54(3)-01(035 이근원).fm

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관훈 좌
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1 Korean Chem. Eng. Res., 54(3), (2016) PISSN X, EISSN 플라스틱부유분진의폭발특성과화염전파속도 한우섭 이근원 한국산업안전보건공단산업안전보건연구원 대전광역시유성구엑스포로 339 번길 30 (2016 년 3 월 2 일접수, 2016 년 3 월 31 일수정본접수, 2016 년 4 월 1 일채택 ) Explosion Characteristics and Flame Velocity of Suspended Plastic Powders Ou Sup Han and Keun Won Lee Occupational Safety & Health Research Institute, Kosha, 30, Expo-ro 339 Beon-gil, Yuseong-gu, Daejeon, 34122, Korea (Received 2 March 2016; Received in revised form 31 March 2016; accepted 1 April 2016) 요 약 산업분야에서사용되는플라스틱분진은대부분가연성이며화재폭발사고위험성이있다. 그러나산업현장에서안전한취급을위해활용할수있는폭발특성자료는매우적다. 본연구에서는사업장에서취급하는다양한플라스틱분진의폭발특성을실험적으로조사하여관련자료와안전정보를제공하는것을목적으로수행하였다. 이를위해 20 L 분진폭발시험장치를사용하여각종폭발특성값을측정하였다. 그결과 ABS (209.8 µm), PE (81.8 µm), PBT (21.3 µm), MBS (26.7 µm) 및 PMMA (14.3 µm) 시료의분진폭발지수 (K st ) 는각각 62.4, 59.4, 70.3, 303, 203.6[bar m/s] 의값이얻어졌다. 또한플라스틱분진폭발에의한피해예측을위하여분진폭발압력에서분진의연소속도가일정하다고가정하고최대압력소요시간및화염도달시간을고려한화염전파속도모델을통하여분진폭발시의화염전파속도를추정하였다. Abstract 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 µm), PE (81.8 µm), PBT (21.3 µm), MBS (26.7 µm) and PMMA (14.3 µm) are 62.4, 59.4, 70.3, 303 and [bar 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. Key words: Plastic dusts, Dust explosion, Explosion pressure, Flame velocity 1. 서론 플라스틱은경량성, 부식내구성, 우수한전기적성질, 가공용이성등의많은장점을가지고있어다양한분야에서사용되고있다. 그러나플라스틱은화재에취약하며플라스틱분진이공기중에부유, 분산되어일정농도의분진운 (Dust cloud) 이형성되고착화원이존재하면분진폭발위험성이있다. 플라스틱분진에의한국내사업장에서의폭발사고사례를보면, 1989년에 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 분진폭발사고 ( 사망 16명, 부상 17명 ) 가일어났으며, 2000 To whom correspondence should be addressed. leekw@kosha.or.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 년에는 PVC공정 Bag filter청소시에발생한 PVC분진폭발사고 ( 부상 4명 ) 와 PVC공정의배관용접작업중의분진폭발사고 ( 부상 5명 ) 가있었으며, 2012년의 PE (Polyethylene) 분진폭발사고및 2013년의 HDPE (High-density Polyethylene) 분진폭발사고 ( 사망 6명, 부상 11 명 ) 등과같이플라스틱분진에의한폭발사고가반복적으로발생하고있으며피해규모도큰것을알수있다 [1]. 국외에서도 ABS분진 [2,3] 및 PE분진 [4,5] 에의한폭발사고등으로심각한물적및인적피해가보고되고있다. 플라스틱제조시에는건조, 저장공정과같이중간공정에서미세한분진발생이증가하므로잠재적인폭발위험성을가지고있다. 플라스틱제품제조공정에서는설비외부로의분진누출이없는경우라도공정설비내에서는미세분진의발생을피할수없으므로상시폭발범위내에존재할가능성이있다는점을고려하여폭발방지대책을강구하는것이필요하다. 그러나국내사업장에서사용하고있는플라스틱분진원료제품중에는과거폭발 367

2 368 한우섭 이근원 사고사례가있었음에도불구하고화재폭발특성자료가거의없다. 이러한플라스틱분진제품을제조하는경우에는화재폭발위험성을알지못하여잘못된운전조건이나취급부주의로인하여발화나화재폭발사고가일어날수있으므로이러한사고예방과안전대책강구에필요한정량적인안전자료를확보하는것이우선적으로필요하다. 플라스틱분진의종류는다양하지만이에관련하여화재폭발특성에대한연구가발표되고있다. Wei 등 [6] 은입경이서로다른 2 종의 PMMA (Polymethlmetacrylate) 분진을대상으로 20 L 폭발용기를사용한벤팅의직경에따른폭발압력특성을조사하였는데압력배출을위한벤팅의직경이증가할수록최대폭발압력이감소하는결과를얻었다. Hertzberg 등 [7,8] 은 PE가폭발하한농도 (Minimum explosible concentration; MEC) 에서완전분해되면폭발특성이메탄 (CH 4 ) 과유사하다고보고하였으며, 그후에 Cashdollar [9] 는 PE 분진과 CH 4 의 MEC를실험적으로조사한결과 PE와 CH 4 의 MEC는거의일치하였으며이는 PE가거의완전분해되어가스상태의공기혼합기를형성하였기때문이라는연구결과를제시하고있다. Duh 등 [10] 은 ABS 분진의열분해성을시차열분석시험장치 (DSC) 를사용하여조사한결과발화가 193 o C에서일어나는것을보고하였다. 그러나플라스틱분진은다양한분체특성으로인해알려진폭발특성자료가매우적어활용하기가쉽지않은것이현실이다. 한편분진폭발에서의층류연소속도의연구는장방형배관의분진전파화염 (Propagating dust flames) 과구형 (Spherical) 형태의밀폐공간에서전파하는분진구상화염 (Spherical dust flames) 으로크게 2가지로분류된다. 장방형수직연소관을사용하여분진화염의전파거동을조사한연구 [11-19] 에서는유동층 (Fluidized bed) 을사용하여층류에가까운분진운을형성시켜화염전파를관측하고층류연소속도를제시하고있다. 밀폐공간에서의분진전파화염에대한연구로서 Lewis 등 [20] 은밀폐공간의폭발에서시간-압력곡선과화염전파속도측정값에의한층류연소속도를평가하였다. 난류의크기가연소속도에미치는영향에대해서는몇가지연구결과 [21-23] 가보고되고있다. Tezok [22] 등은옥수수분진을사용하여난류강도와연소속도의상관성을실험적으로조사한결과 0~7 m/s의연소속도에서는선형적인상관성이존재하는것을제시하였다. Van der Wel[23] 은 20 L 분진폭발시험장치를사용하여조사한결과 0~3 m/s의연소속도에서난류강도에대한명확한선형성이나나타났다고보고하였다. Dahoe 등 [24] 은분진폭발에서해석이곤란한반응대 (Reaction zone) 의화염두께 (Flame thickness) 를무시한폭발모델을제시하고화염면의이동속도를계산하였다. Han 등 [25] 은입자거동을고려한분진화염전파모델을통해화염전파속도를추정하였으며, 또한 Han 등 [26] 은밀폐공간의분진폭발에서시간-압력곡선으로부터용기벽면에의화염도달시간과분진의연소시간을고려하여화염전파속도를계산하였다. 본연구에서는국내유통량이많고재해사례가있음에도물리적위험성자료가없어서반복적인화재폭발발생위험성이높은플라스틱분진을대상으로화재폭발특성을실험적으로조사하였다. 이를위해플라스틱분진이폭발하는경우에폭발피해를최소화하기위한대책을강구하는데필요한폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수등의폭발특성값을측정하고평가하였다. 또한플라스틱분진이폭발하는경우에폭발피해최소화또는예방대책에필요한피해예측을위해서분진폭발시의화염전파속도를계산하고위험성을검토하였다. 2. 실험 2-1. 실험장치및방법본연구에서사용한분진폭발시험장치는국제시험규격 (ASTM) 의분진폭발표준시험장치를채용한 Siwek 20 L Chamber (Kühner AG, Swiss) 를사용하였으며장치의개략도를 Fig. 1에나타냈다 [27]. 시험방법은먼저시험할농도의분진을 6 L의저장컨테이너에충진한다음에분진컨테이너의밸브를순간적으로열고 20 bar의압력을갖는공기를유입시켜대기압상태의분진-공기혼합물을폭발용기내에분산시킨다. 이때발생하는분체유동으로인한난류는폭발압력, 압력상승속도, 폭발한계등의폭발특성에영향을주기때문에난류레벨을안정화시킬필요가있다. 이를위해분진분산후에 60 ms의일정한시간간격 ( 착화지연시간 ) 을두어부유분진운의유동성이최대한억제하도록하였다. 지연시간경과후에 2개전극사이로전압을인가시켜 10 kj의착화에너지를갖고있는화학점화기 (Chemical ignitors) 를사용하여착화시켰다 [27]. 분진이착화되어폭발이일어나면시간-압력파형이관찰되는데이러한압력파형을통하여폭발한계농도, 폭발압력, 최대압력상승속도등을측정한다. 일정농도에서의폭발특성평가는상온 (23 o C±1 o C), 대기압 (1 atm) 의조건에서실험을 3회반복하여그결과를평균하였다. 또한분진의폭발강도비교를위해서각플라스틱시료에대한폭발지수 (K st ) 를 K st =(dp/dt) max V (1/3) 의관계식을이용하여계산하였다. 이때 V는폭발용기의체적 (0.02 m 3 ) 이며 (dp/dt) max 는최대폭발압력상승속도 [bar/s] 를나타낸다 분진시료본연구에서사용한분진시료는국내관련사업장에서제조, 취급량이많지만 MSDS( 물질안전보건자료 ) 등의물리화학적특성항목에폭발특성값이없으며분진폭발사고사례가있어위험성이높다고판단되는플라스틱분진을연구대상시료로선정하였다. 본연구에서화재폭발특성을조사, 평가한분진시료는국내사업장에서제공한 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 5종으로하였다. 특히 PMMA는 MMA의중합에의해만들어지는데 PMMA를조사대상시료로선정한이유는일상생활에서많이사용하는플라스틱으로서 PMMA는거의완전연소가이루어지며이때문에열분해등의연소메커니즘이잘 Fig L spherical explosion test apparatus (Kühner AG, Swiss).

동일한 플라스틱 분진이라 하더라도 평균입경이 변하면 폭발하 한농도, 폭발압력특성 등이 달라지기 때문이다. 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.

3 플라스틱 부유 분진의 폭발특성과 화염전파속도 Fig. 2. Particle size distribution of PMMA dust. 알려져 있다는 점이며 이러한 이유로 많은 연구자들에 의해 PMMA의 연소특성의 연구결과가 보고되고 있어 비교 연구가 가능 하기 때문이다. 분진의 폭발특성에 영향을 주는 요인 중에서 평균입경과 분진농 도는 분진폭발 특성을 지배하는 주요 영향 인자들이다. 그 중에서도 평균입경은 분진폭발특성이 결정되는데 가장 큰 영향을 주며 분진 에는 다양한 입경이 혼합되어 있기 때문에 입도 범위와 입경을 대 표하는 평균입경이 어느 정도인지를 사전에 조사하는 것이 중요하 다. 동일한 플라스틱 분진이라 하더라도 평균입경이 변하면 폭발하 한농도, 폭발압력특성 등이 달라지기 때문이다. 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. 2 는 PE의 입도분석 결과 예이며 입도분석장치를 사용하여 측정한 각 시료의 평균입경(Median diameter)을 Table 1에 나타냈다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA분진의 평균입경은 각각 209.8, 81.8, 21.3, 26.7, 14.3 μm의 결과가 얻어졌다. 입도범위는 ABS, PE, MBS 분진 이 비교적 넓은 분포를 내나내는 반면에 PMMA, PBT 분진은 상대 적으로 좁은 입도 분포를 가지고 있는 것을 알 수 있다. 평균입경 측 정결과의 타당성을 검토하기 위하여 주사 전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope, Hitachi system)에 의해 관찰된 PMMA 분진 입자의 예를 Fig. 3에 나타냈는데 SEM관찰 시에 선명한 상을 얻기 위한 증착이나 방전제 등의 특별한 전처리를 하지 않은 상태의 모 습이다. PMMA 입자는 거의 구형에 가까운 형태를 가지고 있으며 평균입경보다 작은 미세 분진도 포함되어 있지만 일정한 입경을 가 지고 있는 것이 많으며 Fig. 2의 입도분석장치 실험결과와 비슷한 평균입경을 나타내고 있다는 것을 확인할 수 있다. 사업장에서의 폭 발특성자료 활용성을 고려하여 실험에 사용한 시료 분진은 건조 및 일정한 입경분포를 갖도록 하기 위한 전처리를 실시하지 않았으며 약 23 oc의 실온 조건에서 실험을 실시하였다. 369 Fig. 3. Scanning Electron Microscope of PMMA dust. 3. 결과 및 고찰 3-1. 분진폭발의 발생 위험성 분진폭발은 공기 중에 분산된 부유 분진이 연소하여 화염이 전파 하기 때문에 일어난다. 공간을 화염이 전파하기 위해서는 분진 입자가 지속적으로 연소를 해야 하므로 일정량 이상의 분진 입자가 공기 중의 공간에 존재할 필요가 있다. 분진폭발이 발생하는데 필요한 단 위 체적에서의 분진의 최소량이 폭발하한농도(Minimum explosible concentration; MEC)이다. 부유, 분산되어 있는 분진-공기 혼합기의 폭발위험성은 크게 분진폭발 발생 가능성과 폭발강도로 나눌 수 있 다. 폭발발생 가능성은 분진이 얼마나 쉽게 폭발할 수 있는지를 나 타내는 지표로서 그 중에 하나가 MEC이다. 20 L 분진폭발시험장치(Siwek 20-L Apparatus)를 사용하여 MEC를 측정하였으며 Fig. 4는 ABS 분진의 MEC를 측정한 예이며, 농도 변화에 따른 폭발압력(Pm)과 폭발압력상승속도(dP/dt)를 조사한 결과를 나타낸 것이다. MEC의 기준이 되는 폭발압력은 0.2 bar이며[27], 농도 [g/m3]에서 0.2 bar의 폭발압력을 나타내고 있으므로 이 농 도가 폭발하한농도의 기준이 되는 것을 알 수 있다. Table 2는 MEC를 조사한 결과로서 PMMA, ABS, PE, PBT 및 MBS에서의 MEC는 각각,, 30, 및 [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 평 Table 1. Particle size of samples Samples ABS PE PBT MBS PMMA Particle Diameter Range (μm) 1~1000 1~ ~160 1~900 1~ Median diameter, Dp (μm) Fig. 4. Measurement of MEC of ABS dust.

4 370 한우섭 이근원 Table 2. Minimum explosible concentration (MEC) of plastic dust samples Samples Median diameter (μm) MEC (g/m 3 ) ABS PE PBT MBS PMMA Fig. 5. Maximum pressure and rate of pressure rise in ABS dust explosion. Fig. 6. Maximum explosion pressure of plastic dust samples with concentration. 균입경을함께고려하여적용하여야한다 폭발압력특성분진폭발은입자의연소에의해화염이전파하여 0.2 bar 이상의압력이발생한경우이다 [27]. 이때특정농도에서발생하는폭발압력 (P m ) 의시간변화에대한최대값이폭발압력상승속도 ([dp/dt] m ) 이며 P m 과 [dp/dt] m 은폭발피해저감대책을위해중요하게활용되는폭발특성값이다. 이러한폭발특성값은동일한종류의분진이라하더라도입경크기, 농도, 온도, 압력등에따라변화한다. Fig. 5는분진농도가변화하는경우의 ABS분진에대하여 P m 과 [dp/dt] m 를측정한예를나타낸것이다. ABS분진의농도가증가하면 P m 이증가하는경향을보이며 1000 [g/m 3 ] 에서최대폭발압력 (P max ) 인 4.9 bar가얻어졌으며이값은 ABS의전체농도변화에서 P m 이최대값으로나타난경우이다 [g/m 3 ] 이상의고농도로분진량이증가하면 P m 은감소하기시작하는데 12 [g/m 3 ] 에서 4.6 bar로낮아지고있다. 반면에 ABS 분진의 MEC 근방으로농도가감소하는 2 [g/m 3 ] 에서 P m 이 2.6 bar로서희박분진농도로갈수록폭발에의한압력발생이낮아지는것을알수있다. 농도가계속저하되어 60 [g/m 3 ] 에서는폭발압력이 0.48 bar가되면서화염전파능력이더욱감소한다. 또한 Fig. 5의우측그래프는 ABS 농도변화에따른 (dp/dt) m 는단위시간에있어서폭발압력이가해지는힘으로서값이클수록폭발강도가증가함을의미한다. 또한 (dp/dt) 는 7 [g/m 3 ] 에서약 238 [bar/s] 로서최대값 [(dp/dt) max ] 을보이며그이상의농도에서는매우완만하게감소하고있다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA 분진이농도변화에따른 P m, [dp/dt] m 및폭발지수 (K st ) 의실험결과를 Fig. 6 및 Fig. 7에각각나타냈다. Fig. 6에서분진농도변화에따라일정농도에서 P m 이최대가된후에감소경향을나타내는데, P m 이최대가되는농도는분진종류에따라달라진다. PMMA 및 PE는 0 [g/m 3 ] 에서 P m 이최대가되며 ABS, PBT, MBS는최대가되는 P m 이 1000 [g/m 3 ] 에서나타난다. 또한 P max 의크기를보면 MBS가 9.8 bar로가장큰값으로조사되었다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 P max 는각각 4.9, 7.3, 5.9, 9.8, 8.0 bar가얻어졌다. 본연구에서는 PMMA의 P max 가평균입경 14.3 μm에서 8.0 bar가측정되었으며, Wei 등 [6] 은 PMMA의평균입경이본연구의경우 (14.3 μm) 보다작은 0.8 μm에서 8.65 bar로 Fig. 7. Rate of explosion pressure rise of plastic dust samples with concentration. 보고하고있으며평균입경이감소하면 P max 가증가하는것을확인할수있다. Fig. 7은플라스틱분진시료의 [dp/dt] m 를나타낸것으로서, ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 [dp/dt] m 는 230, 218, 259, 1116 및 7 [bar/s] 의측정값이얻어졌다. [dp/dt] m 은 MBS가 1116 [bar/s] 로서가장큰것으로나타났으며, 그다음으로 PMMA, PBT, ABS, PE 순으로감소하였다. 그러나 Fig. 7에서알수있듯이 PBT, ABS, PE의농도에따른 [dp/dt] m 의차이는그다지크지않았다. 분진농도의변화에따른플라스틱분진의폭발강도지수 (K st ) 를 Fig. 8에제시하였다. K st [bar m/s] 는 K st =(dp/dt) max V (1/3) 의관계식으로계산할수있으며, 이때 (dp/dt) max 는최대폭발압력상승속도 [bar/s] 이며 V는폭발용기의체적 (m 3 ) 이다 [28]. K st 는 P m 과함께분진폭발에따른설비의피해저감을위한장치설계와폭발방산구면적의설정시에필요한폭발특성값으로서활용성이높은안전기술자료이다. K st 의최대값이발생하는분진농도를살펴보면 PE는 0 [g/m 3 ] 이며, ABS 및 PMMA는 7 [g/m 3 ], 그리고 PBT, MBS의최대 K st 는 1000 [g/m 3 ] 에서발생하고있다. ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의 K st 는각각 62.4, 59.4, 70.3, 303 및 [m bar/s] 로분

5 플라스틱부유분진의폭발특성과화염전파속도 371 Fig. 9. Time-pressure curve and combustion time of particles in dust explosion of closed chamber. Fig. 8. Explosion index (K st ) of plastic dust samples with concentration. 석되었다. PE의 P max 및 K st 가평균입경 72 μm의조건에서각각 7.5 bar, 67 [m bar/s] 로알려지고있는데 [3], 본연구에서는평균입경 81.8 μm 에서 7.3 bar 및 62.4 [m bar/s] 가얻어졌으며이러한결과로부터입경증가에따른폭발성의감소효과를고려하면본연구의결과가타당한것임을나타내고있다. 또한분진폭발등급 (Dust explosion class) 은폭발성을 Class 0~3으로구분되는데, Class 0 (K st =0) 은비폭발성 (No Explosion), Class 1 (0<K st 200) 은중간정도의폭발 (Weak or Medium-Scale Explosion), Class 2 (200<K st 300) 는강한폭발 (Large-Scale Explosion), Class 3 (K st >300) 은매우격렬한폭발 (Extremely Large Scale Explosion) 로구분된다 [29]. 이러한분류는가연성분진에대한폭발강도의상대적비교를정성적크기로나타낸것이며, 국내외적으로 Class 1의분진에의한폭발사고가가장많이발생하기때문에 Class 1 분진의폭발위험성을작게평가해서는않된다는점에유의해야한다. Table 3에측정된플라스틱시료의폭발특성값을제시하였는데, 상대적인폭발위험성은 MBS가가장높았으며다음으로 PMMA도폭발위험성이높은것으로나타났다 분진화염의전파속도특성분진폭발에의해발생된에너지는압력, 빛, 온도상승등으로방출되는데화염전파는물리적인충격파를발생시키며인체나구조물에큰피해를준다. 폭발압력은화염전파에의해발생되므로화염전파속도의추정은폭발압력의피해만이아니고분진폭발의특징인 2차화재폭발의예측을가능하게해준다. Fig. 9는분진폭발시의시간-압력파형예를나타낸것이다. P m 은분진의방출에너지에비례하며 ([dp/dt] m ) 는폭발압력에따른상승곡선의최대기울기이다. 또한 P m 및 [dp/dt] m 는폭발강도를표현하는 Fig. 10. Flame propagation velocity of plastic dust samples with concentration. 물리적특성값으로서분진농도에크게영향을받는다. Fig. 9에서 t c 는분진의연소시간으로서착화와함께 P m 이최대가될때까지의시간 (Time to peak pressure) 을의미한다. 밀폐용기에서분진이착화되어화염이전파하면폭발압력이발생하는데 P m (Peak pressure) 은전파화염이용기의벽면에도달하는지점에서발생한다. 분진화염면 (Flame front) 이밀폐용기의벽면에접하는데소요되는시간을화염도달시간 (Flame arrival time, t w ) 이라고하였을때, t c 는 t w 와거의비례한다 [25]. 그러므로 Fig. 1과같은구형폭발용기 (Spherical explosion vessel) 의반경을 r (m) 이라고하면분진폭발로인한화염전파속도 (Flame velocity, V f ) 는 V f =r/t w 와같이나타낼수있다. 이때 V f 의추정에있어서분진화염전파시의화염두께 (Flame thickness) 는고려하지않았다. 구형폭발용기의반경 (r) 은용기체적 (V) 의 3제곱근 Table 3. Explosion characteristics of plastic dust samples ABS PE PBT MBS PMMA Mean Diam. [μm] MEC [g/m 3 ] P max [bar] (dp/dt) max [bar/s] K st [m bar/s] Dust explosion class Class Class Class Class Class 2

6 372 한우섭 이근원 (V 1/3 ) 에비례한다. 또한화염면이용기벽에도달하여연소종료와함께압력이최대가되는시점에서 t w 는 P m 과 (dp/dt) m 의비율에근사하므로 t w =P m /[(dp/dt)] m 와같이표현되며이식을 V f =r/t w 에대입하면 V f 는 V f =V 1/3 [(dp/dt) m /P m ] 와같이된다. 플라스틱분진의폭발로인한피해예측을위해서농도변화에따른 V f 의계산결과를 Fig. 10에나타냈다. V f 는분진농도에의해달라지는것을알수있으며 ABS, PE, PBT, MBS, PMMA에서의최대 V f 는각각 31.0, 9.1, 12.6, 31.0, 28.0 m/s가얻어졌다. MBS 및 PMMA의 V f 는수십미터의단위로매우빠르게전파하는것을알수있으며이러한분진폭발에따른화염전파의피해확대위험성이예상되므로예방대책을검토하는것이필요하다. 또한 V f 는분진의농도이외에도분진혼합기의기류속도에도영향을받을수있으므로분체의이송속도와같이공정조건에따라위험성이달라질수있다는점에도유의할필요가있다 폭발지수와화염전파속도분진폭발은분진이연소하여화염을발생시키고화염이동에의한전파를통하여압력이급격하게증가하므로 P m 은 V f 와밀접한관련이있다고할수있다. Fig. 11의 PMMA분진의경우에서알수있듯이농도증가에따라 P m 이증가하면 V f 도증가하는경향을나타내고있다. 20 L 폭발실험장치는 20 bar의공기분사에의해분진을분산시키기때문에폭발특성은기류의영향을피할수가없다. 농도변화에따른 V f 의증가형태를보면, 전체적으로폭발압력의증가와비례관계를보였으나부분적으로는다소불규칙한결과를보였다. 이러한결과는강한기류에의한분진의분산형태가확률적으로결정되며일정하게전파되지않기때문에불규칙한화염전파모습으로나타난다는것을간접적으로말해주고있다. 화염전파속도의계산식 (V f =V 1/3 [(dp/dt) m /P m ]) 에서 V 1/3 (dp/dt) m 는 K st 의관계식과같으므로 V f =(K st /P m ) 과같이보다간략히나타낼수있다. 이러한관계식을사용하여 PMMA의화염전파속도계산식 (V f =V 1/3 [(dp/dt) m /P m ]) 과간략화된식 (V f =K st /P m ) 의값을비교하면 Fig. 12와같이완전히일치하고있으며, 분진의화염전파속도 (V f ) 를 (V f =K st /P m ) 의식을사용하여간단히추정하는것이가능함을알수있었다. Fig. 12. Comparison of flame velocity (V f ) and (K st /P m ) in PMMA dust explosion. 4. 결론 본연구에서는플라스틱분진의폭발특성을실험적으로조사하고위험성을평가하였다. 플라스틱분진의폭발사고예방과피해최소화대책에필요한폭발하한농도, 폭발압력, 압력상승속도, 분진폭발지수등의화재폭발특성을조사, 분석하였으며화염전파속도를추정하여다음과같은결론을얻었다. (1) ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의체적기준평균입경이각각 209.8, 81.8, 21.3, 26.7, 14.3 μm인조건에서폭발하한농도 (MEC) 의측정결과, 30,, 및 [g/m 3 ] 의값이얻어졌다. (2) 또한 ABS, PE, PBT, MBS, PMMA의최대폭발압력 (P max ) 은 4.9, 7.3, 5.9, 9.8, 8.0 bar, 최대폭발압력상승속도 [(dp/dt) max ] 는 7, 230, 218, 259 및 1116 [bar/s] 그리고폭발지수 (K st ) 는 203.6, 62.4, 59.4, 70.3 및 303 [m bar/s] 로나타났다. (3) 분진폭발에의한피해예측을위하여화염전파속도 (Flame velocity, V f ) 의추정식 (V f =V 1/3 [(dp/dt) m /P m ]) 을사용하여계산한결과, ABS, PE, PBT, MBS, PMMA에서의최대화염전파속도는각각 31.0, 9.1, 12.6, 31.0 및 28.0 m/s가얻어졌다. 또한화염전파속도 (Flame velocity, V f ) 의계산은 (V f =K st /P m ) 에의해보다간단히추정이가능함을알수있었다. 사용기호 Fig. 11. Maximum explosion pressure and explosion index of PMMA dusts. P m : explosion pressure [bar] P max : maximun explosion pressure [bar] (dp/dt) m : rate of pressure rise [bar/s] (dp/dt) max : maximun rate of pressure rise [bar/s] V : closed vessel volume [m 3 ] K st : dust explosion index [bar m/s] t c : combustion time of dust particles [s] t w : flame arrival time to vessel wall [s] r : radius of spherical explosion vessel [m] : flame velocity [m] V f

7 플라스틱부유분진의폭발특성과화염전파속도 373 아래첨자 max c w f : maximum : combustion : vessel wall : flame References 1. Database for Major Industrial Accidents, Korea Occupational Safety and Health Agency(1988~2015). 2. Kao, C.-S. and Duh, Y.-S., Accident Investigation of an ABS Plant, J. Loss Prev. Process Ind., 15(3), (2002). 3. Eckhoff, R. K., Dust Explosions in the Process Industries (3rd ed.), Amsterdam: Gulf Professional Publishing(2003). 4. Genserik Reniers and Valerio Cozzani, Domino Effects in the Process Industries: Modelling, Prevention and Managing, Elsevier(2013). 5. CSB, Final Report on West Pharmaceutical Dust Explosion Accident, The U.S. Chemical Safety Board(2004). 6. Wei Gaoa, Jianliang Yua, Xinyan Zhanga, Jian Lia, Bing Wang, Characteristics of Vented Nano-polymethyl Methacrylate Dust Explosions, Powder Technology, 283, 6-414(2015). 7. Hertzberg, M., Zlochower, I. A. and Cashdollar, K. L., Volatility Model for Coal Dust Flame Propagation and Extinguishment, 21st International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, (1988). 8. Cashdollar, K. L., Hertzberg, M. and Zlochower, I. A., Effect of Volatility on Dust Flammability Limits for Coals, Gilsonite and Polyethylene, 22st International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, (1989). 9. Cashdollar, K. L., Overview of Dust Explosibility Characteristics, J. Loss Prev. Process Ind., 13(3), (2000). 10. Duh, Y.-S., Ho, T.-C., Chen, J.-R. and Kao, C.-S., Study on Exothermic Oxidation of Acrylonitrile-butadienestyrene (ABS) Resin Powder with Application to ABS Processing Safety, Polymers, 2(3), (2010). 11. Horton, M. D., Goodson, F. P. and Smoot, L. D., Characteristics of Flat, Laminar Coal Dust Flames, Combustion and Flame, 28, (1977). 12. Proust, C. and Veyssiere, B., Fundamental Properties of Flames Propagating in Starch Dust-air Mixtures, Combustion Science and Technology, 62, (1988). 13. Mazurkiewicz, J. and Jarosinski, J., Investigation of a Laminar Cornstarch Dust-air Flame Front, Proceedings of the 6 th International Colloquium on Dust Explosions, Shenyang: Northeastern University Press, (1994). 14. Glinka, W., Wang, X., Wolanski, P. and Xie, L., Velocity and Structure of Laminar Dust Flames, Proceedings of the 7th International Colloquium on Dust Explosions, Bergen, Norway, 61-68(1996). 15. Krause, U., Kasch, T. and Gebauer, B., Velocity and Concentration Effects on the Laminar Burning Velocity of Dust-air Mixtures, Proceedings of the 7th International Colloquium on Dust Explosions, Bergen, Norway, 51-54(1996). 16. Han, O. S., Yashima, M., Matsuda, T., Matsui, H., Miyake, A. and Ogawa, T., Behaviour of Flames Propagating through Lycopodium Dust Clouds in a Vertical Duct, J. Loss Prev. Process Ind., 13, (2000). 17. Dahoe, A. E. and de Goey, L. P. H., On the Determination of the Laminar Burning Velocity from Closed Vessel Gas Explosions, J. Loss Prev. in the Process Ind., 16, (2003). 18. Proust, C., Flame Propagation and Combustion in some Dust-air Mixture, J. Loss Prev. Process Ind., 19, (2006). 19. Han, O. S., Han, I. S. and Choi, Y. R., Flame Propagation Characteristics Through Suspended Combustible Particles in a Full-Scaled Duct, Korean Chem. Eng. Res., 47(5), (2009). 20. Lewis, B. and von Elbe, G., Combustion, Flames and Explosions of Gases (3rd ed.), Orlando, FL: Academic Press (1987). 21. Veynante, D. and Vervisch, L., Turbulent Combustion Modelling, Progress in Energy and Combustion Science, 28, (2002). 22. Tezok, F. I., Kauffman, C. W., Sichel, M. and Nichols, J. A., Turbulent Burning Velocity Measurements for Dust-air Mixtures in a Constant Volume Spherical Bomb, Progress in Astronautics and Aeronautics, 105, (1986). 23. Van der and Wel, P., Ignition and Propagation of Dust Explosions, Delft Univ. Press, Netherlands(1993). 24. Dahoe, A. E., Zevenbergen, J. F., Lemkowitz, S. M. and Scarlett, B., Dust Explosions in Spherical Vessels: The Role of Flame Thickness in the Validity of the Cube-root Law, J. Loss Prev. in the Process Ind., 9, 33-44(1996). 25. Han, O. S., Han, I. S. and Choi, Y. R., Prediction of Flame Propagation Velocity Based on the Behavior of Dust Particles, Korean Chem. Eng. Res., 47(6), (2009). 26. Han, O. S., Han, I. S., Choi, Y. R. and Lee, K. W., Explosion Properties and Thermal Stability of Reactive Organic Dust, KIGAS, 15(4), 7-14(2011). 27. ASTM E1226, Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for Combustible Dusts, The American Society for Testing and Materials(1988). 28. Bartknecht, W., Dust-Explosions, Course, Prevention, Protection, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York(1989). 29. Wu, H.-C., Ou, H.-J., Hsiao, H.-C. and Shih, T.-S., Explosion Characteristics of Aluminum Nanopowders, Aerosol and Air Quality Research, 10, 38-42(2010).

연구보고서플라스틱분진의화재폭발예방연구 한우섭 한인수 이정석 최이락

연구보고서플라스틱분진의화재폭발예방연구 한우섭 한인수 이정석 최이락 요약문 i ii 플라스틱분진의화재폭발예방연구 요약문 iii iv 플라스틱분진의화재폭발예방연구 요약문 v vi 플라스틱분진의화재폭발예방연구 연락처 차례 vii Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ viii 플라스틱분진의화재폭발예방연구 차례 ix x 플라스틱분진의화재폭발예방연구 차례 xi m3 Ⅰ. 서론 1 Ⅰ 2