본 연구에서는 자료 제공을 목적으로 국내 분진폭발사고에서와 동일한 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene, HDPE ) 분진을 사용하여 열분해성과 착화에너지를 실험적으로 조사하였다. 폭발 민감도를 측정하기 위하여 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC), 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA) 및 최소착화에너지(minimum ignition energy, MIE) 측정장치를 사용하였다. HDPE의 체적기준 평균입경은 $61.6{\mu}m$가 얻어졌으나, 입자 크기에 따른 입자 수밀도(particle number density) 분석에서는 $0.4{\sim}4{\mu}m$의 미세 입자가 98% 이상의 비율을 갖는 것으로 나타났다. TGA 및 DSC 측정결과로부터 HDPE는 $380{\sim}490^{\circ}C$의 온도 구간에서 발화가 일어날 수 있음을 알 수 있었고, MIE는 $1200{\sim}1800g/m^3$의 HDPE의 농도 범위에서 1 mJ 이하로 측정되었는데, 이는 입자 수밀도 기준에 따른 $0.4{\sim}4{\mu}m$의 미세 입자의 비율(98 %)이 매우 높았던 것이 원인으로 판단된다.
본 연구에서는 자료 제공을 목적으로 국내 분진폭발사고에서와 동일한 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene, HDPE ) 분진을 사용하여 열분해성과 착화에너지를 실험적으로 조사하였다. 폭발 민감도를 측정하기 위하여 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC), 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA) 및 최소착화에너지(minimum ignition energy, MIE) 측정장치를 사용하였다. HDPE의 체적기준 평균입경은 $61.6{\mu}m$가 얻어졌으나, 입자 크기에 따른 입자 수밀도(particle number density) 분석에서는 $0.4{\sim}4{\mu}m$의 미세 입자가 98% 이상의 비율을 갖는 것으로 나타났다. TGA 및 DSC 측정결과로부터 HDPE는 $380{\sim}490^{\circ}C$의 온도 구간에서 발화가 일어날 수 있음을 알 수 있었고, MIE는 $1200{\sim}1800g/m^3$의 HDPE의 농도 범위에서 1 mJ 이하로 측정되었는데, 이는 입자 수밀도 기준에 따른 $0.4{\sim}4{\mu}m$의 미세 입자의 비율(98 %)이 매우 높았던 것이 원인으로 판단된다.
The aim of this work is to provide new experimental data on the pyrolysis characteristics and the minimum ignition energy (MIE) by using the same high-density polyethylene (HDPE) powder in domestic HDPE dust explosion accident. To evaluate the explosion sensitivity of HDPE, thermo-gravimetric analys...
The aim of this work is to provide new experimental data on the pyrolysis characteristics and the minimum ignition energy (MIE) by using the same high-density polyethylene (HDPE) powder in domestic HDPE dust explosion accident. To evaluate the explosion sensitivity of HDPE, thermo-gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimeter (DSC) and MIE apparatus (MIKE-3, K$\ddot{u}$hner) was conducted. The measurements showed the volume median diameter of $61.6{\mu}m$ but the particle number density of 98 % in the range $0.4{\sim}4{\mu}m$. The ignition temperature from the results of TGA and DSC in HDPE dust layers was observed in the range of $380{\sim}490^{\circ}C$. MIE was measured under 1 mJ in the HDPE dust concentration of $1200{\sim}1800g/m^3$, it was found that the ratio of particle number density in the range $0.4{\sim}4{\mu}m$ was very high (98%).
The aim of this work is to provide new experimental data on the pyrolysis characteristics and the minimum ignition energy (MIE) by using the same high-density polyethylene (HDPE) powder in domestic HDPE dust explosion accident. To evaluate the explosion sensitivity of HDPE, thermo-gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimeter (DSC) and MIE apparatus (MIKE-3, K$\ddot{u}$hner) was conducted. The measurements showed the volume median diameter of $61.6{\mu}m$ but the particle number density of 98 % in the range $0.4{\sim}4{\mu}m$. The ignition temperature from the results of TGA and DSC in HDPE dust layers was observed in the range of $380{\sim}490^{\circ}C$. MIE was measured under 1 mJ in the HDPE dust concentration of $1200{\sim}1800g/m^3$, it was found that the ratio of particle number density in the range $0.4{\sim}4{\mu}m$ was very high (98%).
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문제 정의
MIE는 입경 크기와 분진 분산 후에 착화 개시까지의 지연시간(tv, delay time for ignition)에 영향을 받는다. 본 연구에서는 MIE를 조사하기 위하여 분진농도를 변화시키면서 측정하였는데, 먼저 MIE에 미치는 tv의 영향을 조사하였다.
본 연구에서는 최근에 발생한 HDPE 분진폭발사고에서 발생한 사고 원인물질을 대상으로 발화 온도 및 착화에너지 위험성을 실험적으로 조사하여 동종사고 예방을 위한 자료 제공을 목적으로 하였다. 이를 위해 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC) 및 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA)를 사용하여 HDPE 분진의 열적 거동을 조사하였다.
본 연구에서는 최근에 발생한 HDPE 분진폭발사고의 동종사고 예방을 목적으로 사고 원인물질을 대하여 열분해 거동을 평가하고, 분진입도 분석과 함께 화재 및 폭발 민감도의 척도로서 MIE에 대하여 실험적으로 조사하고, 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
사고현장의 HDPE 분진은 에틸렌의 중합반응을 통해 제품 후처리의 건조과정을 거쳐 분말상태의 중간제품이 Silo에 저장된 과정에서 폭발사고가 발생한 것으로서 폭발이 발생한 Silo 내에서 미연소 분진을 채취하는 것이 불가능하였다. 이에 본 연구에서는 동일 조건의 분진을 사용하기 위하여 폭발사고가 발생한 Silo와 인접한 동일 규모의 Silo 내에 저장되어 있던 미연소된 분진을 채취하여 사용하였는데, 폭발이 발생한 HDPE 분진과 같은 공정에서 제조된 것이기 때문에 폭발특성에 영향을 주는 분체 특성은 같다고 할 수 있을 것이다.
46 mJ로 알려지고 있는데[13], 이와 비교해 보아도 본 연구에서 조사한 HDPE 분진은 가연성 가스와 유사한 크기의 착화 위험성을 가지고 있다고 할 수 있을 것이다. 이와 같이 매우 작은 MIE를 갖는 원인을 알기 위하여 HDPE의 분체 특성을 상세히 조사하였다.
제안 방법
HDPE 분진의 MIE를 조사하기 위하여 Fig. 2와 같은 Küh- ner(Swiss)사의 MIKE-3 (Modified Hartmann apparatus)을 사용하였다.
HDPE 분진의 퇴적상태에서 열분해 위험성을 알기 위하여 TGA를 사용하여 조사하였다. N2가스 분위기에서 일정한 크기의 승온속도(10℃/min)에서 TGA 결과를 Fig.
또한 TGA는 일정한 속도로 온도를 변화시켰을 때의 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로써 측정하며, TGA에 의한 질량-온도 곡선을 이용해 온도변화에 따른 질소, 산소, 공기 등의 분위기하에서 분해 거동을 관찰할 수 있다. 구체적인 TGA의 실험방법은 산화알루미늄 재질의 시료 용기에 HDPE 분말을 10~25 ㎎을 투입하고, 시료와 기준 물질을 각각 저울에 올려놓은 후 승온속도를 10℃/min로 고정하고, 공기 및 질소분위기(유량 50 ~ 60 ㎖/min)의 각각의 조건으로 30~500℃ 온도범위에서 측정하였다. HDPE 분진의 MIE를 조사하기 위하여 Fig.
이를 위해 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC) 및 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA)를 사용하여 HDPE 분진의 열적 거동을 조사하였다. 또한 HDPE 분진의 화재 및 폭발 민감도를 알기 위하여 분진농도 변화에 따른 MIE도 실험적으로 조사하여 열분해성과 함께 결과를 고찰하였다.
본 연구에서 사용한 HDPE 분진시료는 시료 채취 후에 건조, 분쇄 등의 전처리는 실시하지 않았으며, 22~24℃ 실온 조건에서 실험을 실시하였다. 폭발사고 현장의 Silo에서 채취된 HDPE의 입자 특성에 따른 폭발 위험성을 조사하기 위하여 레이저회절법 원리를 응용한 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 입도 분포를 측정하였다.
본 연구에서는 퇴적상태의 HDPE 분진의 열분해 위험성을 조사하기 위하여 TGA/DSC1(ME-TTLER TOLEDO, Swiss)를 사용하였다. DSC는 시료와 불활성 기준물질을 동일한 온도 프로그램에 따라 변화시키면서 온도와 시간의 함수로서 측정된 시료와 기준물질의 열유속(heat flow)의 차이를 측정하는데, 엔탈피 변화와 전이에 의해 발생되는 열적 상태에 대한 다양한 정보를 제공하며, 비열, 열적 효과, 유리전이(glass transition), 화학반응, 녹는점 등과 같은 물리적 변화량을 구할 수 있다.
DSC는 시료가 담긴 용기(pan)와 표준물질로 사용되는 빈 용기에 들어가는 measuring cell, 그리고 sample pan을 자동으로 cell에 투입해주는 sample robot, -90~30℃의 작동범위를 갖는 cooler로 구성되며, 일반적으로 개방팬(open pan)을 사용한다. 본 연구에서도 개방팬을 사용하였으며 sealing tool을 이용하여 덮개(lid) 로 밀봉 한 후에 천공 키트(piercing kit)를 이용해 용기의 뚜껑에 50~100 ㎛의 작은 구멍(pinhole)을 내어 공기와 접촉하도록 하여 측정하였다. DSC의 실험에서 시료량은 3.
2와 같은 Küh- ner(Swiss)사의 MIKE-3 (Modified Hartmann apparatus)을 사용하였다. 실험방법은 일정 크기의 농도를 갖는 분진을 원통형의 유리 튜브(1.2 L)의 하부에 충진하고, 압축 공기(7 bar)를 사용하여 실험 분진을 부유시킨 다음에 전기적 에너지를 1~1000 mJ의 범위로 변화시키면서 착화여부를 확인하는데, 동일 농도에서 5회 반복 실험하여 1회 이상 화염전파가 관찰되는 경우를 착화로 판정한다. 이렇게 동일 방법으로 농도를 변화시키면서 전기적 에너지의 증감에 따른 최소 착화에너지를 조사하였다.
2 L)의 하부에 충진하고, 압축 공기(7 bar)를 사용하여 실험 분진을 부유시킨 다음에 전기적 에너지를 1~1000 mJ의 범위로 변화시키면서 착화여부를 확인하는데, 동일 농도에서 5회 반복 실험하여 1회 이상 화염전파가 관찰되는 경우를 착화로 판정한다. 이렇게 동일 방법으로 농도를 변화시키면서 전기적 에너지의 증감에 따른 최소 착화에너지를 조사하였다. 폭발 및 MIE 측정조건은 21±1℃, 32±1 %에서 실시하였다.
본 연구에서는 최근에 발생한 HDPE 분진폭발사고에서 발생한 사고 원인물질을 대상으로 발화 온도 및 착화에너지 위험성을 실험적으로 조사하여 동종사고 예방을 위한 자료 제공을 목적으로 하였다. 이를 위해 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC) 및 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA)를 사용하여 HDPE 분진의 열적 거동을 조사하였다. 또한 HDPE 분진의 화재 및 폭발 민감도를 알기 위하여 분진농도 변화에 따른 MIE도 실험적으로 조사하여 열분해성과 함께 결과를 고찰하였다.
폭발 및 MIE 측정조건은 21±1℃, 32±1 %에서 실시하였다.
본 연구에서 사용한 HDPE 분진시료는 시료 채취 후에 건조, 분쇄 등의 전처리는 실시하지 않았으며, 22~24℃ 실온 조건에서 실험을 실시하였다. 폭발사고 현장의 Silo에서 채취된 HDPE의 입자 특성에 따른 폭발 위험성을 조사하기 위하여 레이저회절법 원리를 응용한 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 입도 분포를 측정하였다. 체적 기준에 따른 HDPE의 입도 측정 예를 Fig.
성능/효과
(1) 습식입도분석기를 사용하여 HDPE의 입도분포를 측정한 결과 체적기준의 평균입경은 61.6 μm 가 얻어졌으나, 입경 크기에 따른 입자 수밀도분포를 분석한 결과, 0.4~4 μm의 미세 입자가 98% 이상의 비율을 갖는 것으로 조사되었다.
(2) TGA 측정결과로부터 퇴적 HDPE의 급격한 중량 감소와 발열이 질소 및 공기 분위기 조건에서 각각 440℃, 380℃에서 나타났으며, 380~490℃의 온도 구간에서 발화가 일어날 수 있을 것으로 추정 되었다.
(3) MIE는 농도에 따라 변화하며, 1200~1800 g/m3의 HDPE의 농도 범위에서 MIE는 1 mJ 이하로 측정되었는데 이와 같이 매우 작은 MIE를 갖는 원인은 입자 수밀도 기준에 따른 0.4~4 μm의 미세 입자의 비율(98 %)이 매우 높았던 HDPE 시료의 분체 특성에 의한 것으로 판단된다.
2의 MIKE-3장치에서 사용 가능한 최소크기의 에너지는 1 mJ이기 때문에 1 mJ보다 작은 에너지에 의한 착화실험은 불가능하였다. 그러나 본 연구의 실험결과를 통하여 HDPE의 MIE는 tv 및 농도의 변화에 따라 달라지는 것을 알 수 있었으며, 특히 1200~1800 g/m3의 농도 범위에서의 MIE는 1 mJ이하로 나타났다. 프로판 (propane)의 MIE는 0.
400℃ 부근에서 보이는 발열 피크변동은 시료용기 상부의 copper seal 뚜껑이 분리되어 일부 시료의 이탈에 의한 불규칙성에 기인하는 것으로 추정된다. 반복된 측정과정에서 용기에서 벗어나 이탈하는 시료로 인하여 발열량에 차이가 있었지만 평균적으로 약 4.4 kJ/g 발열을 나타냈다.
문헌에서는 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 분진의 자연 발화온도를 330~410℃로 제시하고 있다 [12]. 본 연구에서 조사한 HDPE의 발화온도(380~490℃)는 문헌값의 PE보다 다소 크지만, 밀도 차이에 따른 분진 특성의 영향 등을 고려하면 거의 유사한 경향을 나타내고 있다고 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MIE는 무엇인가?
MIT 는 분진 및 측정 조건에 따라 영향을 받는데[2,3], 열분석을 통한 발화온도 특성 조사도 보고되고 있다 [4]. MIE는 부유 분진을 착화시키는데 필요한 최소한의 에너지로, 규격화된 시험법에 의한 측정방법이 제안되고 있다[5, 6]. MIE의 측정에 영향을 주는 조건은 많이 있지만, 특히 분진의 입경과 농도 변화에 따라 측정값이 크게 영향을 받으므로, MIE의 조사 시에는 이를 고려해야 한다[7-11].
MIE의 측정에 영향을 주는 조건 중 특히 어떠한 조건에 측정값이 크게 영향을 받는가?
MIE는 부유 분진을 착화시키는데 필요한 최소한의 에너지로, 규격화된 시험법에 의한 측정방법이 제안되고 있다[5, 6]. MIE의 측정에 영향을 주는 조건은 많이 있지만, 특히 분진의 입경과 농도 변화에 따라 측정값이 크게 영향을 받으므로, MIE의 조사 시에는 이를 고려해야 한다[7-11].
사고 원인물질을 대상으로 발화 온도및 착화에너지 위험성을 실험적으로 조사하기 위해 사용 된 것은?
본 연구에서는 최근에 발생한 HDPE 분진폭발사고에서 발생한 사고 원인물질을 대상으로 발화 온도및 착화에너지 위험성을 실험적으로 조사하여 동종사고 예방을 위한 자료 제공을 목적으로 하였다. 이를 위해 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC) 및 열중량분석기(thermo-gravimetric analysis, TGA)를 사용하여 HDPE 분진의 열적 거동을 조사하였다. 또한 HDPE 분진의 화재 및 폭발 민감도를 알기 위하여 분진농도 변화에 따른 MIE도실험적으로 조사하여 열분해성과 함께 결과를 고찰 하였다.
참고문헌 (13)
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Soundararajan, R., Amyotte, P.R. and Pegg, M.J., Explosibility hazard of iron sulphide dusts as a function of particle size, J. Hazard. Mater. 51, 225-239 (1996)
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