1. 서 론

산업재해보상보험법 적용사업체에서 발생한 산업재해 중 산업재해보상보험법에 의한 업무상 사고 및 질병으로 승인을 받은 사망 또는 4일이상 요양을 요하는 재해를 조사하여 고용노동부에서 발표한 2022년 산업재해현황분석 결과를 보면 전체 재해자는 130,348명(사망2,223명, 부상 106,038명, 업무상질병 요양자 21,785명)중 제조업 31,554명, 건설업 31,245명이었다. 화재폭발파열은 505명 중 제조업 231명, 건설업 103명 순으로 제조업이 전체 45.75%에 달하고 있어 제품 생산과정에서 화재폭발 사고를 예방을 하여야 전체사고가 감소하는 효과를 얻을 수 있을 것이다.[1] 선행연구로는 카본블랙의 제조공정에서 발생하는 사고를 예방하기 위해 2006년 오규형,이성은“카본블랙 제조부생가스의 폭발 특성연구”에서는 폭발특성 실험 결과 폭발압력은 최대 이었고 평균 폭발압력 상승속도는 초당 였다. 이러한 결과들은 부생가스의 취급 및 이용에 따른 폭발이나 화재 사고시 공정과 시설 등에 치명적인 손상을 입힐 수 있으므로 가스폭발 방지 및 방호조치가 필요하다고 제시하였다.[2] 2023년 주종율,이성은“카본블랙 제조공정의 안전성 향상에 관한 연구”에서는 건조기에서 부생 가스가 점화과정에서 폭발한 사고 원인과 예방대책 및 공정트러블 등 비상운전 시에는 생성된 부생가스를 안전한 곳으로 대기 배출하여 폭발사고 예방을 제시하였다.[3] 2020년 유원종,김병직“폭발위험장소 설정시 인화성액체 누출률의 최적 산정방법 연구”에서는 국제표준인 IEC 60079-10-1을 인용한 한국산업표준 KS C 60079-10-1이 널리 사용되고 있있으나 제안된 액체 방 출률 방정식은 기화량 계산 방법을 명확히 제시하지 못하고 있어 계산 과정이 복잡하거나 과도하거나 부족한 결과를 유도하고 있어서 이러한 점을 개선하기 위해 최적의 액체 방출률 계산 방법을 제안하고 계산 과정을 단순화하여 실용적이고 합리적인 방법을 제안하였다.[4][5] 본 연구에서는 카본블랙의 제조 시 정상운전에서는 카본블랙 제조 과정에서 부생되는 테일 가스(Tail Gas)가 대기로 직접 배출되지 않도록 보일러, 건조 시설, 덕트 버너 가열로에서 소각한 후 대기오염 처리설비에서 적정하게 처리한 후 배출하도록 구성하여 운전 하지만 공정트러블 등 비상운전 시에는 생성된 테일 가스를 비상배출관 (Emergency line)을 통하여 벤트스텍(Vent Stack)으로 안전하게 배출하여야 한다. 벤트스텍으로 배출되는 부생가스에는 인화성가스 21%, 질소 및 수증기 등 불연성가스 81%로 함유되어 있기 때문에 혼합물질의 폭발하한계 (LEL: Lower Explosion Limit)를 산정하였고, 부생가 스 중 인화성 가스 함량이 가장 많은 수소에 대한 폭발위험장소범위를 산정하여 공정 운전시 폭발사고를 예방하기 위한 방법을 제시하고자 한다.

2. 부생가스 폭발하한계 산정

인화성 가스 또는 증기가 포함된 혼합가스에 불연성 가스 또는 불연성 가스와 산화제가 함유된 경우 혼합가스의 폭발성 여부를 판정하고 폭발하한계를 산정하고자 한다.

2.1 일반사항

(1) 실험을 통해 혼합가스의 폭발하한계를 파악하는 방법이 가장 적절하다. (2) 계산식을 통해 폭발하한계를 산정하는 방법은 르샤틀리에(Le Chatelier) 공식을 사용하는 방법과 ISO 10156의 계산식을 사용하는 방법이 있다. (3) KS B ISO 10156의 계산식을 사용하여 구한 폭발하한계는 일반적으로 불활성 가스의 함유량이 높을수록 실험을 통해 구하는 값 보다 작게 산정되기 때문에 보수적인 결과가 제시된다.[6][7]

2.2 혼합가스의 폭발하한계 산정

2.2.1 르샤틀리에 공식 적용방법

혼합가스의 폭발하한계(LEL)를 구하기 위해 르샤틀리에 공식을 적용할 때 고려할 사항은 아래와 같다. (1) 인화성이 있는 혼합가스에는 적용할 수 있지만, 잠재적으로 폭발성인 혼합가스에는 적용할 수 없다. (2) 부분적인 할로겐화 탄화수소(Partially halogenated hydrocarbon) 또는 공기 이외의 산화제(Oxidizer) 에 대해서는 적용 할 수 없다. (3) 인화성 가스, 질소 및 공기의 혼합가스에 적용되고 질소 외의 불활성 가스를 포함하는 경우에는 적용 할 수 없다. ※르샤틀리에 공식은 식(1)과 같다.[6]

2.2.2 ISO 10156 계산식 적용방법

(1) 질소와 공기 이외의 불연성 가스를 포함하는 혼합가스에 적용된다. (2) 혼합가스의 폭발하한계를 계산하는 방법은 아래와 같이 7단계로 진행된다.

2.3 부생가스 폭발하한계 산정

2.3.1 부생가스 구성성분

Tail Gas의 구성성분은 <표 1>과 같이 인화성 가스와 질소, 공기 이외의 불연성 가스를 포함하는 혼합가스이다.

2.3.2 르샤틀리에 공식 적용방법

르샤틀리(Le Chatelier) 식(1)을 사용하여 계산한다.

2.3.3 ISO 10156 계산식 적용방법

(1) 1단계: 혼합가스의 물성치는 <표 2>를 사용하여 정리한다.

혼합물질의 폭발하한계는 27.7vol%이다. 산업안전보건법 시행령 별표13 인화성 가스란 인화하한계 농도의 최저한도가 13%이하 표준압력(101.3kPa)에서 20℃에서 가스 상태인 물질이다. Tail Gas 폭발하한계는 27.7%이므로 산업안전보건법의 인화물질의 폭발하한값보다 훨씬 높음을 알 수 있다.

3. 수소가스 폭발범위 산정

Tail Gas 비상배출시 Vent Stack에서의 폭발위험장소를 산정하여 방폭형 전기기계기구의 사용 등을 검토하고자 한다. 대상 성분은 Tail Gas 내 가연성 성분 함유량이 가장 많은 수소에 대하여 검토하고자 한다.

3.1 수소의 물리·화학적 특성

3.1.1 인화성 물질 목록 및 특성

폭발위험장소를 선정하기 위하여 수소의 인화성 물질, 휘발성, 인화하한값, 방폭특성 값은 <표 3>과 같다.

(1) 방폭기기의 가스그룹은 <표 4>와 같으며 수소 최대안전틈새(MESG)이 0.5mm미만이므로 그룹 ⅡC에 해당한다.[9]

(2) 방폭기기 온도등급은 <표 5>와 같으며 수소가스의 발화온도는 500℃이므로 T1에 해당한다. [9]

3.2 누출원(source of release) 목록

폭발위험장소를 선정하기 위하여 수소의 누출원(위치,누출등급,누출률,누출특성), 인화성 물질(운전온도,운전압력, 물질상태), 환기(형태,희석등급,이용도)는 <표 6>과 같다.

3.2.1 누출등급(grade of release)

3등급(연속누출,1차누출,2차누출)으로 구분된다. (1)“연속 누출등급(Continuous grade of release)”이라 함은 연속, 빈번 또는 장기간 발생 할 것으로 예상되는 누출을 말한다. (2)“1차 누출등급(Primary grade of release )”이라 함은 정상작동 중에 주기적 또는 빈번하게 발생할 수 있을 것으로 예상되는 누출을 말한다. (3)“2차 누출등급(Secondary grade of release)”이라 함은 정상작동 중에는 누출되지 않고 만약 누출된다 하더라도 아주 드물거나 단시간 동안의 누출을 말한다. 따라서 Tail Gas는 스텍으로 배출되기 때문에 1차 누 출 등급에 해당된다.[5]

3.2.2 누출률(release rate)

식(8)을 사용하여 계산한다.

수소가스 밀도는 식(9)를 사용하여 계산한다.

3.2.3 누출 특성(release characteristics)

식(10)을 사용하여 계산한다.

3.2.4 환기형태

자연환기, 강제 전체환기, 국소배기로 구분되며 자연환기에 해당된다.[5]

3.2.5 옥외 풍속

옥외에서의 환기 개념은 엄격하게 적용할 수 없으며 그 위험은 누출원의 상태, 가스의 특성 및 대기의 공기 흐름에 관련된다. 개방공간에서 공기 이동은 대부분이 그 지역에서 발생할 수 있는 폭발성가스분위기를 분산시키기에 충분하다. 옥외 상황에 대한 풍속 지침은 <표 7>과 같다. 스텍의 높이는 50미터 장애물이 없으므로 풍속은 2m/s가 된다.[5]

3.2.6 희석등급

희석등급은 다음과 같이 3가지로 구분한다. (1) 고희석(High dilution) 누출원 근처에서의 농도를 순간적으로 감소시키고 누출이 중단 된 후 사실상 지속되지 않는다. (2) 중희석(Medium dilution) 누출이 진행되는 동안에는 누출농도를 안정된 상태로 제어할 수 있고, 누출이 중단된 후에는 더 이상 폭발성 가스분위기가 지속되지 않는다. (3) 저희석(Low dilution) 누출이 진행되는 동안에 상당한 농도로 지속되고 누출이 정지된 후에도 인화성 분위기가 상당기간 동안 지속된다.[5] 누출특성값이 이며 환기속도는 2m/s일 때 교차점은 [그림 1]과 같이 표시되며 희석등급은 중희석이 된다.

3.2.7 환기이용도

환기 이용도는 폭발성 가스의 존재 또는 형성에 영향을 미치므로, 환기 이용도는 위험장소의 종별을 결정할 때 고려한다. 환기 이용도의 3가지 등급은 다음과 같다. (1) 우수(Good) 환기가 실제적으로 지속되는 상태이다. (2) 양호(Fair) 환기의 정상작동이 지속됨이 예측되는 상태, 빈번하지 않은 단기간 중단은 허용된다. (3) 미흡(Poor) 환기가 양호 또는 우수 기준을 충족하지 않지만, 장기간 중단이 예상되지 않는 상태이다. 스텍 높이 50미터이며 장애물이 없기 때문에 환기이용도는 우수가 된다. 누출등급과 환기유효성에 의한 폭발위험장소의 종별은 <표 8>과 같으며 누출등급은 1차, 환기유효성은 Good이므로 zone1이 된다. [5]

4. 폭발위험장소

4.1 폭발위험장소의 범위 추정

인화성 가스가 발생할 수 있는 폭발위험장소의 범위는 누출률과 가스특성, 누출형상 및 주위의 기하학적 구조 등 다양한 요소들에 의해 결정되며, 다음 [그림 2] 중 하나에 속하는 누출특성에 따라 적절한 곡선을 선택한다. (1) 고속의 제트 방해받지 않는 고속제트 누출를 말한다. (2) 저속이 확산 저속의 확산 누출 또는 누출형상이나 주위 표면의 충돌 로 인한 속도 손실 제트 누출를 말한다. (3) 무거운 가스 수평표면에 따라 확산되는 무거운 가스 또는 증기를 말 한다.[8] Tail Gas은 배출압력이 이므로 저속의 확 산에 해당된다. Tail Gas 누출특성 가로축 값에 해당하는 저속의 확산에 해당하는 점을 표기하면 세로축의 폭발위험장소 범위는 [그림 2]와 같이 23미터가 된다.

5. 결 론

본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1. 공정트러블 등 비상운전 시 부생가스는 누출, 화재, 폭발을 방지하기 위하여 Vent Stack으로 긴급하게 비상방출하여야 한다. 방출되는 부생가스에는 인화성가스 21%, 질소 및 수증기 등 불연성가스 79%가 함유되어 있기 때문에 폭발하한값을 ISO 10156 식으로 사용하여 27.7vol%이다. 산업안전보건법에서 인화성 가스의 기준인 폭발하한값이 13%이하이기 때문에 인화성 가스에 해당하지 않으며 폭발하한값이 높기 때문에 벤트스텍으로 긴급배출하여야 화재폭발위험이 극히 낮아진다. 2. Vent Stack으로 긴급배출되는 부생가스의 인화성가스 함유량 중 수소가스가 가장 많고 폭발하한값이 가장 낮은 수소가스의 폭발위험장소범위를 KS C IEC 60079-10-1으로 산정한 결과 23미터가 산정되었다. 수소는 공기보다 0.007배 가볍기 때문에 Vent Stack으로 배출시 상부로 급격히 확산하기 때문에 상부 23미터이내에는 전기기계기구를 설치하지 않아야 하며 불득이 설치할 경우에는 위험장소 1종에 적합한 방폭형전기기계기구를 설치하여야 한다. 또한 스텍의 높이는 부생가스 긴급배출시 확산이 원활히 이뤄지도록 5미터 이상으로 하고 주위에 장애물이 없도록 설치하여야 한다. 향후 이 연구에서 얻은 부생가스의 폭발하한값이 실제 폭발실험에 얻은 폭발하한값과 일치 유무를 검증하는 실험이 필요하다.