폭발 안전

 

폭발

급격한 압력 상승과 함께 폭음, 화염 등을 일으키는 현상

 

 

성립 조건

1. 가연성 가스, 증기 및 분진이 공기 또는 산소와 혼합되어 연소범위 내에 존재할 것
2. 혼합가스 및 분진에 발화를 일으킬 수 있는 최소 점화에너지 이상의 에너지가 주어질 것
3. 혼합물이 구획된 공간 또는 용기 내에 존재할 것

 

폭발의 종류

 

기상폭발

• 혼합가스의 폭발: 가연성 가스 + 조연성 가스가 연소범위 내에 있을 때 폭발
• 분해폭발: 반응열이 큰 단일 가스가 분해되며 폭발
• 분진폭발: 가연성 고체의 미분이나 액적(Mist) 형태의 폭발

액상폭발

• 혼합위험성 폭발: 산화성 물질과 환원성 물질의 혼합
• 폭발성 화합물의 폭발: 분자 내 연소 또는 흡열 분해반응에 의한 폭발
• 증기폭발: 과열된 액체(물, 유기액체 등)가 급속히 증발하여 발생

분진폭발

가연성 고체의 미분 또는 가연성 액체의 액적에 의한 폭발

→ 가연성 고체 미분 또는 액적이 공기 중에 부유하여 폭발 분위기 형성

• 입자 크기: 75μm 이하
• 폭발 과정:
  1. 입자 표면 온도 상승
  2. 열분해 및 기체 발생
  3. 공기와 혼합
  4. 점화원에 의해 폭발
  5. 주변 입자 온도 상승 및 연쇄 열분해

 

특수 폭발 유형

• UVCE (Unconfined Vapor Cloud Explosion; 증기운 폭발)
  • 액화가스탱크 또는 고압 가연성 액체 용기가 파손되어 대기 중 방출 → 공기와 섞여 증기운 형성 → 착화되면 Fireball 형성
  • 증기운 크기 증가 시 점화 확률 상승
• BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion; 비등액 팽창 증기 폭발)
  • 비점이 낮은 액체 저장탱크에 화재 발생 → 내부 액체가 비등하며 압력 상승 → 탱크 파열 및 내용물 증발·팽창으로 폭발

 

폭발 영향 인자

• 저장 용기 재질
• 주위 온도 및 압력 상태
• 저장 물질의 종류, 형태, 인화성 여부
• 내용물의 물리적, 열역학적 상태

 

BLEVE 방지 대책

• 열 침투 억제: 보온 조치 (이송시간 확보)
• 탱크 과열 방지: 물분무 냉각장치(살수설비)
• 화염 접근 차단: 방유제 경사화 등 구조적 대응

 

혼합가스의 폭발범위

• 폭발한계(Explosion Limit): 폭발 가능 농도 범위
  → 농도가 지나치게 낮거나 지나치게 높아도 폭발은 일어나지 않음
• 폭발하한계(Lower Explosive Limit, LEL): 가스 등이 공기 중에서 점화원에 의해 착화되어 화염이 전파되는 최소 농도
• 폭발상한계(Upper Explosive Limit, UEL): 가스 등이 공기 중에서 점화원에 의해 착화되어 화염이 전파되는 최대 농도
• 연소범위(Flammable Range): 가연성 기체 + 산소의 혼합기체 연소 가능 농도 범위

 

혼합가스 관련 계산식

 

완전연소 조성농도(Cₛₜ)

 

화학양론농도라고도 함

가연성 물질 1몰이 완전히 연소할 때의 공기와의 혼합비를 부피비[vol%]로 표현한 것

Cₛₜ = 1 / {(4.77n+1.19x-2.38y)+1} x 100[vol%]

 

 

최소산소농도(MOC, Cₘ)

Cₘ = 폭발하한계[%] x (산소 mol 수 / 연소가스 mol 수)[vol%]

 

 

 

혼합가스의 폭발범위: 르 샤틀리에(Le Chatelier) 법칙

순수한 혼합가스일 경우
L = 100 / (V₁/L₁ + V₂/L₂ + ・・・ + Vₙ/Lₙ)

또는

혼합가스가 공기와 섞여 있을 경우
L = V₁ + V₂ + ・・・ + Vₙ / (V₁/L₁ + V₂/L₂ + ・・・ + Vₙ/Lₙ)

여기서,

L: 혼합가스 폭발한계[%] (폭발상한계, 폭발하한계 모두 적용 가능)

Lₙ: 각 성분가스 폭발한계[%] (폭발상한계, 폭발하한계)

Vₙ: 각 성분 부피비[%]

 

 

위험도(H)

 

기체의 폭발 위험 수준을 나타냄

위험도 값이 큰 가스는 폭발상한계 값과 폭발하한계 값의 차이가 큼

H = (U - L) / L

여기서,

H: 위험도

U: 폭발상한계 값[%]

L: 폭발하한계 값[%]

 

→ H가 클수록 폭발 위험성 증가

 

안전간격 및 폭발등급

 

안전간격

화염이 인접한 혼합가스로 전달되지 않는 최소 틈

 

8[L]의 표준 용기 안에 폭발성 혼합가스를 채우고 점화시켜 발생된 화염이 용기 외부의 폭발성 혼합가스에 전달되는가의 여부를 측정하였을 때 화염을 전달시킬 수 없는 한계의 틈 사이

→ 안전간격이 작을수록 폭발위험이 큼

폭발등급	안전간격[mm]	대표 물질
1등급	0.6 초과	메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 가솔린, 일산화탄소, 암모니아, 아세톤, 벤젠, 에틸에테르
2등급	0.4~0.6	에틸렌, 석탄가스, 이소프렌, 산화에틸렌
3등급	0.4 미만	수소, 아세틸렌, 이황화탄소, 수성가스

 

폭발 방호 방법

예방대책

• 위험물과 발화원의 특성 파악 및 관리
• 통풍, 환기, 분진제거
• 가스 검지 및 경보장치 설치
• 방폭 구조 전기기기 설치 (⌜산업표준화법⌟의 한국산업표준에 따른 폭발위험장소 - 그에 해당하는 방폭구조)
• 화기 및 고온 장비 사용 금지
• 불활성화(Inerting)
  • 불활성 가스를 주입하여 산소농도를 최소산소농도 이하로 유지 (불활성 가스의 치환)
    방식: 진공퍼지, 압력퍼지, 스위프퍼지, 사이폰퍼지

국한대책

폭발 피해 최소화 목적

• 안전장치, 방폭설비 등 설치

 

폭발 위험이 있는 물질의 부적절한 저장 장소

• 통풍이나 환기가 불량한 장소
• 화기 사용 장소 및 그 부근
• 위험물, 화약류 도는 가연성 물질을 취급하는 장소 및 그 부근 등

 

폭발 방호(Explosion Protection)

• 폭발 봉쇄: 안전밸브, 파열판 등을 통해 압력 해소
• 폭발 억제: 폭발검지 → 폭발억제장치 작동 → 고압 불활성가스 분사 → 폭발 진압
• 폭발 방산: 파열판이나 안전밸브로 압력 방출
• 대기 방출: 가연성 가스를 대기 중으로 방출하여 완화

 

고압가스와 용기 도색

 

고압가스의 종류

압축가스	수소, 산소, 질소, 메탄 등 비점이 낮은 가스
액화가스	LPG(프로판, 부탄), 염소, 암모니아, 탄산가스 등
용해가스	아세틸렌

 

고압가스 용기 도색

가스 종류	용기 도색
액화 탄산가스	청색
질소	회색
산소	녹색
수소	주황색
아세틸렌	황색
액화 암모니아	백색
액화염소	갈색
액화 석유가스(LPG) 및 기타 가스	회색