분진 화재·폭발 사고 저감 방안 - KOSHA

1. 실리콘 등 가연성 분진 취급사업장 사고발생 현황

​

2차전지는 1차전지와 달리 방전 후에도 재충전하여 반복적으로 사용할 수 있다는 경제적인 장점과 납, 수은 등 환경 규제 물질도 포함하지 않는 등 친환경적이라는 특성으로 인해 미래 산업으로 각광받고 있다. 특히 2차전지의 핵심 구성요소인 양극제와 음극제 중에서 음극제는 기존의 흑연계 음극제보다 에너지 밀도가 더 높아 효율적인 실리콘 음극제(흑연+실리콘)에 대해 지속적으로 개발이 진행되는 등 관련 사업이 확대되는 실정이다.

​

또한, 폐태양광 패널이나 반도체 제조 시 배출되는 실리콘 슬러지를 재활용하여 생산하는 실리콘 음극제의 주원료인 실리콘 파우더를 취급하는 사업장도 증가할 것으로 예상된다.

​

실리콘 음극제 생산 등 관련 사업이 확대됨에 따라 원료로 사용되는 실리콘 파우더 등 가연성 분진을 취급하는 사업장에서 화재·폭발 유형의 중대재해가 빈번하게 발생하고 있다. 게다가 양극제와 달리 음극제를 취급하고 있는 주요 사업장은 소규모(10인 미만) 형태로 운영되고 있어 위험물질 취급이나 안전관리 등이 미흡한 상태로 파악된다.

​

’23년 12월 충남 아산시 소재 실리콘 파우더 생산 사업장에서 가연성 분진에 의한 폭발로 중대재해가 발생하였다 (사망 3, 부상 1). 공정 흐름에 의해 분포되어 있는 실리콘 파우더(미세입자)가 지속적으로 충돌, 분리된 상태에서 방전된 정전기로 인해 분진폭발이 발생함. 이 밖에도 마찰을 통해 화재를 일으키거나 촉진할 수 있는 가연성 분진의 특성에 따라 화재·폭발 사고가 반복하여 발생하였다.

가연성 분진 취급 사업장에서의 주요 사고사례

 

​

최근 5년 발생한 폭발·파열, 화재 재해 234건의 기인물(조사의견서 기준)을 확인한 결과, 분진 및 분말 형태의 고상(18%), 유증기 및 유체 등의 액상(35%), 가스 등의 기상(36%) 순으로 점유하고 있음이 확인되었다. 이는 가연성 분진에 의한 화재·폭발 비율이 기체 및 액체 위험물과 비교하여 적은 비율이 아닌 것으로 볼 수 있다.

​

​

​

2. 최근 가연성 분진 관련 사고사례

​

혼합된 발화제 연료 운반 중 정전기에 의한 분진폭발 사고

​

현장 개요 및 사고발생 상황

사고현장은 ○○메탈 공장 내 반응장으로, 다음날 작업을 위해 재해자가 반응실 출입구 측면에 위치한 작업대에 혼합된 발화제 원료를 운반하는 중 미상의 원인에 의해 폭발이 발생하여 작업자 1명이 화상 및 골절상으로 사망하였다. 사고는 다음날 사용할 발화제 제작을 위한 준비작업을 수행하던 중 발생하였다.

​

재해자는 원료창고동 내에서 알루미늄 파우더, 염소산나트륨, 황을 2 : 1 : 극소량의 비율로 배합하여, 스테인레스 재질 용기에 담아 별도의 덮개없이 용기를 들고 반응동으로 이동하여 발화제 제작 작업대에 가져다 놓으려 했던 것으로 추정되며, 재해발생 시각 당시에는 당일 반응장 내 반응실에서 이루어지는 테르밋 반응 관련 작업은 모두 완료된 후였다. 반응실 내부는 비워져 있었고, 반응실 입구에는 작업 시 사용하는 지게차가 시동이 꺼진 상태로 주차되어 있었던 것으로 확인되었다. 그리고 반응장 내 폭발 추정장소에는 재해자가 발화제 원료 용기를 가지고 들어오기 전까지는 별도의 화학물질이 없었던 것으로 추정되며, 반응장의 출입구는 열린 상태로 유지하고 있었던 것으로 확인되었다.

​

​

사고원인 추정 및 대책

재해자가 원료 용기에 배합하여 운반한 발화제의 65~70%의 비율을 차지하는 화학물질은 알루미늄 파우더로, 해당 분진은 다수의 분진폭발 사례의 가연물로 확인되는 등 폭발위험성이 높은 가연성 분진으로 추정된다.

​

사고발생 사업장에서 수집한 시료(알루미늄 파우더)에 대한 물리적 위험성 시험 결과, 해당 분진은 분진폭발등급 St.3으로 “폭발에 의한 위험성이 매우 큰 분진” 으로 나타났다. 그리고 최소점화에너지 측정을 위한 시험과정 중 10mJ에서 폭발이 관찰되었는데, 이는 인체에서 발생될 수 있는 불꽃방전에너지 20~30mJ보다 작아 정전기가 해당 알루미늄 분진의 점화원으로 작용할 가능성이 있음이 확인되었다. 반응장의 작업 여건 및 재해자가 착용한 안전화, 작업복 등을 종합적으로 고려하였을 때, 재해자의 인체에 축적된 정전기가 폭발 위치에서 미상의 사유로 일시에 방전되면서 점화원의 역할을 했을 것으로 추정되었다.

​

상기 조사 내용을 토대로 할 때, 알루미늄 파우더와 같은 가연성분진을 취급하여 인체에 대전된 정전기에 의한 화재 또는 폭발 위험이 있는 경우에는 작업장 바닥 및 관련설비 등에 도전성 유지, 정전기 대전방지용 안전화 착용 및 제전복 착용 등의 사전조치를 실시하여야 한다.

​

​

​

혼합된 금속분말 배출작업 중 화재·폭발 사고사례

​

현장 개요 및 사고발생 상황

공장 내 생산 공정에서 페로텅스텐을 생산하기 위해 작업자 4명이 배합기에서 혼합된 금속분말을 버킷으로 배출하던 중 배합기 투입부 부근에서 화재·폭발이 발생하여 작업자 2명이 화상을 입고 병원으로 이송, 치료 중 4월 19일 1명이 사망하였다.

​

페로텅스텐은 제철소에서 특수강 제조 시 사용하는 첨가제로, 원재료 (텅스텐정광, 산화텅스텐, 알루미늄, 분철, 형석)를 일정 비율로 배합한 혼합 금속분말을 테르밋 반응을 통해 용융하여 페로텅스텐을 생산한다.

​

재해발생 당시 알루미늄 삽으로 배합기에서 배출되어 버킷에 담긴 혼합물의 평탄화 작업을 하면서 배합기 투입구 안쪽을 빗자루로 약 30초 간 가격하던 중 투입구 부근에서 불꽃이 보이며 화재가 발생하였다.

​

​

사고원인 추정 및 대책

화재폭발 당시 배합기의 투입구와 배출구는 모두 개방상태로 공기(산소)는 충분한 상태였으며, 가연성 물질의 경우 배합작업 후 배합기 내에는 경금속인 알루미늄 분말이 배합기 내 빈 공간에 부유하면서 분진폭발이 일어날 수 있는 상태였으며, 나머지 물질들은 중력 침강으로 바닥에 쌓여 테르밋 반응이 일어날 수 있는 환경이 조성된 것으로 추정된다. 또한, 점화원의 경우 정전기는 배합기의 도전성 소재, 접지상태 등으로 보아 발생 가능성이 적으며, 마찰감도 시험 시 발생하는 폭점의 크기는 해당 작업자의 빗자루 작업 중 발생할 수 있어 점화원은 정전기보다 마찰 및 충격에 의해 발생했을 가능성이 높다.

​

당시 배합기 내 알루미늄 분진의 밀도는 빗자루 작업으로 인해 충분할 것으로 판단되나, 배합기 내의 분진 구성이 혼합 금속분말이 있는 상태에서 알루미늄 단독으로만 형성되었다고 특정하기는 어려우며, 빗자루 작업으로 발생한 혼합금속 분말의 마찰 및 충격에 따른 열축적으로 테르밋 반응으로 바로 진행되었거나 상부에 부유된 알루미늄 금속분말의 분진폭발이 선행된 후 테르밋 반응으로 진행된 것으로 추정된다.

​

상기 조사 내용을 토대로 할 때, 재해발생의 직접적인 원인으로는 가연성 고체인 알루미늄 분말이 포함된 혼합 금속분말을 배출작업 시 빗자루를 이용하여 직접적으로 충격을 가하면서 테르밋 반응을 유발한 것으로 보인다. 알루미늄 분말은 폭발농도 및 최소점화에너지가 낮아 분진폭발이 일어날 수 있으므로 알루미늄 분말 취급설비에 대해 폭발위험장소 구분도를 작성하여 관리하여야 하며, 생산 작업 변경 등에 따른 위험요인을 사전에 파악하고 대책을 수립하는 등의 작업계획을 면밀히 수립·이행하여야 할 것이다.

​

* 테르밋 반응: 알루미늄과 산화철 혼합물이 산화·환원되며 발생된 고온과 환원력을 이용하여 금속을 야금하는 방법

​

​

​

3. 이슈 및 시사점

​

알루미늄 분말 등 기존의 분진폭발 발생 가능성이 높은 기존 물질 외에도 산업구조 및 수요의 변화에 따른 새로운 위험성을 인지할 필요가 있다. 2차전지 음극재로 널리 쓰이는 실리콘(Si)은 폭발성이 있는 물질로, 사업장에서 분진 폭발 위험이 있는 미세한 가루형태의 실리콘 파우더나 음극재 등 분말을 취급할 경우에는 주의와 관리가 반드시 필요하다

​

가연성 분진은 직경 420㎛이하(40 메쉬 표준체 통과)의 미세한 분말 상의 물질인 분진이 크기와 모양에 관계없이 적절한 비율로 공기와 혼합되거나 기타 산화물 매개체와 일정 농도 이상으로 혼합되어 화재나 폭연의 위험성을 갖는 분말을 말한다. 분진과 공기의 혼합물이 점화되어 빠른 속도로 반응하여 다량의 에너지를 급격하게 분출하는 분진폭발은 고체 미립자 물질이 공기 중에 부유하는 상태에서 충분한 에너지의 점화원이 존재할 때 발생하며, 입자의 크기와 분자량이 다양하고 중력이 입자의 거동에 영향을 주기 때문에 일반적으로는 폭굉보다는 폭연의 형태로 나타난다.

​

분진폭발의 5요소는 기존의 폭발 3요소인 산소, 분진연료(Combustible Dust), 발화원에서 부유분진(분진이 공기 중에 떠다니고 있을 것)과 밀폐된 공간내에 있을 것이라는 2가지 조건이 추가되어 확장된 것으로, 분진 혼합물의 경우 중력의 영향을 많이 받으며 분진/산화재 서스펜션의 형성은 분진폭발의 전제조건이라 할 수 있다.

* 부유분진(Suspended in Air) : 분진이 쌓일 정도로 일정한 분진 밀도가 있어야 함

** 밀폐된 공간 : 분진폭발이 일어날 때의 충분한 압력을 유지하여야 함

​

반응 혼합물이 부분적 또는 완전 연소되면 밀폐(Confinement) 상태는 과압(Over pressure)을 형성하며 빠른 화염의 전파가 분진폭발로 전환하게 된다.

​

분진폭발 5요소

실리콘 파우더는 수분이 있는 상태의 실리콘 원료를 분쇄, 고온 건조 후, 입자별 분리 등의 일련의 공정을 통해 생산하고 있다.

​

​

​

​

가연성 분진을 취급하는 사업장의 취약 포인트별 관리대책 및 개선방안을 정리하면 다음과 같다.

​

| 분진폭발 위험장소 지정 |

공기 중에 가연성 분진운의 형태가 연속적, 장기간 또는 단기간 동안 자주 폭발 분위기로 존재하는 장소나 사일로, 백필터, 운송용 컨베이어 내부 등 분진폭발 혼합물이 오랫동안 또는 빈번하게 존재할 수 있는 장소를 분진폭발 위험 장소로 설정하여 지속 관리한다.

​

| 분진제거 |

설비가 설치되는 건축물의 바닥이나 기타 표면 등에 분진이 누적, 비산되지 않도록 사전 제거하고 분진이 발생되는 설비의 뚜껑 설치 등 밀폐구조로 하여 분진이 외부로 비산되지 않도록 관리한다. 또한 주기적인 청소를 통해 작업장소 바닥에 퇴적 및 공기 중에 부유하는 것을 방지한다.

​

| 점화원 관리 |

설비에서 분진 발생 또는 취급 구역에는 흡연을 포함하여 점화원이 될 수 있는 용접, 용단 및 그라인더 등 작업을 금지(비방폭형 수공구 사용)하거나, 부득이하게 화기작업을 실시할 경우에는 사전 분진 상태 확인 및 화재감시자 등을 배치하여 관리한다. 또한, 화재를 감지할 수 있는 온도 계측 및 경보장치를 설치하고 기준 온도 이상 상황에서 안전하게 작업이 진행될 수 있도록 안전작업절차를 구축하는 것이 바람직하다.

​

| 불활성가스 봉입 |

분진 발생 설비나 저장소 등이 폐쇄구조일 경우에는 질소 등과 같은 불활성가스를 봉입하여 산소농도를 폭발최소 농도 이하로 낮추어야 하며, 불활성가스를 공급하는 배관 등에는 이를 확인할 수 있는 유량계, 압력계 등 계측장치를 설치하고, 불활성 가스가 봉입되는 설비에는 산소농도 측정계를 설치하여 내부의 산소농도를 폭발최소농도 이하로 유지 관리해야 한다.

​

| 폭발방호장치 |

설비 내부에서 분진폭발이 발생하였을 때 인근 설비로 전달되지 않도록 고속작동밸브 등을 사용하여 설비를 차단할 수 있도록 하며, 분진폭발로 인한 과압을 안전하게 방출 할 수 있는 폭발 방산구를 설치한다. 또한 저장·취급 설비에서 순간적으로 분진점화 등 폭발징후를 감지하여 억제제를 방출하는 등 적절한 소화용제를 분사하여 화재·폭발을 방지하는 폭발억제장치를 설치하여 피해를 최소화 할 수 있도록 관리한다.

 

#실리콘파우더#폭발억제장치#폭발방산구#흑연계음극제#실리콘음극제#미세입자#분진폭발#알루미늄파우더#최소점화에너지#불꽃방전에너지#알루미늄분말#420마이크론#가연성분진#폭연#부유분진#밀폐공간#분진운#분진폭발위험장소#폭발최소농도#폭발방호장치