- 1 - 소방기술사정규반제 11 강의 : 제 3 장가스화재 폭발기구및소방 방화대책 소방기술사박성수, 신부환著 문제1) LPG 문제2) LNG 문제3) 초저온액체문제4) 보일러화재예방문제5) 폭발문제6) 물리적폭발, 화학적폭발문제7) 비등액체증기운폭발 (BLEVE) 문

- 1 - 소방기술사정규반제 11 강의 : 제 3 장가스화재 폭발기구및소방 방화대책 소방기술사박성수, 신부환著 문제1) LPG 문제2) LNG 문제3) 초저온액체문제4) 보일러화재예방문제5) 폭발문제6) 물리적폭발, 화학적폭발문제7) 비등액체증기운폭발 (BLEVE) 문제8) 증기운폭발 (UVCE) 문제9) Fire Ball 문제10) 가스폭발문제11) 가스화재와가스폭발의차이점문제12) 건축물의 LP가스폭발에서화재로의전이Mechanism 문제13) 폭연, 폭굉문제14) 반응폭주문제15) 분진폭발문제16) 분체폭발문제17) 분진의폭발지수

- 2 - 문제 1) LPG( 액화석유가스, Liquefied Petroleum Gas) 1. LPG의특성 ⑴ 성분 : C3H8( 프로판 ), C4H10( 부탄 ), C3H6( 프로필렌 ), C4H8( 부틸렌 ) 및소량의 C2H6( 에탄 ), C2H2( 아세틸렌 ) 을포함 ⑵ 비점이 LNG에비해높아가압에의해쉽게액화된다 ⑶ 비중은액상일때에는물보다가볍지만, 기체상에서는공기보다무겁다 ⑷ 기화시체적이약 250배팽창된다 ⑸ 발열량이휘발유의 2배정도로크다 ⑹ LFL이낮고, 연소범위는좁다 ( 약 2~9 % ) 2. 저장탱크 ⑴ 저온상압저장탱크 1 액화석유가스를저장하기위한것이며, LPG는통상저온저장탱크에저장된다 2 내부압력은대기압정도이고, 상온저장탱크보다강재의두께가얇아도되고, 대량으로저장할수있다 ⑵ 상온고압저장탱크 1 일반적으로저유소, 충전소, 공업용소비플랜트등에이용되는저장탱크이다 2 저장탱크및용기는온도상승에의한부피팽창으로파괴되는것을방지하기위하여안전공간을유지해야한다 ( 내부체적의 10 % 이상 ) 3 중, 소용량에사용된다 3. LPG 화재의 Mechanism ⑴ 사고시 LPG가누출되면, 주위의열을흡수하여급격히증발된다 ( 만일누출즉시화재가발생되면, Jet fire 발생 ) ⑵ 기화된가스는공기보다무거우므로, 웅덩이 지하실 지하터널등으로모인다. 보통가스증기운이지면을따라퍼져누출장소에서멀리떨어진곳에서발화하기도한다 ⑶ LFL이낮고, 발열량이커서화재시복사열에의한피해가크다 ⑷ LPG 시설의잠재사고 1 작은플랜지누출 : 국소적증기운을형성하여 Flash fire 또는 Jet fire 2 파이프의파열 : 방유제내 Flash fire 또는 Jet fire 방유제외부점화원 UVCE 3 탱크주변화재 : BLEVE, Fireball 4 탱크파손 : Flash fire 또는 UVCE

- 3-4. LPG에대한방호대책 ⑴ 수동적대응 1 LPG는공기보다무거우므로, 저장용기는지표면에서떨어진상부에설치하거나지하에설치한다 ( 높은방유제설치 : LPG의대량확산방지 ) 2 충전시주위에화원이없도록하며, 충전차가움직이지않도록한다 3 화재등에대비하여 LPG 비상이송배관을설치한다 4 유자격자에의해취급하도록한다 ⑵ 능동적대응 1 제거소화 : 화재시저장된 LPG를안전한장소로이송한다 2 복사열차단 : 탱크외부에물분무소화설비를설치하여용기를냉각시켜 BLEVE 를예방한다 3 지면화재의소화 : 탱크주변화재를소화기 소화전등으로신속히소화한다 4 탱크누출에의한화재대응ᄀ 300:1 정도의고팽창포를방사하여발포층아래에서제어된연소로 LPG를태워없앤다ᄂ이러한제어된연소는복사열의 70 % 이상을감소시킬수있다ᄃ LPG를완전히연소시키지않으면남은가스가저부에모여재발화를일으킬수있다

- 4 - 문제 2) LNG( 액화천연가스, Liquefied Natural Gas) 1. LNG의특성 ⑴ LNG는 CH4( 메탄 ) 을주성분으로한천연가스를초저온으로냉각해서액화시킨것 ⑵ 기체상은공기보다가볍다 (-100 이하저온에서는공기보다무겁다 ) ⑶ 액상의 LNG는기화되며약 600배로팽창한다 ⑷ 상온의기체를가압 저온으로액화하여주위온도보다매우낮다 ⑸ 화재시발열량이휘발유의 2배이상으로크다 ⑹ 연소범위는약 5~15 % 정도이다 2. LNG의위험특성 ⑴ 액체의누출에의한화재 1 액상 LNG는누출시주위의열을흡수하여급속히증발된다 2 초기에는저온으로인해공기보다무겁지만, 점차공기보다가벼워진다 3 공기보다가벼워진가스는기류나바람에의해이동하며, 발화원에접촉되어폭발이일어나거나, 기화되는액체 LNG로급속히역화된다 ⑵ Roll over 1 LNG 탱크내의기존저밀도 LNG에고밀도의 LNG를하부에서주입하면탱크내의 LNG 밀도가불균일하게층상화를이룬다 2 이상태에서하층은상층으로부터가압되고있으며, 측벽이나탱크하부에서열이전달되면하부층의밀도가저하된다 3 하층부밀도가상층부보다저하되면급격한혼합이일어나며열방출이발생되는데, 이를 Roll over한다 3. LNG에대한방호대책 ⑴ 예방및대책 1 정전기제거, 방폭기기설치, 낙뢰방지 ( 피뢰설비 ) 2 압력방출장치 3 부압방지장치 4 Roll over 방지ᄀ LNG 조성의범위제한ᄂ Jet노즐로인입 LNG와잔류 LNG를혼합ᄃ탱크하부 LNG의 Mixing 순환ᄅ탱크의상, 하층입구분리 ⑵ 수동적대응 1 높은방유제 : 누출된 LNG의확산방지 2 낮게세부화된방유제와반매입형탱크설치

- 5 - ᄀ LNG 증발표면적의최소화ᄂ낮은방유제로인한복사열확산방지를위해탱크를일부땅속에매입시공 ⑶ 능동적대응 1 가스분산ᄀ증발되는가스의분산을촉진하여착화원이존재할가능성이큰지면부근의농도를낮춘다ᄂ고팽창포를방유제높이까지방사하여가스발화를방지하고 LNG에따뜻한수분을공급하여공기중으로의확산을촉진한다 2 화재제어ᄀ누출된 LNG의발화시의대응ᄂ LNG Pool이완전히증발될때까지포를살포하여연소를제한하고, 복사열을차단한다ᄃ 500:1 정도의고팽창포가적합하다

문제 3) 초저온액체 (Cryogenic Liquids) - 6-1. 정의 ⑴ 일반적으로미국 NBS의분류기준을적용하여 150 이하의영역이라하며이영역에서액상일때초저온액체라한다 ⑵ 대기압하에서영구기체로분류되는헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소등은비등점이 150 이하인초저온액체이다 2. 액화원리 ⑴ 단열교축팽창 (Joule-Thomson팽창) 에의해저온이생성된다 여기서 온도강하 주울 톰슨계수 팽창전온도 팽창후온도 압력강하 ⑵ 단열된관의도중에다공질원판이나구멍이뚫린격막을설치하고이관에압력이있는기체나유체를흐르게하면, 작은구멍을통과할때유체가속도가증가하여압력이하강함과동시에온도가하강한다 ⑶ 천연가스의액화에는이러한팽창법 (Tube Expander Cycle) 을이용하여가압된천연가스를급격히 Turbine안에서단열팽창시킴으로써온도를급강하시켜액화시킨다 3. 위험성 ⑴ 동상 1 초저온액체가피부와접촉하는시간이비교적길어지면접촉된부위는금방마비되고통증을느끼지못하게되어쉽게동상에걸릴수있다 2 특히눈에튄초저온액체는치명적이므로극히조심해야한다 ⑵ 잘깨짐 (Embrittlement) 1 유연한물건들은초저온에서딱딱해져서잘깨지고실온에서는좋은기계적물성을갖는재료들도초저온에서는물성이떨어져쉽게부서진다 2 물건들이아주많이쪼그라들어가압조건하에서는문제가되지않던틈새도초저온하에서는심각한문제가될수있다 ⑶ 고압발생및폭발 1 초저온액체가임계온도이상으로가온되면액체가기화되면서엄청난압력을일으켜초저온액체를담은용기가깨지거나심하면폭발하게된다 2 용기의내압력한계를높이거나, 용기의온도절연성을높여기화속도를늦춤으로써압력을낮게유지하여기화로인한위험성을줄일수있다 ⑷ 공기또는산소응축 1 공기보다낮은비등점을갖는헬륨 (He) 이나수소 (H2) 같은초저온액체들은기화시주변에있는공기를얼게하여액체가담겨있는용기의배기구에공기가얼어

- 7 - 막히게되면압력이증가하게되어위험하다 2 액화질소는산소보다비등점이낮아액화질소가증발할때공기중의산소가예를들어, 냉각응축장치 (Cold trap) 에응축하게되는데이때같이응축된유기물, 특히인화물과섞이게되면폭발및화재의가능성이아주높게된다 ⑸ 밀폐된공간에서의질식 1 초저온액체는대부분액체에서기체로변하는기화팽창률이 700 이상이므로작은양의액체라도기화되면많은양의기체를발생할수있다 2 밀폐된공간에서는농도가묽어져사람들을금방질식하게할수있다. 그러므로승강기를이용한초저온액체의이동은극히자제하여야한다 4. 저장및취급 ⑴ 단열탱크 : 초저온상태의유지를위해서는외부로부터의입열이방지될수있도록설계, 시동된단열탱크가필요하다 ⑵ 저온장치용금속재료의저온취성문제를고려 1 탄소강을위시한많은금속은저온이될수록신장, 교축, 충격치등이감소하여어느온도이하에서는매우취약해진다 2 상당한응력이생기는부분에는금속을열처리하고오스테나이트스테인리스강을사용한다 ⑶ LNG의 Rollover 발생방지

- 8 - 문제 4) 보일러화재예방 종류보일러화재예방 내용 ⑴ 벽 바닥 천장 ( 가연성 ) 과접촉하는증기기관 연통의부분은규조토 석면 ( 난연성단열재 ) 로덮어씌워야함 ⑵ 액체연료 ( 경유 등유 ) 를사용하는경우 1 연료탱크는보일러본체로부터수평거리 1m이상이격 2 연료탱크에는화재시연료차단개폐밸브를탱크로부터 0.5m이내에설치 3 연료탱크또는연료공급배관에는여과장치를설치 4 사용이허용된연료외의사용금지 5 연료탱크에는받침대 ( 불연재료 ) 를설치하여연료탱크가넘어지지아니할것 ⑶ 기체연료를사용하는경우 1보일러설치장소에는환기구를설치하여가연성가스체류금지 2연료공급배관은금속관으로할것 3화재시연료차단개폐밸브를연료용기로부터 0.5m이내에설치 4가스누설경보기를설치할것 ⑷ 보일러와벽 천장사이의거리는 0.6m이상 ⑸ 보일러를실내에설치시, 콘크리트바닥 금속외의불연재료로된바닥위에설치

- 9 - 기출문제분석 1(LPG,LNG 관련 ) 1. LNG 가스의성질과저장법에대하여기술하시오 (46회,10점) 2. 초저온액체 (Cryogenic Liquid) 를설명하시오 (57회,10점) 3. LPG는무엇인가? 또액화시압력은몇기압인가대용량과중, 소용량에서상온고압및저온상압탱크중어느것을사용하는가 (42회,20점) 4. 특정소방대상물에도시가스와같은기체연료를사용하는보일러를설치하는경우화재예방을위해소방관련법규에서요구하고있는안전기준에대해기술하시오 (87회,10점)

- 10 - 문제 5) 폭발 ( 爆發, Explosion) 1. 정의 ⑴ 공학적인표현에서폭발이란, 고압의가스를주위환경으로급속하게방출하여발생되는파열또는연소현상을말한다 ⑵ 폭발의 3요소 1 가연물 2 산소 3 점화원 ⑶ 반응의전파속도 : 1,000 ~ 3,500 m/s ⑷ 화재와의차이점 : 일반적으로에너지방출속도로구분되면, 폭발은높은에너지방출속도를가지고큰음향을동반하면서기계적일 ( 파열 ) 을생성한다 2. 폭발의원인및발생조건 ⑴ 핵분열 : 방사능물질의핵분열은급속한에너지방출로핵폭발을초래한다 ⑵ 급격한상변화 1 고압용기나고온의물체등에서의급격한상변화에따른체적팽창은폭발을초래한다 2 고압탱크의파손, 고온물체의물접촉에의한수증기폭발, 증기폭발등이이러한원인으로발생된다 ⑶ 화학적반응열의발생이나축적 1 산화열, 분해열, 중합열, 축합열등이폭발적으로발생되어일어나는폭발 2 폭발은상변화, 연소에의한온도상승, 핵분열에의한에너지방출에의하여급격히압력이상승하여파열등의기계적인일을하는것이다 3. 폭발의성립조건 ⑴ 가연조건의성립 : 개방공간또는밀폐공간에서의가연성혼합기의형성 ⑵ 발화 1 발화온도이상의온도 2 최소발화에너지이상의에너지 3 온도상승을지배하는발화원의특성 ⑶ 화염의전파와압력의움직임 1 화염의가속에따라압축파는계속발생하며화염전방으로전달 2 뒤에서전파되는압축파의속도가선행하는파의속도보다커져압축파의중첩이발생 3 화염의가속이현저하게클경우중첩된강한압축파가충격파로변화되어폭발의전형적인형태인폭굉으로전이

- 11-4. 폭발의영향인자 1 온도 : 높을수록위험 2 압력 : 높을수록위험 3 가연물의물성및양 : 방출된양, 증발율 4 폭발범위 ( 연소범위 ) : LFL이낮을수록, 폭발범위가넓을수록위험 5 연소속도 : 빠를수록위험 6 점화원의크기, 점화지연시간, 점화확률 7 난류영향 : 개방계, 밀폐계 8 폭발효율등 5. 폭발의분류 3-1. 원인물질의물리적상태에따른분류 ⑴ 기상 ( 氣象 ) 폭발 1 상변화가없는폭발 2 원인계와생성계가같지않다 3 종류 : 가스폭발, 증기운폭발, 분진폭발, 분무폭발, 분해폭발 ⑵ 응상 ( 凝象 ) 폭발 1 응상이란고상또는액상의형태로기상에비해밀도가 10² ~ 10³ 배이다 2 급격한상변화에의한폭발 3 원인계와생성계가같다 4 종류 : 수증기폭발, 증기폭발, 고상간전이에의한폭발, 전선폭발 3-2. 물리, 화학적변화에따른분류 ⑴ 물리적폭발 ( 응상폭발) 1 물리적변화를주체로한폭발 2 종류 : 고압용기의파열, 탱크의과압, 감압파손, 폭발적증발 3 폭발방지대책ᄀ화재에의한가열방지 ( 입열방지 ) ᄂ용기의내압강도유지 ( 경년부식을고려한안전설계 ) ᄃ외력에의한변형, 파괴방지 ⑵ 화학적폭발 ( 기상폭발) 1 화학반응에의해짧은시간에급격한압력의상승및방출에의한폭발 2 종류 : 산화폭발, 분해폭발, 중합폭발 3 폭발방지대책ᄀ봉쇄 (Containment) ᄂ차단 (Isolation) ᄃ불꽃방지기 (Flame Arrester) ᄅ폭발억제 (Explosion Suppression) ᄆ안전거리 (Safety Distance)

- 12 - 기출문제분석 2( 폭발정의관련 ) 1. 폭발에관하여다음사항을설명하시오 (50회,20점) 1) 폭발의정의 2) 폭발의원인 3) 폭발의성립조건 2. 폭발의종류및제어방식을설명하시오 (55회,15점) 3. 기체의화학적물리적특성과연소폭발에대하여설명하시오 (57회,20점) 4. 버스용 CNG( 압축천연가스 ) 충전소의화재폭발위험및방재대책에대하여논하시오 (72회,25점)

- 13 - 문제 6) 물리적폭발, 화학적폭발 1. 물리적폭발 ⑴ 보일러의물리적폭발 1 보일러는밀폐용기속에물을 100 이상으로가열하여고온, 고압의수증기를만드는장치이다 2 용기의부식, 피로균열등에의하여내압이감소하거나, 보일러의과열에의해내부수증기압력이상승하면용기가파손되면서물리적폭발이발생될수있다 ⑵ 제철소에서의수증기폭발 1 고온의용융금속등을물속에투입하거나물을접촉시키게되면, 물이급격하게수증기화된다 2 이러한기화팽창에의해폭발이발생된다 ⑶ LPG 탱크의증기폭발 1 탱크로리에서 LPG를 Unloading시에커플링의손상등으로인해탱크가폭발할수있다 2 탱크의안전변이작동하여가스가분출되어착화하여화염이발생된다. 안전변의방출능력이부족하면, 탱크의내부압력은계속상승된다 3 탱크의정상부는외부화염에의해가열되어내압강도가저하되고, 결국탱크가파열되어 LPG의증기폭발이발생된다 ⑷ 전선폭발 1 고상에서급격히액상을거쳐기상으로전이할때폭발현상이일어난다 2 알루미늄전선에한도이상의대전류가흘러순식간에전선이가열되고용융과기화가급격하게진행되어폭풍을일으켜피해를주는경우도있다 ⑸ 고상간의전이에의한폭발 1 증기폭발은액상과기상간의상변화가급격히일어난때의현상이다 2 고체인무정형안티몬이동일한고상의안티몬으로전이할때에발열함으로써주위의공기가팽창하여폭발현상을나타낸다 3 안티몬 (Antimon) 의녹는점은 630.5, 끊는점은 1,380 정도이다 2. 화학적폭발 ⑴ 산화폭발 1 연소라는산화반응에의하여발생되는폭발 2 가연성가스의누출, 인화성액체탱크내부로의공기유입, 분진운형성등과같은폭발성혼합기체가형성된상태에서점화원에의해착화, 폭발하는것이다 3 가스폭발, 분진폭발, 분무폭발 (mist 폭발 ), UVCE 등이있다 ⑵ 분해폭발 1 분해반응이발열반응인분해폭발성가스 ( 아세틸렌, 에틸렌등 ) 가압축등어떠한

- 14 - 원인에의해분해되어발열, 착화, 압력상승되어폭발하는것이다 2 아세틸렌의분해반응 C2H2 2C + H2 +54 kcal/mol 즉, 분해반응이발열반응이다 ⑶ 중합폭발 1 염화비닐, 초산비닐등과같은중합물질 monomer( 단위체 ) 가폭발적으로중합되어발열하고압력이상승되어폭발하는것이다 2 분출되는 monomer가가연성증기운을형성하여 UVCE를발생시키기도한다 3 중합반응은적절한냉각설비를반응장치에적용하여이상반응을방지시켜야한다

- 15 - 문제 7) 비등액체증기운폭발 (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) 1. 정의 ⑴ BLEVE는 Flashing 현상의하나로가연성액화가스주위에화재가발생할경우기상부탱크강판이국부가열되어강도가약해지면탱크가파열되고내부의가열된액화가스가급속한상변화를수반하여팽창, 폭발하는현상 ⑵ 액화가스의중량이 1 ton 이상이면 Fire Ball 형태의폭발현상이일어난다 2. 발생 Mechanism ⑴ 액온상승 ( 液溫上昇 ) 1 액화가스가저장된탱크주위에서화재가발생하여화열에의하여탱크벽면이가열된다 2 액위이하의탱크벽은액에의하여냉각되나, 액의온도는상승하고기화하여기상부의압력이증가한다 ⑵ 연성파괴 ( 延性破壞 ) 1 화염이기상부의탱크벽면이나천정에도달하면, 화염과접촉되는부위의온도가상승하여탱크의압축강도, 인장강도가저하되어구조적강도를잃게된다 2 내부의압력상승에의하여탱크가균열되고탱크내의증기가방출되어압력이급격히저하된다 ⑶ 액격현상 ( 液擊現狀 ) 1 급격한압력저하로액화가스의비점이내려간다 2 고온의액화가스는격렬하게증발하여액체를비산시키고탱크벽에강한충격을가한다 ⑷ 취성파괴 ( 脆性破壞 ) 1 액격현상에의하여탱크가파괴되고파편이사방으로비산한다 2 탱크내의액체가가연성, 인화성액체인경우착화하여 Fire ball을형성하여위험성이증대된다 3. 발생방지대책 ⑴ 용기의내압강도유지 : 경년부식에따른내압강도저하를고려한설계 ⑵ 외력에의한용기파괴방지 : 기계적충돌방지 ⑶ 방액제설치 : 화염이직접탱크에접하지않도록한다 ⑷ 폭발방지장치설치 : 주거 상업지역에 10 ton 이상저장시열전도도가큰알루미늄박판설치 ⑸ 화염으로부터탱크로의입열을방지 1 Water Spray System 설치 2 단열재로감싼다

- 16-3 탱크를지하에매설 ⑹ 탱크내의압력을감압시킨다 1 감압밸브설치 2 릴리프밸브설치

- 17 - 기출문제분석 3( 물리적폭발관련 ) 1. 압력용기에서발생할수있는물리적인폭발현상의종류와이의원리를기술하시오 (39회,20점) 2. LPG 저장탱크가열을받게되면탱크내의액체는가열되어탱크내의압력이높아진다. 이상태에서탱크가파손되면탱크내의압력이순식간에대기압까지내려간다. 이때탱크내의평형상태가깨져액체는급격한상변화 ( 액체 기체 ) 에의한폭발현상이발생한다. 이현상을무엇이라하는가 (42회,5점) 3. 물리적폭발 2가지를설명하라 (44회,20점) 4. 부천 LPG 충전소폭발현상에대해기술하고, 일반적인충전소폭발의원인과대책에대해기술하시오 (56회,15점) 5. 화재에의한비등액체증기운폭발 (Boiling-Liquid Expanding Vapor Explosion) 의발생단계및예방대책에대하여기술하시오 (78회,25점)

- 18 - 문제 8) 증기운폭발 (UVCE : Unconfined Vapor Cloud Explosion) 1. 정의 ⑴ 대기중에다량의가연성가스나액체가유출되어그것으로부터발생하는증기와공기가혼합하여가연성혼합기를형성하고점화원에의해서착화하여폭발하는현상이다 ⑵ 개방된대기중에서발생하기때문에자유공간증기운폭발이라하여 UVCE라한다 ⑶ 독성이나가연성증기운은그독성과폭발성으로인하여화학공업에서내재하고있는가장무서운위험의하나로본다 2. 누출시증기운형성물질분류 ⑴ Class Ⅰ(LNG, 저온에탄 ) 1 대기압에서저온액화된물질로서, 저장온도가주위온도보다낮다 2 누출시주위의열에의해급속히기화하며, 이에따라주위의온도가냉각되면증발속도가둔화된다 ⑵ Class Ⅱ(LPG, 부탄 ) 1 상온에서가압하여액화시킨가스 2 누출시압력이저하되어순간적으로증발한다 (flashing) ⑶ Class Ⅲ( 벤젠, 헥산 ) 1 그물질의비점이상의온도 ( 상온보다는높은온도 ) 에있지만, 가압에의해액화시킨가스 2 임계압력은주위압력보다높고, 비점은주위온도보다낮은상태이다 3 누출시열전달및확산이증발을제한한다 ⑷ Class Ⅳ( 액화사이클로헥산 ) 1 주위온도보다높은온도에있으며, 압력을가하여액화시킨가스 2 누출시순간적인증발 (flashing) 을일으킨다 3. 증기운폭발의조건 ⑴ 방출되는가스가가연성일것 ⑵ 압력, 온도가폭발에적합하도록높을것 ⑶ 발화전에충분한크기의증기운이형성되어확산될것 ⑷ 발생된증기운이폭발범위내의농도일것 ⑸ 난류성이충분하여연소속도가높을것 4. 증기운폭발의 Mechanism ⑴ 가연성가스의누출 : 저장탱크의파손, 밸브손상등의원인으로가연성가스가 누출되어증발한다

- 19 - ⑵ 누출된증기의확산 : 발화되지않은상태에서확산된다 ⑶ 대량의증기운형성 : 기화된가스가확산되면서공기와혼합되어매우큰가연성혼합기인증기운을형성하게된다 1 기화된증기가공기보다무거울수록증기운형성이용이하다 2 증기운형성이전에발화되면, 보통 Flash fire를일으킨다 ⑷ 발화에의한증기운폭발 1 예혼합된증기운에점화원이가해져서발화되며, 충분한크기의증기운이이미형성되어있으므로, 화염속도가매우빨라폭풍을일으킨다 2 전파속도가매우빨라지게되면, 폭굉으로도전이될수있다 3 가열된증기운은자체상승력에의해 Fire ball을형성한다 5. 증기운폭발의거동에영향을주는인자 1 온도 : 높을수록위험 2 압력 : 높을수록위험 3 가연물의물성및양 : 방출된양, 증발율 4 폭발범위 ( 연소범위 ) : LFL이낮을수록, 폭발범위가넓을수록위험 5 연소속도 : 빠를수록위험 6 점화원의크기, 점화지연시간, 점화확률 7 난류영향 : 개방계, 밀폐계 8 폭발효율등 6. 증기운폭발의특성 ⑴ 증기운에의한재해는폭발력보다는화재가보통이다 ⑵ 증기운의크기가증가하면점화될확률도증가한다 ⑶ 폭발효율이적다 ( 연소에너지의약 20% 만폭풍파로전환 ) ⑷ 증기와공기의난류혼합은폭발력을증가시킨다 ⑸ 증기의누출점으로부터먼지점에서의착화는폭발의충격을증가시킨다 7. 증기운폭발예방대책 ⑴ 물질의방출억제 ⑵ 휘발성, 가연성물질의재고량을적게한다 ⑶ 가스누설검지기를설치하여가스누기를조기에검지한다 ⑷ 자동블록밸브설치 : 누설시초기에시스템을자동중지시킨다

- 20 - 기출문제분석 4( 화학적폭발관련 ) 1. 증기운폭발 (Unconfined Vapor Cloud Explosion) 을설명하시오 (37회,10점) 2. LNG 저장시설에서 LNG가대량으로누출되는경우, 옥외증기운폭발 (UVCE) 이일어날수있는원인에대하여설명하고, 이를방지할수있는방법에대하여논하시오 (77회,25점) 3. 증기운폭발 (Vapor Cloud Explosion) 에영향을주는변수에대하여설명하시오 (78회,10점) 4. BLEVE 와 UVCE를비교설명하시오 (49회,10점) 5. 액화천연가스 (LNG) 저장용기중액화가스누출시발생되는인화성가스의확산피해를최소화하기위해적용되는 Full Containment Container의구조와 LNG누출로인한화재시에적용되는고발포소화약제를설명하시오 (92회,25점)

- 21 - 문제 9) Fire Ball 1. 정의 ⑴ BLEVE, UVCE 등에의한인화성증기가확산하여공기와의혼합이폭발범위내에도달하였을때커다란공 (Ball) 의형태로폭발하는것이다 ⑵ 화염이급속히확대되어공기를끌어올려마치공이지면에서솟아올라버섯형화염으로되어가는것처럼보이게된다 2. Fire ball의발생 Mechanism ⑴ BLEVE에의한 Fire ball의생성 1 액화가스저장탱크가인접화재의화염에의해가열된다 2 탱크내부의액체온도가상승되어높은증기압을형성한다 3 압력상승으로탱크의기상부중고열부에돌출이발생되어연성파괴되면서급격히압력이저하되어액화가스가급격히증발된다 4 기화에의한체적팽창으로탱크가파괴되어파편이비산하고, 증발된가스는화염에의해착화된다 5 이착화된가스증기운이 Fire ball을형성한다 ⑵ UVCE에의한 Fire ball의발생 1 위험물저장탱크의파손이나밸브조작실수등으로가스가누설된다 2 누설된액화가스는기화되고, 계속적인누설로인해증기운이형성된다 3 증기운에착화원이가해져발화하며폭발적으로연소된다 4 이에따라 Fire ball이형성된다 3. Fire ball의위험성 ⑴ 높은화염의온도 : Fire ball은일반화재나폭발시에발생되는화염의온도 (800~900 ) 보다훨씬높은온도 (1,500 ) 가된다 ⑵ 복사열의피해 : 복사열은절대온도의 4승에비례하므로, Fire ball은복사열이일반화염에비해 10배이상커서인명및재산피해를가중시키고주변으로화재를확대시킨다 4. Fire ball 의계산공식 ⑴ 가연성혼합기중량에의한식 여기서 의직경 연소시간 sec 가연성혼합기중량 ⑵ 연료의초기증기부피에의한식

- 22 - 여기서 의직경 의높이 연료증기의부피 ⑶ 하세가와-사토계산식 max max 여기서 max 의최대직경 연료의질량 max 최대복사열류 의최상부 해당지점까지의거리 5. Fire ball의형성에영향을주는인자 ⑴ 폭발범위 : 폭발범위가넓을수록광범위하게연소한다 ⑵ 증기밀도 : 증기밀도가낮을수록증기의용적이증대된다 ⑶ 연료의연소열 : 온도가상승되어광범위한화염을형성한다 ⑷ 유출형태에따른혼합기의조성 : 폭발범위이내로, 양론농도에가까울수록연소가촉진된다 ⑸ 저장액체량 : 1 ton 이상

- 23 - 기출문제분석 5(fireball 관련 ) 1. Fire Ball을설명하시오 (36회,5점) 2. 파이어볼의정의및발생기구 2가지에대해논하라 (42회,20점) 3. 100kg의프로판 (LPG) 이누출인화되어증기운폭발 (BLEVE) 이발생하였다. 그후속효과에관련된아래항목을다음의계산식을선별적으로사용하여계산하시오 ( 단, 프로판의적용기체밀도는일정온도에서 1.67kg/ m3임 )(84회,25점) WTNT =E/4200kg, DMAX = 5.25m⁰ ³¹⁴, E = a Hcmf qmax = 828m⁰ ⁷⁷¹/R², pm/po = (MoTb)/(MbTo), Zp = 12.73Vva⅓ 1) Fire Ball 의최대직경 (m) 은? 2) Fire Ball 중심의수직높이 (m) 는? 3) Fire Ball 중심지면으로부터수평거리 100m 지점에서의최대 Heat Flux(kw/ m2 ) 는?

- 24 - 문제 10) 가스폭발 1. 장소별가스폭발의거동 ⑴ 개방공간 1 가연성가스의확산으로인해농도상승이어려우므로, 다량의가연성가스가누설되는경우에만폭발이발생된다 2 증기운폭발 (UVCE) 이대표적인예이다 ⑵ 밀폐공간 1 가연성가스가체류되기쉬워농도가상승되며, 착화후에는공간내의압력도상승된다 2 건축물의도시가스 (LNG) 누설에위한폭발등이예이다 ⑶ 좁고긴공간 : 배관이나덕트내부에서의폭발로서폭굉 (Detonation) 으로전이될우려가크다 2. 가스폭발의 Mechanism ⑴ 가연성혼합기의형성 1 가연성가스의누출등에의해충분한양의예혼합된가연성혼합기체가형성됨 2 시간에따른농도변화 : 가스농도가초기에는급격히상승하지만, 점차일정치에수렴된다 ( 공간내의환기의영향 ) 3 가연성혼합기의형성방지ᄀ환기구를충분히크게설계하여가연성가스의농도를 LFL 이하로유지시킨다ᄂ환기구의위치는가연성가스의기체비중에따라적절히배치한다 ⑵ 착화 : 착화방지대책 1 충분한크기 (MIE) 의착화원관리 2 연소범위내의가연성혼합기형성방지ᄀ LFL 미만 : 환기에의해유지될수있으나, 지속적누설에는농도상승의위험ᄂ UFL 초과 : 밀폐저장시켜누설및공기유입을방지하여폭발예방 ⑶ 화염전파및압력상승 1 화염전차ᄀ가연성가스와공기가예혼합된상태에서의연소이므로, 그속도가매우빠르다 2 화염전파를위한예열은열전달에의하며, 주위조건에따른압력파의가속이지속되면압축파에의해예열되면서폭굉으로전이된다 2 압력의상승ᄀ압력은시간의 3승에비례하여증가되며 0.1 kgf/ cm2 의상승은벽면 1 m2 당 1 ton 의하중이가해지는것과같다ᄂ압력이상승되면구조부의일부가파손되며압력이분출된다

- 25-3. 가스폭발의거동에영향을미치는인자 1 온도 : 높을수록위험 2 압력 : 높을수록위험 3 가연물의물성및양 : 방출된양, 증발율 4 폭발범위 ( 연소범위 ) : LFL이낮을수록, 폭발범위가넓을수록위험 5 연소속도 : 빠를수록위험 6 점화원의크기, 점화지연시간, 점화확률 7 난류영향 : 개방계, 밀폐계 8 폭발효율등 4. 가스폭발의방지대책 ⑴ 가연성혼합기의형성방지 1 가연성가스의누설방지 : 점검및보수철저, 가스누설경보기및차단장치 2 환기구를충분히크게설계하여가연성가스의농도를 LFL 이하로유지시킨다 3 환기구의위치는가연성가스의기체비중에따라적절히배치한다 ⑵ 착화방지대책 1 충분한크기 (MIE) 의착화원관리ᄀ전기적점화원 : 줄열, spark ᄂ화학적점화원 : 연소열, 용해열등ᄃ기계적점화원 : 마찰, 충격, 단열압축등 2 연소범위내의가연성혼합기형성방지ᄀ LFL 미만 : 환기에의해유지될수있으나, 지속적누설에는농도상승의위험ᄂ UFL 초과 : 밀폐저장시켜누설및공기유입을방지하여폭발예방

- 26 - 문제 11) 가스화재와가스폭발의차이점 1. 가스폭발 ⑴ 기상중의화염전파가이루어지려면, 메탄, 수소와같은가연성가스가공기와예혼합되어가연성혼합기를형성하고있어야한다 ⑵ 이러한형태의예혼합화염전파현상이가스폭발이다. 가스폭발은에너지방출속도가매우빠르고피해가훨씬크다 2. 가스화재 ⑴ 가연성액체에서발생되는유류화재나가연성고체표면에서발생되는건물화재등에서가연성가스가누출되면연소되는경우가있다 ⑵ 이러한화재는확산연소의형태를보이며이를가스화재라한다 ⑶ 가스화재의종류 1 Pool fire ᄀ액면상에서증기와공기가혼합하여연소하는확산연소형태의화재ᄂ용기나저장조내와같이크기가정해진액면위에서타는화재를말하며, 복사열에의한피해, Boil Over, Slop Over 등의발생등을고려해야한다 2 Torch fire ᄀ저장탱크나배관으로부터압축또는액화된가스가누출될때, 누출된가스가주변공기와혼합되면서연소되는현상ᄂ확산연소로마치토치에서의불과같은형태를보이며위험요소는복사열이다 3 Flash fire ᄀ연소속도는변화가없는방출된가연성증기운의발화로부터발생되는것이다ᄂ연소속도에의해 Flash fire와증기운폭발을구분한다ᄃ Flash fire의주된위험성은복사열과직접적인화염의접촉이다 3. 가스화재와가스폭발의차이점 ⑴ 가스폭발과가스화재의기본적인차이는에너지방출속도를달리하는폭발과화재 의차이에있다 ⑵ 즉, 가스폭발과가스화재는착화시점에서의가스와공기의예혼합여부에따라구 분할수있다 ⑶ 주된피해는가스화재의경우에는복사열이며, 가스폭발은복사열뿐만아니라폭풍 압력도큰피해를초래한다 예혼합여부 에너지방출속도 압력상승 기계적파손 가스화재 小 가스폭발 大

- 27 - 기출문제분석 6( 가스화재, 가스폭발관련 ) 1. 연소방화과정상에서의가스화재와가스폭발의차이점을비교, 설명하시오 (37회,20점) 2. 가스폭발과가스화재의차이점을구분하여설명하시오 (41회,15점) 3. 폭발과화재의차이를설명하고폭발의형식 6가지를열거하시오 (49회,20점) 4. 폭발과화재의차이에대해설명하시오 (63회,10점) 5. 가스화재및폭발결과에영향을주는주요변수를설명하시오 (78회,10점) 6. Torch Fire를설명하시오 (53회,5점) 7. Pool Fire를설명하시오 (41회,10점)

- 28 - 문제 12) 건축물의 LP 가스폭발에서화재로의전이 Mechanism 1. LP가스의특성 ⑴ 성분 : C3H8( 프로판 ), C4H10( 부탄 ), C3H6( 프로필렌 ), C4H8( 부틸렌 ) 및소량의 C2H6( 에탄 ), C2H2( 아세틸렌 ) 을포함 ⑵ 비점이 LNG에비해높아가압에의해쉽게액화된다 ⑶ 비중은액상일때에는물보다가볍지만, 기체상에서는공기보다무겁다 ⑷ 기화시체적이약 250배팽창된다 ⑸ 발열량이휘발유의 2배정도로크다 ⑹ LFL이낮고, 연소범위는좁다 ( 약 2~9 % ) 2. 폭발이후화재가발생되지않은이유 ⑴ 당량비 1 경우 1 건물내에연료의농도가높아혼합가스의폭발시건물내부의산소가완전히소모된다 2 이후에건물내부로공기가유입되지않을경우가연성혼합기체를형성하지못하여화재가발생되지않는다 ⑵ 당량비 1 경우 1 폭발시에 LP가스는완전히소모된다 2 이때, 건물내에구획이모두불연성이거나, 가연물이모두비산되면가연물이없어서화재가발생되지않는다 ⑶ 양론부근인경우 1 가연성혼합기가연소범위내인경우화재로전이된다 2 즉, 폭발이후 가연성혼합기농도 가폭발이후의화재전이의양상을좌우한다 3. 화재발생 Mechanism ⑴ LP가스누출 ⑵ 누출된 LP가스는급격히기화되며공기보다무거우므로, 누출된장소부근에장시간체류한다 ⑶ 시간경과에의해실내농도가폭발범위내에도달하고, 그주위에점화원이존재하고있으면폭발이발생된다 ⑷ LP가스는발열량이커서그복사열로인해주위의가연물을열분해시켜연소를발생시킨다 4. 화재성상의특성 ⑴ 연소하한계에가까운경우 1 불이잘붙지않는다

- 29-2 LP가스의발열량이크기때문에폭발후잔존하는열에의해착화된다 3 폭발과거의동시에착화되어연소가진행된다 ⑵ 양론농도부근일경우 1 폭발속도가매우빠르다 2 주위가연물에거의동시에착화되어화재가진행된다 ⑶ 연소상한계에가까운경우 1 공기량이부족하여폭발후열은충분하지만, 산소가부족한상태가된다 2 실내의구획벽체가파손되어부압이형성되어공기가유입된다 3 이에따라가연성혼합기체를형성하여화재가발생된다

- 30 - 기출문제분석 7( 폭발에서화재전이관련 ) 1. 횡형의 LPG 저장탱크의 Drain Valve 가파손되어가스가누설되었을경우에일어날수있는화재진행과정에대하여논하시오 (37회,30점) 2. 가정용 LPG 누출시폭발하여화재가발생하였다. 화재의 Mechanism과화재성상특성을설명하시오 (66회,25점) 3. 임의의건축물에서 LP가스가누설되어폭발이발생되었다. 1) 화재가발생하지않은경우의원인을설명하시오 2) 화재가발생한경우화재발생의기구 ( 機構 : Mechanism) 및화재성상의특징에대하여설명하시오 (82회,25점) 4. 건물내 LNG 누출사고대응방법과절차에대하여설명하시오 (96회,25점)

- 31 - 문제 13) 폭연 (Deflagration), 폭굉 (Detonation) 1. 정의 ⑴ 폭연 (Deflagration) 1 압력파가미반응물질속으로음속보다느린속도로이동할때이러한폭발을폭연이라한다 2 연소파 : 연소속도는 0.1 ~ 10 m/s, 반응후에온도는올라가나밀도가내려가서압력은변동없다 ⑵ 폭굉 (Detonation) 1 압력파가미반응물질속으로음속보다빠른속도로이동할때이러한폭발을폭굉이라한다 2 폭굉파 : 연소속도는 1,000 ~ 3,500 m/s, 반응후에온도와밀도가모두증가하여압력이증가하다 3 충격파가발생하고심한파괴, 굉음을동반한다 2. 폭연, 폭굉시의압력, 온도, 밀도의변화 ⑴ 연소시연소파 1 예혼합된혼합가스가열전달 ( 전도, 대류, 복사 ) 에의해인화점이상으로가열되어화염이확산된다 2 온도는화염의열전달을통해상승되며압력은일정하다 ( 온도, 압력일정, 밀도 ) ⑵ 폭연시연소파 1 반응이지속됨에따라화염자체온도가상승된다 2 온도상승이밀도의감소정도보다커서압력이약간증가된다 ( 온도, 압력, 밀도 ) ⑶ 폭굉시폭굉파 1 온도상승, 활성라디칼의증대로압축파가가속된다 2 압축파의가속으로중첩되어충격파가형성되며, 이충격파는미연소가스영역을압축시키며나중에더빠른속도로오는충격파로부터에너지를받아지속적으로강화된다 ( 온도, 압력, 밀도 ) 3. 폭연에서폭굉으로의전이과정 ⑴ 밀폐된배관이나덕트등의미연소혼합가스의한부분에서착화 ⑵ 화염은전방의미연소혼합가스쪽으로진행 ( 열의분자확산이동과반응물과연소생성물의난류혼합 ) ⑶ 화염의전면에서발생한압력파는화염에선행하여진행 ⑷ 선행한압력파의후면에서새로운압력파가발생하여압력파의중첩이발생

- 32 - ⑸ 압력파의중첩이현저하면충격파가되어강력한압축작용 ( 단열압축 ) 으로자연발화 되어화염을형성하며진행 ( 충격파에너지 ) ⑹ 충격파는연소반응에의해방출되는열에의해유지 ⑺ 폭연에서폭굉으로의전이되는 Mechanism 1 열적 Mechanism : 가스온도가반응에의해상승하여반응속도가스스로가속되는경우 2 결사슬 (Chain Branching) : 반응성라디컬 ( 연쇄운반체 ) 이수적으로급격히증가하여폭굉을일으키는경우 4. 폭굉발생에영향을미치는인자 ⑴ 배관경 1 배관경이일정크기이상이어야폭굉이발생 2 한계조건 : 이상 3 폭굉 cell의물질별 Sc값 : C2H2 : 1 cm, H2 : 1.5 cm ⑵ 발화원의크기 1 최소발화에너지이상이어야폭굉이일어날수있다 2 물질별최소발화에너지는다르며, 수소나아세틸렌은 5 kj, 메탄은 9,300 kj ⑶ 난류성 : 난류의정도가클수록화염의가속을촉진하여폭굉발생이쉬워진다 ⑷ 예혼합된가연성혼합기의범위 : 예혼합된미연소가연성혼합기의크기가충분히커서 DDT Length 이상이어야폭굉이일어날수있다 ⑸ DDT Length가짧을것 1 Deflagration-Detonation Transition 2 이길이가짧을수록폭굉이일어나기쉽다 3 DDT Length가짧아지는경우 (SFPE Handbook)

- 33 - ᄀ혼합물의반응성이클수록짧아진다 ᄂ배관내면의거칠기가크고, 장애물이많을수록짧아진다 ᄃ배관의직경이클수록짧아진다 ᄅ초기압력과온도가높을수록짧아진다 ᄆ난류성이크고, 초기가스의속도가빠를수록짧아진다 5. 폭연과폭굉의차이점 구분 폭연 폭굉 1 전파속도 0.1~10 m/s, 음속미만 1,000~3,500 m/s, 음속이상 2 전파에필요한에너지 전도, 대류, 복사에너지 충격파에너지 3 폭발시압력 초기압력의 10배미만 초기압력의 10배이상 4 충격파유, 무 발생하지않음 발생하고심한파괴, 굉음 5 발화구조 연소열에의한가열, 발화 충격파에의한단열압축 6 발생장소 개방공간 파이프같이긴밀폐공간

- 34 - 기출문제분석 8( 폭연, 폭굉관련 ) 1. 폭발현상에서폭굉과폭연의차이점을비교설명하시오 (37회,15점) 2. 화염전파시연소파와폭굉파의차이점을설명하라 (42회,20점) 3. Detonation의정의, 발생조건과방지대책을기술하시오 (55회,20점) 4. 폭굉파를설명하시오 (56회,10점) 5. 폭연에서폭굉으로의전이 (Deflagration-Detonation Transition) 과정에대하여논리정연하게설명하시오 (71회,10점) 6. Film Detonation에대해설명하라 (42회,5점) 7. 폭연에서폭굉으로의전이과정 (Deflagration-Detonation Transition) 에대하여설명하시오 (96회,25점) 8. 폭명기 (Detonation gas) 를설명하시오 (13회,5점)

- 35 - 문제 14) 반응폭주 (Run Away Reaction) 1. 정의 ⑴ 반응속도가지수함수적으로증대되고반응용기내의온도, 압력등이급격히이상상승하여규정치를벗어나반응이과격해지는현상이다 ⑵ 반응폭주가일어나면대부분가연성가스의누설에의한폭발이나독성가스의유출또는기기의파괴가일어나게된다 2. 반응기 (Chemical reactor) ⑴ 정의 1 화학반응을진행시키기위해사용하는기구로반응을자유롭게제어할수있다 2 어떤방식을택하는가는제품의생산량, 균질성, 화학반응의성질, 장치의제어성등의조건으로결정된다 ⑵ 반응기의종류 : 조작방식에따라연속교반형탱크반응기 (CSTR), 관형반응기 ( 플로식, PFR), 회분식반응기등으로분류한다 1 연속교반형탱크반응기 (CSTR : Continual flow stirred tank reactor) ᄀ한번원료를넣으면, 목적을달성할때까지반응을계속하는방식ᄂ CSTR은비교적온도조절이용이하나반응기부피당반응물의전화율은흐름반응기들중에서가장작다는단점이있다 2 관형반응기 (PFR : Plug flow reactor) ᄀ긴관형태의반응기로내부의흐름의축에대한변화가가장이상적인반응기ᄂ유지관리가쉽고전화율이가장높다ᄃ반응기내의온도조절이어렵고반응이발열반응일경우국소고온점 (hot spot) 이생길수도있다 3 회분식반응기 (Batch reactor) ᄀ소규모운전이나완전히개발되지않은새로운공정의시험, 고가의생성물제조, 그리고연속조작으로전환하기가용이하지않은공정들에대해사용된다ᄂ반응물을반응기에장시간놓아둘수있어높은전화율을얻을수있다ᄃ단위생산량당인건비가비싸고대규모생산이어렵다

- 36-3. 제조화학공정흐름도 ⑴ 분해공정 : 분해로내온도는약 800 ~ 850 의고온, 탄소수가적은탄화수소를분해하기위해서고온분해과정을거치게된다 ⑵ 급냉공정 : 열교환기 (Transfer Line Exchange) 로약 40 로급냉하여분해된탄화수소끼리서로반응을방지하기위함이다 ⑶ 압축공정 : 분해가스의경제적인분리를위해서압축공정을거치는데약 36 atm 정도로압축을한다 ⑷ 냉동공정 : 건조기로수분을제거하는공정이다 ⑸ 분리정제공정 4. 반응폭주의원인 ⑴ 제어시스템의오작동 ⑵ 제어기기의파손, 고장 ⑶ 플랜트동력원의이상또는정지 ⑷ 기기의고장, 파손 ⑸ 미량의불순물혼합 ⑹ 장치내부로의공기유입 ⑺ 조작실수 ⑻ 혼촉위험물질간의접촉에따른발열 ⑼ 냉각능력부족 ⑽ 원재료의배합비율이상 5. 반응폭주에대한대책 ⑴ 제어시스템의주기적인점검및관리 ( 예방 ) ⑵ 반응폭주의발생방지장치설치 1 원재료의공급차단장치 2 내용물의방출장치 3 반응억제제공급장치 6 반응온도제어장치 4 냉각용수의공급장치 7 반응압력제어장치 5 불활성가스의송입장치 8 반응농도제어장치 ⑶ 비상동력원의연결

- 37 - 기출문제분석 9( 반응폭주관련 ) 1. 반응폭주의발생원인에대하여기술하시오 (79회,25점) 2. 화학공장에서화재폭발로이어질수있는연속적인발열공정 (Exothermic Process) 반응기에대한공정안전 (Process Safety) 목적으로사용되는계측기, 제어장치, 인터록기구및기타공정장치에대하여항목별로구분하여설명하시오 (88회,25점)

- 38 - 문제 15) 분진폭발 1. 정의 ⑴ 분진이란가연성고체를세분화한것으로입자가대단히적어공기중에부유상태가되는데부유상태의분진은약 1µm이하이다 ⑵ 분진이가연성일경우폭발위험성이있고공기중에부유하지않을경우분체화재형태로나타날수있다 2. 분진의종류와위험공정 분진발생장소 발생분진 위험공정 예방대책 섬유공장 섬유분진 소면 권취 제직공정등 집진설비, 청결유지등 탄광 석탄분진 채탄공정 착화원주의, 방폭화등 제분공장 곡물분진 제분기, 운반장치, 포장기등 집진설비, 환기장치, 청결유지등 제지공장 종이분진 재단 운반 포장공정등 정전기주의, 접지, 강제환기등 고무공장 배합제분진 기계가공공정 온도상승주의등 플라스틱공장 플라스틱분진 기계가공공정 정전기주의, 접지, 강제환기등 목재공장 나무분진 ( 목분 ) 기계가공공정 집진설비, 강제환기등 3. 분진폭발의조건 ⑴ 분진이가연성일것 ⑵ 분진이미분상태로부유중일것 ⑶ 지연성가스 ( 산소 ) 와의충분한교반과운동으로혼합되어있을것 ⑷ 점화원이존재할것 4. 분진폭발의 Mechanism ⑴ 분진입자에열에너지 ( 점화원 ) 이가해져온도가상승한다 ⑵ 온도상승에의한열분해, 건류작용으로가연성기체가생성된다 ⑶ 가연성가스와공기가가연성혼합기를형성하여착화되어화염이발생된다 ⑷ 발생된화염에의해주위분진의열분해가촉진되어폭발에이른다 ⑸ 연속적인 2, 3차폭발이발생할수있다 5. 분진폭발의특징 ( 가스폭발과비교 ) ⑴ 발화에너지가크다 ⑵ CO 발생량이많다 : 불완전연소를일으키기쉬우며, 가스중독위험이크다 ⑶ 발생에너지가크다 ⑷ 파괴력이크다 : 연소시간이길고, 발생에너지가크기때문이다

- 39 - ⑸ 최초폭발압력이작다 ⑹ 연소속도가늦다 : 발화에너지가크기때문이다 ⑺ 폭발압력이작다 ⑻ 2차, 3차폭발로파급하면서피해가커진다 ⑼ 심한그을음, 심한탄화, 인체에심한화상, 탄화수소양이많다 6. 분진폭발에영향을미치는요소 ⑴ 분진의화학적조성및성질 1 분진의휘발성이크고, 발열량이많고, 회분함유량이적고, 열분해가용이하며, 탄화수소계기체의반응속도가클수록폭발력이크다 2 분진의화학구조에 OH, COOH, NO2 등이많으면폭발위험을증가시키고, Cl, Br, F 등의할로겐족원소가많으면폭발위험을감소시키는경향이있다 ⑵ 입자의크기및밀도 1 입자의비표면적이클수록열축적이용이하여폭발성이크다 2 분진의밀도, 직경이작을수록비표면적이커지므로폭발성이크다 S = Φ/ρd 여기서, S : 비표면적, Φ : 형상계수, ρ : 입자의밀도, d : 입자의직경 ⑶ 분진의농도 1 분진의농도가양론조성농도보다약간높을때, 폭발속도가최대가된다 2 최소폭발농도는유기성분진이금속성분진보다매우낮다 ( 유기성분진이더위험함 ) ⑷ 입자의형상및표면상태 1 분진의입자가침상인경우 Φ>6, 구상은 Φ=6으로침상입자가비표면적이커서더위험하다 2 입자표면이매끄럽고깨끗할수록활성이커서더위험하다 ⑸ 분진의온도 1 초기온도가높을수록최소폭발농도가적어져서위험하다 2 초기온도가높을수록 MIE는감소되며, 약1,000 정도에서 0.088 mj 로수렴된다

- 40 - ⑹ 수분함유량 1 수분함유량이적을수록폭발성이급격히증가된다 2 수분의영향ᄀ분진의부유성억제ᄂ폭발시발생열을흡수ᄃ불활성화 ( 수증기가가연성혼합기의농도를저하시킴 ) ᄅ점화에너지의흡수ᄆ정전기방지 ( 가습 ) ⑺ 산소농도 1 산소농도가낮을수록폭발성은감소된다 2 불활성가스를사용하여산소농도를낮춘다 7. 분진폭발에대한방폭대책 ⑴ 예방대책 1 물적조건에의한예방ᄀ불활성화 (CO2, N2, H2O) ᄂ부유성억제 ( 가연물관리 ) ᄃ분진의퇴적, 비산의우려가있는부분의제거 2 에너지조건에의한예방ᄀ마찰, 충격등의기계적열원의제거ᄂ열면의제어 ( 전기기기의방폭화 ) ᄃ분진내의훈소여부감시 제어 ⑵ 억제및피해완화대책 1 위험공정의무인화및원격관리 2 위험장소의방폭화 3 폭발 Vent의설치 4 분진폭발억제장치 ( 자동폭발진압설비 ) 5 분진폭발전파방지장치

- 41 - 문제 16) 분체화재 (Dust fire) 1. 정의 ⑴ 분체라함은일반적으로 1,000 µm 이하의크기를가진미세한고체입자의집단을말한다 ⑵ 분체는일반적인고체에비해연소되기쉽고, 휘발분의발생정도에따라발염연소되거나훈소화재가되는특성을나타낸다 2. 분체의특징 ⑴ 고체가미분화되어있다 : 가연성혼합기의형성이용이하다 ⑵ 입도등의성질이불균일하다 : 분체의물성은확률적통계치로만표현이가능하다 ⑶ 단위무게당표면적이매우크다 : 부착성, 정전기발생률등이크다 3. 분체의연소특성 ⑴ 표면연소 1 충분한휘발분이없는경우대기중에서연소가아니라누적된분체의표면에서연소하는작열연소의형태를나타낸다 2 가연물표면에서산소와직접반응하여열과빛을발생한다 ⑵ 분해연소 1 분체는고체미립자의축적형태로흡열-분해-혼합-연소-배출의연소가일반적이다 2 플라스틱, 종이, 석탄등의분체가가열에열분해되고이때생성된가연성가스가공기와혼합하여착화하면연소로발전한다 ⑶ 증발연소 : 파라핀, 황, 나프타렌등의분체는가열에의해열분해없이직접증발하여휘발성증기가발생하여공기와혼합되고착화원이있으면연소가일어난다 4. 분체화재의영향인자 ⑴ 입자경 : 입자경이크면그을음속도가낮아져서그을음이오래지속되고, 입자경이작으면단위시간당연소반응량이증대되어연소가급격히진행된다 ⑵ 입도 : 연소시간은입도의제곱에비례한다 ⑶ 분체의종류및성질 : 기화잠열, 휘발분함유량, 융점등 ⑷ 착화원의크기 ⑸ 공기공급조건 5. 분체화재의위험성 ⑴ 착화에서화재발생까지시간이오래걸린다 : 화재가사람이없는야간에확대되거나, 적하물의하역시화재를발견하기도한다

- 42 - ⑵ 가연물로의착화 : 주위의가연물로적열된분체가비산되고착화된다 ⑶ 분진운형성 : 분체화재가진행됨에따라분진운을형성하고분진폭발로이어질수있다 ⑷ 유해한연소가스생성 : 표면연소로인해액체미립자계연기가발생하면서유독가스를발생시킨다 6. 분체화재의방재대책 ⑴ 예방대책 1 취급시설에대한밀폐및습식공법도입 2 분체는가급적적은양을운반, 취급 ⑵ 불활성화 : 기밀용기내부에저장된분체의경우에는불활성가스를주입한다 ⑶ 화재감지 1 화재진행이매우느리므로, 일반적인차동식감지기는부적합하다 2 열전대형감지기는퇴적분체의내부온도감시에유효하다 ⑷ 소화방법 1 주수에의한소화ᄀ냉각소화효과로화재를진화한다ᄂ분체가비산되지않도록주의해야한다ᄃ다량의마그네슘분에는물을주수하면수소가발생하므로위험하다 2 CO2에의한소화ᄀ실내에서는효과적이지만, 옥외에서는효과가거의없다ᄂ K, Na등 CO2와반응하는물질에는사용을금지한다 3 분말에의한소화ᄀ냉각, 질식및억제소화에의해진화한다ᄂ분체의종류에따라적합한분말을사용한다

- 43 - 문제 17) 분진의폭발지수 (Explosibility Index) 1. 정의 ⑴ 분진의폭발지수는분진의위험성을위험등급별로분류하여안전대책의기본으로하기위해도입된개념이다 ⑵ 미국에서피츠버그석탄분진을기준물질로하여폭발정도에따라 4등급으로분류하도록정한것이다 2. 폭발지수의표시방법 ( 계산방법 ) 폭발지수 = 발화민감도 폭발가혹도 ⑴ 발화민감도 : 발화되기쉬운정도는 MIE, LFL, AIT에영향을받는다 피츠버그탄의 발화민감도 시료분진의 ⑵ 폭발가혹도 : 폭발의위력은최대폭발압력 (Pmax) 과최대압력상승속도 (V) 에영향을받는 다 시료분진의 max 폭발가혹도 피츠버그탄진의 max 3. 폭발지수에따른위험도분류 폭발등급 폭발지수 발화민감도 폭발가혹도 약한폭발 0.1 미만 0.2 미만 0.5 미만 중급폭발 0.1 ~ 1.0 0.2 ~ 1.0 0.5 ~ 1.0 강한폭발 1.0 ~ 10 1.0 ~ 5.0 1.0 ~ 2.0 매우강한폭발 10 초과 5 초과 2 초과 4. 주요물질의폭발지수 ⑴ 피츠버그석탄 : 1.0 ⑶ 고무 : 0.3 이상 ⑸ 나일론 : 4.0 ⑵ 목분 : 5.0 이상 ⑷ 셀룰로즈 : 1.2 이상

- 44 - 기출문제분석 10( 분진폭발관련 ) 1. 분진폭발의원인과특징에대하여설명하시오 (46회,25점) 2. 분진폭발의특징에대해설명하시오 (57회,20점) 3. 가연성분진의종류와분진폭발에의한사고발생예상공정설비를연관지어분류하고폭발방지대책을기술하시오 (61회,25점) 4. 분진폭발을일으키는주요인자에대해열거하시오 (71회,25점) 5. 분진폭발의특징에대해설명하시오 (75회,25점) 6. 분진의폭발지수를설명하시오 (52회,6점) 7. 석탄을연료로사용하는발전소에서는보통석탄을미분쇄하여이용하는데미분탄을압축공기와함께배관을통하여이송하는것이보통인바미분탄이송배관의설치시화재안전과관련하여고려할점을논하라 (47회,10점) 8. 분체화재연소의 3가지형태를논하시오 (49회,20점) 9. 알루미늄분진의물리 화학적특성, 폭발메커니즘및화재시소방대책에대하여기술하시오 (89회,25 점 ) 10. 화력발전소의석탄취급설비 (Coal Handing System) 에서의적응소방설비를기술하고그특징을설명하시오 (61회,25점) 11. 분진의폭발은그의물리적, 화학적성상에따라크게좌우되므로이들인자를잘알아서대처해야한다. 다음의분진폭발성에영향을미치는인자에대하여설명하시오 (91회,25점) 가. 분진의화학적성질과조성에대하여설명하시오. 나. 분진의농도중폭발성분진의폭발범위농도, 폭발범위내에서분진농도에따른최소점화에너지와폭발율의변화에대하여각각설명하시오. 다. 산소농도가폭발분진의폭발압력과최대폭발압력상승속도에미치는영향에대하여각각설명하시오. 12. 최근고유가정책의대안으로대규모석탄 (Coal) 저장시설이여러분야에서적용되고있다. 일반적인석탄화재의특징을설명하고, 석탄저장시설을 Silo방식과 Shed방식으로구분하여적합한소화시설및화재예방, 감지시설에대해설명하시오 (95회,25점)