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문제 정의
- 본 연구에서는 MWCNT의 분진폭발 위험성평가와 공정사고 예방대책에 활용하고자 열화학증기증착 합성방법으로 제조된 입도분포가 다른 두 종류의 MWCNT에 대한 최대폭발압력, 최소점화에너지 등의 분진폭발 특성을 실험적으로 조사하였다. 또한 MWCNT의 분진폭발 특성값을 이용하여 NFPA 499 Code[6]에 따라 폭발강도(Explosion severity)와 점화감도(Ignition sensitivity)를 계산한 후 MWCNT 제조·취급공정의 분진폭발 위험장소 구분을 검토하였다.
- 본 연구에서는 NFPA 499 Code를 적용하여 MWCNT 제조·취급공정의 분진폭발 위험장소 구분을 검토하였다.
제안 방법
- MWCNT 분진의 최대폭발압력(Pmax), 최대폭발압력상승속도[(dP/dt)max], 및 폭발하한농도(LEL)를 Siwek 20 L Apparatus로 측정하였다.
- 입도분포는 분진폭발 및 화염전파 특성에 큰 Kst 영향을 주는 인자이므로 연구 대상 물질의 입도분포를 측정하여 규정하는 것은 필수적이다[20]. 따라서 본 연구에서 사용된 두 종류의 MWCNT 시료에 대한 입도분포를 건식방식의 광산란법이 적용된 입도분석기(Beckman Coulter, LS 13320)로 조사하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig.
- 또한 MWCNT의 분진폭발 특성값을 이용하여 NFPA 499 Code[6]에 따라 폭발강도(Explosion severity)와 점화감도(Ignition sensitivity)를 계산한 후 MWCNT 제조·취급공정의 분진폭발 위험장소 구분을 검토하였다.
- 본 연구에서 MWCNT의 Pmax, (dP/dt)max, LEL의 분진폭발 특성값을 측정하기 위하여 사용한 실험장치는 국제시험규격(EN)에 적합한 Siwek 20-L Apparatus (Kűhner AG, Switzerland)를 사용하였으며 장치의 개략도를 Fig. 2에 나타내었다. 실험방법은 일정농도의 분진을 6 L의 저장컨테이너에 넣고 20 bar의 압력을 갖는 공기를 저장컨테이너에 불어넣어 혼합시킨다.
- 저장컨테이너의 밸브를 순간적으로 열어 분진-공기 혼합물을 20 L 챔버(Chamber)에 분산시켜 챔버 내부를 대기압 상태로 만든 후, 60 ms의 점화지연시간으로 화학점화기(Chemical igniter)를 사용하여 부유분진을 점화시켰다. 분진이 점화되어 폭발이 일어나면 시간-압력 파형을 관찰할 수 있으며, 분진의 농도별 압력 파형을 통하여 Pmax, (dP/dt)max, LEL를 측정하였다. 이때 Pmax와 (dP/dt)max 측정 실험에서는 10 kJ의 화학점화기를 사용하였으며, LEL 측정 실험에서는 2 kJ의 화학점화기를 사용하였다.
- 분진폭발이 발생하는 챔버 내부의 초기온도와 초기압력은 (20±1)℃와 1 atm으로 설정하여 실험을 수행하였다[15-17].
- 2에 나타내었다. 실험방법은 일정농도의 분진을 6 L의 저장컨테이너에 넣고 20 bar의 압력을 갖는 공기를 저장컨테이너에 불어넣어 혼합시킨다. 저장컨테이너의 밸브를 순간적으로 열어 분진-공기 혼합물을 20 L 챔버(Chamber)에 분산시켜 챔버 내부를 대기압 상태로 만든 후, 60 ms의 점화지연시간으로 화학점화기(Chemical igniter)를 사용하여 부유분진을 점화시켰다.
- 7 bar의 압축공기에 의하여 부유된 부진은 튜브 내부에 설치된 두 전극에서 발생하는 1 mJ~1000 mJ 까지의 스파크에 의하여 점화가 이루어지며, 분진의 점화여부는 튜브 내부에서 발생하는 화염전파 모습에 의하여 판정된다. 실험방법은 일정농도의 분진을 분진 분사시스템에 넣고 7 bar의 압축공기로 분사시킨 후 충분한 에너지를 가하여 점화를 확인한다. 점화가 일어난 농도에서 연속적으로 10회 이상 점화가 이루어지지 않을 때 까지 에너지를 줄여주면서 실험을 반복하였다.
- 장치는 가열로, 분진 시료 홀더, 온도조절장치, 압축공기 제어장치 등으로 구성되어 있다. 실험방법은 일정농도의 분진을 시료 홀더에 투입하고 0.1, 0.3, 0.5 bar의 압축공기를 0.3초동안 각각 사용하여 일정온도로 가열된 로의 내부로 분진을 부유시켜 점화 유무를 관찰하였다. 이와 같은 실험을 로의 온도구간(450 ℃~ 650 ℃)에서 다양한 농도로 실험을 수행하여 MIT를 측정하였다.
- 3초동안 각각 사용하여 일정온도로 가열된 로의 내부로 분진을 부유시켜 점화 유무를 관찰하였다. 이와 같은 실험을 로의 온도구간(450 ℃~ 650 ℃)에서 다양한 농도로 실험을 수행하여 MIT를 측정하였다. 이때 점화는 화염분출이 로의 아래 끝단 너머로 보일 경우에 발생한 것으로 판정하였으며, 점화지연시간은 수용가능하고 화염이 없는 불꽃은 점화로 보지 않았다.
- 점화가 일어난 농도에서 연속적으로 10회 이상 점화가 이루어지지 않을 때 까지 에너지를 줄여주면서 실험을 반복하였다. 이와 같은 실험을 점화가 이루어지는 가장 낮은 에너지에서 점화가 이루어지는 최소농도와 최대농도가 관찰될 때 까지 분진농도를 변화시키면서 수행하였고, 더 낮은 에너지에서 점화가 이루어지지 않는 것을 확인함으로써 해당분진의 최소점화에너지 범위를 측정하였다. 점화지연시간은 90, 120, 150 ms로 설정하여 각각 실험을 수행하였다[18].
- 실험방법은 일정농도의 분진을 분진 분사시스템에 넣고 7 bar의 압축공기로 분사시킨 후 충분한 에너지를 가하여 점화를 확인한다. 점화가 일어난 농도에서 연속적으로 10회 이상 점화가 이루어지지 않을 때 까지 에너지를 줄여주면서 실험을 반복하였다. 이와 같은 실험을 점화가 이루어지는 가장 낮은 에너지에서 점화가 이루어지는 최소농도와 최대농도가 관찰될 때 까지 분진농도를 변화시키면서 수행하였고, 더 낮은 에너지에서 점화가 이루어지지 않는 것을 확인함으로써 해당분진의 최소점화에너지 범위를 측정하였다.
- 이와 같은 실험을 점화가 이루어지는 가장 낮은 에너지에서 점화가 이루어지는 최소농도와 최대농도가 관찰될 때 까지 분진농도를 변화시키면서 수행하였고, 더 낮은 에너지에서 점화가 이루어지지 않는 것을 확인함으로써 해당분진의 최소점화에너지 범위를 측정하였다. 점화지연시간은 90, 120, 150 ms로 설정하여 각각 실험을 수행하였다[18].
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 두 종류의 MWCNT 시료는 국내 사업장인 ○○케미컬과 ○○화학에서 제조한 것으로 서로 다른 입도분포를 나타내고 Pmax, Kst, MIE 등의 분진폭발 특성 값이 확인되지 않은 물질로 선정하였다. 입도분포는 분진폭발 및 화염전파 특성에 큰 Kst 영향을 주는 인자이므로 연구 대상 물질의 입도분포를 측정하여 규정하는 것은 필수적이다[20].
이론/모형
- MWCNT의 MIT를 측정하기 위하여 사용한 실험장치는 국제시험규격(KS)에 적합하도록 제작하여 사용하였으며 장치의 개략도는 Fig. 4에 나타내었다. 장치는 가열로, 분진 시료 홀더, 온도조절장치, 압축공기 제어장치 등으로 구성되어 있다.
- MWCNT의 최소점화에너지(MIE)를 측정하기 위하여 사용한 실험장치는 국제시험규격(EN)에 적합한 MIKE 3 (Kühner AG, Switzerland)를 사용하였으며 장치의 개략도를 Fig. 3에 나타내었다.
성능/효과
- Fig. 1에서 볼 수 있듯이 MWCNT 1과 2의 평균입도는 각각 124.2 μm와 293.5 μm로 측정되어 MWCNT 1이 더 작았으나, 입도분포범위는 MWCNT 2가 더 좁은 것으로 나타났다.
- MWCNT 1과 2 제조·취급 공정의 분진폭발 위험장소 구분을 검토하기 위하여 NFPA 499 code에 따라 폭발강도와 점화감도를 MWCNT의 분진폭발 특성 값을 이용하여 고찰한 결과, MWCNT 1에서는 각각 0.35 미만과 0.01 미만으로 나타났으며 MWCNT 2에서는 각각 0.26 미만과 0.01 미만으로 나타났다.
- MWCNT 분진의 Pmax, (dP/dt)max, Kst, LEL, MIE 및 MIT와 같은 분진폭발 특성 값의 결과로부터 MWCNT는 분진폭발을 일으킬 수 있는 물질이지만, 분진폭발의 피해정도를 나타내는 폭발강도와 분진폭발 발생 가능성을 나타내는 점화감도는 알루미늄과 폴리에틸렌 등과 같은 일반적인 가연성분진인 금속분진이나 플라스틱분진보다 상대적으로 낮다고 평가할 수 있었다.
- 또한 분진폭발 실험에서 점화가 시작된 시점부터 폭발압력이 정점에 도달할 때까지의 시간을 연소시간(combustion time)이라 하는데, MWCNT 1과 2의 Pmax가 측정된 농도에서의 연소시간은 각각 87 ms와 82 ms로 나타났다. MWCNT의 연소시간이 알루미늄과 폴리에틸렌 등과 같은 일반적인 가연성분진인 금속분진이나 플라스틱분진의 연소시간 30~60 ms보다 길다는 것을 확인할수 있었다. 이는 MWCNT의 화염전파속도(Flame propagation velocity)가 알루미늄과 폴리에틸렌 등과 같은 일반적인 가연성분진인 금속분진이나 플라스틱분진의 화염전파속도보다 느리다는것을 의미한다고 할 수 있다[10,20,22-24].
- 따라서 MWCNT 1과 2의 제조·취급 공정은 분진폭발 위험장소로 구분되지 않음을 알 수 있었다.
- 2 bar, 155 bar/s 및 42 bar·m/s(St 1)로 나타났다. 또한 점화감도를 나타내는 파라미터인 LEL, MIE 및 MIT는 MWCNT 1에서 각각 125 g/m3, 1000 mJ 초과 및 650 ℃ 초과로 나타났으며, MWCNT 2에서는 각각 100 g/m3, 1000 mJ 초과 및 650 ℃ 초과로 나타났다. 분진폭발 특성 값으로부터 MWCNT는 분진폭발을 발생시킬 수 있는 물질이지만 폭발강도와 점화감도는 알루미늄과 폴리에틸렌 등과 같은 일반적인 가연성분진인 금속분진이나 플라스틱분진보다 상대적으로 상당히 낮다는것을 알 수 있었다.
- 또한 점화감도를 나타내는 파라미터인 LEL, MIE 및 MIT는 MWCNT 1에서 각각 125 g/m3, 1000 mJ 초과 및 650 ℃ 초과로 나타났으며, MWCNT 2에서는 각각 100 g/m3, 1000 mJ 초과 및 650 ℃ 초과로 나타났다. 분진폭발 특성 값으로부터 MWCNT는 분진폭발을 발생시킬 수 있는 물질이지만 폭발강도와 점화감도는 알루미늄과 폴리에틸렌 등과 같은 일반적인 가연성분진인 금속분진이나 플라스틱분진보다 상대적으로 상당히 낮다는것을 알 수 있었다.
- 열화학증기증착 합성방법으로 제조된 평균입도가 124.2 μm와 293.5 μm인 MWCNT 1과 2의 분진폭발 특성을 조사한 결과, 폭발강도를 나타내는 파라미터인 Pmax, (dP/dt)max, 및 Kst는 MWCNT 1에서 각각 6.3 bar, 207 bar/s 및 56 bar·m/s(St 1)로 나타났으며, MWCNT 2에서는 각각 6.2 bar, 155 bar/s 및 42 bar·m/s(St 1)로 나타났다.
- 01 미만으로 나타났다. 폭발강도와 점화강도로부터 MWCNT가 NFPA 499 Code에서 제시된 분진폭발 위험장소로 구분하여야 하는 가연성 분진으로 분류되지 않음을 알 수 있었다.
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