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구분 |
분류 |
성 질 |
종 류 |
가 스 상태에 따 른 분 류 |
압 축 가 스 |
상온에서 압축하여도 액화하기 어려운 가스로, 임계온도(기체가 액체로 되기 위한 최고온도)가 상온보다 낮아 상온에서 압축시켜도 액화되지 않고 단지 기체 상태로 압축된 가스를 말함. |
수소, 산소, 질소, 메탄 등 |
액 화 가 스 |
상온에서 가압 또는 냉각에 의해 비교적 쉽게 액화되는 가스로, 임계온도가 상온보다 높아 상온에서 압축시키면 비교적 쉽게 액화되어 액체상태로 용기에 충전하는 가스를 말함. |
액화NH3, Cl2, CO2, C3H8, C4H10, 산화에틸렌 등 | |
용 해 가 스 |
가스의 독특한 특성 때문에 용매를 충진시킨 다공 물질에 용해시켜 사용되는 가스로, 아세틸렌가스는 압축하거나 액화시키면 분해폭발을 일으키므로 용기에 다공 물질(고체 내부에 많은 빈공간을 가진 물질)과 가스를 잘 녹이는 용제(아세톤, 디메틸포름아미드 등)를 넣어 용해시켜 충전한다. |
아세틸렌 | |
연소성 에 따 른 분 류 |
가연성 가 스 |
산소와 결합하여 빛과 열을 내며 연소하는 가스를 말하며, 수소, 메탄, 에탄, 프로판 등 32종과, 공기 중에 연소하는 가스로서 폭발한계 하한이 10%이하인 것과 폭발한계의 상․하한의 차가 20% 이상인 것을 대상으로 한다. |
메탄, 에탄, 프로판, 부탄 수소 등 |
불연성 가 스 |
스스로 연소하지도 못하고, 다른 물질을 연소시키는 성질도 갖지 않는 가스 |
N2, CO2, Ar 등 불활성 가스 | |
조연성 가 스 |
가연성 가스가 연소되는데 필요한 가스. 지연성 가스라고도 함 |
공기, 산소, 염소 등 | |
독성에 따 른 분 류 |
독 성 가 스 |
공기중에 일정량 존재하면 인체에 유해한 가스. 허용농도가 200ppm 이하인 가스 |
Cl2, NH3, CO 등 31종 |
비독성 가 스 |
공기중에 어떤 농도 이상 존재하여도 유해하지 않는 가스 |
O2, H2 등 |
※ 허용농도란 독성이 있는 가스가 공기 중에 혼합되어 있는 분위기 속에서 보통 건강한 사람이 1일 8시간씩 계속하여 중 정도의 작업을 해도 건강에 이상이 없는 농도를 말하는 것이다.
나. 고압가스 안전관리법에서 정하는 고압가스
공공의 안전 확보를 목적으로 고압가스의 제조․저장․판매․운반․사용․취급 등을 규제하기 위해 제정된 고압가스안전관리법에서는 어떤 온도에 있어서 일정 이상의 압력을 갖는 압축가스, 액화가스, 용해가스, 특수가스 4가지로 고압가스를 분류하고 있다.
이런 분류는 이들 가스가 화학적 변화에 따라 다른 물질로 전환되지 않는 한 온도와 압력에 따라 상태가 변하기 때문이다.
<표 2-2. 가스법령에서의 고압가스 분류>
종 류 |
정 의 |
압축가스 |
상용의 온도에서 10㎏/㎠이상이 되는 가스가 실제로 그 압력이 10㎏/㎠이상이거나, 35℃에서의 압력이 10㎏/㎠이상이 되는 압축가스 |
액화가스 |
상용의 온도에서 2㎏/㎠이상이 되는 가스가 실제로 그 압력이 2㎏/㎠이상이거나, 2㎏/㎠이 되는 경우의 온도가 35℃ 이하인 액화가스 |
용해가스 |
15℃에서의 압력이 0㎏/㎠을 초과하는 아세틸렌가스 |
특수가스 |
35℃에서의 압력이 0㎏/㎠을 초과하는 특수가스 (액화시안화수소, 액화브롬화메탄, 액화산화에틸렌) |
제2절 가스법령의 체계
가스관계법이라 함은 고압가스안전관리법, 액화석유가스의 안전 및 사업관리법, 도시가스사업법을 지칭한다. 1978년 이전 가스관계법은 고압가스안전관리법(1962년 제정) 뿐이었다. 그러나 1970년대 후반이 되면서 생활연료로서 도시가스 및 액화석유가스의 보급이 확대되고 이로 인한 가스사고가 급증하게 되자 사고예방과 수급안정을 도모하기 위하여 고압가스 안전관리법 중 도시가스와 액화석유가스에 관한 사항을 분리해서 1978년 도시가스사업법을, 1983년 액화석유가스의 안전 및 사업관리법을 제정하여 오늘날의 가스관계 3법 체계를 이루게 되었다.
가스관계 3법의 체계를 간단히 나타내면 다음 표 2-3과 같다. 액화석유가스의 안전 및 사업관리법과 도시가스사업법에서 규정한 사항에 대하여는 고압가스안전관리법을 적용하지 아니하도록 되어 있어(고압가스안전관리법 제37조) 법률간의 규제의 중복은 없다. 그러나 액화석유가스의 운반에 관한 사항과 액화석유가스 및 도시가스용 용기, 특정설비의 제조에 관한 사항은 액화석유가스의 안전 및 사업관리법과 도시가스사업법에 관한 사항은 액화석유가스의 안전 및 사업관리법과 도시가스사업법에 규정되어 있지 않으므로 고압가스안전관리법의 적용을 받으며, 또한 도시가스용 가스용품에 관한 사항은 도시가스사업법에서 규제하지 않고 액화석유가스의 안전 및 사업관리법에서 규제하고 있다.(액화석유가스의 안전 및 사업관리법 제2조 제5호)
1. 가스관련 3법의 체계
가. 고압가스 안전관리법의 체계
고압가스안전관리법의 규제내용을 크게 분류해 보면 고압가스의 제조, 판매, 저장 및 사용 등 고압가스의 취급에 관한 규제와 용기, 냉동기 및 특정설비 등 고압가스설비의 제조에 관한 규제로 되어 있다.
고압가스안전관리법은 고압가스 또는 고압가스설비의 제조․공급자와 수요자를 동시에 규제함으로써「고압가스로 인한 위해를 방지하고 공공의 안전을 확보함」(고압가스 안전관리법 제1조)을 목적으로 한다. 규제의 방법에는 관(官)에 의한 허가, 승인, 사고검사등과 같은 타율적인 것과 공급자 의무, 시설의 안전유지의무, 자체검사의무 등 자율적인 것이 있다.
<표 2-3> 가스관계 3법의 체계도
(법률구분) |
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( |
규 |
제 |
범 |
위 |
) |
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제조(충전) | |||||||
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판 매 | ||||||||||||||||||||||||||||
고압가스안전관리법 |
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저 장 | ||||||||||||||||||||||||||||
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사 용 | ||||||||||||||||||||||||||||
운 반 | ||||||||||||||||||||||||||||
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○ 고압가스 : 압력 10㎏/㎠(액화가스는 2㎏/㎠)이상인 가스 ○목 적 : 고압가스로 인한 위해를 방지 하고 공공의 안전을 확보함. |
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용 기 - 냉 동 기 - 제조 특정설비 - | |||||||||||||||||||||||||
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충 전 | |||||||
액화석유가스의 안전 및 사업관리법 |
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집 단 공 급 | |||||||||||||||
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판 매 | ||||||||||||||||
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저 장 | |||||||
○ 액화석유가스 : 프로판, 부탄을 주성분으로 으로 하는 가스 ○ 목적 : 액화석유가스취급 및 가스용품의 안전관리에 관한 사항을 정하고 수급을 합리적으로 조정함. |
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사 용 | ||||||||||||||||||||||||
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가스시설시공 | |||||||||||||||||||||||||
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가스용품제조 | |||||||||||||||||||||||||
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공 급 | |||||||
도시가스사업법 |
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사 용 | ||||||||||||||||||||||||||||
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가스시설시공 | ||||||||||||||||||||||||||||
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○ 도시가스 : 납사 또는 엘피지를 원료로 일정 열량을 갖도록 제조한 가스 또는 엘엔지를 다수의 수요자에게 공급하는 것 |
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○ 도시가스사업을 합리적으로 조성육성하여 공공의 이익과 안전을 확보함. |
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나. 액화석유가스의 안전 및 사업관리법의 체계
액화석유가스의 안전 및 사업관리법(이하「액화석유가스법」으로 약칭한다)의 규제내용을 크게 분류해 보면 액화석유가스의 충전, 집단공급, 판매, 저장 및 사용 등 액화석유가스의 취급에 관한 규제와 밸브, 연소기 등 가스용품의 제조에 관한 규제로 되어 있다.
액화석유가스법은 액화석유가스 또는 가스용품의 제조․공급자와 수요자를 동시에 규제함으로써「액화석유가스 및 가스용품의 안전관리와 액화석유가스의 수급조정」을 목적으로 한다. 규제의 방법에는 관(官)에 의한 허가, 승인, 신고, 검사 등과 같은 타율적인 것과 공급자 의무, 시설의 안정성 유지의무, 자체검사 의무 등 자율적인 것이 있다.
다. 도시가스 사업법의 체계
도시가스사업법의 규제내용을 크게 분류해 보면 가스도매사업, 일반도시 가스사업 및 특정가스사용 등 도시가스의 취급에 관한 규제와 도시가스시설의 시공에 관한 규제로 되어 있다. 이들 규제대상에 관한 규제의 목적은「도시가스사업을 합리적으로 조성․육성하여 사용자의 이익을 보호하고, 도시가스사업의 건전한 발전을 도모함으로써 공공의 이익과 안전을 확보하는 것」(도시가스사업법 제1조)으로 하고 있다. 규제의 방법에는 관(官)에 의한 허가, 검사 등과 같은 타율적인 것과 공급자의무, 시설의 안전성유지의무, 자체검사의무 등 자율적인 것이 있다.
2. 가스관계법과 소방관서와의 관계
고압가스의 제조․충전, 고압가스용기의 제조는 시․도지사의 허가사항이고, 고압가스의 저장․판매는 시장․군수․구청장의 허가사항이다. 특정고압가스(H2, O2, Cl2, NH3, C2H2 등)를 사용하고자 하는 자는 시장․군수․구청장에게 사용신고를 해야 하고, 액화석유가스 사용자 중에서 액화석유가스 특정 사용자도 시장․군수․구청장에게 사용신고를 해야 한다.
가. 특정고압가스 사용신고 대상
수소․산소․액화암모니아․아세틸렌․액화염소․천연가스․압축모노실란․압축디보레인․액화알진․포스핀․셀렌화수소․게르만․디실란을 특정고압가스라 한다.
(1) 저장능력 250㎏이상인 액화가스저장설비를 갖추고 특정고압가스를 사용하고자 하는 자
(2) 저장능력 50㎥이상인 압축가스저장설비를 갖추고 특정고압가스를 사용하고자 하는 자
(3) 배관에 의하여 특정고압가스(천연가스를 제외한다)를 공급받아 사용하고자 하는 자
(4) 압축모노실란․압축디보레인․액화알진․포스핀․셀렌화수소․게르만․디실란, 액화염소 또는 액화암모니아를 사용하고자 하는 자.
(시험용으로 사용하거나, 지정하는 지역에서 사료용으로 볏짚 등을 발효하기 위하여 액화암모니아를 사용하는 경우를 제외)
(5) 자동차연료용으로 특정고압가스를 사용하고자 하는 자
나. 액화석유가스사용신고 대상
(1) 액화석유가스 안전 및 사업관리법의 제1종 보호시설 또는 지하실안에서 액화석유가스 사용자(주거용으로 사용하는 경우 제외)
(2) 식품위생법에 의한 식품접객업소 또는 집단 급식소로서,
○ 식품접객업소의 경우 영업장 면적이 100㎡이상,
(식품위생법에 의한 음식점, 주점, 과자점, 다방, 휴게실 등)
○ 집단급식소의 경우는 수용인원이 50인 이상인 곳을 운영하는 자
(3) 공동으로 저장능력 250㎏이상 저장설비를 갖춘 공동주택의 관리주체
(4) 저장능력 250㎏이상 5ton미만인 저장설비를 갖추고 사용하는 자.
(자동절체기에 의해 용기를 접합한 경우에는 500㎏이상 5ton미만)
(5) 자동차의 연료용으로 액화석유가스를 사용하고자 하는 자
이상의 사항을 허가하거나 신고 받은 해당관청은 7일 이내에 소방서장에게 통보하여 화재의 예방 및 진압에 참고하도록 하여야 한다.
제3장 고압가스 개론
제1절 가스 기초 이론
1. 온도와 에너지
가. 온도
(1) 온도의 단위
온도란 물체의 분자운동에 의한 것으로서 물체에 열을 주면 따듯하게 되고, 열을 빼앗으면 차가와 진다. 이와 같이 물질이 차고 더운 정도를 나타내는 정도를 온도라 한다.
(가) 섭씨온도(℃) : 표준대기압 상태에서 물의 빙점을 0℃, 비등점을 100℃로하여, 그 사이를 100등분하여 한 눈금을 1℃로 한 온도단위이다. (Celsius온도)
(나) 화씨온도(℉) : 표준대기압 상태에서 물과 얼음과 염화암모늄의 혼합물로 얻어지는 가장 낮은 온도를 0℉, 얼음의 빙점을 32℉, 물의 비등점을 212℉ 정하고, 빙점과 비점 사이를 180 등분하여 한 눈금을 1℉로한 온도 단위이다(Fahrenheit온도).
(다) 절대온도(K) : 기체온도계의 원리로부터 공기의 온도를 낮추어 가면 압력이 0이 되는 상태에 이르고, 이 상태가 절대적 영도로서 -273.15℃로 되는 온도이다. 물의 3중점인 273.15K, 비등점을 373.15K로 하고 그 사이를 100 등분한 섭씨온도 체계이다.
(라) 랭킨온도(R) : 절대온도계의 정의와 같이 -460℉를 절대영도(0R)로 하고, 물의 3중점을 491.67R(32℉), 비등점을 671.69R(212℉)로 하고 그 사이를 180 등분한 화씨온도 체계이다.
(2) ℃, ℉, K, R의 관계
(가)
(나) K = 273.15+℃
(다) R = 460+℉
(라)
나. 에너지
(1) 열 량
물체의 온도와 부피를 변화시키며 물질의 상태를 변화시키는 원인을 열이라 하며, 그의 양적 관계를 열량이라 한다.
(가) 칼로리(㎈ : calorie) : 순수한 물 1g의 온도를 1기압하에서 정압적으로 14.5℃에서 15.5℃로 1℃ 상승시키는데 필요한 열량.
① 킬로칼로리(㎉,kilogram calorie) : 표준기압 상태에서 1㎏의 순수한 물을 14.5℃에서 15.5℃로 1℃ 상승시키는데 필요한 열량.
※ 1[㎉] = 1000[㎈]
② 평균 칼로리 : 순수한 물 1g을 표준기압하에서 0℃로부터 100℃까지 온도를 높이는데 소요된 열량을 1/100로 한 것을 단위로 한 경우이다.
(나) BTU(British Thermal Unit) : 60℉에서 1파운드의 순수한 물을 1℉ 높이는데 필요한 열량이라 하며, 이것을 영(英) 열단위라고 한다.
(다) CHU(Centigrade Heat Unit) : ㎉와 BTU를 조합한 단위로서 1파운드(lb)의 물의 온도를 1℃(14.5℃에서 15.5℃) 높이는데 필요한 열량을 1CHU라 한다. 즉 이것을 파운드 칼로리라고 한다.
∴ ㎉와 BTU, CHU와의 관계
1[㎉] = 3.968[BTU] = 2.205[CHU]
1[BTU] = 0.252[㎉] = 0.555[CHU]
1[CHU] = 0.4536[㎉] = 1.8[BTU]
(2) 일 량
물체에 힘(㎏)이 작용하여 변위(m)가 발생하였을 때 힘과 변위의 곱이 일량이다. 즉 일량(W) = F(㎏) × S(m) [㎏․m]
일의 단위 : ㎏․m, erg[dyne․㎝], Joule[N․m]
1㎏․m = 9.806 J = 9.806N․m = 9.806W․sec
2. 가스 법칙
가. 보일의 법칙(Boyle's law)
기체의 온도(T)를 일정하게 유지할 때, 모든 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다.
즉, T(K) = 일정할 때,
V∝ V = k (k는 상수) ∴ PV = P1V1
여기서. V : 처음에 주어진 기체의 부피, P : 처음에 주어진 기체의 압력
V1 : 변화된 후 기체의 부피 P1 : 변화된 후 기체의 압력
나. 샤를의 법칙(Charle's law)
일정질량의 기체체적과 온도와의 관계를 나타낸 것으로, 압력이 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 온도가 1℃ 증가함에 따라 0℃때의 부피보다 1/273씩 증가한다. 즉, 일정한 압력하에서 일정량의 기체의 부피는 절대온도에 비례한다. 이 것을 샤를의 법칙이라 한다.
V∝T V = kT = k(일정) ∴ = = k(일정)
V1T = VT1 이므로 V1 = V×
여기서, T : 처음에 주어진 기체의 절대온도
T1 : 변화된 후 기체의 절대온도
기체의 처음 온도를 0℃로 기준을 하면 다음의 식이 성립된다.
V1 = V × (1 + t)
다. 보일-샤를의 법칙
어떤 기체라도 온도가 일정하면 보일의 법칙이 성립되고, 압력이 일정하면 샤를의 법칙이 성립된다. 그러므로 온도와 압력이 동시에 변하면 보일-샤를의 법칙이 성립된다. 즉 보일-샤를의 법칙은 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고, 절대온도에 비례한다는 것이다.
= = k(일정)
라. 이상기체법칙
보일-샤를의 법칙에 의하여 일정량의 기체의 = k의 값은 일정하다. 압력을 1atm, 온도를 ℃(273K)라 하면 1mol의 기체는 22.4ℓ의 체적을 가지고 있으므로 이 식에 대입하면 k의 값이 구해진다.
≒ 0.082 (단위는 ℓ․atm/mol․K) = R
PV = RT ․․․․․․․․․․① (기체 1mol의 관계식)
이때 R를 기체상수라 한다.
또한, n mol의 기체는 표준상태에서 22.4×n(ℓ)이 되므로
= 0.082 ×n = nR
∴ PV = nRT․․․․․․․․② (기체 n mol의 관계식)
지금 분자량이 M인 기체(Wg)가 실존한다면, Wg은 mol에 해당한다.
= n 이라 하면, ②식에서 PV = RT 이 된다.
마. 실제 기체
이상 기체 법칙은 실제 기체에는 완벽하게 적용되지 않는다. 실제 기체가 이상기체와 항상 똑같이 행동하는 것이 아니기 때문이다. 이상기체와 실제 기체 사이의 이 불일치는 실제 기체가 부피를 가지고 있고 서로 끌어당기거나 밀치는 힘을 행사한다는 것에서 온다. 그러나 밀도가 낮은 상태에서는 실제 기체도 이상 기체와 똑같이 행동한다고 가정해도 된다. 즉, 압력이 낮으면 기체의 부피나 끌어당기는 힘은 무시해도 된다는 것이다. 그러나 압력이 높아지면 기체 분자 자체의 부피와 분자간 인력 때문에 이상 기체 법칙은 들어맞지 않게 된다.
제2절 가스의 연소 특성
연소란 빛과 열을 수반하는 화학반응으로서 보통 공기 중이나 산소 중에서 물질이 산화되는 반응을 말한다. 가스의 폭발은 연소의 한 형태이며 격렬하게 연소하면서 폭음을 내며 용기가 파열되거나 가스의 부피가 급격히 팽창한다.
1. 가스의 팽창
관내에 가연성가스와 공기의 혼합물(가연성 혼합가스 또는 혼합기체라고 한다)을 넣고 그 끝단에다 점화를 시키면 화염이 다른 한쪽의 끝단을 향해서 전파해 나가게 된다. 여기서 만일 화염전파의 방향에 역방향으로 화염이 전파하는 속도와 같은 속도로 혼합기를 흐르도록 하면 전파화염을 어떤 위치에서 정지시킬 수 있게 된다.
실제로 버너라 하는 연소장치는 화구에서 화염을 안정시켜 연소열을 유효하게 이용하고 있는 것이지만, 가스의 유속을 크게 하면 화염은 길게되며 더욱 유속을 크게 하면 화염은 안정되지 않고 드디어 불이 꺼지게 된다. 역으로 유속을 작게 하면 화염은 짧아지고, 드디어 화염이 관내로 들어가 역화를 일으키게 된다.
혼합기가 용기 중에 들어 있으면, 혹은 용기 내가 아닌 외부에서도 화염속도가 클 경우에는 화염전파가 일어나며, 압력이 상승하여 용기를 파괴하거나, 큰 굉음을 발생한다. 이와 같은 경우를 폭발이라고 한다.
2. 착화온도와 인화점
연소가 일어나는 것을 발화, 착화 또는 점화라고 한다. 이런 용어를 혼용하고 있지만 점화는 어떤 도구를 사용하여 불을 붙인다는 의미가 강하고, 발화는 가연물이 스스로 연소를 개시한다는 의미가 크다.
가. 착화온도
공기의 존재 하에서 가연성 물질을 가열할 경우 어떤 일정 온도에 달하면 외부의 열원을 개입하지 않더라도 연소를 개시한다. 이런 현상을 착화라 하며, 이때의 최저온도를 착화온도라고 한다.
실제의 연소 장치에 있어서의 연료의 착화에서는 방열의 영향 외에 전열(電熱), 증발, 확산, 혼합 등의 물리적 과정이 가지는 조합으로 영향을 주므로 착화 현상은 조건에 따라 다른 양상이 된다.
(1) 화학적 조건
(가) 발열량이 높을수록 착화온도가 낮아진다.
(나) 반응 활성도가 클수록 착화온도가 낮아진다.
(다) 분자 구조가 복잡할수록 착화온도가 낮아진다.
(2) 물리적 조건
(가) 산소 농도가 클수록, 압력이 클수록 착화온도는 낮아진다.
(나) 가스압력이나 습도가 낮아지면 착화온도가 낮아진다.
(다) 기타 접촉 금속은 백금, 철, 도기 순으로 높아진다.
나. 인화점
가솔린이나 알코올 같은 휘발하기 쉬운 액상의 물질은 어떤 온도 이상으로 가열하여 그 증기에 불꽃을 가까이 대면 증기는 곧 인화되어 연소한다. 이와 같이 인화될 정도로 증기를 발생하게 되는 최저온도를 인화점이라 한다.
이 온도는 그 가연성 액체의 증기농도가 다음에 설명할 연소범위의 하한계와 같게되는 액체의 온도에 해당된다. 따라서 인화점은 가연성 액체가 나타내는 고유한 성질이며, 가연성 기체는 그냥 연소하기 때문에 인화점이란 말을 적용할 수 없다.
3. 연소범위와 최소발화에너지
가. 연소범위(폭발범위)
연소는 일반적으로 가연성가스와 지연성가스(공기, 산소)가 어떤 범위내로 혼합된 경우일 때만 일어난다.
가연성가스의 농도가 너무 낮아도 또는 너무 높아도 연소가 일어나지 않는다. 낮은 쪽의 한계를 하한계, 높은 쪽의 한계를 상한계라 한다.(하한계는 하한, 상한계는 상한이라고 한다)하한과 상한의 사이를 연소범위(또는 폭발범위)라 하며 폭발한계(폭발범위)라고도 한다.
이 연소범위는 일반적으로 공기와 가연성가스의 혼합물 중의 가연성가스의 용량 퍼센트로 표시된다. 또한, 연소범위는 가연성가스와 공기가 혼합된 경우보다도 산소가 혼합되었을 경우 더 넓게되며, 폭발위험성이 커지게 된다. 연소범위의 변화요인을 보면,
(1) 가스의 온도가 높아지면 연소범위는 넓어진다.
(2) 가스압이 높아지면 하한값은 크게 변화되지 않으나 상한값은 넓어진 다.(고온, 고압의 경우 연소범위는 넓어진다)
(3) 압력이 높아지면 일산화탄소는 연소범위가 좁아지며, 수소는 10atm까지는 좁아지지만 그 이상의 압력에서는 점차 넓어진다.
(4) 공기중에서 보다 산소중에서 연소범위는 넓어진다.
그러나 가연성가스에 질소, 이산화탄소와 같은 불활성가스를 혼합시킨 경우에는 연소범위가 변화하게 되며, 불활성 가스를 집어넣어 그 비율이 커지면 연소범위는 좁아지게 된다.
<표 3-1> 가연성가스의 연소범위
가 스 |
연소범위(%) |
가 스 |
연소범위(%) |
에 탄 에 틸 렌 프 로 판 프로필렌 n - 부탄 이소부탄 |
3.0 ~ 12.4 2.7 ~ 36 2.1 ~ 9.5 2.4 ~ 11 1.8 ~ 8.4 1.8 ~ 8.4 |
이소부틸렌 이소부타디엔 메 탄 아세틸렌 수 소 일산화탄소 |
1.8 ~ 9.6 2.0 ~ 12 5 ~ 15 2.5 ~ 81 4 ~ 75 12.5 ~ 74 |
라. 최소발화에너지
가연성가스가 연소범위 내의 농도로 조성되어 있어도, 발화시키는 데는 필요한 에너지의 최소한계값이 있다. 이것을 최소발화에너지라 한다. 착화원으로 부터 얻은 에너지의 양이 이것보다 작으면 발화되지 않는다. 최소발화에너지의 값은 전기방전 불착화원으로 이용하여 측정한다.
<표 3-2> 가연성가스의 최소발화에너지
가 스 |
최소발화에너지(mj) |
가 스 |
최소발화에너지(mj) |
에 탄 에 틸 렌 프 로 판 |
0.67 0.10 0.31 |
프로필렌 n - 부탄 이소부탄 |
0.28 0.38 0.52 |
※ 단위 mj : 미리쥴 = 0.000239㎈
4. 가스의 연소
가. 연소 성립조건
연소가 일어나는 데는 다음의 2가지가 필요하다.
(1) 가연성가스와 공기 또는 산소가 혼합되어 연소범위 내로 가스조성이 형성되었을 때
(2) 그 혼합가스가 일정온도 이상으로 가열되거나, 외부로부터 발화원이 될 수 있는 일정량 이상의 열량이 공급되어질 때
나. 연소방정식(열화학방정식)
탄소가 연소하는 현상을 식으로 표시하면 다음과 같다.
C + O2 → CO2 + 97k㎈ ․․․․․․․․․․(1)
이 식의 의미는 탄소 1몰과 산소 1몰이 화합하여 이산화탄소(탄산가스) 1몰이 생성되고 97㎉의 열량이 발생한다는 것을 나타낸다.
이 열량을 연소열 또는 발열량이라 하며, 이와 같은 식을 연소방정식이라 한다. 그러나 예를 들어 산소의 양이 (1)식의 절반(½), 즉½몰로 되면 이 때의 연소는 다음과 같다.
C + O2 → CO + 29k㎈ ․․․․․․․(2)
이 경우에는 탄소1몰과 산소 몰이 화합하여 일산화탄소 1몰이 만들어지고 29㎉의 열량이 발생한다.
(1)식과 (2)식을 비교해 보면 조건에 따라서 연소생성물과 발열량이 완전히 달라질 수 있다는 사실이다.
다. 총발열량과 진발열량
상기(2)의 발열량은 단위량의 가연성가스가 압력1기압하에서 연소하여 연소 시작과 끝의 온도가 똑같이 25℃로 될 경우의 발생열량을 말한 것이다. 또한 (1)식에서 표시된 연소반응에서는 물이 생기지 않지만, 프로판이나 부탄의 연소에서는 물이 생기게 된다. 이 물은 기체로 나오는데 온도 25℃에서 응축 액화할 때의 응축열을 방출한다. 즉 수증기의 열을 포함한 발열량을 총발열량이라 하고, 그 잠열을 포함하지 않는 발열량을 진발열량이라 한다.
라. 완전연소와 불안전연소
앞에서 설명한 (1)식으로부터 알 수 있는 바와 같이 산소가 충분히 공급되기만 하면 연소 후 생성물질은 더 이상 타지 않는 산화반응이 일어나며 그 때 발열량은 불완전 연소에 비해 훨씬 크다. 이와 같은 연소를 완전연소라 한다.
완전연소를 시키기 위한 필요한 최저의 산소량을 이론산소량이라 하고 이론산소량을 공기로 환산하면 이론공기량을 알 수 있게 된다.
(2)식에서 보는 바와 같이 산소의 공급량이 부족한 가운데 연소할 때 생기는 물질은 예를 들면 (2)식의 일산화탄소(CO)와 같이 다시 더 연소할 수 있는 물질이 되며 연소시 발생하는 발열량도 완전연소일 경우와 비교하면 굉장히 작게된다. 이와 같은 연소를 불완전연소라 한다.
LP가스가 완전연소가 될 경우에는 탄산가스와 물이 생긴다. 그러나 불완전 연소가 일어날 경우에는 가스는 완전히 산화되지 않고, 일산화탄소, 수소, 탄소(그을음) 등이 생겨난다.
제3절 가스폭발의 특성
1. 가스폭발의 효과
가. 폭발에너지의 종류
가연성가스 또는 증기와 산소의 반응에 의하여 발생한 화학에너지(Chemical Energy)와 압축가스가 팽창할 때 방출하는 물리에너지(Fluid Expansion Energy)로 구분된다.
(1) 화학에너지
화학 반응에 의한 폭발의 효과를 발휘하는 에너지는 “헤름흘츠의 자유에너지 변화”로서 이 값은 일반적으로 1,200㎉/㎏로서 TNT가 폭발했을 때 효과를 주는 에너지와 같다. TNT당량인 TNT 1㎏을 천천히 연소시켰을 때의 발열량은 3,800㎉/㎏인데, 이 TNT 연소열량의 약 1/3인 1,200㎉/㎏이 폭발했을 때 외부에 하는 일(폭발 효과)이 된다.
(2) 물리에너지
파열에 의한 폭발의 효과는 기체의 체적팽창에 의한 일(W)로서 이것을 등온변화라고 하면 상태1에서 상태2로 변화는 기체상수(R), 절대온도(T), 압력(P)라면 다음 식으로 나타낼 수 있다.
W = RTln( )
이 물리에너지는 고압가스 용기의 파열과 같이 과입 또는 취성파괴 등의 물리적 요인, 내부 이상 반응 등의 화학적인 요인에 의하여 용기가 급격히 파괴되고, 고압가스가 주변에 급팽창하여 폭풍 발생으로 파편을 날리는 경우를 말한다.
나. 폭발의 환경조건
(1) 폐쇄공간 폭연
폭연은 폭발적인 현상이지만 폭속이 음속 이하의 것을 말한다. 일반적으로 30㎝/s ~10m/s 이다.
(2) 개방공간 폭연
개방된 공간에서 폭발이 폭굉으로 옮켜질 때는 폭풍의 효과는 적지만 그 화염에 의해 보다 넓은 연소효과를 나타낸다. 이 때 발생하는 화염(Fire Ball)의 크기는 다음 식에서 구할 수 있다.
화염의 직경(Df) = 3.86 Wf0.32
여기서 W는 연료와 이론 산소량의 합이다. 개방공간의 폭발은 점화원이 화약보다 강한 것이 아니면 폭연이지만, 양이 많으면 연소속도가 가속된 폭풍압의 효과를 내는 경우가 있다.
2. 폭발의 형태
폭발(Explosion)은 화학적 반응 또는 이상반응에 의해 “급격한 압력의 발생 또는 해방의 결과로 가스가 폭음을 수반하여 격렬하게 팽창하는 현상”을 말한다. 그러나 “폭발”이라는 말은 넓은 의미에서 “연소”의 범주에 포함되는 경우도 있다. 폭발한계 또는 폭발범위는 연소한계 또는 연소범위와 같은 의미이며 엔진내의 가솔린의 폭발도 연소의 일종이다. 폭발은 연소파의 전파 속도에 따라서 폭연과 폭굉으로 구분된다.
가. 폭연(Deflagration)
연소파의 속도가 음속이하인 경우이다. 개방된 대기중에서 예혼합가스가 발화할 경우 연소가스는 자유로이 팽창하여 화염속도가 늦은 경우 압력과 폭발음이 거의 발생하지 않지만 화염속도가 빠르고 압력파를 만들면 폭발음을 발생하게 된다. 이러한 경우를 폭연이라 한다. 이 경우 밀폐용기 중에서 폭발하는 경우와 비교하면 압력은 낮다.
나. 폭굉(Detonation)
연소나 폭연은 화염전파속도가 음속이하이지만, 이것이 음속보다 큰 초음속일 경우를 폭굉이라 하며, 이 때 생긴 충격파로 격심한 파괴작용을 일으킨다. 예를 들면, 수소의 정상상태에서의 연소속도는 10m/s~30m/s 인데, 수소․산소 혼합가스의 폭굉은 그 폭굉파의 속도가 2,000m/s~3,500m/s에 달하며, 음속(340m/s)의 약10배 정도의 속도가 된다. 또한, 폭굉이 된 후 압력은 초기 압력의 10~50배에 이른다.
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불꽃 |
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충격파 |
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압력 |
폭굉 |
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↙ |
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압력 |
연소 |
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P |
↗ |
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P |
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불꽃 |
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0 |
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진행시간 |
→ |
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0 |
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진행시간 |
→ |
<그림 3-1> 폭굉과 연소 압력의 전파 현상
3. 폭발범위와 발화원
가. 폭발범위
폭발(연소)은 일반적으로 가연성가스와 지연성가스(공기, 산소)가 어떤 범위내로 혼합된 경우에만 일어난다. 가연성가스의 농도가 너무 낮거나 높아도 폭발(연소)은 일어나지 않는다.
이경우, 낮은 쪽의 한계를 폭발하한계, 높은 쪽을 폭발상한계라 한다. 상한계와 하한계의 사이를 폭발범위(연소범위)라 한다.
이 폭발범위는 일반적으로 공기와 가연성가스의 혼합가스 중에 가연성가스의 용량퍼센트(V%)로 표시하며, 폭발범위는 불변이 아니라 가스의 상태에 따라 변하므로 주의 할 필요가 있다.
가 스 명 |
폭발범위(V%) |
가 스 명 |
폭발범위(V%) |
아 세 틸 렌 |
2.5 ~ 81 |
메 탄 |
5.0 ~ 15.0 |
수 소 |
4.0 ~ 75.0 |
에 탄 |
3.0 ~ 12.4 |
일산화탄소 |
12.5 ~ 74.0 |
프 로 판 |
2.1 ~ 9.5 |
산화 에틸렌 |
3.0 ~ 100 |
부 탄 |
1.8 ~ 8.4 |
에 틸 렌 |
2.7 ~ 36.0 |
메 틸 알 콜 |
6.7 ~ 36.0 |
암 모 니 아 |
15.0 ~ 28.0 |
가 솔 린 |
1.4 ~ 6.0 |
황 화 수 소 |
4.0 ~ 44.0 |
|
|
(주) 폭발범위의 좌측 수치를 하한계, 우측을 상한계라 한다. 산화에틸렌은 일반적으로 3.0~80.0이나 공기와 혼합되지 않고서도 분해폭발을 일으키기 때문에 상한은 100V%가 된다.
일반적으로 폭발은 다음과 같은 영향을 받게 된다.
(가) 가스의 온도가 높으면 높을수록 폭발범위는 높게 된다.
(나) 압력이 높아지면 일반적으로 폭발범위는 넓게 된다. 그러나 가스의 종류에 따라서는 반대로 좁아지는 것이 있다. 예를 들어 일산화탄소와 공기의 혼합가스는 압력이 높아질수록 폭발범위가 좁아진다.
〈표 3-4〉가스발화의 한계산소농도
가 스 명 |
CO2 첨가 |
N2 첨가 |
수 소 |
5.9 |
5.0 |
메 탄 |
14.6 |
12.1 |
프 로 판 |
14.3 |
11.4 |
에 틸 렌 |
11.7 |
11.0 |
※ 가연성가스와 공기혼합물에 불활성가스를 넣어서 발화가 일어나지 않을 때의 산소농도 [vo1%〕
(다) 질소나 이산화탄소와 같은 불활성가스를 공기에 혼합시켜 산소농도를 낮게 하면 어떤 농도이하에서도 폭발하지 않는다.
<표3-4〉을 보면 이산화탄소로 희석시키는 쪽이 질소로 희석시키는 것보다 더 큰 효과가 있음을 알 수 있다.
(라) 산소와 혼합된 경우에는 공기와 혼합된 경우보다 폭발범위가 넓어지게 된다.
나. 폭굉범위
폭굉은 일반적으로 연소속도가 큰 가스에 발생하기 쉽다. 또한 가스가 긴 배관 중에 갇혀 있는 상태이거나, 발화후 화염이 난류로 되기 쉬운 경우, 발화에너지가 클 때, 가스압력이 높을 때, 폭굉으로 되기 쉽다.
〈표 3-5〉공기 중 주요가스의 폭굉 범위
가 스 명 |
폭굉범위(V%) |
가 스 명 |
폭굉범위(V%) |
수 소 |
18 ~ 59 |
에 틸 렌 |
3.3 ~ 14.7 |
아 세 틸 렌 |
42 ~ 50 |
프 로 판 |
2.6 ~ 7.4 |
일산화탄소 |
15 ~ 70 |
n - 부 탄 |
2.0 ~ 6.2 |
메 탄 |
6.5 ~ 12 |
|
|
다. 발화원
폭발(연소)의 조건으로는 가연성가스와 공기(산소)의 혼합기체에 반응을 개시하기 위한 필요한 에너지를 주면 폭발이 일어나는데 이 에너지를 주는 것을 발화원이라 한다. 발화원에는 마찰․타격․단열압축․전기스파크(정전기를포함)․고온물체․충격파․빛등이 있다. 그러나 주어지는 에너지가 작을 때는 발화하지 않는다. 발화에 필요한 에너지는 혼합가스의 조성에 따라 매우 큰 폭의 차이를 나타내며, 온도와 압력이 높을수록 발화에 필요한 에너지는 작아지게 된다.
4. 폭발의 종류
폭발의 종류에는 진공병의 폭발, 보일러의 폭발, 화산의 폭발등 단순히 압력이 해방되는 현상의 물리적 폭발과 연소나 분해등의 발열반응이 심하게 일어나는 화학적 폭발로 구분되는데 여기에서는 화학적 폭발 가운데에서도 가연성가스, 가연성증기에 의한 폭발반응만을 다루기로 한다.
가. 기상(氣相)폭발
(1) 가스폭발
폭발사고의 대부분을 차지하는 가스폭발은 가연성가스와 지연성가스와의 혼합기체가 존재할 때에 항상 폭발이 발생하는 것은 아니고 다음의 2가지 조건이 동시에 만족될 때에 발생하는 것이다.
제1의 조건은 조성조건(농도조건)인 혼합기체중에 가연성가스의 농도가 어떤 농도범위 내에 있는 것이 필요하다. 이 농도범위를 폭발범위이라 하고, 폭발범위 내의 혼합기체를 가연성 혼합기체라고 한다.
제2의 조건은 발화원의 존재로서 이것을 에너지 조건이라고 한다. 가연성 혼합기체는 그 상태로서는 폭발하지 않고 여기에 어떤 외부에너지가 주어지면 그 부분에 연소반응이 개시되어 화염이 발생하고, 미연소의 혼합기체중을 전파하여 간다. 이때에 가해지는 에너지를 가연성혼합기체의 전체를 가열하는 에너지 척도로 온도가 사용되어 발화온도로써 표시된다. 폭발을 미연에 방지하는 입장에서 발화온도를 생각할 때는 이 점은 중요하다. 또한 가해지는 에너지가 혼합기체 부분을 가열하는 경우에는 에너지 척도로서는 에너지량이 바로 사용되며 단위로 mJ이 사용된다.
가연성혼합기체의 조성, 온도, 압력에 의하여 정해지는 어떤 큰 에너지가 주어지면 가연성혼합기체가 발화하여 폭발과 화재로 발전한다.
가연성가스와 공기와의 혼합물에다 위의 2가지 조건이 만족되면 연소반응이 개시되고 화염이 발생하며, 미연소의 가연성 혼합기체의 종류와 조건에 따라 정해지는 속도로 그 속을 전파하여 간다. 이러한 형상을 화염전파 또는 연소파라 하고 그의 파면을 화염면이라 한다. 화염의 전파속도가 진행하는 속도를 화염속도라 한다. 화염이 전파할 때는 화염면의 전방에 있는 미연소의 가연성 혼합기체는 연소가스의 팽창에 의해 전방으로 이동속도가 가산되어져 있다.
가스폭발이 개방된 대기중에는 예혼합가스가 발화할 경우 연소가스는 자유로이 팽창하여 화염속도가 늦은 경우 압력과 폭발음이 거의 발생하지 않지만 화염속도가 빠르고 압력파를 만들면 폭발음을 발생하게 된다. 이러한 경우를 폭연이라고도 한다. 그러나 밀폐용기중에서 폭발하는 경우와 비교하면 압력은 낮다. 화염속도가 점차 지속되어 폭굉으로 전이되면 충격파가 발생하여 주위에 커다란 파괴력을 미친다. 완전히 폐쇄된 공간에서 일어났을 때는 주의의 벽면에 압력상승을 가져와서 그압력이 벽면의 강도이상이 되면 파괴가 일어나고 압력은 대기중으로 방출된다.
(2) 분해폭발
분해폭발은 석유화학공업에서 다량으로 취급하고 있는 에틸렌, 산화에틸렌이나 금속의 용접, 용단에 널리 사용되고 있는 아세틸렌등이 어떤 조건하에서 분해하는 경우가 있고, 이 때에는 상당히 큰 발열을 동반하기 때문에 분해에 의해 생성된 가스가 열팽창되고 이때 생성되는 압력상승과 이 압력의 방출에 의해 지연성가스가 전혀 필요 없이 폭발이 일어난다. 폭발할 때에는 분해화염이라고 하는 특수한 화염의 발생과 그의 전파가 관찰되어지며, 이 상태는 가스폭발의 경우와 아주 유사하다. 분해폭발은 고압에서 발생하는 경우가 가끔 있기 때문에 고압가스 특유의 성질로 생각되어지는 경우도 있으나, 분해화염의 전파가 중단되는 압력인 한계압력치가 항상 대기압이상이 아니므로 분해폭발은 고압가스의 성질에 유래하는 것이 아니라고 판명되고 있다.
분해폭발을 일으키는 가스를 분해폭발성 가스라고 부르고, 그 종류로는 아세틸렌, 비닐아세틸렌, 메틸아세틸렌, 산화에틸렌, 에틸렌, 사불화에틸렌, 프로파디엔, 히드라진, 오존, 이산화질소, 산화질소등이 있다. 분해폭발은 화염, 스파크, 가열 등의 열원에 의하여 발생하는 경우가 많지만, 밸브의 개폐에 의한 단열압축열에 발화하는 경우도 있다. 분해폭발의 대부분이 가연성가스로서 공기가 혼재할 때는 가스폭발의 위험도 겸하여 갖고 있다. 그러므로 분해폭발은 가스폭발의 특수한 경우로 취급하고 있다.
(3) 분무폭발
압력유, 윤활유등은 유기물로서 가연성이나 인화점이 상당히 높아 보통의 상태에서는 연소하기 어려우나 공기중에 무화되어 분무폭발을 일으키는 경우가 있다. 분무폭발은 고압의 유압설비의 일부가 파손되어 내부의 가연성 액체가 공기중에 분출되어 이것이 미세한 액적이 되어 무상으로 되고 공기중에 현탁하여 존재할 때에 어떤 원인에 의하여 착화에너지가 주어지면 발생한다. 원인으로 되는 가연성 액체의 온도가 인화점 이상으로 존재하는 경우에는 액적의 주위에 가연성 혼합기체가 형성되어, 이것이 가스폭발로 발전한다는 것은 쉽게 이해되지만 분출한 가연성 액체의 온도가 인화점 이하로 존재하여도 무상으로 분출된 경우에 폭발하는 경우가 있다. 이것은 착화에너지에 의하여 일부의 액적이 가열되어 그의 표면부분에 가연성의 혼합기체가 형성되고 이것이 연소하기 시작하여 이 연소열에 의하여 부근의 액적의 주위에는 가연성 혼합기체가 형성되고 순차적으로 연소반응이 진행되어 이것이 가속화되어 폭발이 발생하는 것이다.
이 분무폭발과 비슷한 현상으로 박막폭굉이라는 것이 있다. 고압의 공기배관이나 산소배관중에 윤활유가 박막상으로 존재할 때에 박막의 온도가 부착된 윤활유의 인화점이하 일지라도 어떤 원인으로 여기에 높은 에너지를 가진 충격파를 보내면 관벽에 부착하여 있던 윤활유가 무화하여 폭굉으로 되는 현상이다.
(4) 분진폭발
분진폭발은 가연성 고체의 아주 작은 분말이 공기중에 부유하고 있을 때에 어떤 착화원에 의해 에너지가 주어지면 폭발하는 현상으로서 탄광에 있어서의 분진폭발이 그의 전형적인 예이다. 개방공간에서는 형성될 가능성은 작으나 소맥분, 전분, 사료분등의 농산가공품, 유황, 탄소, 규화석회등의 무기약품, 무수프탈산, 각종 의약품등의 유기화학약품, 목분, 코르크분, 종이분(지분)등의 섬유류를 비롯하여 정전기착화가 일어나기 쉬운 플라스틱분말, 산화반응열이 큰 금속, 예를들면 알루미늄, 마그네슘등의 분말을 취급하는 건물과 배관내에서 발생하고 있다. 분진폭발의 발생가능 장소는 곡물 사일로(silo)나 사료공장, 중소규모의 금속공장이나 제재공장이 중심을 이룬다. 또 분체 도장공업이나 공해방지용의 집진, 악취흡착용의 설비에 있어서도 작은 사고가 발생되고 있다.
분진폭발이 한 번 발생하면 단위체적당의 발열량이 크기 때문에 역학적 파괴 효과는 가스폭발 이상으로 되는 것도 있고, 분진폭발에서는 연소가 불완전하기 때문에 일산화탄소와 같은 유독물의 발생이 많다. 분진폭발의 방지는 가스폭발의 경우와 마찬가지로 조성조건을 충족시키지 못하도록 하는 방책이 유효적절하나 공학적 견지에서는 어려운 것은 아니며, 최종적으로 분진은 집진공정에서 잘 포집하여 이것을 유효적절하게 활용해야 한다. 이 포집공정에서는 분진운중의 분진 함유량이 언젠가는 분진운의 폭발하한농도이상으로 될 수 있으므로 항상 하한계 이상의 농도가 되지 않도록 주의하여야 한다.
나. 대량 유출된 가연성가스의 폭발
대량의 가연성가스나 액체를 공장에서 취급하게 되면서 사고에 의해 분출, 누출되고 무엇인가의 발화원에 의한 폭발, 화재가 발생하는 재해 사례가 많아졌다.
사고의 예로는 1970년 12월 미국에서 프로판을 고압으로 보내고 있는 직경 8인치의 배관이 파괴되어 740베럴의 액화프로판이 분출되어 15~24m 높이의 하얀 구름으로 확산되어 24분 후에 발화하여 폭발하였는데, 강한 폭풍이 발생하여 반경 7~18km 근방의 유리가 깨어졌다.
일본에서도 1973년 10월 염화비닐 제조공장에서 염화비닐 탱크의 밸브가 파손되어 4톤의 염화비닐모노머가 유출되어 증발을 일으키고. 증기운을 형성하였으며 유출 15분 경과후 발화하여 폭발을 일으켰다.
영국에서는 1974년 6월에 카프로락탐 제조공장에서 사이클로헥산의 산화반응기의 직경 20인치의 연결관이 설계 불량으로 파손되어 온도 155℃, 압력 8.8kg/㎠ 의 반응기내의 사이클로핵산이 매초 1톤 이상의 속도로 유출되었다. 이후 가연성 증기운을 형성, 유출 45초후 발화하여 폭발하였으며 사망자 28명, 부상자 89명의 피해가 났다. 최근 이러한 가연성 가스의 대량유출 경우의 화재폭발이 중요시되고 있다.
(1) 증기운 폭발(UVCE)
대기 중에 대량의 가연성가스나 가연성액체가 유출하여 그것으로부터 발생하는 증기가 공기와 혼합해서 가연성 혼합기체를 형성하고 발화원에 의하여 발생하는 폭발을 “증기운폭발”이라고 부른다. 개방된 대기중에서 발생하기 때문에 자유공간중의 증기운폭발(Unconfined Vapor Cloud Expansion)로서 UVCE라고 한다. 증기운폭발이 발생하는 과정은 유출한 물질이 저장되어 있는 상태에 따라 특히, 압력과 온도에 따라 달라지므로 아래와 같이 분류된다.
① 상온, 대기압에서 액체이며 인화점이 상온보다 낮은 물질(가솔린) : 유출한 액체는 지면으로부터 열이 공급되면 액면에서 연속적으로 증기를 발생하여 주위에 확산한다.
② 상온, 가압하에서 액화되어 있는 물질(LPG, 액화부탄) 또는 그 물질의 비점이상의 온도에 있지만 가압되어서 액화된 물질(반응기내의 벤젠, 헥산) : 고압하에서 기상과 액상의 평형상태에 있는 물질이 대기압하에 유출되는 경우이며, 유출된 액체의 온도는 대기압의 비점까지 낮아진다. 이처럼 순간적으로 기화하는 현상을 플레쉬오버(flash over)라고 부른다. 플레쉬오버에 의해 순간적으로 기화한 후에는 주의의 열을 흡수하여 증발이 계속된다.
③ 대기압하에서 저온으로 하여 액화된 물질(LNG) : LNG 와 같이 아주 낮은 온도에 있는 저온 액화가스가 유출하면 지면 및 주위의 열에 의하여 급속한 비등을 일으킨다. 지면의 온도가 저하되면 증발속도는 저하되지만 단시간에 대량의 가연성 증기운이 생긴다. 일단 위의 각 경우에 의하여 증기운이 발생하면 다음의 경우와 같이 된다
∙발화하지 않고 누출한 가스나 증기가 재해를 일으키지 않고 확산한다.
∙가스, 증기의 유출과 동시에 화재가 발생하지만, 폭발로 전이되는 경우도 있다.
∙대량의 증기운이 발생한후 화재로 화염의 속도가 빨라져서 폭풍이 발생한다.
∙화염속도가 음속을 넘으면 폭굉이 되어서 더욱 강한 폭풍을 일으키게 된다.
이러한 대량의 가연성 물질 유출사고는 대부분이 폭발을 발생시키고, 다량 누출된 가연성 증기가 발화하기 전에 공기와 잘 혼합되어 양론비에 가까운 조성의 가연성 혼합기체를 만들면 이러한 폭굉의 발생 가능성이 크다.
(2) 액화가스 탱크의 폭발(BLEVE)
프로판액화가스의 고압가스 용기(탱크차, 탱크로리, 탱크)등에 외부에서 화재가 발생하면 용기가 파열해서 그 파편이 멀리까지 날아가고, 내부의 액화가스는 증기운 폭발을 일으킨다. 이러한 액화가스 탱크의 폭발과정은 다음과 같다.
(가) 구형탱크의 밑에서 화재가 발생한다.
(나) 화재에 의하여 탱크 외부 부분이 가열되고, 외부의 용기재질을 통한 열전달로 내부 액체의 압력이 증가하여 높은 증기압이 된다.
(다) 탱크내 압력 상승으로 안전밸브가 열려 증기는 대기로 방출되고, 이 증기는 바로 착화된다.
(라) 구형탱크 액면 하부는 열이 액체에 흡수되어 과열되지 않지만, 액면 상부의 기화부는 격렬한 열로 과열되어 용기 부분이 높은 내부증기압에 의하여 늘어나는 성질 즉 연성으로 용기는 국부적으로 탱크의 바깥쪽으로 부풀어올라 용기두께가 얇아져서 종국에는 연성파괴를 일으킨다.
⑤ 탱크가 연성 파열되어 내부가 대기압까지의 압력으로 낮아지면 비등점도 낮아져 과열되어 있던 액화가스가 갑자기 끓어올라 이 팽창력으로 파편은 멀리 날아가게 된다. 이때 비산하는 파편에 의한 2차 재해가 발생할 우려가 있다.
⑥ 발생한 증기는 곧 착화하여 부력으로 상승해서 화구(Fire Ball)로 된다.
위와 같이 압력용기에서의 가스 폭발사고 현상을 Expanding Vapor ExplosionBoiling Liquid 라고 부른다. 이것을 직역하면액체가 비등하면서 증기가 팽창하여 폭발을 일으키는 현상으로서 BLEVE라고 한다.
Fire ball은 “불의 공”으로서 액화가스의 탱크가 파열하면, 순간적으로 증발을 일으켜서, 가연성의 가액혼합물이 대량 분출한다. 이것이 발생하면 지면에서 반구상의 화염이 되어 이것이 부력으로 상승하여 동시에 주변의 공기를 끌어들여 화염은 공모양으로 되고, 더욱 상승하여 “버섯형 화염”을 만든다.
다. 응상(凝想)폭발
응상은 고상과 액상의 총칭이며, 응상폭발은 수증기폭발, 증기폭발, 전선폭발로 구분된다.
(1) 수증기 폭발
보일러 내부가 대기압하에서 비등점이상으로 과열되거나 사고에 의하여 평형 상태에 있던 수부가 파손되면 액상의 물이 순간적으로 대기압으로 방출되어 비평형상태가 되고 이 때에 발생하는 상변화로 폭발현상이 나타내는 경우가 있다. 또한, 고온의 용융금속이나 슬러지가 물속에서 급속 냉각되었을 때에, 고온물질이 갖는 열이 짧은 시간에 저온의 물에 전달되면 열용량법에 의하여 일시적으로 물은 과열상태로 되고, 조건에 따라서는 아주 짧은 시간에 액상에서 기상으로 상변화가 일어나며, 동시에 급격한 비등에 의하여 폭발현상이 나타나게 된다. 이러한 현상을 수증기 폭발이라 한다.
(2) 증기폭발
조건에 따라서는 저온액화가스(LPG, LNG)가 사고로 인해 물위에 분출되었을 때, 급격히 액상에서 기상으로의 상변화에 의한 폭발현상으로서 수증기 폭발을 포함시켜 증기폭발 또는 급속상변화(Rapid Phase Transition)라고 한다.
증기폭발은 단순한 상변화에 의한 것으로서 폭발의 발생과정에 착화를 필요로 하지 않음으로 화염의 발생은 없으나, 증기폭발에 의하여 공기중에 기화한 가스가 가연성인 경우에는 증기폭발후 발화원에 의하여 가스폭발의 가능성이 있다.
(3) 전선폭발
전선폭발은 고체인 무정형 안티몬이 동일한 고상의 안티몬으로 전이할 때에 발열함으로서 이 때문에 주위의 공기가 팽창하여 폭발하는 경우가 있다. 이것은 고상간의 전이(轉移)에 의한 폭발이라고 불리워진다.
또한 고상에서 급격히 액상을 거쳐 기상으로 전이할 때도 폭발현상이 나타나는 전선폭발이 있다. 이것은 알루미늄제 전선에 한도 이상의 대전류가 흘러 순식간에 전선이 가열되고, 용융과 기화가 급속하게 진행되어 폭풍을 일으켜 피해를 주는 경우이다.
제4장 고압가스 설비
제1절 고압가스 용기
고압가스 안전관리법에서 용기란 저장탱크와 같이 일정한 기초위에 고정설치되어 있는 것이 아니고 지반면에서 이동할 수 있는 것, 다시 말하면 트럭등에 적재하여 운반할 수 있는 소형용기 또는 LPG 차량용 용기를 지칭한다. 또한 용기의 제조는 고압가스 안전관리법에 따라 시․도지사의 허가를 득한 자가 제조하도록 되어 있다.
고압가스 용기는 제작 방법에 따라 용접하지 않고 단조 등의 방법으로 제조하는 이음매없는 용기(무계목 용기, Seamless 용기)와 강판을 성형하고 이것을 용접하여 만드는 용접용기(계목용기, welding cylinder)로 구분된다.
1. 용기의 종류.
가. 이음매 없는 용기
<그림 4-1> 이음매 없는 용기의 하부모양
이음매 없는 용기는 산소, 수소, 질소, 알곤, 천연가스 등의 압축가스 또는 이산화탄소 등의 고압액화가스를 충전하는데 사용되고 있으며, 간혹 염소 등의 저압액화가스 또는 용해아세틸렌가스용으로도 사용되고 있다.
나. 용접용기
용접용기는 주로 LPG, 프레온, 암모니아등 상온에서 비교적 낮은 증기압을 갖는 액화가스 또는 용해 아세틸렌가스를 충전하는데 사용하고 있다. 용접용기에는 원주이음매용기와 길이이음매용기가 있는데, 원주이음매용기는 상부경판과 하부경판을 용접한 것으로서, 10㎏이하의 LPG용기가 여기에 속하며 길이이음매용기는 상부경판과 하부경판 사이에 동체를 용접한 것으로서, 20㎏이상의 LPG용기, 아세틸렌 가스용기, 암모니아 용기, 대형탱크 등 용접용기 대부분이 이 방식에 의해 만들어지고 있다.
<4-2> 용접용기의 크기와 각부명칭
다. 초저온 용기
초저온 용기는 -50℃ 이하인 액화가스를 충전하기 위한 용기로서 단열재로 피복하거나 냉동설비로 냉각하는 등의 방법으로 용기내에 가스온도가 상용의 온도를 초과하지 않도록 조치한 용기를 말한다. 주로 액화산소, 액화질소, 액화천연가스 등을 충전하는데 사용한다.
라. 저온용기
단열재로 피복하거나 냉동설비로 냉각하여 용기내의 가스온도가 상용온도를 초과하지 아니하도록 조치된 액화가스 충전용기로서 초저온용기 이외의 것을 말하며 현재 저온용기는 사용되고 있지 않다.
2. 용기의 재료 및 내용적
용기재료는 충분한 기계적 성질(인장,압축 강도)을 갖추고 경량이어야 한다. 또한 저온 및 사용 중에 내충격성, 내마모성, 내식성, 용접성을 요한다.
가. 용기의 재료
강에는 탄소강과 특수강이 있으며 특수강에는 망간강, 크롬몰리브덴강, 스텐레스강이 있다. 탄소강은 LPG, 염소, 암모니아등 비교적 압력이 낮은 가스의 용접용기 재료로 사용되고, 고압의 가스용기에 사용하면 무게가 무거워지므로 사용되지 않고 있다.
망간강과 크롬몰리브텐 강은 산소, 수소, 질소, 알곤등 압력이 높은 가스의 이음매 없는 용기의 재료로 사용하는데, 종전에는 망간강을 사용하였으나 요즈음은 망간강보다 가볍고 내식성이 큰 크롬몰리브텐강을 주로 사용한다. 또한 스텐레스강은 액화산소, 액화질소, 액화천연가스등의 초저온용기 재료로 사용된다. 경합금은 주로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 이음매 없는 용기 및 초저온 용기의 재료로 사용된다.
나. 용기의 내용적
용기의 내용적과 가스 저장능력과의 관계는 액화가스 또는 압축가스에 따라 다음 식과 같다.
(1) 액화가스 용기의 내용적
액화가스 용기의 내용적은 다음식에 의하여 계산된 수치 이상이 되도록 하여야 하는데, 이것은 가스온도가 48℃가 되었을 때도 액체가스가 가득차지 않도록 하기 위한 것이다. 이는 가스의 온도가 상승하여 액체의 부피가 늘어나 용기가 파열되는 것을 방지하기 위한 것이다.
V = C × G
여기서 V : 용기의 내용적(ℓ)
C : 가스의 종류에 따른 정수(LPG=2.35, 액화부탄=2.05, NH3=1.86 등)
G : 액화가스의 저장능력(㎏)
(2) 압축가스 용기의 내용적
압축가스용기 및 저장탱크의 내용적과 저장능력과의 관계는 다음 식과 같으며 용기 및 저장탱크에 각인된 최고 충전압력(P)을 초과해서 충전해서는 안 된다.
Q = (P+1)V
여기서 Q : 압축가스의 저장능력(㎥)
P : 최고충전압력(㎏/㎠)
V : 내용적(ℓ)
3. 용기의 각인 및 표시방법
용기검사에 합격한 용기에는 용기의 어깨부분 또는 프로텍터 등 보기 쉬운 곳에 각인을 하고, 용기의 외면에 규정된 색을 칠해야 하며 충전가스의 명칭을 표시해야 한다.
가. 각인방법
(1) 용기제조업자의 명칭 또는 약호
(2) 충전하는 가스의 명칭
(3) 용기의 번호
(4) 내용적(기호:V, 단위 : ℓ)
(5) 초저온용기 이외의 용기는 밸브 및 부속품(분리할 수 있는 것에 한한다.)을 포함하지 아니한 용기의 질량(기호:W, 단위:㎏)
(6) 아세틸렌가스 충전용기는 (마)의 질량에 용기의 다공질물․용제 및 밸브의 질량을 합한 질량(기호:TW, 단위:㎏)
(7) 내압시험에 합격한 연월
(8) 내압시험압력(기호:TP, 단위:㎏/㎠)
(9) 압축가스를 충전하는 용기는 최고충전압력(기호:FP, 단위:㎏/㎠)
(10) 내용적이 500ℓ를 초과하는 용기에는 동판의 두께(기호:t, 단위:mm)
(11) 충전량(g), 다만 납붙임용기 또는 접합용기에 한한다.
※ 다만 납붙임용기 또는 접합용기의 경우는 (1), (2), (3) 및 (11)의 사항만 표시하며, (4)의 내용적의 단위는 cc 또는 ㎖ 표시한다.
<4-3> 용기의 각인
나. 도색 및 표시
용기제조자는 용기검사에 합격한 용기에 다음 표에 의한 색을 용기의 외면에 칠하고 충전가스의 명칭을 표시할 것. 다만 스테인레스강 등 내식성 재료를 사용하는 용기의 경우에는 용기 동체의 외면 상단에 10㎝이상의 폭으로 충전가스에 해당하는 색으로 도색 할 수 있다.
<4-4> 고압가스 용기의 도색의 예
<표 4-1> 가스의 종류에 따른 용기의 도색
구 분 |
가스의 종류 |
도색의 구분 |
비 고 |
가연성가스 및 독성가스 용기 |
액화석유가스 |
회색 |
① 가연성가스는“연”, 독성가스는 “독”자 표시 ② 액화석유가스 중 부탄가스를 충 전하는 용기는 “부탄가스”임을 표시 ③ 그 밖의 가스에는 가스명칭 하 단에 가로․세로 5㎝ 크기의 백 색 글자로 용도(“절단용” 등) 표시 ④ 선박용 액화석유가스는 “선박용”임 을 표시 |
수소 |
주황색 | ||
아세틸렌 |
황색 | ||
액화암모니아 |
백색 | ||
액화염소 |
갈색 | ||
그 밖의 가스 |
회색 | ||
의료용 가스용기 |
산소 |
백색 |
① 용기의 상단부에 폭 2㎝의 백색 (산소는 녹색)의 띠를 두 줄로 표시 ② 용도표시 : “의료용” 각 글자마다 백색(산소는 녹색) 으로 가로․세로 5㎝로 띠와 가스 명칭 사이에 표시 |
액화탄산가스 |
회색 | ||
질소 |
흑색 | ||
아산화질소 |
청색 | ||
헬륨 |
갈색 | ||
에틸렌 |
자색 | ||
싸이크론프로판 |
주황색 | ||
그 밖의 가스 |
회색 | ||
그 밖의 가스용기 |
산소 |
녹색 |
|
액화탄산가스 |
청색 | ||
질소 |
회색 | ||
소방용 용기 |
소방법에 의한 도색 | ||
그 밖의 가스 |
회색 |
다. 용기의 검사
고압가스 안전관리법 제17조 제2항 제1호의 규정에 의한 용기(용기의 부속품과 내용적 20ℓ 미만인 용접용기 및 자동차용 용기를 제외)에 대한 재검사기간은 다음 각 호와 같다. 다만 재검사기간 도래 당시 또는 소화용으로 고정장치된 충전용기의 경우에는 충전된 당해 고압가스를 모두 사용한 후에 재검사를 받아야 한다.
<표 4-2> 용기의 재검사 기간
제조후 경과년수 구 분 |
15년 미만 |
15년이상 20년미만 |
20년 이상 | |
용 접
용 기 |
500ℓ이상 |
5년 |
2년 |
1년 |
500ℓ미만 |
3년(산업자원부장관 이 정하여 고시하는 용기의 경우에는 고 시에서 정하는 기간) |
2년 |
1년 | |
이음매 없는 용기 |
500ℓ 이상 |
5년 | ||
500ℓ 미만 |
신규검사후 경과연수가 10년 이하인 것은 5년마다, 10년을 초과한 것은 3년마다. |
※ 산업자원부장관이 정하여 고시하는 용접용기의 재검사기간
1.액화석유가스를 충전하기 위한 용기 중 첫 번째 재검사를 받는 용기로서 알루미늄 합금, 스테인레스강 등 내식성재료로 제조된 용기는 4년
2.용기 내장형 가스난방기용 용기는 6년
3.초저온용기는 4년
라. 합격표시
(1) 용기의 각인
바깥지름 : 10㎜ (내용적 5ℓ미만의 이음매 없는 용기는 바깥지름 5㎜) |
(2) 납붙임용기 및 접합용기의 표시
크기 : 15㎜×15mm 백색바탕에 흑색문자(명확히 식별할 수 있는 경 우에는 색상을 제한하지 아니한다) |
(3) 용기 부속품의 각인
원의 바깥지름 : 5㎜ |
제2절 용접강제 LPG용기
여러 가지 고압가스의 용기 중에서 일상생활에서 가장 많이 사용되고 또한 화재 등 재해현장에서 흔히 접하게 되는 것은 액화석유가스(LPG)의 용기일 것이다. 특히 우리 주위에 가장 많은 최대 충전량 50㎏ 이하 LPG용기의 종류, 허용 최대 충전량 및 특성 등을 살펴보면, <표 4-3>과 같이 LPG용기의 통상 충전압력은 상온에서 7~8㎏/㎠이고, 최고 충전압력은 18.6㎏/㎠, 안전밸브는 약 22~24㎏/㎠의 압력에서 작동된다. 완성된 용기의 내압시험에 사용되는 압력의 최고치는 31㎏/㎠이며, 시험결과 파열압력은 110㎏/㎠~130㎏/㎠이다.
<표 4-3> 용기에 따른 충전량 및 내용적
종 류 |
허용 최대 충전량(㎏) |
내 용 적(ℓ) |
5㎏ 10㎏ 20㎏ 35㎏ 50㎏ |
5 10 20 35 50 |
11.80 23.50 47.00 82.25 117.50 |