St1, St2 및 St3 – 분진폭발 등급

정의

St1, St2 및 St3이라는 표기는 가연성 분진을 분진 폭발의 심각도에 따라 분류하는 분진 폭발 등급을 의미합니다. 이 등급의 기준이 되는 것은 Kst 값으로, 표준화된 시험 조건 하에서 밀폐된 용기 내의 분진-공기 혼합물이 시간당 최대 압력 상승률을 나타내며, 단위는 bar·m/s로 표기됩니다.

Kst 값을 기준으로 분진은 다음과 같이 분류됩니다:

Kst 값이 0인 분진은 분진 폭발 가능성이 없는 것으로 간주되며 St 0 등급으로 분류됩니다. Kst 값은 측정된 지표인 반면, St 등급은 설계 및 보호 방안을 수립하는 데 기준이 되는 설계 범위를 종합적으로 나타냅니다.

Kst 값의 특성

• 재료별 상수: Kst 값은 재료에 따라 달라지는 지표입니다. 이를 통해 표준화된 시험 장비에서 얻은 결과를 3제곱 법칙을 적용하여 더 큰 규모의 장비 및 설비로 외삽할 수 있습니다.

• 압력 상승 속도: St1에서 St2, St3으로 St 등급이 높아질수록 압력 상승 속도가 빨라집니다. 이로 인해 보호 시스템이 대응할 수 있는 반응 시간이 짧아집니다.

   

대표적인 예시

St1 – 약한 수준에서 중간 수준의 폭발 강도

St1에는 산업적으로 중요한 분진의 대부분이 포함됩니다. 대표적인 예로는 밀가루, 설탕, 분유, 곡물 분진, 목재 분진, 다양한 플라스틱 분말 및 과립, 수많은 의약품 원료, 그리고 석탄 분진 등이 있습니다.

St2 – 폭발 강도가 매우 높음

St2 분진은 압력 상승 속도가 현저히 빠르기 때문에 위험성이 훨씬 더 높습니다. 대표적인 예로는 특정 유기 안료, 매우 미세한 플라스틱 분진, 일부 화학 중간체 및 착색제, 그리고 반응성 셀룰로오스 및 특수 분말 등이 있습니다.

St3 – 매우 강력한 폭발 강도

St3에는 특히 위험성이 높고 반응성이 강한 분진이 포함됩니다. 대표적인 예로는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 분말은 물론, 분말 야금, 적층 제조 공정 및 배터리 소재 제조 과정에서 사용되는 기타 미세 금속 분말이 있습니다.

St3 분진의 경우 압력 상승 속도가 매우 빠르기 때문에, 순수 반응형 보호 시스템만으로는 종종 한계에 부딪히게 됩니다. 또한 금속 분진은 물이나 특정 소화제와 접촉할 경우 추가적인 반응을 일으킬 수 있어 특별한 주의가 필요합니다. 따라서 예방 조치, 특히 불활성화 처리와 압력 충격에 견디도록 설계된 밀폐형 공정 시스템은 일반적으로 사후 압력 배출 조치보다 우선시됩니다.

등급 결정에 영향을 미치는 요인

먼지의 실제 St 등급은 여러 가지 매개변수에 따라 달라집니다:

• 입자 크기와 입자 형태 – 입자가 미세할수록, 비표면적이 클수록 반응성이 높아진다
• 수분 함량 또는 잔류 수분
• 화학 조성
• 대기의 산소 함량과 구성
• 분진-공기 혼합물 내의 응집 거동 및 분포

이러한 요인들에서 아주 사소한 변화만 있어도—예를 들어 분쇄 입자를 더 미세하게 하거나, 원료 공급처를 바꾸거나, 수분 함량을 낮추는 것 등—St 등급에 영향을 미칠 수 있습니다.

혼합기 및 분말 공정에 대한 실용적 의의

분말 형태의 제품을 가공하기 위해 믹서를 사용할 경우, 특히 충전, 혼합 및 배출 과정에서 내부 공간에 거의 항상 분진-공기 혼합물이 발생합니다. 따라서 제품의 분류는 폭발 방지 계획 및 설비 설계에 있어 핵심적인 요소입니다.

믹서의 설계 및 구조

St1 제품: 정의된 압력 충격 저항(약 10 bar)을 갖춘 일반적인 설계. 파열판 또는 무화염 압력 방출 장치를 통한 구조적 방폭 설계가 가능합니다. 하우징 강도 설계는 대개 경제적으로 잘 관리할 수 있습니다.

St2 제품: 기계적 강도에 대한 요구 사항이 높으며, 대개 폭발 압력 충격에 견디는 구조로 설계됩니다. 훨씬 더 빠르게 상승하는 압력을 안전하게 배출하기 위해서는 더 큰 크기의 압력 완화 면적이 필요합니다. 압력 완화는 종종 HRD 소화제 탱크와 같은 폭발 억제 장치와 밸브 차단 장치, 셀 휠 록, 소화제 차단 장치를 통해 상·하류 설비 부분 간의 폭발 격리 기능을 결합하여 구현됩니다.

St3 제품: 일반적으로 밀폐형이며, 압력 충격에 견디도록 설계된 장치로, 불활성화 및 산소 모니터링 시스템과 연계되어 있습니다. 압력 상승 시간이 매우 짧기 때문에 단순한 압력 배출만으로는 충분하지 않은 경우가 많으며, 이를 실현하려면 불균형적으로 큰 배출 면적이 필요합니다. 점화원 방지 조치가 더욱 강화되며, 분리 장치는 사실상 항상 필요하고, 소화제의 선택은 금속 분진의 반응성에 맞춰야 합니다.

믹서는 일반적으로 내부 용적이 크기 때문에, 폭발의 강도와 총 하중은 용적에 비례하여 증가합니다. 따라서 안전하고 경제적인 설계 차원에서는 정확한 등급 분류가 필수적입니다.

발화원 방지 및 ATEX 규정 준수

• 정전기 방전을 최소화하기 위해 모든 설비 부품에 걸쳐 연속적인 접지를 실시
• 구역 분류에 따라 방폭형 구동 장치, 센서 및 전기 설비의 사용
• 베어링, 샤프트 관통부 및 씰 부품의 온도 및 상태 모니터링
• 기계적 스파크 발생을 방지하기 위한 적절한 설계 조치

보호 조치의 선정 및 규모 결정

Kst 값, 최대 폭발 압력 pmax, 최소 점화 에너지(MZE) 및 최소 점화 온도(MZT)에 따라 구체적인 보호 조치를 선정하고 설계하며, 예를 들면 다음과 같습니다:

• 파열판, Q-파이프 또는 무화염 배출을 이용한 폭발 압력 배출• 
• 신속 소화 시스템을 통한 폭발 억제
• 혼합기와 인접한 장치 사이에 기계적 또는 화학적 차단 장치를 설치하여 폭발 전파를 차단

• 산소 모니터링을 통한 불활성화

   

문서화 및 특성치에 대한 요구 사항

믹서나 분말 설비를 올바르게 설계하기 위해서는 설비 제작사가 제품의 안전 기술적 특성을 파악해야 하며, 일반적으로 다음과 같습니다:• 

• Kst – 먼지 특이 상수
• pmax – 최대 폭발 과압
• MZE – 최소 점화 에너지
• MZT – 최소 점화 온도

이러한 특성값은 지침 1999/92/EG에 따라 폭발 방지 문서에 기재하고 지속적으로 갱신해야 합니다. 가연성 가스, 증기 또는 용제가 추가되는 경우에는 하이브리드 혼합물의 특성값도 추가로 산정해야 합니다.

실무 지침

• 실험실 시험: 분진은 Kst, pmax, MZE 및 MZT에 대해 인증된 시험소에서 분석되어야 합니다. 그래야만 St0에서 St3까지 신뢰할 수 있는 등급 분류가 가능하며, 믹서를 정확하고 경제적으로 설계할 수 있습니다.
• 정기적인 업데이트: 배합 변경, 새로운 원료 공급업체, 건조 조건의 변경 또는 분쇄 입도의 미세화는 폭발 관련 지표에 영향을 미칠 수 있습니다. 정기적인 검토를 통해 폭발 방지 방안이 실제 제품에 계속해서 적합한지 확인할 수 있습니다.

• 사후 개조 및 조정: 특성 값이 변경될 경우(예: St1에서 St2로 전환 시), 부하 완화 장치 및 억제 시스템의 사후 개조나 구역 구분의 조정이 필요할 수 있습니다. 조기에 평가를 실시하면 잘못된 투자와 생산 중단을 방지할 수 있습니다.

   

혼동 가능성에 대한 안내

다른 기술적 또는 법적 맥락에서는 St1 및 St2라는 용어가 단체협약상의 업무 분류나 표면 전처리 단계 등 완전히 다른 분류를 의미할 수 있습니다. 그러나 공정 공학, 혼합 기술 및 혼합기 운영 분야에서는 이 용어가 사실상 항상 본 문서에서 설명한 분진 폭발 등급을 의미합니다.