폭발성 가스

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폭발성가스
2.1 연소 이론과 폭발 사고

어떤 물질이 미연소 상태로부터 연소되는 상태로 변화하는 것을 발화현상이라 하며, 발화 현상이 진행되는 속도나 그로 인한 순간적 압력 상승의 유무에 따라 화재와 폭발로 구분한다. 발화가 일어나기 위해서는 그림 2-1과 같은 연소의 세 가지 요소가 갖추어져야 하며, 이 그림을 "연소 삼각형"이라고 한다.


연소 현상이 발생할때는 공기중에 포함된 산소가 폭발성 물질과 결합하는 경우가 대부분이며, 염소산염이나 과산화물 같은 산화제 등에 의하여 산소를 공급받기도 한다. 보통의 공기는 21% 정도의 산소를 함유하고 있고, 대부분의 작업환경에서 공기가 존재하므로 산소는 항상 존재하는 것으로 간주된다.
점화원이란 물질이 연소하는데 필요한 에너지원을 말하며, 화기는 물론, 전기 스파크, 마찰열, 충격 등에 불꽃 및 발열과, 자연적 발화의 원인이 되는 산화열 등이 있다. 폭발성 물질이 존재하는 장소에서는 점화원의 접근을 방지하는 여러 가지 주의와 규제가 따르지만, 점화원과 폭발성 물질의 완전한 격리는 불가능하며, 순간적인 실수에 의하여 점화원이 공급됨으로써 대형 사고로 연결되는 사례가 빈번하다.
폭발성 물질은 산소와 반응시 발열에 의한 연소가 계속되면서 열을 발생하는 물질을 말한다. 여기에는 석탄, 목재, 종이, 섬유류, 등의 고체 물질과, 폭발성 액체 및 석유류와 같은 액체, 그리고 LNG 및 LPG 와 같은 액화 가스를 포함하여 대기 조건에서 가스나 증기상태로 존재하는 물질이다. 가스 및 증기상태로 존재하는 폭발성 물질을 가연성 가스라 하는데, 폭발성 가스의 연소는 극히 순간적으로 진행되는 특성을 갖고 있다. 특히 제한된 공간 내에서 폭발성 가스가 연소될 경우에는 폭발현상으로 이어져 순식간에 엄청난 피해를 유발한다.
폭발성 가스에 의한 폭발사고를 방지하기위해, 1차적으로 계측기기를 이용하여 그 존재여부를 탐지하고, 위험수준 이상의 농도에서는 작업자나 제어장치 등에 의하여 적절한 환기 및 희석을 수행하는 방법이 적용된다.
2.2 폭발성 물질의 특징

표 2-1 은 산업현장에서 자주 접하게되는 주요 폭발성 물질에 대한 특성을 나타낸 것이다. 폭발성 물질의 인화점이란, 공기 중에서 액체를 가열할 때, 액체 표면에서 증기가 발생하여, 그 증기에 점화원을 접근시킬 때 증기에 인화되는 최저온도를 말한다. 인화점이하의 온도에서 폭발성 증기가 발새하지 않으면 점화원을 접근시켜도 인화되지 않는다. 착화점이란, 점화원을 부여하지 않고 단지 물질을 가열시킴에 따라 연소가 발생할 수 있는 최저 온도를 말한다.
한편, 폭발성 물질의 기체, 또는 증기는 산소(공기)와 일정한 범위 내로 혼합되어야 연소가 이루어지게 되는데, 이 범위를 폭발한계하고 한다. 폭발한계는 다시 하한치와 상한치로 구분되면, 이를 각각 폭발 최저한계 (Lower Explosive Limit ; LEL) 및 최고 폭발한계(Upper Explosive Limit ; UEL)라 한다.
최저 폭발한계 이하의 농도에서는 폭발성 물질의 농도가 희박하기 때문에 정상적인 조건에서는 연소 또는 폭발이 발생하지 않게되며, 초고 폭발한계 이상의 농도에서는 산소 부족으로 인하여 연소 또는 폭발 현상이 유발되지 않는다. 그러나 실제 상황에서 공간 전체의 평균농도가 최저폭발한계 이하라도 부분적으로 농도가 높게 형성된 영역이 존재하기 때문데 상당한 주의가 필요하다. 최고 폭발한계 이상으로 형성된 가스는 주변의 공기에 희석되면서 최고 폭발한계 이하고 내려갈 가능성을 갖고 있으므로, 폭발성이 상존하는 것으로 보아야 하며, 충분한 주의가 필요하다.
폭발성 가스를 측정하는 대부분의 측정기기에서는 그 물질의 실제 농도를 표시하기보다는 저 폭발한계와의 백분율(%LEL) 을 표시하는 것이 효과적이다. 예컨데 메탄(CH4) 을 주성분으로 하는 LNG 의 경우 5.0%Vol. 농도를 100%LEL로 보고 있으며, 어떤 공간의 가연성 가스 농도가 100%LEL의 1/4인 25%LEL을 초과한 경우에는 폭발 가능성이 높은 것으로 간주하여 즉각적인 조치를 강구하여야 한다.

표 2-1. 폭발성 물질의 특성

물질명	화학식	비중 (공기 = 1)	인화점 ( C)	착화점 (C)	폭발한계(%Vol)
					상한	하한
메 탄	CH4	0.55	기체	537.0	5.0	15.0
프로판	C3H8	1.56	기체	432.0	2.2	9.5
부 탄	C4H10	2.01	기체	365.0	1.9	8.5
톨루엔	C7H8	3.14	4.0	480.0	1.3	6.7
가솔린	A Blend	3.40	-43.0	257.0	1.4	7.6
아세톤	C3HO	2.00	-18	465.0	2.6	12.8
벤젠	C6H6	2.77	-11	498.0	1.4	6.7
수소	H2	0.07	기체	500.0	4.0	75.0