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문제 정의
- 식료품 분진이 제조 공정상에서 설비 내부나 외부장치의 고온 표면이나 환경에 존재하면 가연성 성분인 열분해 가스나 유증기가 발생하여 기체상태의 연소가 일어나는 발화 위험성이 있다. 본 연구에서 Mettler Toledo사의 열중량분석장치(TGA; Thermo gravimetric analysis, TGA/DSC1)를 사용하여 식료품 분진의 발화특성을 조사하였다. TGA는 일정한 속도로 온도를 변화시켰을 때의 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로써 측정한다[14].
- 본 연구에서는 사고발생빈도가 높은 대표적인 식료품 분진으로서 설탕, 옥수수, 밀가루 분진의 발화 및 폭발위험성을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 입도분석을 통한 분체특성에 따른 열적거동을 측정하여 발화위험성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 사회적 수요가 많고 사고발생 빈도가 높은 설탕,옥수수, 밀가루 분진에 대하여 분체특성 분석을 바탕으로 각 분진의 발화 및 폭발특성을 실험적으로 조사하였다. 또한 측정된 식료품 분진의 폭발특성 자료를 사용하여 화재폭발사고 시의 피해예측에 필요한 분진폭발 시의 화염전파 소요시간을 계산하고 결과를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 중대산업사고 원인물질로서 사고발생빈도가 상대적으로 높으며 사회적 수요가 많은 설탕, 옥수수, 밀가루 분진을 조사대상 물질로 정하였다. 설탕 및 밀가루는 과거 폭발사고가 발생하였던 국내 사업장의 최종 공정 집진기 버그필터에서 채취한 분진을 사용하였으며, 옥수수분진은 건조, 분쇄 공정을 거쳐 제조된 최종제품을 실험대상 시료로 사용하였다.
제안 방법
- 2 g)의 분진시료를 알루미늄(Aluminum oxide)재질의 시료용기에 넣어 전자 저울에 올려놓은 후에 공기분위기(유량 50 ml/min)에서 승온속도(Heating rate)를 5~20 oC/min로 변화시키면서300~1000 oC 온도범위에서 측정하였다. 또한 시료와 불활성 기준물질을 동일한 온도 프로그램에 따라 변화시키면서 온도와 시간의 함수로서 열유속차이(Difference in heat flow)를 측정하는 시차주사열량계(DSC; Differential scanning calorimeter)를 사용하여 본 연구에서 수행한 TGA결과의 타당성을 확인하였다. 분진폭발의 특성평가는 폭발민감도와 관련한 폭발하한농도, 그리고 폭발강도를 나타내는 최대폭발압력 등의 분진폭발특성값에 대한 조사가 필요하다.
- 본 연구에서는 사회적 수요가 많고 사고발생 빈도가 높은 설탕,옥수수, 밀가루 분진에 대하여 분체특성 분석을 바탕으로 각 분진의 발화 및 폭발특성을 실험적으로 조사하였다. 또한 측정된 식료품 분진의 폭발특성 자료를 사용하여 화재폭발사고 시의 피해예측에 필요한 분진폭발 시의 화염전파 소요시간을 계산하고 결과를 고찰하였다.
- 이를 위해 입도분석을 통한 분체특성에 따른 열적거동을 측정하여 발화위험성을 검토하였다. 또한 폭발압력특성을 조사하고 화염전파에 따른 피해예측을 위해서 분진화염전파 시간을 계산하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시료의 채취 장소는 다르지만 분진의 발화 및 폭발특성은 분진입자의 크기에 의해 가장 큰 영향을 받기 때문에 사전에 분체특성을 조사하는 것이 중요하다. 본 연구에서 사용한 식료품 분진 시료는 시료 채취 후에 건조, 분쇄 등의 전처리는 실시하지 않았으며, 22~24 oC 실온 조건에서 실험을 실시하였다. 입경 및 입도 등의 분체특성을 조사하기 위하여 레이저 회절법 원리를 응용한 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 입도분석을 실시였다.
- 이러한결과는 본 연구의 TGA결과(246 oC)와 거의 유사하며 열분해가 일어나는 온도 차이는 서로 다른 크기의 분진 입경에 의한 것으로 추정된다. 본 연구에서 수행된 TGA결과의 신뢰성을 확인하기 위하여 설탕 분진에 대해 시차주사열량계(DSC)를 사용하여 공기 중에서 5 oC/min의 승온속도 조건으로 조사한 결과를 Fig. 6에 제시하였다. 설탕 분진은 약 181.
- 그러므로 분진의 화염전파속도를 추정할 수 있다면 폭발로 인한 위험성을 보다 상세히 알 수 있으므로 안전대책을 강구하는데 있어서중요한 정보가 된다. 본 연구에서 측정된 식료품 분진의 폭발압력특성 자료를 활용하여 화염전파속도를 계산하였다[16]. 밀폐용기에서 분진이 착화되어 화염이 전파하면 폭발압력이 발생하는데 Pm은 화염이 용기의 벽면에 도달하는 지점에서 발생한다.
- 본 연구에서는 TGA를 사용하여 설탕, 옥수수, 밀가루 시료 분진에 대해 공기 분위기에서 5~20 oC/min의 승온속도 조건으로 하여 분진시료의 중량변화와 열거동을 관찰하고 발화특성을 조사하였다. 승온속도 5 oC/min에서의 설탕, 옥수수 및 밀가루의 TGA 결과 예를 (Fig.
- TGA는 일정한 속도로 온도를 변화시켰을 때의 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로써 측정한다[14]. 본 연구에서는 일정량(0.1~0.2 g)의 분진시료를 알루미늄(Aluminum oxide)재질의 시료용기에 넣어 전자 저울에 올려놓은 후에 공기분위기(유량 50 ml/min)에서 승온속도(Heating rate)를 5~20 oC/min로 변화시키면서300~1000 oC 온도범위에서 측정하였다. 또한 시료와 불활성 기준물질을 동일한 온도 프로그램에 따라 변화시키면서 온도와 시간의 함수로서 열유속차이(Difference in heat flow)를 측정하는 시차주사열량계(DSC; Differential scanning calorimeter)를 사용하여 본 연구에서 수행한 TGA결과의 타당성을 확인하였다.
- 다음에 스파크 전극에 전압을 인가시켜 10 kJ의 에너지를 갖는 화학점화기 (Chemical ignitor)를 사용하여 착화시켰다. 분진폭발에 의해 발생하는 계측되는 시간-압력 곡선의 분석을 통하여 폭발하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다. 일정 농도에 있어서의 폭발특성실험은 상온(23 oC), 습도(32±2%), 및 대기압(1 atm)의 조건에서 실시하였으며 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다.
- C/min의 승온속도 조건으로 하여 분진시료의 중량변화와 열거동을 관찰하고 발화특성을 조사하였다. 승온속도 5 oC/min에서의 설탕, 옥수수 및 밀가루의 TGA 결과 예를 (Fig. 2~4)에 나타냈는데, 각 그림에서 하부에 표시된 그래프는 온도에 따른 열중량변화를 나타낸 TGA 결과이며, 상부 그패프는 열유속(Heat flow) 변화를 나타낸 SDTA (Single Differential Thermal Analysis)결과로서 TGA와 동시에 측정하였다. SDTA 그래프에서 180.
- 본 연구에서는 사고발생빈도가 높은 대표적인 식료품 분진으로서 설탕, 옥수수, 밀가루 분진의 발화 및 폭발위험성을 실험적으로 검토하였다. 이를 위해 입도분석을 통한 분체특성에 따른 열적거동을 측정하여 발화위험성을 검토하였다. 또한 폭발압력특성을 조사하고 화염전파에 따른 피해예측을 위해서 분진화염전파 시간을 계산하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 일정 농도에 있어서의 폭발특성실험은 상온(23 oC), 습도(32±2%), 및 대기압(1 atm)의 조건에서 실시하였으며 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다.
- 본 연구에서 사용한 식료품 분진 시료는 시료 채취 후에 건조, 분쇄 등의 전처리는 실시하지 않았으며, 22~24 oC 실온 조건에서 실험을 실시하였다. 입경 및 입도 등의 분체특성을 조사하기 위하여 레이저 회절법 원리를 응용한 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 입도분석을 실시였다. 체적 기준에 따른 설탕(Sugar), 옥수수(Constarch), 밀가루(Flour) 분진의 분체특성 측정 결과 예를 Fig.
- 본 연구에서 조사한 3종의 식료품 분진의 최대화 염전파속도[(Vf)m]와 (Vf)m가 나타나는 분진농도를 정리하면 Table 3과 같다. 폭발피해 위험성을 추정하는 예로서 분쇄기와 집진기가 30 m의 이송 배관으로 연결되어 있는 공정을 가정하여 집진기에서 착화되어 분진화염이 이송 배관을 통해 분쇄기로 전파하는 경우의 폭발피해 확대 위험성을 검토하였다. 폭발피해 저감 또는 예방대책을 강구하기 위해서는 집진기의 폭발에 의해 발생한 화염이 배관을 통해 분쇄기까지 얼마나 빨리 전파할 수 있는지를 사전에 파악하는 것이 중요하다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 중대산업사고 원인물질로서 사고발생빈도가 상대적으로 높으며 사회적 수요가 많은 설탕, 옥수수, 밀가루 분진을 조사대상 물질로 정하였다. 설탕 및 밀가루는 과거 폭발사고가 발생하였던 국내 사업장의 최종 공정 집진기 버그필터에서 채취한 분진을 사용하였으며, 옥수수분진은 건조, 분쇄 공정을 거쳐 제조된 최종제품을 실험대상 시료로 사용하였다. 시료의 채취 장소는 다르지만 분진의 발화 및 폭발특성은 분진입자의 크기에 의해 가장 큰 영향을 받기 때문에 사전에 분체특성을 조사하는 것이 중요하다.
- 이를위해 20 L의 체적을 갖춘 구형(Globular shape) 폭발용기 분진폭발시험장치(Kühner AG, Swiss)를 사용하였다[15].
성능/효과
- (1) 최대폭발압력(Pm) 및 폭발지수(Kst)는 특정 분체 조건에서의 폭발특성값 이므로 폭발위험성을 정확하게 나타내기 위해서는 평균입경 자료가 함께 제시되어야 하며, 본 연구의 입도분석에 의한 설탕, 옥수수, 밀가루 분진의 평균입경(Median size)은 각각 27.56, 14.76, 138.5 μm가 얻어졌다.
- (2) 발화온도로 추정하기 위해 공기분위기 및 5 oC/min의 승온조건에서 수행한 열중량분석(TGA) 결과, 질량감소 개시온도는 설탕, 옥수수, 밀가루에 있어서 204.0, 263.0, 246.0 oC가 얻어졌다. 또한 승온속도가 증가하면 발화온도는 증가하는 경향을 보였으며, 본 연구의 TGA결과는 신뢰성 확인을 위해 조사한 시차주사열량계(DSC)의결과와 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
- (3) 폭발강도의 지표가 되는 설탕, 옥수수, 밀가루의 Pm 및 Kst는 각각 7.6, 7.6, 6.1 bar 및 153, 133, 61 [m·bar/s]로서 폭발지수가 모두 1등급(St 1)에 해당되지만, 분진폭발 위험성은 설탕이 가장 높고 밀가루가 상대적으로 가장 작았다.
- (4) 분진화염전파에 의한 피해확대 위험성을 조사하기 위하여 분진폭발 시의 화염전파 소요시간(Tp, Flame propagation time)을 Tp= [(Vf)m/df]의 계산식으로 검토한 결과, 화염전파로 인한 폭발확산 위험성은 설탕, 밀가루, 옥수수 분진의 순으로 높았으며, 이러한 평가법이 분진폭발 위험성 예측에 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 그 결과 TGA에서는 252 oC에서 열분해에 따른 중량감소가 일어났으며, 사용 분진량이 TGA의 경우보다 많은 밀폐 연소관 오븐에서는 280 oC가 얻어졌다.
- 5 μm의 입경을 가지고 있다. 그러나 밀가루 분진시료는 밀가루 제조공장의 집진기에서 채취된 것으로서 버그필터에 부착된 분진을 샘플링한 것이며 직접 관찰에서는 설탕 및 옥수수와 유사하게 매우 미세한 분진으로 확인되었다. 이러한 밀가루 분진의 직접 관찰 결과와 넓은 입도분포에 비하여 평균입경이 작은 원인을 알기 위하여 전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 조사한 결과 분쇄 시에 발생하는 미세분진에 밀의 표피 물질(껍질)이 그 수는 매우 적지만 일부 혼합되어 있었는데 이러한 약 1000 μm 크기 전후의 표피물질로 인하여 평균입경이 크게 나타난 것으로 추정하였다.
- 이러한 밀가루 분진의 직접 관찰 결과와 넓은 입도분포에 비하여 평균입경이 작은 원인을 알기 위하여 전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 조사한 결과 분쇄 시에 발생하는 미세분진에 밀의 표피 물질(껍질)이 그 수는 매우 적지만 일부 혼합되어 있었는데 이러한 약 1000 μm 크기 전후의 표피물질로 인하여 평균입경이 크게 나타난 것으로 추정하였다. 또한 밀가루 분진의 수밀도 분포 분석결과를 보면 밀가루 표피 물질의 수밀도는 매우 낮으며 입경이 큰 밀가루 표피 물질이 평균입경의 증가에 큰 영향을 주고 있다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 밀가루 분진에서 표피 물질을 무시하면 평균입경(138.
- 0 oC가 얻어졌다. 또한 승온속도가 증가하면 발화온도는 증가하는 경향을 보였으며, 본 연구의 TGA결과는 신뢰성 확인을 위해 조사한 시차주사열량계(DSC)의결과와 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 밀가루 분진의 Kst는 61 [m·bar/s]로서 폭발등급 1등급(St 1)에 해당되지만 본 연구에서 검토한 3종류의 분진중에서 가장 작은 크기의 폭발성을 가지고 있다.
- 분진폭발에서의 폭발압력은 분진 입자의 급격한 연소반응으로 방출된 연소열로 용기 내의 혼합기의 온도가 상승하여 일어난다. 본 연구의 열분석 결과에서 알 수 있듯이, 식료품 분진은 외부에서 가해진 에너지에 의해 열분해하여 가스상태의 연소생성물이 발생하는데 반응전후의 몰(mole) 수 변화가 작다고 한다면 연소생성물 가스와 질소가스의 팽창으로 폭발압력이 증가한다. 이러한 관점에서 폭발압력은 분진입자의 연소에 의해 방출된 분진-공기 혼합기가 가지고 있는 에너지라고 할 수 있다.
- 설탕 분진은 입도 범위가 약 0.6~200 μm로서 평균입경(Median diameter)은 27.56 μm로 조사되었으며, 옥수수의 입도범위는 약 3~40 μm로서 설탕에 비하여 좁은 편이며 평균입경은 14.76 μm로 나타났다.
- 이러한 밀가루 분진의 직접 관찰 결과와 넓은 입도분포에 비하여 평균입경이 작은 원인을 알기 위하여 전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 조사한 결과 분쇄 시에 발생하는 미세분진에 밀의 표피 물질(껍질)이 그 수는 매우 적지만 일부 혼합되어 있었는데 이러한 약 1000 μm 크기 전후의 표피물질로 인하여 평균입경이 크게 나타난 것으로 추정하였다.
후속연구
- 기존의 분진폭발 관련 논문이나 문헌 등을 보면 입경 정보에 대한 기재 없이 Kst자료를 제공하는 경우가 매우 많다. 또한 Pm 및 Kst 등의 분진폭발 특성은 동일 분진이라도 폭발용기의 체적에도 영향을 받기 때문에 어떠한 시험법에서 측정되었는지를 확인할 필요가 있다. Proust 등[22]은 1 m3 및 20 L의 서로 다른 체적을 갖는 폭발용기에서 분진의 Kst를 조사한 결과 폭발용기가 작을수록 용기 내부의 난류 레벨이 보다 빠르게 감소하여 분진혼합기의 연소율이 감소하는 경향이 있음을 제시하였다.
- 본 연구 결과에서 알 수 있듯이 분진의 열분해 특성을 통한 발화온도 추정 시에는 발화온도가 분체특성, 승온속도등의 다양한 요인에 영향을 받기 때문에 동일 종류의 분진이라 하더라도 공정조건을 고려하여 측정된 자료를 확보하여 사용할 필요가 있다.
- 분진폭발특성의 측정은 난류 영향을 최소화하기 위하여 일정 크기(20 L 이상)의체적을 갖는 폭발용기에서의 측정이 필요하지만, 이와 동시에 Kst 값은 일반적 정수가 아니며 동일 분진 및 동일 농도 조건에서의 분진폭발 위험성을 나타내므로 평균입경에 대한 분체특성 자료가 함께 제시되어야만 해당 분진의 폭발위험성을 정확하게 표현할 수가 있을 것이다. 본 연구에서 제시된 설탕 및 밀가루의 분진폭발 특성자료는 유사 집진공정의 안전성 자료로 활용될 수 있으며, 옥수수 분진은 제품 취급사업장의 작업공정에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 또한 Fumagalli [23]등은 폭발용기 내부의 난류 발생은 분진-공기 혼합기의 분출 시에 발생하는 용기 벽면과의 마찰(Friction), 전단층(Shear layer)의 발생, 그리고 수직 방향의 밀도 변화를 일으키는 경압 효과(Baroclinic effect)에 영향을 받는 것으로 보고하고 있다. 분진폭발특성의 측정은 난류 영향을 최소화하기 위하여 일정 크기(20 L 이상)의체적을 갖는 폭발용기에서의 측정이 필요하지만, 이와 동시에 Kst 값은 일반적 정수가 아니며 동일 분진 및 동일 농도 조건에서의 분진폭발 위험성을 나타내므로 평균입경에 대한 분체특성 자료가 함께 제시되어야만 해당 분진의 폭발위험성을 정확하게 표현할 수가 있을 것이다. 본 연구에서 제시된 설탕 및 밀가루의 분진폭발 특성자료는 유사 집진공정의 안전성 자료로 활용될 수 있으며, 옥수수 분진은 제품 취급사업장의 작업공정에서 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 분진폭발피해저감에 사용되는 화염전파차단, 폭발억제 등과 같은 안전설비의 작동시간을 제어하고 화염이나 압력 감지센서의 오작동에 대비하기 위해서는 집진기에서 착화된 폭발화염이 분쇄기까지 전파되는데 소요되는 시간에 대한 정보가 중요하다. 이러한 관점에서 본 연구에서 검토한 화염전파 소요시간 계산 결과는 분진화염전파에 의한 피해확대 예방대책을 수립하는 경우에 활용될 수 있을 것이다.
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