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분진폭발의 5요소(Dust Explosion Pentagon)

분진폭발 5요소는 기존의 폭발 3요소인 산소, 분진연료(Combustible dust), 발화원에 부유분진(분진이 공기중에 떠다니고 있을 것)과 한정된 공간(공장내부 등)내에 있을 것이라는 2가지 조건을 추가한 것입니다. 분진이 계속 공기중에 있어야 한다(suspended in air)는 뜻은 분진이 쌓일 정도로 일정한 분진 밀도가 있어야 한다는 뜻이고, 한정된 공간에 있어야 한다는 것은 분진 폭발이 일어날때의 충분한 압력을 유지되어야 한다는 뜻입니다.
사실 가스폭발은 흔한 단어이지만 분진폭발은 생소한 현상입니다. 그러나 석탄가루나 금속파편가구는 물론이고 곡물가루(grain), 섬유(linen), 설탕(sugar) 등에 이르기까지 미세한 크기(finely ground)로 분진이 공기중에 떠다니는 공장내부 등에서는 일정한 조건(최소폭발농도, MEC, Minimum Explosive Concentration)에 도달하면, 발화원에 따라 바로 분진 폭발이 일어날 수 있습니다.
석탄분쇄기나 곡물운송용 컨베이어벨트, 사일로 같은 곳을 가정해보죠. 이런 곳에서는 항상 먼지나 분진이 쌓입니다. 가스와 달리 먼지는 흩어지지 않고 내부에 그대로 남아있으며 겹겹이 쌓이게 됩니다. 쌓인 먼지 아래에는 모터와 같이 열을 발생시키는 장비가 있을 수 있고 모터에서 발생한 열은 표면에 쌓인 먼지로 인해 공기중으로 방출되지 못해 점점 더 뜨거워집니다. 보온효과로 온도가 급격히 상승합니다.
발화가 일어나면? 먼지층은 연료 공급원으로 역할을 바꿉니다. 충분한 농도의 분진가루가 있고 확실한 발화원인 열이 발생하여 장비 위에 있던 분진에 불이 붙고 동시에 주변에서 흩날리는 먼지가루들(dust cloud)이 연쇄적으로 반응하면서 폭발로 이어집니다. 분진 폭발은 1차적으로 폭발하는 힘에 의해 주변 물질의 파괴가 일어나지만, 2차 폭발 즉 근처에 떠다니던 분진들이 주변대기로 확장되면서 발생하는 상당한 에너지에 의해 더 큰 폭발이 일어납니다. 1차폭발에 비해 2차 폭발의 위력이 훨씬 더 큰 것으로 알려져있습니다.
지난 2013년 17명의 사상자를 낸 여수국가산업단지내 대림산업 화학공장의 폭발사고의 원인도 폭발 사고의 분진탱크속에 잔존해있던 다량의 분말이였습니다. 전기 장비의 작동중에 발생하는 스파크의 대부분은 주변의 먼지가루를 발화시킬 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있음에도 분말의 존재를 무시한 작업장의 부주의로 귀중한 목숨을 잃은 것으로 알려졌습니다.
분질폭발을 방지하기 위해서는 분질폭발의 5요소가 동시에 일어나지 않도록 해야 합니다. 분진폭발의 5요소중 산소와 한정된 공간이라는 요소는 제거하기 쉽지 않으니, 나머지 요소들을 제거하여 분진폭발을 방지해야 합니다. 환기와 작업장 청소가 잘되어도 위험성이 줄어들겠지요. 방폭 구조로는 박스(Enclosure)를 이용하여 폭발을 방지하는 방법(Ex tD)이 가장 폭넓게 사용되고 있습니다. 이 경우 박스(enclosure)의 표면온도에 제한을 걸고(나중에 T등급 관련 글에서 좀 더 자세히 설명합니다), 분진이 박스 내부로 유입되는 것을 방지하고자 IP등급에 측정해 발화원과 분진의 접촉을 막는 방법이 있습니다. 참고로 IP6X는 ATEX 규정의 Category 1과 2 (Zone 0 지역과 Zone 1 지역)의 요구사항이고, IP5X는 Category 3 (Zone 2 지역)의 최소요구조건입니다..

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