[논문]VOC 흡착 분말활성탄의 폭발특성

김성규; 이경덕; 김영수; 신창섭

문제 정의

본 연구에서는 장판, 자동차, 범퍼 등을 생산하고 있는 공장의 캘린더(calender)공정에서 발생하는 유기화합물을 제거하기 위한 공기정화장치의 흡착/재생장치에 사용중인 활성탄이 유기증기를 흡착했을 때의 위험성을 평가하기 위해, 현재 사용중인 입상활성탄과 같은 전구물질의 분말활성탄에 Toluene을 흡착시켜 흡착량에 따른 분진폭발특성, 난류의 영향, 열적위험성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

0g까지 무게를 변화시켜 각각의 무게에서 3회 반복실험하여 최대값을 폭발압력과 압력상승속도로 구하였다. 또한, SDT2960(simultaneous DTA-TGA)을 이용하여 실험대상시료의 무게 10~20g에서 승온속도 10℃/min, 온도범위 30~80 0℃, 공기 분위기 하에서 열적위험성을 평가하였다.
폭발하한농도는 아크릴 폭발통을 이용하여 상부를 통기성이 좋은 거름종이로 덮고, 미리 설정된 폭발조건하에서 실험을 실시하였다. 분진폭발로 인하여 거름종이가 파열되었거나, 폭발통 상부까지 화염이 전파되었을 경우를 폭발로 판정하였으며, 폭발이 일어난 분진의 무게에서 0.1g씩 낮추고, 폭발하한농도 부근에서는 0.02g씩 낮추거나 높여가면서 10회반복 실험하여 한번도 폭발하지 않았을 경우 폭발통 내부의 체적(0.0012㎥)으로 나누어 폭발 하한농도(g/㎥)로 결정하였다. 폭발압력과 압력상승속도는 stainless steel 폭발통에 설치된 압력센서로부터 폭발압력을 감지 압력증폭기를 통하여 오실로스코프에 기록된다.
흡착된 Toluene양(mg)/분말활성탄양(g)으로 표시하였다. 폭발하한농도는 아크릴 폭발통을 이용하여 상부를 통기성이 좋은 거름종이로 덮고, 미리 설정된 폭발조건하에서 실험을 실시하였다. 분진폭발로 인하여 거름종이가 파열되었거나, 폭발통 상부까지 화염이 전파되었을 경우를 폭발로 판정하였으며, 폭발이 일어난 분진의 무게에서 0.
폭발압력과 압력상승속도는 stainless steel 폭발통에 설치된 압력센서로부터 폭발압력을 감지 압력증폭기를 통하여 오실로스코프에 기록된다. 폭발하한농도로부터 2.0g까지 무게를 변화시켜 각각의 무게에서 3회 반복실험하여 최대값을 폭발압력과 압력상승속도로 구하였다. 또한, SDT2960(simultaneous DTA-TGA)을 이용하여 실험대상시료의 무게 10~20g에서 승온속도 10℃/min, 온도범위 30~80 0℃, 공기 분위기 하에서 열적위험성을 평가하였다.

대상 데이터

1과 같으며 실험에서 사용한 활성탄은 전구물질이 석탄(coal)계인 200mesh이하의 분말활성탄을 사용하였다. Toluene을 흡착시키기 위하여 200(H) × 300(L) × 300(W)㎣, 18ℓ 체적을 갖는 두께 10mm의 아크릴재질의 밀폐용기와 지름 900mm, 높이 20mm 내열유리의 시료접시로 구성된 흡착활성탄 제조장치를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 분진폭발장치는 Hartmann식 분진폭발장치로서 Fig. 1과 같으며 실험에서 사용한 활성탄은 전구물질이 석탄(coal)계인 200mesh이하의 분말활성탄을 사용하였다. Toluene을 흡착시키기 위하여 200(H) × 300(L) × 300(W)㎣, 18ℓ 체적을 갖는 두께 10mm의 아크릴재질의 밀폐용기와 지름 900mm, 높이 20mm 내열유리의 시료접시로 구성된 흡착활성탄 제조장치를 사용하였다.

성능/효과

1) 분말AC-coal 자체는 폭발하지 않았으나, Toluene을 187mg/g이상 흡착한 경우 폭발을 일으켰다. 폭발하한농도에서 흡착된 Toluene의 농도는 Toluene 가연성가스의 폭발 하한농도 44g/㎥와 거의 일치하였으며, 비가연성물질인 분말AC-coal의 질량분율을 P라 할 때 폭발하한농도는 MEC=44g/㎥[100/(100-P)]에 의해 예측할 수 있다.
Table. 1과 Fig. 5에서는 Toluene 흡착량이 많아질수록 분말AC-coal의 폭발하한농도에서 흡착된 Toluene의 농도는 Toluene 가연성가스의 폭발하한농도 1.27vol%를 25℃ 1기압일 때 질량농도로 바꾼 농도 44g/m, 와 거의 일치함을 보였다. 따라서, 가연성분진에서 비휘발성물질의 질량분율 P를 알면, 즉, 분말AC-coal 활성탄의 Toluene 흡착량을 알면 폭발하한농도를 식(1)에 의해 예측할 수 있게 된다.
2) 열분해곡선에서 흡착량이 증가함에 따라 30~ 340℃에서 Toluene 탈착에 의한 흡열반응과 무게감소율이 증가하였으며, 분말AC-coal의 산화에 의한 발열반응이 360~500℃일어났다. 무게감소율의 증가로부터 폭발압력과 압력상승속도는 Toluene 흡착량에 의존함 알 수 있다
3) 분사압력과 지연시간의 증가는 점화원으로부터 분진입자로의 열전달을 방해하고 입자의 침강현상으로 폭발하한농도는 증가한 반면, 분사압력의 증가는 폭발시 연소입자와 미연소입자의 혼합을 용이하게 하여 폭발압력과 압력상승속도는 증가하였다.
3의 열분해곡선에서 분말AC-coal의 산화에 의한 급격한 무게감소와 발열반응이 360 ~550℃에서 일어났다. 또한, TGA 열분해곡선에서 자연발화온도는 무게 100%로 유지되는 기준선과 열분해곡선상의 굴곡지점에서의 tangent 기울기와 교차되는 지점으로 자연발화온도는 500℃로 나타났다.
8에서 보는 바와 같이, 폭발통 내부에서 분진운 형성을 위한 분사압력, 즉 초기난류의 증가는 점화원으로부터 분말AC-coal 입자로의 열전달을 방해하여 휘발성물질을 감소시켜 Toluene 흡착량 357mg/g인 AC-coal의 폭발하한농도가 258, 308, 325, 425g/㎥으로 증가함을 알 수 있다. 초기 분사압력에 비해 지연시간이 너무 길게되면 분진입자의 침강(sedimentation)으로 폭발하한농도가 증가함을 알 수 있다. 폭발압력과 압력상승속도에 대한 난류의 영향은 Fig.
초기 분사압력에 비해 지연시간이 너무 길게되면 분진입자의 침강(sedimentation)으로 폭발하한농도가 증가함을 알 수 있다. 폭발압력과 압력상승속도에 대한 난류의 영향은 Fig. 9에서 처럼 Toluene 흡착량 367mg/g인 AC-coal의 농도 833g/㎥에서 분사압력이 0.6kg_f/㎤에서 3.0kg_f/㎤로 증가함에 따라 난류의 정도가 커져서 폭발시 연소입자와 미연소 입자상호간의 혼합을 증가시켜 Toluene의 휘발을 용이하게 하여 폭발압력과 압력상승속도는 1.04kg_f/㎤와 35.6kg_f/㎤ ·s에서 3.21kg_f/㎤와 113.3kg_f/㎤ · s로 비례하여 증가하였고, 지연시간이 길어질수록 난류의 정도가 작아지게 되어 폭발압력과 압력상승속도가 감소함을 알 수 있다.
폭발하한농도에 대한 난류의 영향은 Fig. 8에서 보는 바와 같이, 폭발통 내부에서 분진운 형성을 위한 분사압력, 즉 초기난류의 증가는 점화원으로부터 분말AC-coal 입자로의 열전달을 방해하여 휘발성물질을 감소시켜 Toluene 흡착량 357mg/g인 AC-coal의 폭발하한농도가 258, 308, 325, 425g/㎥으로 증가함을 알 수 있다. 초기 분사압력에 비해 지연시간이 너무 길게되면 분진입자의 침강(sedimentation)으로 폭발하한농도가 증가함을 알 수 있다.
폭발하한농도에서 흡착된 Toluene의 농도는 Toluene 가연성가스의 폭발 하한농도 44g/㎥와 거의 일치하였으며, 비가연성물질인 분말AC-coal의 질량분율을 P라 할 때 폭발하한농도는 MEC=44g/㎥[100/(100-P)]에 의해 예측할 수 있다. 흡착량이 증가함에 따라 폭발하한농도가 낮아지고 폭발압력과 압력상승속도는 증가하였다.

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