[논문]중국 텐진항 폭발사고 원인과 관련된 폭발 에너지 분석

권상기; 김하영

중국 텐진항 폭발사고 원인과 관련된 폭발 에너지 분석
Analysis of Explosion Energy related to the Cause of Tianjin Explosion Accident in China 원문보기

화약·발파 = Explosives & blasting, v.34 no.1, 2016년, pp.1 - 10

권상기 (인하대학교 에너지자원공학과) , 김하영 (인하대학교 에너지자원공학과)

초록
AI-Helper

2015년 8월 12일 중국 텐진항에서는 두 번의 대규모 폭발이 발생하였다. 두 번의 폭발은 TNT 3톤, TNT 21톤 규모로 추정되었다. 현재까지 폭발의 정확한 원인은 공표되지 않고 있으며 원인에 대한 몇 가지 추정이 제시되고 있다. 그중 하나는 화재진압을 위해 뿌려진 물과 탄산칼슘의 화학반응에 의해 폭발성 아세틸렌 가스가 발생하고 이 가스의 폭발이 800톤의 질산암모늄의 폭발을 야기했을 것이라는 것이다. 본 연구에서는 이러한 폭발 시나리오에 대한 폭발에너지 분석을 통해 화학적 반응에 의해 텐진항 폭발 사고와 같은 대규모 폭발이 발생 가능한지를 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

On August 12, 2015, two huge explosions were accidently happened in Tianjin port, China. The explosion energies of the two explosions were similar to those of TNT 3 tons and TNT 21 tons. Until now, the cause of the explosions was not clearly announced but some guesses of the cause were released. One of the possible cause of the explosion is the generation of explosive acetylene gas from the chemical reaction between $CaC_2$ and spraying water to extinguish fire happened at the storage site of different chemical compounds. The explosion of acetylene gas might ignite the explosion of 800 tons of ammonium nitrate. In this study, the explosion due to the scenario was analyzed in order to check that such a chemical reaction can produce the huge explosion observed at the Tianjin accident.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

첫 번째 추정의 경우, 저장된 기름의 양과 저장 상태에 대한 정보가 없는 상황이므로 추가적인 분석에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 두 번째 주장을 중심으로 폭발 원인으로서의 가능성을 평가해 보았다. 폭발 장소에 보관 중이던 화학물질의 종류와 양을 알고 있기 때문에 이에 대한 분석을 통해 폭발 원인으로서의 타당성을 검토할 수 있다.
ANFO의 폭발력은 TNT의 74%로 평가된다. 본 연구에서는 물류창고에 보관되어 있던 화학물질들의 양을 바탕으로 폭발에너지를 계산해 보고 화학반응에 의해 발생하는 온도, 압력 증가를 계산해 봄으로써 추정되는 화학반응에 의해 TNT 21톤 규모의 초대형 폭발이 가능할지를 분석하고자 한다.
텐진 폭발의 경우, 화학반응에 의해 아세틸렌의 농도가 점진적으로 증가하는 과정에서 폭발하였을 것이기 때문에 최저 농도 부근에서 폭발하였을 것으로 추정할 수 있다. 본 연구에서는 아세틸렌의 농도가 5%인 경우에 대해 폭발에너지를 계산하였다. 공기 중의 산소 농도는 부피 기준 21%이고 질소가 78%를 차지하고 있는 것으로 가정하였다.
cn, 2015). 본 연구에서는 텐진 폭발 사고와 관련되어 제기되는 폭발 원인을 폭발에너지 관점에서 분석하고 이를 바탕으로 해당 폭발 원인의 타당성을 추정하고자 하였다. 이러한 연구는 향후 발생 가능한 유사 폭발사고를 방지하는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 텐진 폭발사고의 원인으로 추정되는 화학반응에 대하여 폭발 에너지 분석을 실시하였다. 폭발 에너지 분석을 위해 사용된 화학성분들의 물성은 Table 4와 같다.
텐진항 폭발사고는 화학물질을 보관하는 장소에서 발생하였으며 물과 탄화칼슘(CaC₂)의 반응에 의해 발생하는 아세틸렌 가스의 1차 폭발, 이에 의한 질산암모늄(NH₄NO₃)의 2차 폭발이 원인으로 추정되고 있다. 본 연구에서는 폭발의 원인으로 추정되는 화학반응에 대하여 개략적인 폭발에너지 분석을 실시하였다. 중국에서 발생한 폭발사고로 인터넷에서 얻은 제한된 정보를 바탕으로 한 분석이기 때문에 여러 가지 가정이 포함될 수밖에 없었다.
따라서 본 연구에서는 두 번째 주장을 중심으로 폭발 원인으로서의 가능성을 평가해 보았다. 폭발 장소에 보관 중이던 화학물질의 종류와 양을 알고 있기 때문에 이에 대한 분석을 통해 폭발 원인으로서의 타당성을 검토할 수 있다.

가설 설정

본 연구에서는 아세틸렌의 농도가 5%인 경우에 대해 폭발에너지를 계산하였다. 공기 중의 산소 농도는 부피 기준 21%이고 질소가 78%를 차지하고 있는 것으로 가정하였다. 따라서, 공기 95%, 아세틸렌 5%인 상태에서 부피 V(m³)에 포함된 산소의 질량은
아세틸렌 가스 폭발에너지가 몰당 300000cal이므로 식 (7)을 이용하여 폭발에 의한 온도 상승을 예측할 수 있다. 초기 온도는 15℃로 가정하였다.

제안 방법

(a) 폭발 후 생성된 성분들의 몰수(n_i)와 몰 열용량(molar heat capacity)을 이용하여 온도 상승 정도를 계산한다.
아세틸렌 가스의 폭발에 의해 질산암모늄이 갑자기 기폭되었다고 보면 다음 화학반응이 발생하였을 것으로 추정할 수 있다. 연료의 역할을 하는 유류의 유입을 확인할 수 없는 상황이므로 질산암모늄의 분해 반응만을 고려하였다.

성능/효과

1) 적재 야적 컨테이너에서 위험한 화학물질이 터져서 화재가 벌어지고 그로 인해 주변의 기름 저장고에 불이 옮겨 붙어 초대형 폭발이 일어남.
1) 질산암모늄 800톤의 폭발은 TNT 21톤 폭발에 비해 13배 정도의 폭발에너지를 발생시킬 수 있다. 즉 저장된 질산암모늄의 일부만 폭발하더라도 텐진항에서 발생한 대규모 2차 폭발과 같은 폭발력을 보일 수 있다.
2) 아세틸렌 가스의 폭발 시 2800℃ 이상의 높은 열이 발생할 수 있으며 이는 질산암모늄에 의한 2차 폭발을 야기할 수 있을 것이다. 특히 유류 저장소에 보관된 연료가 혼입되는 경우, 폭발은 더욱 강하게 발생하였을 것으로 예상할 수 있다.
2) 초기 화재를 진압하기 위해 창고에 물을 뿌렸고 그것이 대량 저장된 탄화칼슘과 만나 1차적으로 TNT 3톤급의 대형 폭발을 일으켰고 그 후 질산암모늄으로 TNT 21톤급 초대형 폭발이 발생.
3) 아세틸렌 가스의 폭발 시 폭굉속도는 1446m/sec, 폭굉압은 662kPa로 계산되며 질산암모늄에 의한 2차 폭발 시 폭굉속도는 2990m/sec, 폭굉압은 2.5GPa 로 추정된다. 이는 1차 폭발(TNT 3톤)과 2차 폭발(TNT 21톤)의 폭발 충격 차이를 설명할 수 있다.
4) 경험식을 이용하여 TNT 21톤 폭발 시 폭발압력의 거리에 따른 변화를 추정해본 결과, 폭발 지점에서 약 500m 떨어진 곳에서 유리창 파손이 있는 것으로 평가되지만 실제 2km 떨어진 아파트에서 유리창 파손이 관찰된 것으로 보아 실제 폭발 규모는 TNT 21톤 폭발 보다 컸을 수도 있다. 이는 텐진항 폭발이 지표에서 발생하였으며 따라서 지진규모로 환산되는 TNT 환산량 보다는 그 폭발력이 더 클 수 있음을 의미한다.
5) 텐진항 사고의 원인이 명확하게 밝혀지지 않았지만 화학물질의 반응에 의해 유사한 폭발이 발생할 수 있음을 본 연구를 통해 알 수 있었다. 따라서 국내에서 유사한 사고를 방지하기 위해서는 화학물질이 보관된 곳에서의 화재 시 화재진압에 유의해야 할 것이다.
질산암모늄의 폭발 시 아세틸렌 가스 폭발에 비해 높은 폭굉압과 폭굉속도가 발생하는 것을 알 수 있으며 이는 1차 폭발 보다 훨씬 강력했던 2차 폭발을 설명하는 근거가 될 수 있을 것이다. 폭발 과정에서 인접한 유류저장소에 저장된 연료유의 유입이 있는 경우, 질산암모늄은 더욱 강력한 폭발을 일으킬 수 있었을 것이다.

후속연구

따라서 국내에서 유사한 사고를 방지하기 위해서는 화학물질이 보관된 곳에서의 화재 시 화재진압에 유의해야 할 것이다. 또한 평소 안정적인 물질이 온도와 혼합물의 존재에 따라 강력한 폭발물로 바뀔 수 있으므로 화학물질의 이러한 특성을 고려하여 보관을 하도록 유도하여야 할 것이다.
본 연구에서는 텐진 폭발 사고와 관련되어 제기되는 폭발 원인을 폭발에너지 관점에서 분석하고 이를 바탕으로 해당 폭발 원인의 타당성을 추정하고자 하였다. 이러한 연구는 향후 발생 가능한 유사 폭발사고를 방지하는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
두 가지 추정 모두 화재가 먼저 발생하였고 이로 인해 초대형 폭발이 일어났다고 보고 있다. 첫 번째 추정의 경우, 저장된 기름의 양과 저장 상태에 대한 정보가 없는 상황이므로 추가적인 분석에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 두 번째 주장을 중심으로 폭발 원인으로서의 가능성을 평가해 보았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아세틸렌 가스 폭발 시 속도와 압력 수치는?	3) 아세틸렌 가스의 폭발 시 폭굉속도는 1446m/sec, 폭굉압은 662kPa로 계산되며 질산암모늄에 의한 2차 폭발 시 폭굉속도는 2990m/sec, 폭굉압은 2.5GPa 로 추정된다.
	중국 텐진항에서 발생한 대규모 폭발의 원인으로 추정되는 의견은 무엇인가?	현재까지 폭발의 정확한 원인은 공표되지 않고 있으며 원인에 대한 몇 가지 추정이 제시되고 있다. 그중 하나는 화재진압을 위해 뿌려진 물과 탄산칼슘의 화학반응에 의해 폭발성 아세틸렌 가스가 발생하고 이 가스의 폭발이 800톤의 질산암모늄의 폭발을 야기했을 것이라는 것이다. 본 연구에서는 이러한 폭발 시나리오에 대한 폭발에너지 분석을 통해 화학적 반응에 의해 텐진항 폭발 사고와 같은 대규모 폭발이 발생 가능한지를 평가하였다.
	중국 텐진항 화학물질 보관소 폭발사고의 사상자 규모는 어떠한가?	2015년 8월 12일 중국 텐진항 화학물질 보관소에서는 대규모 폭발사고가 발생하였으며 이로 인해 95명의 소방대원과 11명의 경찰을 포함하여 173명의 사망자와 800여명의 부상자가 발생하였다. 당시 폭발은 30초 간격으로 두 번에 걸쳐 일어났으며 중국 지진 네트워크 센터에 따르면 최초 폭발의 경우 지진규모 2.

참고문헌 (12)

권상기, 박정찬, 2015, 가스폭발에 따른 폭발에너지를 평가하기 위한 TNT 등가량 환산 방법에 대한 고찰, 화약발파, 33권 3호, pp. 1-13.

원문보기 상세보기
이근원, 2005, 중대산업사고 사례 데이터베이스를 이용한 사고원인 분석, 한국산업안전공단 보고서 2005-15-33.
Alonso, F.D., 2006, Characteristic overpressure-impulse-distance curves for the detonation of explosives, pyrotechnics or unstable substances, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, vol. 19, no. 6, pp. 724-728.

상세보기
BBC.com, 2015, China explosions:Tianjin blasts 'on seismic scale'.
BBC.com, 2015, China explosions: Potent cheical mix behind Tianjin blasts.
Brode, H.L., 1955, Numerical solution of spherical blast waves, Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, New York.
Chinadaily.com.cn, 2015, 3000 tons of dangerous chemicals stored at warehouse, confirms official.
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Sen, G.C., 1995, Blasting technology for mining and civil engineers, ISBS Inc., Portland, USA.
US Army, 2007, Explosive and demolitions, FM3-34.214.

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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