산업분야에서 사용되는 플라스틱 분진은 대부분 가연성이며 화재폭발사고 위험성이 있다. 그러나 산업현장에서 안전한 취급을 위해 활용할 수 있는 폭발특성 자료는 매우 적다. 본 연구에서는 사업장에서 취급하는 다양한 플라스틱 분진 의 폭발특성을 실험적으로 조사하여 관련 자료와 안전정보를 제공하는 것을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 20 L 분진폭발시험장치를 사용하여 각종 폭발특성값을 측정하였다. 그 결과 ABS ($209.8{\mu}m$), PE ($81.8{\mu}m$), PBT ($21.3{\mu}m$), MBS ($26.7{\mu}m$) 및 PMMA ($14.3{\mu}m$)시료의 분진폭발지수($K_{st}$)는 각각 62.4, 59.4, 70.3, 303, 203.6[$bar{\cdot}m/s$]의 값이 얻어졌다. 또한 플라스틱 분진폭발에 의한 피해예측을 위하여 분진폭발압력에서 분진의 연소속도가 일정하다고 가정하고 최대압력소요시간 및 화염도달시간을 고려한 화염전파속도모델을 통하여 분진폭발시의 화염전파속도를 추정하였다.
산업분야에서 사용되는 플라스틱 분진은 대부분 가연성이며 화재폭발사고 위험성이 있다. 그러나 산업현장에서 안전한 취급을 위해 활용할 수 있는 폭발특성 자료는 매우 적다. 본 연구에서는 사업장에서 취급하는 다양한 플라스틱 분진 의 폭발특성을 실험적으로 조사하여 관련 자료와 안전정보를 제공하는 것을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 20 L 분진폭발시험장치를 사용하여 각종 폭발특성값을 측정하였다. 그 결과 ABS ($209.8{\mu}m$), PE ($81.8{\mu}m$), PBT ($21.3{\mu}m$), MBS ($26.7{\mu}m$) 및 PMMA ($14.3{\mu}m$)시료의 분진폭발지수($K_{st}$)는 각각 62.4, 59.4, 70.3, 303, 203.6[$bar{\cdot}m/s$]의 값이 얻어졌다. 또한 플라스틱 분진폭발에 의한 피해예측을 위하여 분진폭발압력에서 분진의 연소속도가 일정하다고 가정하고 최대압력소요시간 및 화염도달시간을 고려한 화염전파속도모델을 통하여 분진폭발시의 화염전파속도를 추정하였다.
Many of plastic powders handled in industry are combustible and have the hazard of dust fire and explosion accidents. However poor information about the safe handling has been presented in the production works. The aim of this research is investigated experimentally on explosive characteristics of v...
Many of plastic powders handled in industry are combustible and have the hazard of dust fire and explosion accidents. However poor information about the safe handling has been presented in the production works. The aim of this research is investigated experimentally on explosive characteristics of various plastic powders used in industry and to provide additional data with safety informations. The explosibility parameters investigated using standard dust explosibility test equipment of Siwek 20-L explosion chamber. As the results, the dust explosion index ($K_{st}$) of ABS ($209.8{\mu}m$), PE ($81.8{\mu}m$), PBT ($21.3{\mu}m$), MBS ($26.7{\mu}m$) and PMMA ($14.3{\mu}m$) are 62.4, 59.4, 70.3, 303 and 203.6[$bar{\cdot}m/s$], respectively. And flame propagation velocity during plastic dust explosions for prediction of explosive damage was estimated using a flame propagation model based on the time to peak pressure and flame arrival time in dust explosion pressure assuming the constant burning velocity.
Many of plastic powders handled in industry are combustible and have the hazard of dust fire and explosion accidents. However poor information about the safe handling has been presented in the production works. The aim of this research is investigated experimentally on explosive characteristics of various plastic powders used in industry and to provide additional data with safety informations. The explosibility parameters investigated using standard dust explosibility test equipment of Siwek 20-L explosion chamber. As the results, the dust explosion index ($K_{st}$) of ABS ($209.8{\mu}m$), PE ($81.8{\mu}m$), PBT ($21.3{\mu}m$), MBS ($26.7{\mu}m$) and PMMA ($14.3{\mu}m$) are 62.4, 59.4, 70.3, 303 and 203.6[$bar{\cdot}m/s$], respectively. And flame propagation velocity during plastic dust explosions for prediction of explosive damage was estimated using a flame propagation model based on the time to peak pressure and flame arrival time in dust explosion pressure assuming the constant burning velocity.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 유통량이 많고 재해사례가 있음에도 물리적 위험성 자료가 없어서 반복적인 화재폭발 발생 위험성이 높은 플라스틱 분진을 대상으로 화재폭발특성을 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해를 최소화하기 위한 대책을 강구하는데 필요한 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 폭발특성값을 측정하고 평가하였다.
본 연구에서는 플라스틱 분진의 폭발특성을 실험적으로 조사하고 위험성을 평가하였다. 플라스틱 분진의 폭발사고 예방과 피해최소화 대책에 필요한 폭발하한농도, 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 화재폭발특성을 조사, 분석하였으며 화염전파속도를 추정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
이를 위해 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해를 최소화하기 위한 대책을 강구하는데 필요한 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 폭발특성값을 측정하고 평가하였다. 또한 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해 최소화 또는 예방대책에 필요한 피해예측을 위해서 분진폭발시의 화염전파속도를 계산하고 위험성을 검토하였다.
그러므로 폭발특성 실험값은 해당 분진의 분체 특성이 명확하지 않으면 활용하는 것이 곤란하다. 본 연구에서는 입도특성을 알기 위하여 입도분석기(Beckman Coulter, LS 13320)를 사용하여 분진입도 특성을 조사하였으며 Fig. 2는 PE의 입도분석 결과 예이며 입도분석장치를 사용하여 측정한 각 시료의 평균입경(Median diameter)을 Table 1에 나타냈다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA분진의 평균입경은 각각 209.
1에 나타냈다[27]. 시험방법은 먼저 시험할 농도의 분진을 6 L의 저장컨테이너에 충진한 다음에 분진 컨테이너의 밸브를 순간적으로 열고 20 bar의 압력을 갖는 공기를 유입시켜 대기압 상태의 분진-공기 혼합물을 폭발용기 내에 분산시킨다. 이 때 발생하는 분체 유동으로 인한 난류는 폭발압력, 압력상승속도, 폭발한계 등의 폭발특성에 영향을 주기 때문에 난류 레벨을 안정화 시킬 필요가 있다.
이 때 발생하는 분체 유동으로 인한 난류는 폭발압력, 압력상승속도, 폭발한계 등의 폭발특성에 영향을 주기 때문에 난류 레벨을 안정화 시킬 필요가 있다. 이를 위해 분진 분산 후에 60ms의 일정한 시간 간격(착화지연시간)을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다. 지연시간 경과 후에 2개 전극사이로 전압을 인가시켜 10 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기(Chemical ignitors)를 사용하여 착화시켰다[27].
본 연구에서는 국내 유통량이 많고 재해사례가 있음에도 물리적 위험성 자료가 없어서 반복적인 화재폭발 발생 위험성이 높은 플라스틱 분진을 대상으로 화재폭발특성을 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해를 최소화하기 위한 대책을 강구하는데 필요한 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 폭발특성값을 측정하고 평가하였다. 또한 플라스틱 분진이 폭발하는 경우에 폭발피해 최소화 또는 예방대책에 필요한 피해예측을 위해서 분진폭발시의 화염전파속도를 계산하고 위험성을 검토하였다.
일정 농도에서의 폭발특성평가는 상온(23 ℃±1 ℃), 대기압(1 atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다.
이를 위해 분진 분산 후에 60ms의 일정한 시간 간격(착화지연시간)을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다. 지연시간 경과 후에 2개 전극사이로 전압을 인가시켜 10 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기(Chemical ignitors)를 사용하여 착화시켰다[27]. 분진이 착화되어 폭발이 일어나면 시간-압력 파형이 관찰되는데 이러한 압력 파형을 통하여 폭발한계농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다.
본 연구에서는 플라스틱 분진의 폭발특성을 실험적으로 조사하고 위험성을 평가하였다. 플라스틱 분진의 폭발사고 예방과 피해최소화 대책에 필요한 폭발하한농도, 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수 등의 화재폭발특성을 조사, 분석하였으며 화염전파속도를 추정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 분진 시료는 국내 관련 사업장에서 제조, 취급량이 많지만 MSDS(물질안전보건자료) 등의 물리화학적특성 항목에 폭발특성값이 없으며 분진폭발사고사례가 있어 위험성이 높다고 판단되는 플라스틱 분진을 연구대상 시료로 선정하였다. 본 연구에서 화재폭발특성을 조사, 평가한 분진시료는 국내사업장에서 제공한 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene, Kumho PetroChem), PE (Polyethylene, LG Chem), PBT (PolyButylene Terephthalate, BASF Korea), MBS (Methylmethacrylate Butadiene Styrene, LG Chem) 및 PMMA (Polymethlmetacrylate, LG Chem)의 5종으로 하였다.
본 연구에서 사용한 분진폭발 시험장치는 국제시험규격(ASTM)의 분진폭발 표준시험장치를 채용한 Siwek 20 L Chamber (Kühner AG, Swiss)를 사용하였으며 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타냈다[27].
본 연구에서 사용한 분진 시료는 국내 관련 사업장에서 제조, 취급량이 많지만 MSDS(물질안전보건자료) 등의 물리화학적특성 항목에 폭발특성값이 없으며 분진폭발사고사례가 있어 위험성이 높다고 판단되는 플라스틱 분진을 연구대상 시료로 선정하였다. 본 연구에서 화재폭발특성을 조사, 평가한 분진시료는 국내사업장에서 제공한 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene, Kumho PetroChem), PE (Polyethylene, LG Chem), PBT (PolyButylene Terephthalate, BASF Korea), MBS (Methylmethacrylate Butadiene Styrene, LG Chem) 및 PMMA (Polymethlmetacrylate, LG Chem)의 5종으로 하였다. 특히 PMMA는 MMA의 중합에 의해 만들어지는데 PMMA를 조사 대상 시료로 선정한 이유는 일상생활에서 많이 사용하는 플라스틱으로서 PMMA는 거의 완전연소가 이루어지며 이 때문에 열분해 등의 연소메커니즘이 잘 알려져 있다는 점이며 이러한 이유로 많은 연구자들에 의해 PMMA의 연소특성의 연구결과가 보고되고 있어 비교 연구가 가능하기 때문이다.
이론/모형
또한 분진의 폭발강도 비교를 위해서 각 플라스틱 시료에 대한 폭발지수(Kst)를 Kst =(dP/dt)max·V(1/3)의 관계식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
(1) ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 체적 기준 평균입경이 각각 209.8, 81.8, 21.3, 26.7, 14.3 μm인 조건에서 폭발하한농도(MEC)의 측정 결과 50, 30, 40, 50 및 40 [g/m3]의 값이 얻어졌다.
(2) 또한 ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 최대폭발압력(Pmax)은 4.9, 7.3, 5.9, 9.8, 8.0 bar, 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max]는 750, 230, 218, 259 및 1116 [bar/s] 그리고 폭발지수(Kst)는 203.6, 62.4, 59.4, 70.3 및 303 [m·bar/s]로 나타났다.
(3) 분진폭발에 의한 피해예측을 위하여 화염전파속도(Flame velocity, Vf)의 추정식(Vf =V1/3·[(dP/dt)m/Pm])을 사용하여 계산한 결과, ABS, PE, PBT, MBS, PMMA에서의 최대화염전파속도는 각각 31.0, 9.1, 12.6, 31.0 및 28.0m/s가 얻어졌다.
ABS, PE, PBT, MBS, PMMA분진의 평균입경은 각각 209.8, 81.8, 21.3, 26.7, 14.3 μm의 결과가 얻어졌다.
5는 분진농도가 변화하는 경우의 ABS분진에 대하여 Pm과 [dP/dt]m를 측정한 예를 나타낸 것이다. ABS분진의 농도가 증가하면 Pm이 증가하는 경향을 보이며 1000 [g/m3]에서 최대폭발압력(Pmax)인 4.9 bar가 얻어졌으며 이 값은 ABS의 전체 농도 변화에서 Pm이 최대값으로 나타난 경우이다. 1000 [g/m3] 이상의 고 농도로 분진량이 증가하면 Pm은 감소하기 시작하는데 1250 [g/m3]에서 4.
PE의 Pmax 및 Kst가 평균입경 72 μm의 조건에서 각각 7.5 bar, 67 [m·bar/s]로 알려지고 있는데[3], 본 연구에서는 평균입경 81.8 μm에서 7.3 bar 및 62.4 [m·bar/s]가 얻어졌으며 이러한 결과로부터 입경 증가에 따른 폭발성의 감소 효과를 고려하면 본 연구의 결과가 타당한 것임을 나타내고 있다.
3에 나타냈는데 SEM관찰 시에 선명한 상을 얻기 위한 증착이나 방전제 등의 특별한 전처리를 하지 않은 상태의 모습이다. PMMA 입자는 거의 구형에 가까운 형태를 가지고 있으며 평균입경보다 작은 미세 분진도 포함되어 있지만 일정한 입경을 가지고 있는 것이 많으며 Fig. 2의 입도분석장치 실험결과와 비슷한 평균입경을 나타내고 있다는 것을 확인할 수 있다. 사업장에서의 폭발특성자료 활용성을 고려하여 실험에 사용한 시료 분진은 건조 및 일정한 입경분포를 갖도록 하기 위한 전처리를 실시하지 않았으며 약 23 ℃의 실온 조건에서 실험을 실시하였다.
이러한 분류는 가연성 분진에 대한 폭발강도의 상대적 비교를 정성적 크기로 나타낸 것이며, 국내외적으로 Class 1의 분진에 의한 폭발사고가 가장 많이 발생하기 때문에 Class 1 분진의 폭발 위험성을 작게 평가해서는 않된다는 점에 유의해야 한다. Table 3에 측정된 플라스틱 시료의 폭발특성값을 제시하였는데, 상대적인 폭발 위험성은 MBS가 가장 높았으며 다음으로 PMMA도 폭발 위험성이 높은 것으로 나타났다.
20 L 폭발실험장치는 20 bar의 공기 분사에 의해 분진을 분산시키기 때문에 폭발특성은 기류의 영향을 피할 수가 없다. 농도변화에 따른 Vf 의 증가 형태를 보면, 전체적으로 폭발압력의 증가와 비례 관계를 보였으나 부분적으로는 다소 불규칙한 결과를 보였다. 이러한 결과는 강한 기류에 의한 분진의 분산 형태가 확률적으로 결정되며 일정하게 전파되지 않기 때문에 불규칙한 화염전파 모습으로 나타난다는 것을 간접적으로 말해 주고 있다.
PMMA 및 PE는 500 [g/m3]에서 Pm이 최대가 되며 ABS, PBT, MBS는 최대가 되는 Pm이 1000 [g/m3]에서 나타난다. 또한 Pmax의 크기를 보면 MBS가 9.8 bar로 가장 큰 값으로 조사되었다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 Pmax는 각각 4.
0m/s가 얻어졌다. 또한 화염전파속도(Flame velocity, Vf)의 계산은 (Vf =Kst/Pm)에 의해보다 간단히 추정이 가능함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 PMMA의 Pmax가 평균입경 14.3 μm에서 8.0 bar가 측정되었으며, Wei 등[6]은 PMMA의 평균 입경이 본 연구의 경우(14.3 μm)보다 작은 0.8 μm에서 8.65 bar로 보고하고 있으며 평균입경이 감소하면 Pmax가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 관계식을 사용하여 PMMA의 화염전파속도 계산식(Vf =V1/3·[(dP/dt)m/Pm])과 간략화된 식(Vf =Kst/Pm)의 값을 비교하면 Fig. 12와 같이 완전히 일치하고 있으며, 분진의 화염전파속도(Vf)를 (Vf =Kst/Pm)의 식을 사용하여 간단히 추정하는 것이 가능함을 알 수 있었다.
Table 2는 MEC를 조사한 결과로서 PMMA, ABS, PE, PBT 및 MBS에서의 MEC는 각각 40, 50, 30, 40 및 50 [g/m3]이 얻어졌다. 폭발발생 가능성은 MEC가 작을수록 높으므로 본 연구에서 PE분진의 폭발 위험성이 가장 높다고 할 수 있다. 그러나 분진의 입도특성은 Table 1과 같이 일정하지 않기 때문에 평균입경이 변하면 MEC 측정값도 달라질 수 있으므로 MEC와 같은 폭발특성자료의 활용 시에는 분진의 평균입경을 함께 고려하여 적용하여야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분진폭발에서의 층류연소속도의 연구 대표적인 2가지는 무엇이 있는가?
한편 분진폭발에서의 층류연소속도의 연구는 장방형 배관의 분진 전파화염 (Propagating dust flames)과 구형(Spherical) 형태의 밀폐공간에서 전파하는 분진 구상화염(Spherical dust flames)으로 크게 2가지로 분류된다. 장방형 수직 연소관을 사용하여 분진화염의 전파거동을 조사한 연구[11-19]에서는 유동층(Fluidized bed)을 사용하여 층류에 가까운 분진운을 형성시켜 화염전파를 관측하고 층류연소속도를 제시하고 있다. 밀폐공간에서의 분진 전파화염에 대한 연구로서 Lewis 등[20]은 밀폐공간의 폭발에서 시간-압력 곡선과 화염전파속도 측정값에 의한 층류연소속도를 평가하였다. 난류의 크기가 연소 속도에 미치는 영향에 대해서는 몇 가지 연구결과[21-23]가 보고되고 있다.
플라스틱의 단점은 무엇인가?
플라스틱은 경량성, 부식 내구성, 우수한 전기적 성질, 가공 용이성 등의 많은 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 플라스틱은 화재에 취약하며 플라스틱 분진이 공기 중에 부유, 분산되어 일정 농도의 분진운(Dust cloud)이 형성되고 착화원이 존재하면 분진폭발 위험성이 있다. 플라스틱 분진에 의한 국내 사업장에 서의 폭발사고사례를 보면, 1989년에 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 분진폭발사고(사망 16명, 부상 17명)가 일어났으며, 2000년에는 PVC공정 Bag filter청소 시에 발생한 PVC분진폭발사고(부상 4명)와 PVC공정의 배관용접작업 중의 분진폭발사고(부상 5명)가있었으며, 2012년의 PE (Polyethylene)분진폭발사고 및 2013년의 HDPE (High-density Polyethylene)분진폭발사고(사망 6명, 부상 11명) 등과 같이 플라스틱 분진에 의한 폭발사고가 반복적으로 발생 하고 있으며 피해규모도 큰 것을 알 수 있다[1].
플라스틱의 특징은 무엇인가?
플라스틱은 경량성, 부식 내구성, 우수한 전기적 성질, 가공 용이성 등의 많은 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 플라스틱은 화재에 취약하며 플라스틱 분진이 공기 중에 부유, 분산되어 일정 농도의 분진운(Dust cloud)이 형성되고 착화원이 존재하면 분진폭발 위험성이 있다.
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