분진 폭발 위험이 있을 때 통상적으로 사용되는 방폭 콘셉트(내폭압충격 구조, 불활성화, 디커플링)는 무엇입니까?
분진 폭발 위험이 있는 경우 예방적 조치와 구조적 보호 조치가 결합됩니다. 우선 위험한 폭발성 분진 대기와 유효한 점화원을 피해야 합니다. 이것이 충분한 안전성으로 불가능한 경우, 구조적 조치는 발생 가능한 폭발의 영향을 허용 가능한 수준으로 제한합니다. TRGS 724는 이를 위해 내폭압 구조, 폭발 압력 방출, 폭발 억제, 화염 및 압력에 대한 폭발 기술적 디커플링이라는 네 가지 기본 조치를 명시하고 있습니다.
보호 콘셉트의 선택은 안전 관련 물질 데이터, 장치 크기, 연결된 배관, 설치 장소, 운전 콘셉트 및 사고 발생 시 예상되는 결과에 따라 달라집니다. 특히 관련 데이터로는 KSt, 최대 폭발 압력 pmax, 최소 점화 에너지, 최소 점화 온도, 입자 크기, 습도, 전기 전도도, 그리고 필요한 경우 혼합 가스(하이브리드 혼합물) 데이터가 있습니다.
내폭압 구조
내폭압 장치, 예를 들어 혼합기, 필터, 사일로, 사이클론, 건조기 또는 배관은 예상되는 내부 폭발에도 파열되지 않고 견디도록 설계됩니다. 폭발 또는 폭굉 사고 이후에는 영향을 받은 설비 부품에 대해 내폭압성이 계속 유지되는지 점검해야 합니다.
이때 내폭압 구조와 내폭압충격 구조를 구분합니다. 내폭압 구성 요소는 영구 변형 없이 최대 또는 저감된 폭발 압력을 견딥니다. 내폭압충격 구성 요소는 소성 변형은 허용되지만, 파열되거나 위험하게 누출되어서는 안 됩니다. 내폭압 구조는 동시에 내폭압충격 구조의 요구 사항도 충족합니다.
설계는 최대 폭발 압력을 기준으로 하거나, 효과적인 압력 방출 또는 폭발 억제가 계획된 경우에는 저감된 폭발 압력 pred를 기준으로 이루어질 수 있습니다. "8~10 bar"와 같은 일반적인 수치는 특정 장치에 대한 설계 근거가 될 수 없습니다. 이 값은 분진, 혼합 가스, 초기 압력, 온도 및 기하 구조에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 검증된 물질 데이터와 공인된 규정에 기반한 프로젝트별 설계가 필요합니다.
불활성화
불활성화에서는 적절한 불활성 가스를 사용해 공정 공간의 산소 농도를 낮추거나, 대기를 대부분 불활성 가스로 대체합니다. 이를 통해 폭발이나 화재가 발생하거나 진전되지 않도록 합니다. 따라서 불활성화는 구조적 조치가 아니라 예방적 폭발 방지 조치입니다.
질소는 유기 분진과 많은 화학 분말에 자주 사용됩니다. 경우에 따라 이산화탄소나 아르곤도 적합할 수 있습니다. 다만 선택을 위해서는 화학적 반응성, 공정 온도, 부식 가능성, 제품 품질, 산업 안전 요건, 이상 발생 시 물질 거동에 대한 평가가 선행되어야 합니다. 반응성이 높은 금속 분말의 경우 부적합한 불활성 가스가 오히려 추가적인 위험을 초래할 수 있습니다.
허용 산소 값은 해당 분진-불활성 가스 시스템에 대해 결정된 한계 산소 농도보다 낮아야 합니다. 이는 안전 여유를 두고 설정되며, 측정 불확도, 누설, 압력 및 온도 변동, 습도, 제품 교체, 산소 방출 가능성을 고려합니다. 잔류 산소에 대한 일반적인 목표값만으로는 충분하지 않습니다.
일반적인 방법으로는 배치 공정에서의 진공-압력 교환 불활성화, 연속 설비에서의 퍼지 또는 유통식 불활성화, 그리고 경미한 불활성 가스 과압을 통한 대기 유지가 있습니다. 안전한 구현을 위해서는 충분히 기밀한 설비, 적절한 불활성 가스 공급, 대표성 있는 산소 측정, 경보 한계값, 인터록, 그리고 이상 상황이나 전원 차단에 대한 대응 콘셉트가 필요합니다.
디커플링과 후속 보호
폭발 기술적 디커플링은 압력, 화염 또는 연소 중인 입자가 배관과 이송 경로를 통해 다른 설비 부분으로 번지는 것을 방지합니다. 이는 특히 혼합기, 필터, 사일로, 사이클론, 이송 장치, 건조기, 충전 설비 사이의 접점에서 중요합니다. 적절한 디커플링이 없으면 작은 장치 용적에서 발생한 폭발이 연결된 더 큰 설비 영역으로 번질 수 있습니다.
디커플링 수단으로는 예를 들어 폭발 방지에 적합한 역류 방지 플랩, 급속 차단 슬라이드 밸브, 폭발 방지 밸브, 소화제 배리어, 또는 인증된 로터리 밸브(셀룰러 휠 슬루스)가 있습니다. 개별 조치는 분진 폭발 등급, 배관 형상, 흐름 방향, 처리량, 압력 조건 및 설치 위치에 맞아야 합니다. 로터리 밸브는 이 보호 기능을 위해 명시적으로 설계되고 적절히 설치되며 정기적으로 점검되는 경우에만 디커플링 수단으로 유효합니다.
압력 방출과 폭발 억제는 앞서 언급한 콘셉트를 보완합니다. 압력 방출 시에는 파열판이나 방출 플랩이 열려 압력과 화염이 안전한 구역으로 배출됩니다. 옥외로의 방출이 불가능한 경우에는 무화염 방출 시스템이나 억제 설비가 필요할 수 있습니다. 폭발 억제 시스템은 사고 초기를 감지하여 소화제를 투입함으로써 압력 상승을 제한합니다. 두 방식 모두 조화로운 설계, 점검 및 유지 보수가 필요합니다.
amixon®이 분진 폭발성 분말의 폭발 방지를 지원하는 방법
제품 공간의 ATEX 적합 설계
분진 폭발성 분말의 경우 혼합기, 조립기, 건조기 또는 반응기의 내부는 흔히 존 20으로 분류됩니다. 존 20은 폭발성 분진 대기가 지속적으로, 장시간 또는 자주 존재하는 영역을 말합니다. 다만 전체 설비의 최종적인 존 구분은 위험성 평가의 틀 안에서 운영자가 결정합니다. 여기에는 혼합기뿐만 아니라 계량, 충전, 배출, 필터, 이송관, 사일로, 충전 설비, 설치 공간도 포함됩니다.
amixon®은 존 20으로 분류된 제품 공간을 갖춘 응용을 위해 혼합기, 조립기, 진공 혼합건조기, 혼합 반응기를 제작할 수 있습니다. 이는 시리즈, 크기 및 프로젝트 구성에 따라 단축 혼합기, 수직형 및 원추형 혼합기, 컨테이너 혼합기, 연속 혼합기뿐만 아니라 VMT 및 AMT 시리즈의 진공 혼합건조기와 혼합 반응기에도 해당됩니다. 구체적인 장치 사양, 기기 카테고리, 허용 표면 온도, 전기 및 비전기 장비, 필요한 문서는 물질 데이터와 공정 조건을 바탕으로 프로젝트별로 결정됩니다.
ATEX 제품 지침 2014/34/EU는 폭발 위험 지역용 기기 및 보호 시스템에 대한 요구 사항을 규정합니다. ATEX 운영 지침 1999/92/EG는 운영자에게 위험성 평가, 존 구분, 폭발 방지 문서 작성 의무를 부과합니다. 존 20으로 분류된 제품 공간에는 원칙적으로 매우 높은 보호 수준이 요구되며, 이는 통상 카테고리 1D 사양에 해당합니다.
점화원과 기밀성
낮은 공구 속도는 기계적 에너지 유입과 마찰, 충돌, 마모 에너지를 제한할 수 있습니다. 수직 혼합기 VM 및 HM에 대해 amixon®은 약 0,8~3,5 m/s의 조정 가능한 범위를 제시하고 있습니다. 이러한 운전 방식은 민감한 분말의 경우 입자 손상을 추가로 줄일 수 있습니다. 그러나 이는 혼합기 내에서 유효한 점화원이 발생할 수 없다는 일반적인 증명이 되지는 않습니다. 낮은 회전 속도에서도 베어링, 실링, 축, 공구-벽 접촉, 이물질, 막힘, 표면 온도, 정전기 대전, 전기 부품 등을 평가해야 합니다.
혼합 공간과 혼합 공구는 이음매가 적게 설계되고 연마 처리될 수 있습니다. OmgaSeal® 실링이 적용된 Clever-Cut® 점검문은 amixon®에 따르면 제품 공간을 데드스페이스 없이 밀폐하도록 설계되었습니다. 이러한 특징은 분진 누출과 퇴적을 줄일 수 있습니다. 그러나 실제 기밀성은 압력차, 실링 재질, 마모, 조립, 유지 보수 및 구체적인 공정 운영에 의해서도 좌우됩니다. 방진 구조는 분진 퇴적 위험을 줄이지만, 효과적인 세정 콘셉트나 2차 폭발 가능성에 대한 평가를 대체하지는 않습니다.
ATEX에 부합하는 전체 콘셉트를 위해서는 온도 및 토크 모니터링, 적절한 베어링 및 실링 콘셉트, 이물질 관리, 접지, 등전위 접속, 예방적 유지 보수가 필요할 수 있습니다. 분진층의 경우 TRGS 723은 위험성 평가에서 다른 규정을 허용하지 않는 한, 분진층의 최소 점화 온도와 표면 온도 사이에 원칙적으로 75°C의 안전 간격을 두도록 명시하고 있습니다.
압력 설계와 디커플링
진공 혼합건조기 및 혼합 반응기 VMT와 AMT는 가스 기밀, 진공 기밀, 압력 기밀 구조로 제작될 수 있습니다. 이러한 특성은 진공, 과압 또는 불활성 가스 대기 하의 공정에 필요합니다. 그러나 이것이 장치가 자동으로 내폭압 또는 내폭압충격 구조로 설계되었음을 의미하지는 않습니다. 해당 설계는 명시적으로 지정되어야 하며, KSt, pmax, 최소 점화 에너지, 점화 온도, 습도, 입자 크기, 발생 가능한 혼합 가스 등 안전 관련 물질 데이터를 기반으로 합니다.
내폭압 또는 내폭압충격 구조는 구조적 폭발 방지 콘셉트의 일부가 될 수 있습니다. 이는 보호 전략에 따라 최대 폭발 압력을 기준으로 하거나, 압력 방출 또는 억제를 통해 저감된 폭발 압력을 기준으로 설계됩니다. 사고 발생 후에는 영향을 받은 구성 요소의 지속적인 무결성과 사용 가능 여부를 점검해야 합니다.
폭발 기술적 디커플링은 압력, 화염 또는 연소 중인 입자가 연결 배관을 통해 다른 설비 부분으로 번질 수 있는 경우 필요합니다. 이는 특히 혼합기, 필터, 사일로, 건조기, 이송 장치, 충전 설비 사이의 접점에 해당됩니다. 적절한 조치로는 폭발 방지 검증을 거친 역류 방지 플랩, 급속 차단 슬라이드 밸브, 폭발 방지 밸브, 소화제 배리어, 또는 적합한 로터리 밸브가 있습니다. 선정 및 설계는 구체적인 공정 라인, 분진 폭발 등급, 배관 형상, 처리량, 압력 조건에 따라 이루어집니다.
예방 조치로서의 불활성화
불활성화는 예방적 폭발 방지 조치로 사용될 수 있습니다. 이때 적절한 불활성 가스를 통해 공정 공간의 산소 농도를 해당 분진-불활성 가스 시스템에 대해 결정된 한계 산소 농도보다 낮은 안전한 값으로 낮춥니다. 진공 장치에서는 예를 들어 반복적인 배기와 그 후 적절한 불활성 가스로의 재충전을 통해 대기를 조정할 수 있습니다. amixon®은 이러한 원리를 진공 혼합건조기와 합성 반응기에 대해 설명하고 있습니다.
이를 위해서는 충분히 기밀한 설비, 적절한 불활성 가스 공급, 정해진 배기 및 퍼지 시퀀스, 대표성 있는 산소 측정, 경보 한계값, 안전 관련 인터록이 전제됩니다. 허용 산소 설정값은 구체적인 레시피, 불활성 가스, 압력, 온도, 습도, 측정 불확도에 맞춰 정의되어야 합니다. 일반적인 산소 설정값만으로는 충분하지 않습니다.
불활성화는 폭발성 대기가 형성될 확률을 낮추지만, 다른 모든 보호 조치를 대체하지는 않습니다. 자연 발화, 열분해, 발열 반응 또는 퇴적물 내 화재 가능성에 대해서는 자동으로 보호되지 않습니다. 산화성 성분과 반응성 분말의 경우 불활성 가스의 적합성과 불활성화의 효과를 특히 신중하게 검토해야 합니다.
테스트와 설계
설계는 안전 관련 물질 데이터, 운영자의 사용자 요구 사양(User Requirement Specification), 그리고 전체 설비 연계에 대한 고찰을 따릅니다. 원제품을 이용한 테스트는 예를 들어 혼합 품질, 온도 변화, 액체 분산, 부착물, 배출, 세정성, 진공 하의 거동과 같은 공정 기술적 적합성을 평가할 수 있습니다. 그러나 이는 안전 관련 물질 시험, 압력 방출·억제·디커플링의 설계, 그리고 자격을 갖춘 폭발 방지 전문가에 의한 위험성 평가를 대체하지는 않습니다.
amixon®에 따르면 파더보른 본사에는 다양한 크기의 테스트 설비가 30기 이상 운영되고 있으며, 일본, 인도, 태국, 중국, 대한민국, 미국에도 추가 테크니쿰이 마련되어 있습니다. 테스트 결과는 혼합기, 공구, 실링, 열전달, 계량 콘셉트, 공정 운영의 선정을 지원할 수 있습니다.