수소의 화염속도는 LNG나 LPG에 비해 6~7배 빨라
수소 폭발하한계 4.0Vol%, 상한계는 77.0Vol% 적합

1. 서론

산업현장에서 취급하는 위험물질의 화재 및 폭발 특성 파악은 공정의 안전 확보에 중요하다. 그 이유는 위험물질의 취급, 처리, 수송 등에 있어 기기의 불안전한 상태 혹은 인적오류에 의해 위험물질이 누출되는 경우 누출된 물질이 공기와 혼합하여 혼합기체를 형성하고 주위에 발화원이 존재한다면 화재 혹은 폭발이 발생될 수 있기 때문이다. 대표적인 화재 및 폭발 특성치로는 폭발한계, 인화점, 최소자연발화점, 최소산소농도, 최소발화에너지, 연소열 등을 들 수 있다.

산업현장에서 취급하고 있는 대부분의 물질의 화재 및 폭발 특성치는 한국산업안전공단에서 제공하고 있는 MSDS(Material Safety Data Sheet)를 통해 얻을 수 있다. 또한 잘 알려진 D/B인 미국화학공학회 DIPPR(Design Institute for Physical Property Data)의 환경, 안전, 보건 특성치(Properties in the Environmental, Safety and Health Database)에서 화재 및 폭발 파라미터(Fire and Explosion Parameters)에서 폭발하한계와 상한계, 인화점, 최소발화온도, 연소열의 자료를 얻을 수 있다. 그러나 화재 및 폭발 특성치는 다양한 조건에서 실험함으로써 정확한 자료를 추출하는 데는 많은 연구와 고찰이 필요하다.

최근 화석연료를 대체할 에너지원 가운데 수소는 에너지원 보다는 에너지를 전달하는 매체로 가장 매력적인 것으로 여겨지고 있다. 현존하는 가스 가운데 가장 가벼운 수소는 상온에서 무색, 무취, 무미한 가연성 가스이고, 무독성가스로서 폭발범위가 매우 넓은 물질이다.

수소는 연소 후 물이 생성될 뿐 오염물질이 만들어지지 않아 화석연료를 대체할 무공해 에너지원으로 각광받고 있다. 또 연소열도 커 발열량이 석유보다 약 3배가량 높은 효율적인 에너지이다. 이 때문에 적절한 조건으로 통제하면서 수소를 연소시키면 일반 가정에서도 에너지원으로 이용할 수 있다. 그러나 수소는 금속을 녹이는 성질과 저장과 운반이 매우 어렵고, 수소가 누출되면 엄청난 폭발이 일어나기도 하여 취급이 매우 까다로운 물질로 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다

수소는 석유화학이나, 석유정제 분야에 주로 사용되고 있으며, 고압가스안전관리법에 따라 고압가스로 규제 받고 있다. 또한 수소 충전 차량용기의 압력은 최고 700기압(70MPa)의 초고압이므로 밀폐공간에 가스가 누출될 때 큰 사고가 일어 날 수 있다. 따라서 수소를 생산, 수송, 저장하기 위한 제품의 개발과 더불어 안전 기술개발은 무엇보다 중요하므로 수소의 안전성 평가가 선행되어야 한다.

본 고에서 수소의 화재 및 폭발 특성치 고찰을 통해 수소를 취급, 수송 및 저장하는 공정에서 안전성을 확보하여 중요한 자료로 이용하는데 목적이 있다.

2. 폭발의 정의 및 종류

사업장에서 폭발 재해를 예방하기 위해서는 무엇보다 먼저 폭발에 대한 정확한 의미 파악이 필요하다.

일반적으로 폭발이란 고속의 화학반응으로 상 변화 등에 의해 순간적인 온도 상승 및 가스(증기)화가 발생하여, 기체가 고속으로 팽창한다고 정의하고 있으며, 최근 Jeo Louvar과 Dan Crowl은 “폭발은 급속하게 이동하는 압력과 충격파의 결과로 가스의 급격한 팽창이다. 팽창은 기계적(압력용기의 돌연한 파열 같은)인 팽창이거나 급격한 화학반응의 결과에 기인할 수 있다. 폭발에 의한 손실은 압력이나 충격파에 의해 발생된다”로 설명하고 있다.

윌프레드 베이커는 폭발에 대한 정의를 모든 면에서 함축적으로 가장 잘 제시해 주고 있는데, 여기서 폭발이란 “만일 에너지가 물질(근원)로부터 끊임없이 이동하고 제한된 진폭의 압력파를 발생시키기 위해 충분한 양 이상으로 방출된다면, 폭발은 대기 중에서 발생된다”고 말한다.

폭발 형태는 크게 화학적 폭발과 물리적 폭발 두개의 형태로 나눌 수 있다. 화학적 폭발은 화학반응을 포함한 반면 물리적 폭발은 그렇지 않다. 물리적 폭발은 높은 압력(대기압력 이상 압력)을 가진 용기폭발로서, 폭발 용기는 압축된 액체를 포함하는 경우, 증기 또는 스팀 폭발, 상변화 등의 물리현상이 압력 발생 등으로 나눌 수 있다.

공업적으로 중요한 것은 화학적 폭발이며, 이것은 연소의 한 형태이다. 화학적 폭발현상은 가스 및 분진 폭발, 개방계증기운 폭발(Unconfined vapor cloud explosion), 응축물질 폭발(Condensed material explosion), 화학반응 폭주현상(Runaway chemical reaction), 비등액체 팽창 증기폭발(BLEVE) 등으로 나눌 수 있다.

3. 가스폭발에 영향을 주는 인자 및 방지 기술

일반적으로 가스폭발은 가연성 가스나 증기가 공기와 혼합하여 기상부분의 용적이 크고, 밀폐 공간 상태에 있을 때 착화원이 존재할 때 발생하는 폭발 형태로서 공정의 설비, 파이프 그리고 빌딩 등에서 발생할 수 있다. 만일 가연성가스나 증발 액체가 대기 중에 방출될 때, 누출로부터 형성된 가스운(gas cloud)이 폭발범위 안에 존재하지 않거나, 발화원(ignition sources)이 부족하다면, 가스운은 희석되거나 대기 중으로 사라질 것이다.

가스폭발에 영향을 주는 주요 변수는 연료와 산화제의 형태, 증기운의 연료 농도와 크기, 점화원의 세기와 위치, 폭발방출 면적의 크기, 위치 및 형태, 구조요소와 설비의 위치와 크기, 착화지연시간, 밀폐계 및 개방계 등에 의한 주위의 기하학적 조건 등을 들 수 있다. 따라서 가스폭발은 이들 인자에 대해 대단히 민감하므로 폭발 현상을 예측하기란 쉽지 않다.

가스폭발 방지의 일반적 방법은 산화제의 농도저하와 가연성가스의 농도 저하를 들 수 있다. 또한, 손실 예방에 대한 방법은 제한된 공간에서의 연소를 초기 단계에 감지, 저지함으로써 폭발의 결과를 가져올 수 있는 압력 발달을 예방하는 폭발억제기술, 용기 내부에서 일어난 폭연으로 발생하는 압력에 견디도록 용기와 그 부속장치를 설계하는 폭연압력억제기술 및 폭발의 발화원으로 작용하는 스파크의 진화설비 등을 들 수 있다. 또한 설비설계는 예방방법의 유효성, 설비의 신뢰성, 그리고 인명에 대한 위험성 등의 요소를 고려해야 한다.

4. 수소와 기존 연료의 위험성 비교

본 연구에서는 미래 에너지인 수소를 현재 널리 사용되고 있는 LNG, LPG 및 가솔린 등과 위험성을 비교하고자 한다.

수소는 모든 원소에서 가장 가벼우므로 연료로서, 현재 사용되고 있는 연료인 LNG, LPG 그리고 가솔린 등과 비교할 때 빠르며, 부력도 매우 빠르게 증가한다. 또한 수소는 상온에서 무색, 무취, 무미한 가연성 가스이고 무독성가스로서 LNG나 LPG와 비슷한 성질을 가지고 있다. 폭발위험성은 폭발범위가 넓으므로 다른 연료보다 위험하다고 할 수 있으며, 폭굉위험성 역시 폭발위험성과 상관관계가 있으므로 위험성이 크다고 볼 수 있으나, 밀폐계가 아니고 개방계인 경우는 다른 연료들과 비슷하다고 보고되어 있다.

수소의 폭발에 필요한 최소발화에너지의 경우 기존의 연료보다 적은 에너지로 폭발이 일어날 수 있으므로 위험성은 크며, 또한 화염속도는 LNG나 LPG에 비해 약 6~7배정도 빠르므로 위험성은 크다고 할 수 있다.

최근 문헌에는 수소, 가솔린 그리고 메탄의 연소특성을 비교하여 수소를 기준으로 상대적 안전도를 제시하였는데, 본 연구에서는 수소를 기준으로 LNG의 주성분인 메탄, LPG의 하나인 프로판 및 가솔린의 연소 특성을 구체적으로 구분하여 위험도를 비교하여 <표 1>에 나타내었으며, Table 1에서 안정성의 순서는 1>2>3>4로 규정하였다. 4 가지의 연료를 기준으로 할 때 수소를 1로 기준하여 상대 위험도를 나타내면 메탄은 1.03, 프로판은 1.22 그리고 가솔린은 1.44로서 수소가 메탄과 비슷한 결과로 나타나고 있다.

<표 1> 가솔린, 프로판, 메탄 그리고 수소의 위험성 비교

 
5. 수소의 화재 및 폭발 안전 특성치 고찰

가연성혼합가스의 폭발한계는 초기온도, 초기압력, 산소농도, 연소열, 분자량, 발화원의 특성, 불활성가스의 비, 측정용기의 크기, 혼합기체의 물리적 상태, 화염전파방향 및 실험자의 숙련도 등에 영향을 받는다. 본 고에서는 수소의 폭발한계 값들에 대해 여러 문헌에 제시된 자료를 분석하여 고찰하였으며, 폭발한계의 온도 및 압력의존성을 고찰할 수 있는 새로운 예측식을 제시하였다. 또한 최소자연발화온도 역시 발화원, 온도, 압력, 농도, 용기 등에 따라 달라지기 때문에 여러 문헌들을 고찰하여 공정의 안전을 확보할 수 자료를 제공하고자 한다.

폭발한계는 실험에 있어 점화원의 위치에 따라 폭발한계 값이 달라지는데, 일반적으로 폭발범위는 점화할 때 화염이 위쪽으로 올라가는 상향전파에서는 폭발하한계(LEL, Lower Explosion Limit)가 낮고, 폭발상한계(UEL, Uower Explosion Limit)는 높다. 그러나 화염이 아래쪽으로 내려가는 하향전파는 하한계가 높고, 상한계가 낮으며, 수평전파에서는 중간값을 나타낸다.
 
그 동안 안전을 위해 폭발하한계는 4.0 Vol%를, 상한계는 약 74.0 Vol%를 많이 인용하였다. 그러나 최근 문헌을 검토한 결과 8L~120L 구형 장치로 측정한 결과 폭발하한계는 5.0±0.5vol%로 나타났으며, 폭발상한계의 경우 8L 구형 장치로 측정한 결과 76.8±0.2 Vol%로 나타났다. 따라서 공정 안전의 목적을 위해서는 폭발하한계는 4.0 Vol%, 상한계는 77.0 Vol%를 사용하는 것이 타당하다.

일반적으로 발화온도를 측정하는데 있어서 가연성물질과 지연성물질의 혼합물의 온도가 상승되는 시간부터 화재 및 폭발이 발생할 때까지 경과되는 시간을 발화전에 지체(time lag) 혹은 발화에 걸리는 시간이라 한다. 이 시간이 어느 정도 길어지면 발화온도와 일정하게 되는데 이때의 온도를 자연발화온도(AIT: auto-ignition temperature) 혹은 최소자연발화온도(MSIT: minimum spontaneous ignition temperature)라고 한다.

AIT에 영향을 주는 인자로는 초기온도, 초기압력, 농도, 용기크기, 촉매, 발화지연시간, 유속, 산소농도, 불순물, 실험장치, 그리고 실험자의 숙련도 등을 들 수 있다. 따라서 이와 같은 여러 조건에 의해 크게 영향을 받고 있으므로 AIT의 자료를 이용할 경우에는 충분한 검토를 하는 것이 중요하다.

AIT는 공정상에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발 위험성인, 공정 조작에 있어 과잉 온도상태, 고온 표면에 연소물질의 누출 상태와 저장 및 수송에서 과잉 온도 상태일 때 도움을 줄 수 있다. 수소의 자연발화온도에 대해 여러 참고문헌을 고찰한 결과 SFPE에서는 400℃를 나타내었고, 다른 문헌들에서는 500~572℃의 온도분포로 약 170℃의 차이를 확인하였다. 발화원이 고온표면(hot surface)일 때는 635℃, 고온가스인 때는 640℃를 나타내고 있다. 안전 목적을 위해서 일반적으로 400℃ 이하를 기준으로 하는 것이 바람직하며, 수소 가스 공정에서 공정을 변경하기 위해 용접 및 용단을 할 때 고온 표면이 발화원으로 작용될 때 640℃를 기준으로 이용하는 것이 효율적이다.

6. 결론
가성연가스는 모두 위험성을 지니고 있다. 그러나 위험성이 있다고 하여 사용하지 않을 수 없다. 올바르고 안전한 사용을 위해서는 취급하는 물질에 대한 정확한 연소 특성을 이해해야 한다. 수소의 안전한 취급을 위해서 최근 문헌을 고찰한 결과, 수소의 폭발하한계는 4.0 Vol%, 폭발상한계는 77.0 Vol%를 사용하는 것이 타당하다. 수소 공정의 안전 확보를 위한 최소자연발화온도는 일반적으로 400℃ 이하 조건으로 운전하는 것이 타당하며, 만일 공정에서 개방된 공간에서 고온표면이 발화원인 경우는 640℃를 기준으로 하는 것이 효율적이다.