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최근 수정 시각 : 2024-11-09 21:45:23

분진폭발

1. 개요2. 상세3. 폭발 원리
3.1. 분진폭발 요인3.2. 분진 분류3.3. 분진폭발 등급
4. 폭발 특징5. 실제 사례6. 각종 매체에 등장한 분진 폭발7. 관련 무기

1. 개요

분진폭발()은 아주 미세한 가연성의 입자가 공기 중에 적당한[1] 농도로 퍼져 있을 때, 약간의 불꽃, 혹은 열만으로 돌발적인 연쇄 산화-연소를 일으켜 폭발하는 현상을 말한다.

2. 상세

주로 목공소(톱밥), 석탄갱 및 석탄공장(석탄분진), 제분소(밀가루), 철공소(철가루), 플라스틱 가공공장(플라스틱 가루) 등에서 잘 일어난다.#

단, 여름과 같이 습도가 높거나 산소 농도가 낮을 경우에는 위의 조건이 충족된다 해도 폭발은 일어나지 않는다. 또, 분진이 가라앉지 않고 분진과 공기의 혼합 상태가 일정히 유지될 수 있는 상태가 아닌 이상 위의 조건이 맞춰지기 어렵다.[2] 바꾸어 말하자면 조건만 갖추어지면 분말 상태에서 연소가 가능한 것은 뭐든지 폭발시킬 수 있다는 소리가 되는데 타기 쉬운 물질일수록 그 폭발력은 높아지고 점화 난이도는 낮아지게 된다.

이하 분진폭발의 조건.
분진폭발을 일으키는 고체의 폭발 입경=500 마이크로미터 이하
분진의 폭발 범위 하한 값=25~ 45mg/L, 상한 값=80mg/L
분진의 착화 에너지: 10-3~10-2줄(J)||[단,]

3. 폭발 원리

분진폭발은 분진 분자의 표면에서 산소와 반응이 일어나는 것으로써 가스폭발처럼 공기와 가연물이 균일하게 혼합된 상태에서 반응하는 것이 아니고, 일정한 덩어리로 되어 있는 가연물의 주위에 산화제가 존재하여 불균일한 상태에서 반응이 일어난다.

물질의 화학반응 속도는 반응에 참여하는 각 물질의 접촉면적에 비례한다. 연소반응은 물질(연료)과 산소 간의 반응이므로 접촉면적의 관점에서 볼 때, 덩어리가 져있다면 가루 상태로 공기 중에 흩뿌려진 상태보다 접촉면이 적어 덩어리 상태보다는 가루 상태(특히 공중에 날리는 상태)일 때 더 빠르게 화학반응이 일어난다.[4] 이렇게 가루가 산소와 접촉이 양호한 형태로 흩뿌려져 있고, 연쇄 작용을 할 수 있는 거리 안에 분포되어 있다면 각 입자 간 연쇄반응을 일으켜 큰 폭발로 번지는 원리이다.

분진폭발이 일어나는 단계는 아래와 같다.

3.1. 분진폭발 요인

분진폭발은 분진의 화학적 성질과 조성과 관계가 있다. 휘발성분 함유량이 클수록 위험하며 회분(ash)의 함유량이 적을수록 발열량이 크다.

연소반응은 분진 입자의 표면에서 일어나기 때문에 연소에 의해 일어나는 압력 상승률은 대개 흩어진 분진 입자의 표면적에 따라 달라진다. 따라서 표면적이 입자 체적에 비해서 커지면 열의 발생 속도가 방산 속도보다 커져서 열축적이 발생한다. 분진 물질 전체 표면적의 주어진 양에 대한 결과적인 폭발의 격렬함은 입자 크기가 감소하면 증가한다. 입자가 작을수록 폭발은 더욱 격렬해진다. 일반적으로 가연성 분진 의의 폭발 위험 농도는 입자가 직경 420 마이크로미터 이하일 때이다.[단,] 하지만 입자가 너무 작아지면 분진의 종류에 따라 서로 끌어당기는 힘이 커져 폭발성이 감소하는 경우도 있다.

분진폭발은 수분에도 영향을 받는데, 수분에 의하여 부유성이 가감소하고 수분의 증발로 점화에 필요한 에너지가 증가, 그리고 수증기가 불활성 가스 역할을 한다. 습도의 한계치 이상에서는 분진 부유물이 착화되지 않을 것이다. 그러나 주변 공기의 함수율은 일단 연소가 시작된 다음에는 확산 반응에 거의 영향을 주지 않는다.

마그네슘, 알루미늄 등과 같은 금속성 물질은 물과 반응하여 가연성 가스(수소)와 열을 발생하므로 위험성이 증가한다.

부유분진, 공기 혼합기 내에서의 난류는 연소 속도를 크게 증가시키고 그로 인하여 압력 상승률도 증가시킨다. 밀폐된 용기의 모양과 크기는 난류의 특성에 영향을 줌으로써 분진폭발의 강도에 큰 영향을 줄 수가 있다.

분진폭발과 일반 연소를 구분하는 요소는 분진폭발은 분산(dispersion)과 밀폐(confinement)라는 요소가 추가적으로 필요하다는 것이다. 밀폐환경과 분산이 동시이 조성되었을 경우 분진폭발의 가능성이 있으나, 밀폐환경이 없을 경우 섬광화재(flash fire)로만 그 피해규모가 감소할 가능성이 있다.

3.2. 분진 분류

분진은 그 발화 온도에 따라 아래와 같이 3등급으로 분류되며 분진이 공기 중에 부유하여 전기, 전자기기의 고온부에 접촉하거나 쌓이거나 하면 발화 또는 폭발의 위험이 있다. 때문에 분진 방폭구조의 전자, 전기기기는 대상 분진의 발화 온도에 따라 기기의 온도 상승을 억제하여야 할 것이다.

현재는 가스는 T등급으로 분류하고 분진은 I등급으로 분류하고 있다. 하지만 분진은 취급장소의 각각의 물질을 실험을 통해서 그 실험 결과에 적합한 기기를 사용하도록 되어 있다.
분진의 발화도
발화도 분진의 발화온도
I1 270°C 이상인 것
I2 200°C 초과 270°C 미만인 것
I3 150°C 초과 200°C 미만인 것
발화도에 따른 분진의 분류
발화도 폭연성 분진 가연성 분진
전도성 비전도성
I1 마그네슘, 알루미늄, 알루미늄브론즈 아연, 코크스, 카본블랙 소맥, 고무, 염료, 페놀수지, 폴리에틸렌
I2 알루미늄(수지) 철, 석탄 코코아, 리그닌, 쌀겨
I3 N/A N/A 유황
발화 온도를 결정할 때는 공기 중 부유한 상태의 발화 온도와 쌓였을 때 (분진층) 실험을 통해 발화 온도 중 낮은 쪽을 선택하여야 한다. 가장 낮은 온도의 분진이 위험하기 때문이다.

3.3. 분진폭발 등급

분진의 위험성을 미국에서는 폭발 지수(Explosion index)로 나타내고 있다.
폭발정도 발화감도 폭발강도 폭발지수
약한 폭발 0.2 미만 0.5 미만 0.1 미만
중간 폭발 0.2~1.0 0.5~1.0 0.1~1.0
강한 폭발 1.0~5.0 1.0~2.0 1.0~10
매우 강한 폭발 5.0 초과 2.0 초과 10 초과
폭발 지수는 미국 광산국이 상대적인 분진의 폭발성을 나타내는 수치로서, 미국 펜실베이니아 주 피츠버그 시 부근에서 생산되는 석탄분진을 기준으로 하여 발화 감도×폭발 강도를 가지고 산출한 상대적 지수이다.

4. 폭발 특징

가스폭발에 비해 연소 속도나 폭발 압력은 작으나 연소시간이 길고 발생 에너지가 크기 때문에 파괴력과 연소 정도가 크다. 발생 에너지는 최고치에서 비교한 경우 가스폭발의 수배 정도이고 온도는 2,000~3,000°C까지 상승한다. 이는 가스에 비해 분진이 단위체적당의 탄화수소량이 많기 때문이다. 화염의 전파속도는 상온, 상압 하에서 초기에는 2~3m/s정도이며 연소한 분진의 팽창에 의해 압력이 상승하므로 가속도 적으로 빨라지게 된다. 또한 폭발에 의한 압력으로 화염의 전파속도는 300m/s 정도까지 증가하게 된다.

연소열에 의해 화재가 동반되며 연소 입자의 비산으로 인체에 닿으면 심한 화상이나 점화원이 될 수 있다. 연료 과잉에 의한 불완전 연소가 되어 일산화탄소가 다량으로 존재하여 가스중독의 위험이 있다. 이는 단위공간당의 산소 연료비가 가스에 비해서 연료 과잉상태가 되어 불완전연소를 발생시킬 수가 있다. 즉, 이산화탄소, 메탄, 수소, 이외에 건류 가스의 발생도 있고 시안화수소와 같은 유독가스도 존재한다. 따라서 탄광 등 폐쇄된 장소에서의 분진폭발에 의한 사망원인은 폭발 압력보다 불완전연소가스에 의한 질식사가 대부분이다.

분진폭발의 특징은 분진폭발이 아닌 섬광화재 수준의 1차 소규모 폭발도 2차 혹은 연쇄적인 추가 폭발로 이어질 수 있다는 것이다. 소규모 폭발로 인한 충격이 추가적인 분진 비산을 만들 수 있다. 이 경우, 그 예상 피해를 가늠하는 것은 매우 어렵게 된다.

5. 실제 사례

중세~근대 유럽에서 밀가루 만드는 풍차를 가끔 통째로 날려먹었다는 이야기의 원인이 분진폭발이다. 쉴새없이 방아질을 하면서 밀가루[6]에서 먼지와 마찰열이 일어나는데 이 밀가루 먼지가 지나치게 곱기 때문에 표면적이 매우 넓고 그만큼 공기와의 접촉면도 매우 넓어서 매우 빠른 속도로 산소를 흡수하며 마찰열에 의해 공중에서 날리는 도중에 타버리는 것이다. 한 번 미세한 발화가 일어나면 주변의 모든 먼지까지 한꺼번에 타버리면서 큰 폭발이 발생하는 것이고 이러면 작은 풍차 하나 정도는 박살이 날 수 있다.

가연성 액체 또한 에어로졸 형태로 뿌려서 분진폭발을 일으킬 수 있는데, 이를 무기로써 활용한 것이 열압력화기(기화폭탄)이다.

대한민국 내 사고 사례로, 1999년 9월 18일 낮 서울대학교 원자핵공학과 실험동에서 알루미늄 분진이 폭발하면서 대학원생 3명이 숨지고 1명이 중상, 11명이 경상을 입었다.[7] 그 당시 학교를 다녔던 사람의 증언에 의하면 거리가 좀 있는 서울대학교 학생회관까지 파편이 튈 정도로 폭발 강도가 컸다 한다. 이후 서울대학교 아랫 공대(30~33동) 건물의 공대 간이식당 근방에 희생자들을 위한 위령비가 세워져 있다. 하필 산화가 잘 일어나는(=잘 타는) 알루미늄이어서 쉽게 사고가 난 것이다. 참고로 알루미늄 분말은 고체연료를 혼합하여 연소율을 높이긴 하지만 그 자체만으로 미사일이나 여러 추진체의 연료로 사용된다.

그리고 미국 미네소타 주 미니애폴리스 시에서 일어난 와시번(Washburn) A 제분소 폭발 사고가 있다. 1874년에 완공된 이 제분소는 당시 세계에서 가장 큰 규모의 밀 제분소였다. 1878년 5월 2일, 제분소 내에서 불똥이 튀면서 공기 중에 퍼져 있는 밀가루 분진이 인화, 폭발하며 14명이 사망하고 뒤이은 화재로 4명이 추가로 사망하여 총 18명의 사망자를 냈고 근처의 다른 제분소 5개도 파괴되는 큰 사고였다.

1913년 6월 미국 뉴욕 주 버펄로의 한 제분소에서는 이보다 더 큰 피해를 낸 분진폭발 사고가 일어났는데, 이 사고는 사망자 33명에 부상자 80여 명에 달하는 인명피해를 냈다.

1963년 11월 9일에는 일본 후쿠오카 현 오무타에 있던 미츠이 미이케 탄광에서 석탄가루에 의한 분진 대폭발로 458명이 사망하고 839명이 일산화탄소 중독 등으로 부상하는 일본 광업 사상 최악의 대참사가 벌어졌다.[8] 공교롭게도 이 날에는 일본 국철2차대전 후 5대 참사로 손꼽히는 츠루미 사고까지 동시에 일어났기 때문에 '피투성이 토요일'로 불렸다. 자세한 내용은 미이케 탄광 폭발사고 참고.

2003년 12월 울산의 한 옥수수 저장창고에서 노동자들이 작업을 마치고 창고 안에서 담배를 피울려던 찰나 공중에 흩날리는 옥수수가루에 분진폭발하면서 7층 높이에 있던 외벽이 파손되었다. 이 사례는 위기탈출 넘버원 65회[9]에서 분진폭발 사례로 언급되었으며, 지금도 분진폭발 사고의 주요 사례로 이 사례가 나오곤 한다.

2015년 6월 27일 대만 신베이 시에서 일어난 포모사 펀 코스트 워터파크 폭발사고는 옥수수 전분이 폭발해 15명이 사망한 사례다.

2018년 8월 8일 경기도 포천시 신북면의 한 석탄화력발전소에서 폭발이 일어나 5명 정도가 사상당했는데, 이 원인을 석탄 가루로 인한 분진 폭발을 원인으로 잡고 있다.#

무속신앙에서도 분진폭발을 이용한 행위가 있다. 화전치기 혹은 화전굿으로 불리는 행위인데, 굿 도중 횃불에 대고 손으로 밀가루를 집어던질 때 순간적으로 불덩어리가 생긴다. 액운을 소멸하고 잡귀를 쫒기 위한 의식이라고 한다.

6. 각종 매체에 등장한 분진 폭발

아주 뜬금없이, 그리고 상대의 허를 찌르는 폭발 장면을 연출하기 좋기 때문에 서브컬처에서도 자주 우려 먹히는 소재다.

현실에 맞게 탄광이나 땅굴같이 밀폐 환경에서 사용하거나 아예 밀폐 환경을 조성하는 경우도 있지만 확 트인 곳에 밀가루만 뿌리고서 분진폭발을 일으키는 재현 오류도 자주 보인다.[10]

7. 관련 무기



[1] 1㎥당 40~4,000g 정도.[2] 어렵기만 하지 불가능한 건 아니다. 하지만 실제로는 공기 중으로 가연성 입자들이 금방 퍼지기에 밖에서 분진폭발을 일으키려면 엄청나게 많은 가연성 입자들이 필요하다.[단,] 주변 환경에 따라 0.1J 수준까지 올라가는 경우도 있다.[4] 이에 확인하는 간단한 실험이 각설탕과 가루 설탕을 물에 넣어 녹는 시간을 재는 실험이 있다.[단,] 이 최소 입도에 대하여 자료마다 수치가 다르다.[6] 수분이 있는 생밀 그대로 빻으면 가루가 아니라 반죽이 돼버리기 때문에 당연히 바짝 건조시켜서 습기를 최대한 날린다.[7] 폭발 당시 2000학년도 입시 교장추천제 제2차 논술시험이 진행 중이었다. 천둥과 같은 소리가 들렸고 일부 시험장은 유리창이 깨져 수험생이 다치기도 했으나 시험 자체는 그대로 진행되었다.[8] 특히 이 사고는 분진폭발에서 생기는 일산화탄소의 무서움을 잘 보여주는데, 실제 폭발로 인한 사망자는 30명이 되지 않으나 일산화탄소 중독으로 인해 사망자가 곱절로 늘어난 사건이다.[9] 2006년 11월 11일 방송분.[10] 물론 조건이 갖춰지면 실외에서도 분진폭발을 일으킬 수는 있지만, 공기가 잘 통해서 금방 흩어져버리는 실외에서 그 정도 농도의 분진을 유지시키는 건 당연히 쉬운 일이 아니다. 실외에서 분진폭발이 일어나려면 뒷골목처럼 공기가 잘 안 통해 분진이 퍼지기 힘든 장소이거나, 대량의 분진이 순식간에 발생했고 마침 점화원도 근처에 있어서 분진이 퍼질 틈도 없이 폭발이 일어나야 한다.[11] 이계에서 소환된 엘드리치 느낌의 마물인데, 거대한 촉수달린 기분나쁜 커다란 눈알의 형태를 하고 있고, 바라보는 것으로 술사를 디스펠(시전자를 날려버려 주문을 끊는다)하거나 눈동자에서 고열량의 무기물을 녹이고 유기물을 한 줌의 재로 만들어버리는 살인적인 파괴력의 레이저를 쏜다. 외형 탓에 다들 그냥 고블린 슬레이어를 따라 왕눈깔이라고 부른다.(...)[12] 당연히 물이 가득 차있었다.[13] 이 전자식 격발은 1970~1980년대에 테러리스트들이 쓰던 것을 모방한 것이라고 한다.[14] 그와 동시에 이우일의 일러스트레이션 속 노빈손이 "콩가루 집안의 최후다!!"라고 외친다.[15] 사실 이때 분진폭발이 일어나기 어려웠는데, 일단 주변 환경이 아마존의 정글인지라 습도가 높았다. 다행히 밀렵꾼 일당이 창고 안으로 들어가 불을 피우는 것으로 알아서 습도를 낮춰주었고, 그들의 머리 위로 곱게 빻은 콩가루를 뿌려서 폭발을 일으킨다.[16] 이건 2G의 변경사항. DOS와 2nd, 프론티어 때엔 분진 색상 구분 없이 그냥 시간차로 알아야 했다.[17] 실외에서는 분진폭발을 일으키기 어렵지만, 바람이 전혀 불지 않을 때 엄청난 양의 밀가루가 사방에 뿌려진 상태에서 입자들이 흩어지기 전에 폭발했으니 재현 오류는 아니다.[18] 어마금 코믹스에서는 컨테이너 박스끼리의 마찰로 인해 생긴 불꽃으로 인해 폭발한다.[19] 우거진 열대우림이라 바람도 안 불고 습도도 높던 상황. 인공위성의 레이저로 밀가루를 쏘기만 하면 되었다.[20] 용병이 문을 열고 섬광탄을 던지는 바람에 밀가루에 불이 붙어 폭발하게 되었다.[21] 밀가루 등을 썼다. 그녀가 만들 수 있는 건 먹거리 뿐.[22] 그 방 자체가 승용차만한 길티라우가 사람 몇 명과 술래잡기가 가능할 정도로 넓은 데다가, 길티라우가 이곳저곳 들이받아 만든 넓은 구멍이 한둘이 아니라 바람이 잘 통했다.[21] 이때 일행 중 일부는 벽 뒤에 숨었다. 기관총이서 다행이지, 기관포였으면 끔살 확정이다

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