게시판 > 질답게시판 > 저농도의 가연성 가스가 착화 시 발생 기전

스테파노 Stefano

24-03-25 16:55

A1) 연소범위는 대기압 상태의 상온에서 연소가 지속될 수 있는 농도를 말하는데 엄밀하게 어떻게 정의되어 있는지 필자도 궁금하므로 함께 확인해 봐야하겠습니다 .

A2) 착화점이나 인화점이나 모두 연소범위 내애서만 가능한 특성이고 전자는 점화원이 없는 상태에서 자연발화를 일으키는 최저의 온도를 말하고 후자는 점화원이 있는 상태에서 인화되어 연소가 지속될 수 있는 최소의 온도를 말합니다. 두가지 모두 연소범위 이내에서만 일어나는 현상입니다.

A3) 전술한 바와 같이 착하점 이상에서는 착화가 항상 가능하다고 보면 됩니다. 압력이 높아지면 착화점은 낮아지고 농도가 높을수록 낮아지며 특히 산소 농도에 의해서 크게 달라집니다 가스농도가 높다고 하여도 산소농도가 어느 농도 이하라면 연소가 되지 않으므로 산소농도도 함ㄲ 언급된 가스의 농도가 중요합니다.

A4) 폐가스의 농도가 낮아저 연소되지 않을 수 있으므로 보조연료를 주입하여 연소시키는 것은 이야기가 되지만 반드시 700도이상이 되어야 연소도는 것이 아니고 연소됨으로써 (연소열에 의해)온도가 상승한 것으로 생각됩니다.

일단 폐가스가 연소범위에 을어있지 않는 경우에만 예열해야 하고 그렇지 않으면 항상 위험이 도사리고 있다고 봐야 합니다. 연소범위를 벗어나 있으면 자연발화든 인화발화든 일어나지 않을 터이지만 만일 폐가스가 연소범위에 들어있다면 항상 위험하기 때문에 특별히 조심하지 않으면 안됩니다

부탄의 온도에 따른 자연발화 온도에 관하여 (정보를 많이 가지고 있을)가스공급회사에 문의해 보는 것이 정확하겠으나 만일 연소범위에 있는 가스인 경우라면 불연성 가스를 주입하여 산소농도를 희석하거나 연소농도범위를 벗어나도록 한다음 가열해야 할일입니다. 연소번위내에서 연소가 일어나는 경우라면 이는 국부적이든 전체적이든 연쇄반응이 일어나고 있는 것입니다.

공정장치는 연소기 내부를 제외하고 연소범위내에 존재하지 않는 상태로 운전되어야 합니다. 고온에서 연소가 일어나는 경우라면저온에서도 위험한 상황입니다. 아주 특별한 중대한 위험한 문제가 발생할 우려가 되는 환경입니다.

A1)  연소범위는 대기압 상태의 상온에서  연소가 지속될 수 있는 농도를 말하는데  엄밀하게 어떻게 정의되어 있는지 필자도 궁금하므로 함께 확인해 봐야하겠습니다 .

A2) 착화점이나 인화점이나 모두 연소범위 내애서만 가능한 특성이고 전자는 점화원이 없는 상태에서 자연발화를 일으키는 최저의 온도를 말하고 후자는 점화원이 있는 상태에서 인화되어 연소가 지속될 수 있는 최소의 온도를 말합니다.   두가지 모두 연소범위 이내에서만 일어나는 현상입니다.

A3) 전술한 바와 같이  착하점 이상에서는 착화가 항상 가능하다고 보면 됩니다.   압력이 높아지면 착화점은 낮아지고  농도가 높을수록 낮아지며 특히 산소 농도에 의해서 크게 달라집니다     가스농도가 높다고 하여도 산소농도가  어느 농도 이하라면 연소가 되지 않으므로 산소농도도 함ㄲ 언급된 가스의 농도가 중요합니다.

A4) 폐가스의 농도가 낮아저 연소되지 않을 수 있으므로 보조연료를 주입하여 연소시키는 것은 이야기가 되지만  반드시 700도이상이 되어야 연소도는 것이 아니고 연소됨으로써 (연소열에 의해)온도가 상승한 것으로 생각됩니다.

일단 폐가스가 연소범위에 을어있지 않는 경우에만 예열해야 하고 그렇지 않으면 항상 위험이 도사리고 있다고 봐야 합니다.   연소범위를 벗어나 있으면  자연발화든 인화발화든 일어나지 않을 터이지만  만일 폐가스가  연소범위에 들어있다면  항상 위험하기 때문에 특별히 조심하지 않으면 안됩니다

부탄의 온도에 따른 자연발화 온도에 관하여  (정보를 많이 가지고 있을)가스공급회사에 문의해 보는 것이 정확하겠으나  만일 연소범위에 있는 가스인 경우라면 불연성 가스를 주입하여 산소농도를 희석하거나  연소농도범위를 벗어나도록 한다음 가열해야 할일입니다.    연소번위내에서 연소가 일어나는 경우라면 이는 국부적이든 전체적이든 연쇄반응이 일어나고 있는 것입니다.

공정장치는 연소기 내부를 제외하고 연소범위내에 존재하지 않는 상태로 운전되어야 합니다.   고온에서 연소가 일어나는 경우라면저온에서도 위험한 상황입니다.    아주 특별한 중대한 위험한 문제가 발생할 우려가 되는 환경입니다.

스테파노 Stefano

24-03-26 00:12

(1) 온도에 따른 LEL(Lower Explosion Limit)와 UEL (Upper Explosion Limit)의 영향을 Propane에 대해 연구한 논문이 있습니다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0950423021001947#:~:text=The%20results%20showed%20that%20the,decreased%20with%20the%20rising%20temperature.

(2)위의 자료에 따르면 (Kondo Equation) 상온 25도에서의 LEL 및 UEL값에 대한 영향을 60~120도의 온도범위에 대해 실험한 결가를 나타내고 있습니다.

L = L25 - 100C/Q(t-25) .....(1) L=LEL C=Conc

U = U25 * (L25/L) .............(2)

위의 식들에 의하면 온도가 올라가면 L은 점점 내려가고 U는 커져가는 성질을 가지고 있습니다 .

까르페디엠 encyclo

24-03-26 16:30

스테파노님 답변 감사합니다.
덕분에 인화점, 폭발한계, 온도 압력에 따른 폭발 범위의 변화에 대해서는 이해했습니다.

아직도 궁금한 점은 자연발화점이 LEL~UEL 농도 범위에서만 유효한지 확신이 들지 않습니다.
혹시 관련하여 참조할 만한 자료가 있으면 좀 알려주시면 감사하겠습니다^^

폐가스(0.3wt% butane in air) 부탄 농도가 폭발범위에서 벗어나긴 하지만 완전히 섞여있는 경우이고 국부적으로 농도가 달라질 수 있으니 위험한 상황은 맞는 것 같습니다.
그리고 자연발화온도가 가스 공급업체마다 다르겠지만 과거에는 설계 시 국제적인 이론적인 값만 적용하다가 최근에는 국가나 공급 업체별로 실제로 실험해서 얻은 값인지 몰라도 이 자연발화온도가 많이 낮아졌습니다. 따라서 이런 문제도 생기고 방폭의 온도 등급도 많이 달라졌습니다. 과거에 설계한 업체에서는 이 부분도 한번 확인해보는 것이 좋을 듯 합니다.

설계업체에서도 과거에는 360도까지 예열하는 걸로 설계(과거의 부탄의 자연발화점은 440℃)했다면 요즘은 폐가스를 예열하지 않는 것으로 설계하고 있으며, 예전에 설계한 업체도 현재는 300도 정도로 안전하게 운영하는 것 같다고 합니다.

스테파노 Stefano

24-03-26 23:52

AA1) LEL~UEL 영역은 점화원이 있는 상태에서의 연소범위기기 때문에 훨씬 발화가 발생할 확률을 가지기 때문에 낮은 자연발화 확률영역보다 훨씬 넓은 영역을 가집니다. 점화원이 발화될 확률을 크게 높이기 때문에 상대적으로 자연발화영역보다 획지적으로 넓혀주는 것은 당연합니다. (LEL~UEL의 영역은 자연발화와 점화원발화를 구별하지 않고 연소가 지속될수 있는 영역입니다. 자연발화가 그 영역을 벗어날 수 없는 것이 당연한 이유)

AA2) 가연성가스가 공기와 섞여있는 혼합물은 거의 절대로 예열하여 연소시기는 일이 있어서는 안됩니다. 농도가 묽은 가스를 예열한다고 해서 열효율이 크게 높아지지도 않고 위험만 가중시킬 뿐입니다. 공기를 예열하거나 연료를 예열할 수 있지만 가연성가스와 공기가 섞여있는 것을 가열하도록 설계하는 것은 매우 위험한 발상이고 경험있는 엔지니어라면 상상도 할 수 없는 일입니다.

AA3) 혼합물인 경우 배관내 분진이나 녹부스러기 등에 의한 정전기도 위험한 상황이 일어날 수 있기 때문에 과다한 유속도 제한할 필요가 있습니다.

까르페디엠 encyclo

24-03-27 14:04

추가 답변 감사합니다.

자연발화에 대해서는 폭발한계 내에서만 불꽃이 유지되고 확산될 수 있다는 내용 이해했습니다.
그래서 온도가 올라갈수록 폭발하한계 농도가 더 낮아지기 때문에 더 위험한 것 같습니다.
폭발하한계가 1.8mol%라도 온도 360℃ 고려시 대략적으로 1.3mol%까지 낮아지는 것 같습니다.

산화반응기에서 미반응된 부탄(반응기 출구온도: 420℃, 반응기 출구에서 이미 온도가 420℃로 착화점을 초과합니다.)은 냉각공정을 거쳐 제품은 회수되고 미반응부탄과 공기는 그대로 소각로에서 소각처리하여 배출하는데 미반응부탄의 함량 기준은 0.3mol%이고 실제로는 0.03~0.3mol%로 운전 중입니다. 반응기 출구의 실시간 analyzer로 미반응부탄 함량이 0.5mol% 이상일 경우 반응기 shutdown 되도록 설계가 되어 있습니다. 소각로에서 배가스로 폐가스를 예열하여 공급하는 것은 최초 licenser(미국) 설계 시 360℃까지만 허용한다는 과거 자료가 있습니다. (과거 licenser 기초설계 시 부탄의 착화온도: 440℃)
반응기 출구온도만 보면 420℃까지는 문제가 없는듯 한데 이런 부분이 아이러니합니다.
물론 반응기에는 입구에서의 폭연(반응 전 부탄의 폭연) 상황을 대비하여 입출구에 모두 파열판이 설치되어 있긴 하나 반응기 출구에서의 착화 case가 아니며, 반응기 출구의 착화로 인한 파열은 없었습니다.