 분진의 존재 형태에 따라 특성이 변화하기 때문에 퇴적 및 부유 상태에서 분진 입경에 따른 발화온도 특성을 평가하였다. Mg의 열분해특성을 승온속도 및 분진 입경에 따라 조사하고, 부유 Mg분진의 농도 변화에 따른 발화온도를 실험적으로 측정하고 고찰하였다.
본 연구에서 사용한 Mg시료의 평균 입경은 입도분석기(Beckman Coulter LS 13320)를 사용하여 측정하였으며 측정 결과를 [Table 1]에 제시하였다. 입경 변화에 따른 Mg분진의 열분해 및 발화 특성이 어떻게 변화하는지를 조사하기 위하여 각각 38, 142, 567 μm의 평균입경을 갖는 Mg시료 분진을 사용하였다.
TGA 장비의 구성 및 사양은 [Table 2]와 같다. 시험방법은 시료물질의 양을 0.1~0.2 g 정도 분취하여 세라믹(Cramic) 재질의 시료용기(Cup)에 넣고 시료와 기준 물질을 각각 저울에 올려놓은 후, 공기분위기(유량 50 ~ 60 ㎖/min)에서 승온속도를 5~20 ℃/min로 변화시키면서 300~1200 ℃ 온도범위에서 측정하였다. 또한 분진운이 존재하는 공간의 온도를 상승시키면 분진은 발화하게 되는데 이 때의 분진 입자 주위를 둘러싸고 있는 분위기 온도를 최저발화온도(MIT ; Minimum Ignition Temperature)라고 한다.
2]에서와 같이 가열로, 분진운 시료홀더, 온도조절장치, 압축공기 제어장치 등으로 구성되어 있다. 구체적인 실험방법은 일정 농도의 분진 시료를 분진홀더(Dust sample chamber)에 충진하고 0.5 bar의 압축공기를 0.3 sec 동안 흐르게 하여 일정 온도로 승온된 가열로 내부의 세라믹 튜브관 내로 분진운을 분산시킨다. 사용한 공기는 압축된 공기 봄베를 사용하였으며 실험장치에 공기를 공급하는 전 단계에서 수분과 이물질제거장치를 설치하여 수분에 의한 발화온도 저하의 영향이 나타나지 않도록 하였다.
사용한 공기는 압축된 공기 봄베를 사용하였으며 실험장치에 공기를 공급하는 전 단계에서 수분과 이물질제거장치를 설치하여 수분에 의한 발화온도 저하의 영향이 나타나지 않도록 하였다. 분산된 분진운이 발화하여 가열로 내의 세라믹관(Ceramic tube) 하단부의 개방구에까지 화염이 전파하는지를 비데오 카메라를사용하여 관찰하였다. 발화의 판단 기준은 세라믹관 하단부의 개방구를 하방 화염전파가 통과한 것이 관찰된 경우를 발화로 판정하였다.
분산된 분진운이 발화하여 가열로 내의 세라믹관(Ceramic tube) 하단부의 개방구에까지 화염이 전파하는지를 비데오 카메라를사용하여 관찰하였다. 발화의 판단 기준은 세라믹관 하단부의 개방구를 하방 화염전파가 통과한 것이 관찰된 경우를 발화로 판정하였다. 또한 부유 분진의 농도는 분진홀더에 장착한 시료중량을 세라믹관의 체적으로 나누어서 구하였다.
발화의 판단 기준은 세라믹관 하단부의 개방구를 하방 화염전파가 통과한 것이 관찰된 경우를 발화로 판정하였다. 또한 부유 분진의 농도는 분진홀더에 장착한 시료중량을 세라믹관의 체적으로 나누어서 구하였다.
퇴적 상태의 Mg분진에 대한 발화온도 특성을 조사하기 위하여 공기 분위기의 일정한 승온속도에서 열 중량분석(TGA)을 실시하였다. [Fig.
본 연구에서는 분진 발화에 의한 실험시의 위험성을 최대한 억제하기 위하여 최대 3000 g/m³이하의 농도범위에서 실험을 수행하였다. 먼저 본 실험장치의 신뢰성을 검토하기 위하여 표준분체인 석송자(Lycopodium)를 사용하여 측정한 최저발화온도(MIT)를 문헌자료와 비교하였다. 관련 문헌에 따르면 석송자의 MIT는 420 ℃로 알려지고 있다.
이를 위해 분진 입경이 열적 분해특성에 어떠한 영향을 주는가를 상세히 알기 위하여 평균 입경(38, 142, 567 μm)이 서로 다른 Mg분진에 대하여 열중량분석과 최저발화온도(MIT)를 실험적으로 조사하였으며 이하의 결과를 얻었다.

대상 데이터

입경 변화에 따른 Mg분진의 열분해 및 발화 특성이 어떻게 변화하는지를 조사하기 위하여 각각 38, 142, 567 μm의 평균입경을 갖는 Mg시료 분진을 사용하였다.
본 연구에서 퇴적분진의 열적특성을 조사하기 위한 열중량분석장치(TGA ; Thermo gravimetric analysis)는 Mettler Toledo사의 TGA/DSC1를 사용하였다. TGA 장비의 구성 및 사양은 [Table 2]와 같다.
2]에 나타냈는데, IEC 61241-2-1(1994) 시험규격 (Methods for determining the minimum ignition temperature of dust)에 따라 제작하여 사용하였다[8]. 실험장치는 [Fig. 2]에서와 같이 가열로, 분진운 시료홀더, 온도조절장치, 압축공기 제어장치 등으로 구성되어 있다. 구체적인 실험방법은 일정 농도의 분진 시료를 분진홀더(Dust sample chamber)에 충진하고 0.
3 sec 동안 흐르게 하여 일정 온도로 승온된 가열로 내부의 세라믹 튜브관 내로 분진운을 분산시킨다. 사용한 공기는 압축된 공기 봄베를 사용하였으며 실험장치에 공기를 공급하는 전 단계에서 수분과 이물질제거장치를 설치하여 수분에 의한 발화온도 저하의 영향이 나타나지 않도록 하였다. 분산된 분진운이 발화하여 가열로 내의 세라믹관(Ceramic tube) 하단부의 개방구에까지 화염이 전파하는지를 비데오 카메라를사용하여 관찰하였다.

이론/모형

또한 분진운이 존재하는 공간의 온도를 상승시키면 분진은 발화하게 되는데 이 때의 분진 입자 주위를 둘러싸고 있는 분위기 온도를 최저발화온도(MIT ; Minimum Ignition Temperature)라고 한다. 본 연구에서 사용한 부유부진의 최소발화온도 실험장치의 개략도를 [Fig. 2]에 나타냈는데, IEC 61241-2-1(1994) 시험규격 (Methods for determining the minimum ignition temperature of dust)에 따라 제작하여 사용하였다[8]. 실험장치는 [Fig.

성능/효과

b)의 입도 범위가 100~150 μm인데 비하여 Mg c의 입도범위는 약 800 μm로서 넓은 입도 분포를 가지고 있으며 최대 입경이 900 μm로서 입경 증가에 따른 분산성이 저하되는 요인이 될 것으로 추정된다.
Mg의 최저발화온도는 38, 142 μm에서 각각 710, 740 ℃가 얻어졌으며, 입경이 증가하게 되면 최저발화온도가 증가하는 경향을 보였다.
(3) 부유 상태의 Mg분진의 MIT는 평균입경 38, 142 μm에서 각각 710, 740 ℃가 얻어졌으며, 입경이 증가하면 최저발화온도가 증가하는 경향을 보였다.
(2) 동일한 승온속도(10 ℃/min) 조건에서 퇴적 Mg 분진의 평균 입경이 38, 142, 567 μm로 변화하면 중량 개시온도는 각각 460, 480, 510℃로 측정되었는데, 입경의 증가는 발화온도의 증가로 나타났다.
(1) 평균입경 142 μm의 퇴적 Mg분진에 대하여 공기 중 승온속도를 5, 10, 20 ℃/min으로 변화시키는 경우에 중량증가 개시온도(Temperature of weight gain)는 각각 490, 510, 530 ℃가 얻어졌으며, 승온속도의 증가에 따라 중량개시온도는 증가하는 경향을 나타냈다.

후속연구

분진의 발화온도에 대한 실험적 연구는 문헌 등을 통하여 알려지고 있지만 활용 가능한 문헌값도 매우 적고 기존의 자료에서도 시험방법과 시료 조건이 명확하지 않은 것이 많다. 그러므로 금속분진의 발화특성이나 최저발화온도를 안전 대책 자료로서 활용하기 위해서는 명확한 실험 조건과 이러한 실험을 통한 조사가 필요하다.
본 연구의 실험 장치에서 567 μm의 Mg가 발화되지는 않았지만 수직연소관의 스케일을 확장시키는 경우에는 발화가 가능할 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분진의 발화온도에 영향을 주는 인자는 무엇인가?	물질의 자연발화와 열에 의한 착화이론은 열폭발 이론으로 알려진 Frank-Kamenetskii 이론을 인용하는 경우가 많다. 그러나 분진의 발화온도는 퇴적물 형상과 두께, 입경, 분위기 가스의 유속, 산소농도, 분진 농도, 퇴적밀도, 수분 등과 같은 많은 영향인자가 관여하기 때문에 이론적 예측이 힘들고 실험적인 측정에 의존할 수 밖에 없는 것이 현실이다[2]. 금속 분진을 안전하게 사용하고 저장, 취급하기 위해서는 착화 전의 위험성 지표로서 발화온도특성을 사전에 파악해 두는 것이 중요하다[3].
	최저발화온도란 무엇인가?	그러므로 분진의 발화온도는 부유나 퇴적과 같은 분진의 존재 형태를 포함하여 여러 가지 요인의 영향을 받기 때문에 일정 시험조건에서 조사, 평가하는 것이 우선적으로 필요하다. 고온 분위기에서 부유 금속분진이 발화하는 가장 낮은 분위기 온도를 최저발화온도(Minimum Ignition Temperature; MIT)라고 한다. Mg분진의 폭발특성에 대한 연구는 보고되고 있지만[4-7],금속분진의 MIT는 측정이 쉽지 않아 현실적으로 활용할 수 있는 금속분진의 MIT 문헌자료는 매우 제한적이다.
	시료량이 증가할 경우 중량증가 개시온도가 낮아질 가능성이 존재하는 이유는 무엇인가?	그러나 만일 시료량이 크게 증가하는 경우에는 동일한 승온조건에서 중량증가 개시온도는 낮아질 가능성이 있다. 중량증가는 시료의 산화반응에 의한 것이므로 시료량의 증가는 시료 내부에의 열의 축적을 용이하게 하여 보다 낮은 온도에서도 산화반응이 충분히 일어나는 조건이 형성될 수 있기 때문이다. 승온 속도가 증가하면 Mg퇴적층의 표면에서 먼저 발화가 일어나기 쉬운 조건이 되면서 Mg퇴적층 내부로의 열전달 및 산소 공급이 저하되어 중량증가가 지연되는 것으로 추정된다.

참고문헌 (8)

G. Li, C.M. Yuan, Y. Fu, Y.P. Zhong, B.Z. Chen, Inerting of Magnesium Dust Cloud with Ar, $N_2$ and $CO_2$ , Journal of Hazardous Materials, 170, 180-183, (2009).

상세보기
F.K. Sweis, The effect of admixed material on the ignition temperature of dust layers in hot environments, J. Hazard. Mater, 25-35, (1998).
Enckhoff, R. K., Dust Explosions in the process industries (3rd ed.), Amsterdam: Gulf Professional Publishing (2003).
Han, O.S., Study on Ignition Hazards of Suspended Metal Fine Particles, Occupational Safety & Health Research Institute, KOSHA, 2012-OSHIRI-920, 5-19, (2012).
Han, O.S., Lee, K.W., Properties of Explosion and Flame Velocity with Content Ratio in Mg-Al Alloy Particles, KIGAS, 16(4), 32-37, (2012).

원문보기 상세보기
Han, O.S., Lee, S.H., Effect of Mean Diameter on the Explosion Characteristic of Magnesium Dusts, KIGAS, 17(4), 33-38, (2013).

원문보기 상세보기
Dreizin, E. L., Berman, C. H., & Vicenzi, E. P., Condensed-phase Modifications in Magnesium Particle Combustion in Air, Combustion and Flame, 122(1-2), 30-42, (2000).

상세보기
IEC 61241-2-1, Methods for Determining the Minimum Ignition Temperatures of Dust (1994).

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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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