분진 화재, 폭발 사고 저감 방안

다량의 분진 사업장을 취급하는 사업장은 화재 및 폭발사고의 위험성을 가지고 있습니다. 분진관련 사고는 전체 사고중에 1% 미만의 발생비율을 보이나 사고발생시 사망확률이 약 10%로 매우 높은바 철저한 관리가 필요합니다. 

 

 

 

<가연성 분진 취급사업장 사고발생 현황>

2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 재충전하여 반복적으로 사용할 수 있다는 경제적인 장점과 납, 수은 등 환경 규제 물질도 포함하지 않는 등 친환경적이라는 특성으로 인해 미래 산업으로 각광 받고 있다.

 

특히 2차전지의 핵심 구성요소인 양극제와 음극제 중에서 음극제는 기존의 흑연계 음극제보다 에너지 밀도가 더 높아 효율적인 실리콘* 음극제(흑연+실리콘)에 대해 지속적으로 개발이 진행되는 등 관련 사업이 확대되는 실정이다. 또한, 폐태양광 패널이나 반도체 제조 시 배출되는 실리콘 슬러지를 재활용하여 생산하는 실리콘 음극제의 주원료인 실리콘 파우더를 취급하는 사업장도 증가할 것으로 예상된다.

 

* 실리콘(Si) : 화학적 원소로서 산화물·규산염 등으로 존재하며, 규소에 탄소/수소 등을 결합시켜 만드는 유기 규소화합물의 고분자 중합체로서 내열성, 절연성이 크고 물을 흡수하지 않아 넓은 범위로 응용되고 있음

 

리튬이온전지 (Lithum-ion Battery)

▶ 리튬이온이 양극과 음극을 리튬이온이 양극과 음극 사이를 이동하는 화학적 반응을 통하여 전기를 발생시켜 충전과 재사용이 가능한 전지

- 구성요소 : 리튬이온 이차전지는 양극을 구성하는 물질인

양극재와 음극을 구성하는 물질인 음극재, 양극과 음극 사이에서 리튬이온의 이동통로 역할을 하는 전해질, 전기화학 반응에는 참여하지 않으나 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하는 분리막까지 총 4가지의 핵심요소 기술로 구성됨

 

 

실리콘 음극제 생산 등 관련 사업이 확대됨에 따라 원료로 사용되는 실리콘 파우더 등 가연성 분진을 취급하는 사업장에서 화재·폭발 유형의 중대재해가 빈번하게 발생하고 있다. 게다가 양극제와 달리 음극제를 취급하고 있는 주요 사업장은 소규모(10인 미만) 형태로 운영되고 있어 위험물질 취급이나 안전관리 등이 미흡한 상태로 파악된다.

 

’23년 12월 충남 아산시 소재 실리콘 파우더 생산 사업장에서 가연성 분진에 의한 폭발로 중대재해가 발생하였다 (사망 3, 부상 1).

사건 개요 •공정 흐름에 의해 분포되어 있는 실리콘 파우더(미세입자)가 지속적으로 충돌, 분리된 상태에서 방전된 정전기로 인해 분진폭발이 발생함.

 

<가연성 분진 취급 사업장에서의 주요 사고사례>

 

공식 통계 기준 최근 5년간 발생한 업무상 사고 재해자 549,756건을 발생형태 별로 분류해 보면, 넘어짐(22.9%), 떨어짐(14.7%), 사망은 떨어짐(38.9%), 끼임(11.2%) 순으로 발생하였고, 폭발·파열 및 화재 재해자는 총 2,984명 (0.6%), 사망자는 총 269명(5.5%)로 다른 발생형태에 비해 높은 비율은 아니나, 재해자 수 대비 사망 비율을 확인 하면 폭발·파열(9.2%), 화재(8.8%) 순으로 확인되어 재해 발생 시 사망률이 다소 높은 것으로 파악되었다.

 

 

또한 최근 5년 발생한 폭발·파열, 화재 재해 234건의 기인물(조사의견서 기준)을 확인한 결과, 분진 및 분말 형태의 고상(18%), 유증기 및 유체 등의 액상(35%), 가스 등의 기상(36%) 순으로 점유하고 있음이 확인되었다. 이는 가연성 분진에 의한 화재·폭발 비율이 위험물과 비교하여 적은 비율이 아닌 것으로 볼 수 있다.

 

 

화재폭발 유형의 사망사고는 타 유형에 비해 건수와 재해자 수가 비례하지 않고, 발생 건수에 대비하여 다수의 재해자가 발생할 수 있는 대형 사고로 이어질 수 있다.

※ 폭발·화재 기준, 발생 건수에 대비 재해자 수(부상자 포함) 비율이 약 280%임

 

폭발·파열 및 화재 사고는 발 중, 분진 폭발 사고는 ’18년부터 ’23년까지 분진폭발 관련재해자 45명 약 42%(19명) 사망하였으며, ’19년부터 다소 감소하다가, ’22년부터 다시 상승하고 있는 추세로 확인되었다.

 

이슈 및 시사점

 

알루미늄 분말 등 기존의 분진폭발 발생 가능성이 높은 기존 물질 외에도 산업구조 및 수요의 변화에 따른 새로운 위험성을 인지할 필요가 있다. 2차전지 음극재로 널리 쓰이는 실리콘(Si)은 폭발성이 있는 물질로, 사업장에서 분진 폭발 위험이 있는 미세한 가루형태의 실리콘 파우더나 음극재 등 분말을 취급할 경우에는 주의와 관리가 반드시 필요하다.

 

 

가연성 분진은 직경 420㎛이하(40 메쉬 표준체 통과)의 미세한 분말 상의 물질인 분진이 크기와 모양에 관계없이 적절한 비율로 공기와 혼합되거나 기타 산화물 매개체와 일정 농도 이상으로 혼합되어 화재나 폭연의 위험성을 갖는 분말을 말한다.

분진과 공기의 혼합물이 점화되어 빠른 속도로 반응하여 다량의 에너지를 급격하게 분출하는 분진폭발은 고체 미립자 물질이 공기 중에 부유하는 상태에서 충분한 에너지의 점화원이 존재할 때 발생하며, 입자의 크기와 분자량이 다양하고 중력이 입자의 거동에 영향을 주기 때문에 일반적으로는 폭굉보다는 폭연의 형태로 나타난다.

 

분진폭발의 5요소는 기존의 폭발 3요소인 산소, 분진연료(Combustible Dust), 발화원에서 부유분진(분진이 공기 중에 떠다니고 있을 것)*과 밀폐된 공간** 내에 있을 것이라는 2가지 조건이 추가되어 확장된 것으로, 분진 혼합물의 경우 중력의 영향을 많이 받으며 분진/산화재 서스펜션의 형성은 분진폭발의 전제조건이라 할 수 있다.

* 부유분진(Suspended in Air) : 분진이 쌓일 정도로 일정한 분진 밀도가 있어야 함

** 밀폐된 공간 : 분진폭발이 일어날 때의 충분한 압력을 유지하여야 함

 

반응 혼합물이 부분적 또는 완전 연소되면 밀폐(Confinement) 상태는 과압(Over pressure)을 형성하며 빠른 화염의 전파가 분진폭발로 전환하게 된다.

실리콘 파우더는 수분이 있는 상태의 실리콘 원료를 분쇄, 고온 건조 후, 입자별 분리 등의 일련의 공정을 통해 생산 하고 있다.

실리콘 파우더 생산 관련 주요 설비는 다음과 같다.

 

 호퍼(Hopper) 투입된 실리콘 분말 등을 저장하는 큰 통으로 사용하며, 밑에 달린 깔때기 모양의 출구를 열어 원료를 다음 공정으로 이송함. 호퍼 내부에도 온도계가 설치되어 있어 화재 감시 및 알림 기능이 적용되어 있고, 내부에 질소가 공급되는 시스템으로 구성되어 있음

 

 백필터(Bag Fillter) 주머니 모양의 거름천을 이용하여 기류 중의 고체입자를 포집하는 집진장치로, 취급 물질의 이송 용도로 사용되고 있으며 공정 특성상 연속적으로 동작되기 때문에 중간 부분에 실리콘 분말 등이 누적되지 않고 최종 배출구간에는 질소를 사용하여 대기로 방출함.

 

 

 사이클론(Cyclone or Transporter) 원심력을 이용하여 입자를 크기 별로 분리하는 설비로, 공기 또는 질소 등 공압을 이용해 입자가 포함된 유체흐름을 상부로 유입하는 등 회전력을 활용하는 설비임.

 

 

실리콘 분말은 점화에 매우 민감할 뿐 아니라, 큰 폭발 강도로 인해 금속분진이나 플라스틱 분진에 준하는 화재· 폭발 위험성을 가지고 있다. 실리콘 분말에 대한 분진특성 시험 결과 폭발압력상승속도는 372bar/s, 분진폭발지수는 101.1bar·m/s로 분진폭발등급 St 1로 구분되는 것으로 나타났다.

 

 

 

가연성 분진을 취급하는 사업장의 취약 포인트별 관리대책 및 개선방안을 정리하면 다음과 같다.

 

| 분진폭발 위험장소 지정 | 공기 중에 가연성 분진운의 형태가 연속적, 장기간 또는 단기간동안 자주 폭발 분위기로 존재하는 장소나 사일로, 백필터, 운송용 컨베이어 내부 등 분진폭발 혼합물이 오랫동안 또는 빈번하게 존재할 수 있는 장소를 분진폭발 위험 장소로 설정하여 지속 관리한다.

 

| 분진제거 | 설비가 설치되는 건축물의 바닥이나 기타 표면 등에 분진이 누적, 비산되지 않도록 사전 제거하고 분진이 발생되는 설비의 뚜껑 설치 등 밀폐구조로 하여 분진이 외부로 비산되지 않도록 관리한다. 또한 주기적인 청소를 통해 작업장소 바닥에 퇴적 및 공기 중에 부유하는 것을 방지한다.

 

| 점화원 관리 | 설비에서 분진 발생 또는 취급 구역에는 흡연을 포함하여 점화원이 될 수 있는 용접, 용단 및 그라인더 등 작업을 금지(비방폭형 수공구 사용)하거나, 부득이하게 화기작업을 실시할 경우에는 사전 분진 상태 확인 및 화재감시자 등을 배치하여 관리한다. 또한, 화재를 감지할 수 있는 온도 계측 및 경보장치를 설치하고 기준 온도 이상 상황에서 안전하게 작업이 진행될 수 있도록 안전작업절차를 구축하는 것이 바람직하다.

 

| 불활성가스 봉입 | 분진 발생 설비나 저장소 등이 폐쇄구조일 경우에는 질소 등과 같은 불활성가스를 봉입하여 산소농도를 폭발최소 농도 이하로 낮추어야 하며, 불활성가스를 공급하는 배관 등에는 이를 확인할 수 있는 유량계, 압력계 등 계측장치를 설치하고, 불활성 가스가 봉입되는 설비에는 산소농도 측정계를 설치하여 내부의 산소농도를 폭발최소농도 이하로 유지 관리해야 한다.

 

| 폭발방호장치 | 설비 내부에서 분진폭발이 발생하였을 때 인근 설비로 전달되지 않도록 고속작동밸브 등을 사용하여 설비를 차단할 수 있도록 하며, 분진폭발로 인한 과압을 안전하게 방출 할 수 있는 폭발 방산구를 설치한다. 또한 저장·취급 설비에서 순간적으로 분진점화 등 폭발징후를 감지하여 억제제를 방출하는 등 적절한 소화용제를 분사하여 화재·폭발을 방지 하는 폭발억제장치를 설치하여 피해를 최소화 할 수 있도록 관리한다.

 

주요 용어

“분진화재 (Dust fire)”라 함은 퇴적분진이나 분진층과 같이 바닥 또는 설비 표 면에 퇴적되어 있는 분진의 연소현상으로서 분진의 열분해로 발생한 가연성가 스의 착화로 화염을 동반하는 발염연소, 공기부족이나 가연성가스의 발생량이 적어 화염을 동반하지 않는 훈소 그리고 가연성가스를 동반하지 않는 탄소나 일부 금속 등에서 나타나는 표면연소를 말한다.

 

“분진농도 (Dust concentration)”라 함은 분진이 공기중에 부유, 분산되어 있는 분진-공기 혼합물에 있어서 단위 체적당 혼합물 중의 분진의 중량(kg/m 3)을 말한다.

 

“분진폭발한계 (Explosion limit of dust)"라 함은 분진폭발의 발생을 결정하는 조건으로서 분진의 폭발상한계는 실험적으로 측정이 어렵기 때문에 일반적으 로 분진-공기 혼합물 중의 분진농도가 폭발을 일으키는 필요 최소한의 양으로 서 폭발하한농도를 말한다.

 

“최대폭발압력 (Maximum explosion pressure)”이라 함은 밀폐공간 내의 분진 운이 발화하여 화염이 전파하고 발생한 열에 의해 용기 내의 압력이 상승하 는데 반응이 분진운 전체로 진행하여 나타난 압력의 최대값을 폭발압력이라 하며 이러한 폭발압력이 농도 변화에 따라 가장 큰 값을 가질 때의 폭발압력 을 말한다

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참조 : 안전보건공단 중대사고 이슈리포트, KOSHA GUIDE P-131-2013 화학공정에서의 분진폭발 방지에 관한 기술지침