국문요약


재생 목재 제조업종의 PB(Particle Board)제조공정에서 분진폭발로 인한 화재, 폭발사고가 빈발함에 따라 폭발 원인물질인 공정 내 목재분진2종(사일로분진, 함마밀분진)과 원목분진 1종(Radiata Pine분진)에 대한 분진폭발의 위험성평가를 수행하여 가연성 목재 분체의 취급공정에서의 분진폭발의 위험성에 대하여 정량화하고 이에 대한 안전대책을 수립하여 분진폭발로 인한 사고예방에 기여하고자 하였다. 분진폭발의 정량적 위험특성 분석을 위하여 시료분진의 물리적 특성, 시료분진의 화학적 특성, 시료분진의 화재폭발특성, 시료분진의 분진폭발효율 분석을 위한 콘 칼로리미터 연소시험의 4가지 기준으로 연구를 수행하였다.

첫 번째 연구는 사일로분진, 함마밀분진 그리고 Radiata Pine 분진 등 시료분진의 물리적 특성에 대한 연구로 KS L 5110:2001에 따라 비중측정시험을 실시하여 비중이 각각 1.56 [g/㎤], 1.46 [g/㎤], 1.43 [g/㎤]로 나타났다. 함수율 측정결과는 각각 2.81%, 3.90%, 3.91% 였다. 각 시료분진의 입도분석 결과 각 분진의 중앙 분포값이 48.44[㎛], 19.74[㎛], 74.58[㎛]로 나타났고, 그 입도분포를 알 수 있었다. 열분석시험은 시차주사열량계(DSC)와 열중량분석계(TGA)를 사용하여 분석하였으며, DSC 시험결과 각 시료는 공기분위기에서 열적산화에 기인한 1차, 2차의 발열피크가 나타났다. 각각의 피크는 목재 구성성분인 셀룰로오스와 리그닌의 분해피크로 해석되었으며 재생 목재에서 추출된 공정분진 시료에 비해 원목 소나무분진의 리그닌 발열피크가 큰 것으로 나타났다. TGA 시험결과 각 시료는 공기분위기에서 3단계 중량감소 구간을 나타냈다. 첫번째 구간은 수분증발에 의한 중량감소 구간이며, 두 번째와 세 번째의 중량 감소구간에서 시료에 따라 중량의 대부분이 분해됨을 알 수 있었고 이는 DSC의 발열반응 피크와도 상관해석이 가능하다. 이는 목재 시료분진의 구성성분인 셀룰로오스, 리그닌 등 고분자물질이 열에 의해 분해되면서 각종 열분해 가스로 전환되는 과정에서의 질량감소로 판단되어진다.

두 번째 연구는 시료분진의 화학적 특성에 대한 분석으로 각 시료분진의 원소분석을 실시하여, 시료분진의 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황(S), 산소(O)의 함유량과 무기원소 함유량을 조사하였다. 그리고 분진폭발 시 급격히 분해 연소하는 열분해 가스의 양상을 검증하기 위하여 시료분진을 GC/MS를 사용하여 휘발성물질의 정성시험과 열분해물질의 정성시험에 대한 질량분석을 수행한 결과 C3부터의 알칸과 알데히드, 히드라진유도체, 페놀, 퓨란, 유기산 등 다양한 가연성 열분해 가스의 양상을 확인하였다.

세 번째 연구는 시료분진의 화재폭발 위험특성 분석으로 퇴적분진의 자연발화와 축열저장 시의 위험에 대하여 분석하였고, 부유분진의 폭발특성과 최소점화에너지에 대하여 EN 14034-1~3에 따른 최대폭발압력(Pmax), 최대폭발압력상승율((dP/dt)max), 최소폭발농도(LEL)와 EN 13821에 따른 최소점화에너지(MIE) 측정 실험을 실시하였다.

사일로분진, 함마밀분진, 원목 소나무분진 등 각 시료분진의 퇴적상태에서 자연발화점 측정결과 각각 234.8℃, 225.5℃, 253℃로 측정되었으며, 축열저장 시험에서는 150℃에서의 축열에 의한 자기분해위험성이 낮은 것으로 나타났다. 그러나 실제 공정에서는 건조공정과 열압공정 등 가열공정이 존재하므로 이의 운전온도를 고려하여 자기분해위험을 재검토하여야 한다.

부유상태에서의 사일로분진, 함마밀분진, 원목 소나무분진은 최대폭발압력(Pmax) 시험 결과 각각 8.27 [bar], 8.71 [bar], 8.27 [bar]로 나타났으며, 최대폭발압력상승률((dP/dt)max)은 각각 340.76 [bar/s], 515.19 [bar/s], 470.56 [bar/s]로 나타났다. 폭발하한농도(LEL)는 각각 60 [g/㎥], 60 [g/㎥], 50 [g/㎥]으로 나타났다. 분진폭발지수 Kst값에 따른 폭발등급은 St1 [0<Kst<200] 으로 폭발성이 약한 분진으로 Cube root law를 적용한 각각의 분진폭발지수 Kst는 92.50[m·bar/s], 139.87[m·bar/s], 110.63[m·bar/s]로 계산되었다. 최소점화에너지(MIE)측정결과 사일로분진과 함마밀분진이 10mJ < MIE <30mJ, Es (확률적 추정 Energy) 값은 14mJ이고, 원목 소나무 분진에서는 30mJ < MIE <100mJ로 측정되었으며, Es (확률적 추정 Energy) 값은 45mJ로 Normal Ignition Sensitivity의 범주에 속하나 공정운전온도가 증가함에 따라 급격히 낮아질 수 있으므로 공정운전조건에 대한 적절한 대응이 필요하다.

네 번째 연구에서는 KS F ISO 5660-1에 제시된 화재모델 중 콘 칼로리미터 법을 선택하여 분진폭발 전후의 시료분진의 연소에너지를 정량화하기 위하여 연소실험을 실시하였다. 사일로분진, 함마밀분진, 원목 소나무 분진의 폭발 전 연소에너지는 14.9561 [MJ/kg], 15.9292 [MJ/kg], 16.1764 [MJ/kg]이며 폭발 후 연소에너지는 12.2349 [MJ/kg], 12.4083 [MJ/kg], 15.5099 [MJ/kg]로 나타났다. 이 결과를 바탕으로 폭발전후의 질량감소율을 고려한 순연소열과의 분율을 통하여 폭발범위 내에서 가연성 목재분진의 폭발효율이 사일로분진 약 65%, 함마밀분진 약 73%, 소나무 원목분진 약 72%로, 연소범위내의 폭발효율은 불활성물질이 적은 부유분진의 폭발의 경우 η=72~73%로 나타났고, 사일로분진에서와 같이 부

Abstract


A Study on the Explosion Efficiency And Risk Assessment of Combustible Wood Dust by Using the Cone Calorimeter

Department of safety engineering
Graduate school, University of Incheon
Incheon, Korea
Yun Seok Kim

Fire and explosion accidents often occur from dust explosion in the PB (particle board) manufacturing process in the manufacturing business for recycled wood. Accordingly, the risk assessment on dust explosion was carried out for two type of wooden dust (silo dust and hammer mill dust) and a type of log dust (radiata pine dust) in the process as materials to cause explosions in an effort to quantify the risk of dust explosion in the process to handle flammable wooden powder and establish safety measures for them in order to make contributions to the prevention of accidents caused by dust explosion. Studies were carried out on the basis of four standards for the cone calorimeter combustion test to analyze the physical properties of sample dust, chemical properties of sample dust, fire explosion properties of sample dust, and dust explosion efficiency of dust sample in a bid to analyze the quantitative risk properties of dust explosion.

The first study was carried out for the physical properties of sample dust including silo dust, hammer mill dust and radiata pine dust. Tests for measuring specific gravity were carried out in accordance with KS L 5110:2001 and their specific gravity appeared to be 1.56 [g/㎤], 1.46 [g/㎤] and 1.43 [g/㎤], respectively. The measurements for moisture content were 2.81%, 3.90% and 3.91%, respectively. As a result of grain size analysis for each sample dust, the distribution of grains could be identified as the median of each dust appeared to be 48.44㎛, 19.74㎛ and 74.58㎛, respectively. Thermal analysis tests were analyzed using the Differential Scanning Calorimeter (DSC) and Thermo Gravimetric Analysis (TGA). As a result of DSC tests, each sample showed the primary and secondary caloric peak due to the thermal oxidation in the air atmosphere. Each peak was interpreted for the decomposing peak of cellulose and lignin which consist of wood. The caloric peak of lignin for pine log dust appeared to be greater than that of dust sample in the process, which was extracted from the recycled wood. As s result of TGA tests, each sample showed three steps in the weight reduction section in the air atmosphere. The step 1 refers to the weight reduction section due to the moisture evaporation. Most of the weight was decomposed in the second and third weight reduction section depending on samples, which can be interpreted by correlations with the caloric response peak in DSC. This is considered the reduction of mass in the process where macromolecules including cellulose and lignin among others as one of the ingredients consisting of wooden sample dust are decomposed by heat and converted into various gases with caloric decomposition.

The second study was carried out for the analysis on the chemical properties of sample dust. As a result of analysis on the element of each sample dust in terms of analysis on elements, the content of carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), sulfur (S) and Oxygen (O) in the sample dust was analyzed. In an effort to verify the aspects of gases with thermal decomposition in rapid decomposition and combustion during dust explosion, qualitative tests for volatile substances and mass analysis for the qualitative tests for substance with thermal decomposition were carried out applying GC/MS to sample dust. As a result, the aspects of various gases with the combustible thermal decomposition could be confirmed from alkane, aldehyde, hydrazine derivative, phenol, furan and organic acids among others from C3.

The third study was carried out for analysis on the risk characteristics of fire explosion in the sample dust, where risk at the autoignition of sedimental dust and the thermal storage were analyzed. tests for measuring maximum explosion pressure (Pmax), maximum rate of explosion pressure rise [(dP/dt)max] and lower explosion limit (LEL) in accordance with EN 14034-1~3, and minimum ignition energy (MIE) were carried out for the explosive characteristics and minimum ignition energy of suspended dust. As a result of measuring autoignition temperature at the sedimental conditions of each sample dust including silo dust, hammer mill dust and pine log dust, it was measures at 234.8℃, 225.5℃ and 253℃, respectively. In the thermal storage test, the self-decomposition risk appeared to be low due to the thermal storage at 150℃. However, as the heating process such as the drying process and thermal pressure exists in the real process, it is necessary to review the self-decomposition risk again in consideration of the operating temperature for them. As a result of maximum explosion pressure (Pmax) tests for silo dust, hammer mill dust and pine log dust, it appeared to be 8.27 [bar], 8.71 [bar] and 8.27 [bar], respectively. The maximum rate of explosion pressure rise [(dP/dt)max] was 340.76 [bar/s], 515.19 [bar/s] and 470.56 [bar/s], respectively. Lower explosion limit (LEL) was 60 [g/㎥], 60 [g/㎥] and 50 [g/㎥], respectively. The explosion grade was St1 [0<Kst<200] depending on the Kst for the dust explosion index. The dust explosion index Kst of each to which the cube root law is applied as dust with the weak explosiveness was calculated as 92.50 [m·bar/s], 139.87[m·bar/s] and 110.63[m·bar/s], respectively. As a result of measuring minimum ignition energy, it was 10mJ < MIE <30mJ and Es (energy for the estimated probability) was 14mJ for silo dust and hammer mill dust. It was measured in 30mJ < MIE <100mJ and Es (energy for the estimated probability) was 45mJ for pine log dust. Although they fall under normal ignition sensitivity, proper actions are necessary depending on the operating conditions in the process because they can be rapidly lowered depending on the operating temperature in the proces