분진폭발
물질별 분진폭발 특성

분진 폭발특성을 평가하기 위한 수치로 최대폭발압력( P_{Max}, Maximum explosion pressure), 분진폭발지수( K_{st}, Dust explosion index ), 폭발하한농도(LEL,  Lower explosion concentration), 최소점화에너지(MIE, Mimimum ignition energy) 등을 측정한다. 최대폭발압력( P_{Max})은 부피 20 L 이상의 폭발용기에서는 폭발용기의 부피에 관계없이 일정하다고 알려져 있어 보통 부피 20 L의 실험장치를 사용하여 폭발 시 압력을 측정한다. 최소점화에너지(MIE)는 부유 분진과 공기의 혼합물에 에너지가 가해져 착화 또는 폭발을 일으키게 하는 데 필요한 최소한의 에너지이다. 분진폭발지수( K_{st})는 분진의 폭발강도의 척도로서 분진폭발지수 값은 폭발용기 부피에 영향을 받는 실험치인 최대폭발압력상승속도( ({\frac {dP}{dt}})_{Max})에 의해 다음의 식으로 계산된다. 최대폭발압력상승속도는 폭발용기의 용적에 따라 값이 달라진다.
K_{st}=({\frac {dP}{dt}})_{Max}\times V^{\frac {1}{3}} (단위 : bar·m/s, V는 부피)
분진폭발지수 값은 분진폭발등급으로 구분된다. St 0등급은 분진폭발지수 0으로 폭발 위험이 없다. St 1등급은 분진폭발지수가 0~200 bar·m/s으로 폭발에 의한 위험성이 낮은 분진이다. St 2등급은 분진폭발지수가 200~300 bar·m/s으로 강한 폭발을, St 3등급은 분진폭발지수가 300 bar·m/s 이상으로 매우 격렬한 폭발을 나타낸다. 그러나 분진의 등급은 폭발 강도의 상대적인 등급을 나타내는 것으로 St 1등급이라도 폭발 위험성이 클 수 있다.
하이드록시프로필 메틸 셀룰로스(Hydroxypropyl methyl cellulose, HPMC) 분진의 분진폭발 특성을 연구한 결과 -325 mesh에서 폭발하한농도는 상대습도 50%에서 0.18 g/l, 최소착화에너지 9,8 mJ, 최대폭발압력 8.1 kg/cm2·abs, 농도 0.48 g/l에서 최대폭발압력상승속도 203.98 bar/s로 나타났다.
가축 사료의 경우, 주변 기체가 산소인 경우에는 질소일 때보다 발열개시온도가 낮아지며, 발열량도 20배 이상 증가하였다. 또한 미세 입자가 부유하기 쉽고, 외부에서 점화에너지가 주어질 경우 산소와 쉽게 반용하여 폭발한다. 가축시료 중 입도가 60 mesh 이하인 경우는 분진폭발의 위험이 매우 높으며 입도가 80/100 mesh인 경우 평균 최대폭발압력은 1제곱센티미터당 6.88 킬로그램힘(약 67.4 N)으로 구해졌다.
시멘트제조 공정에 사용하는 유연탄 분진의 폭발특성을 조사한 결과 입도가 감소하고 농도가 증가할수록 폭발확률이 증가하며 시멘트 제조공정에 표준적으로 사용하는 170/200 mesh에서 최저 폭발하한계 농도는 0.3 mg/cm3 이었으며 0.9 mg/cm3 이상에서는 100% 확률로 폭발이 발생한다. 그러나 입도가 큰 170/200 mesh는 0.6 mg/cm3에서 폭발확률이 40%이다.
Alvaro 외(2006)는 분진폭발등급을 설탕 68 bar·m/s, 옥수수 81 bar·m/s, 밀 148 bar·m/s, 보리 50 bar·m/s, 제빵밀 144 bar·m/s, 콩가루 73 bar·m/s로 평가하였다.
97 % Benzoyl peroxide (BPO), Phthalic anhydride (PA), 1-Hydroxybenzotriazol (HBT)의 폭발하한농도는 10~15 g/m3으로 매우 낮으며 최대폭발압력은 각각 6.1 bar, 6.0 bar, 8.1 bar, 분진폭발지수는 각각 80 bar·m/s, 146 bar·m/s, 251 bar·m/s으로 나타났다.
농약 제조 시의 주요 물질인 디페나코졸, 피메트로진, 티아메톡삼, 아시벤졸라 S메틸(Acibenzolar S-methyl), 맨코제브, 아족시트로빈(Azoxytrobin)은 분진폭발의 위험이 있어 원재료는 마찰열을 고려하여 최소 점화 에너지 0.01J이하로 다루어야 하며, 특히 아시벤졸라 에스 메틸의 경우에는 1mJ 이하로 관리되어야 한다.
이근원 외(2013)는 3종의 목재 분진에 대해 분진폭발 위험성을 평가하였는데, 최대 폭발압력은 사이로 분진 8.3 bar, 함머밀 분진이 8.7 bar, 뉴질랜드 소나무 분진이 8.3 bar, 폭발하한농도 측정값은 사이로 분진, 함머밀 분진, 뉴질랜드 소나무 분진이 각각 60, 50, 및 50 g/m3, 분진폭발등급은 92~138 bar·m/s으로 모두 St 1등급이다.
마그네슘 분진의 경우 입자의 크기가 작을수록 폭발지수가 커진다.
한우섭과 이근원(2016)은 산업분야에서 사용되는 여러 종류의 플라스틱 분진의 폭발 특성을 평가하였다. 실험 결과 분진폭발지수(Kst)는 ABS 수지(209.8 μm) 62.4 bar·m/s, 폴리에틸렌 (81.8 μm) 59.4 bar·m/s, 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate, 21.3 μm) 70.3 bar·m/s, MBS (Methylmethacrylate Butadiene Styren, 26.7 μm) 303 bar·m/s, 폴리-메틸메타크릴레이트(Polymethlmetacrylate, 14.3 μm) 203.6 bar·m/s으로 상대적인 폭발위험성은 MBS가 가장 높았다.
다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 분진폭발을 발생시킬 수 있는 물질이지만 폭발 강도와 점화감도는 알루미늄이나 폴리에틸렌과 같은 일반적인 가연성 분진보다 상대적으로 낮다.
한우섭(2017)은 설탕, 옥수수, 밀가루의 발화 위험성과 폭발특성을 조사하였다. 설탕, 옥수수, 밀가루 분진의 평균 직경은 27.56, 14.76, 138.5μm이며 최대폭발압력은 설탕과 옥수수가 7.6 bar, 밀가루 6.1 bar이다. 분진폭발지수는 설탕 153 bar·m/s, 옥수수 133 bar·m/s, 밀가루 61 bar·m/s로서 모두 St 1등급이며 분진폭발 위험성은 설탕이 가장 높고 밀가루가 가장 작았다. 또한 화염전파로 인한 폭발피해 위험성은 설탕이 가장 높고 그 다음 밀가루, 옥수수 분진 순서이다.
원료의약품 분진의 폭발 위험성은 항상 존재하며, 이로 인한 폭발사고가 자주 발생한다. 이주엽 외(2017)는 록소프로펜산, 클로피도그렐 캄포르술폰산염, 리팜피신의 분진폭발특성을 측정하였다. 록소프로펜산은 평균 입경 5.31μm, 최대폭발압력 8.4 bar, 최소점화에너지 1~3 mJ, 최소점화온도 550°C이다. 클로피도그렐 캄포르술폰산염은 평균 입경 95.63 μm, 최대폭발압력 7.9 bar, 최소점화에너지 30~100 mJ, 최소점화온도 510°C이다. 리팜피신은 평균 입경 26.48 μm, 최대폭발압력 7.9 bar, 최소점화에너지 1~3 mJ, 최소점화온도 470°C이다. 폭발등급은 록소프로펜산과 리팜피신이 St 2등급, 클로피도그렐 캄포르술폰산염이 St 1등급으로 나타났다.
이창진과 김래현(2019)은 디옥틸테레프탈산 제조공정에 사용되는 테레프탈산의 분진폭발 특성에 대해 연구하였다. 해당 공정에서는 2016년 3월과 10월에 실제로 테레프탈산과 관련하여 분진폭발 사고가 발생하였다. 테레프탈산의 분체 평균입경은 143.433μm, 폭발하한 농도(LEL)는 50 m3, 최소점화에너지 10~300 mJ, 최대폭발압력은 7.1 bar, 최대폭발압력상승속도는 511 bar/s, 분진폭발지수 139 bar·m/s로 분진폭발등급 St 1등급에 해당한다.
권현길 외(2023)는 저밀도 폴리에틸렌(Low-density polyethylene, LDPE) 제조공정 중에 나온 폴리에틸렌 분진을 채취하여 분진폭발 시험을 수행하였다. 분진의 입경은 95.04μm, 최대폭발압력 6.6 bar, 최대폭발압력상승속도는 1500 g/m3에서 366 bar/s, 분진폭발지수 99.4 bar·m/s로 St 1등급, 최소점화에너지 10 mJ, 최소점화온도 450°C로 나타났다.