BTX 누출에 의한 화재·독성 영향평가

박기창, 김병직, 이근원*

숭실대학교 환경·화학공학과, 한국산업안전공단 산업안전보건연구원*

An Evaluation of the Fire and Toxic Effects by BTX Released

Ki-Chang Park, Byung-Jick Kim, Keun Won Lee*

Department of Chem.-Environ. Engineering, Soongsil University,

Occupational Safety &Health Research Institute, KOSHA*

서론

화학공장에서 발생 가능한 사고 피해범위의 예측은 주변 건축물이나 공장간 위치 및 배치(layout) 또는 안전장치의 배치 등에 참고자료로 활용될 수 있다. 또한, 사고 후의 결과를 예측할 수 있기 때문에 사고발생에 대한 최적의 비상조치 계획을 수립할 수 있어 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 BTX 누출에 의한 화재 및 독성의 영향을 평가하고자 하였다. 영향평가의 Simulation을 위해  Visual Basic 언어를 사용한 Program을 개발하였다. 기상조건을 고려하여 실제 사고사례에 적용이 가능하도록 하였다. 그리고 개발된 프로그램을 활용한 결과를 화학물질 폭로영향지수(Chemical Exposure Index)와 비교하였다.

프로그램 개발

프로그램은 화재 및 독성의 영향을 예측할 수 있도록 작성하였다. 화재는 Pool Fire가 영향을 미치는 범위를 구할 수 있도록 하였으며, 화염에 대하여 노출된 물체의 위치와 방향, 화염모양의 영향을 고려하였으며, 독성영향은 누출 시 플래쉬되는 증기에 대한 확산량에 대한 농도 영향을 평가할 수 있도록 하였다. 사고의 영향 범위는 화재의 경우는 화염에서 발생하는 복사열을 피해 산정의 기준으로 하였고, 독성영향의 경우는 플래쉬되는 확산량의 농도분포를 산정 기준으로 하였다. 또한 Probit 분석도 가능하도록 하였다. 프로그램의 Logic Diagram을 Figure 1에 나타내었다.

프로그램은 먼저 적용 대상 공정의 주위 환경에 관한 자료를 입력한 뒤, 누출 모델을 사용하여 누출량을 계산할 수 있도록 하였다. 누출량에 관한 자료가 있을 경우에는 누출 모델을 사용하지 않고 각각의 모델에 누출량을 적용할 수 있도록 하였다. 그 다음 예상되는 사고를 결정한 뒤 그 사고에 해당하는 모델을 사용하여 사고의 영향 범위를 구할 수 있도록 하였다. 화재의 경우에는 거리와 복사량과의 관계를 구할 수 있고, 독성영향의 경우에는 거리와 확산농도의 관계를 구할 수 있다. 또한 이들 사고에 대해 Probit 분석을 할 수 있도록 하였다.

Figure . Logic Diagram of the Accident Effect Evaluation Program.

			사고
		누출
액체 및 /또는 액체 가스
		액체 증발
										서서히 증발되는 풀
	바람방향으로 증기운 이동		풀 화재 발생
증기운 점화, 폭발	액체 비산 강화			증기운 바람방향으로 이동
증기운 점화, 폭발-플래쉬 발생			증기운 점화, 폭발 및/또는 불꽃 화재 발생
	점화되지 않음-유독증기 누출			점화되지 않음-유독증기 누출

사례 연구

여기서 작성한 프로그램을 사용하여 석유화학공장에서 발생할 수 있는 BTX 탱크에서의 사고에 적용하여 보았다. Benzene 저장탱크의 시설 노후로 인해 급작스러운 파열로 Benzene이 200□의 표면적을 가진 Dike로 누출되었다. Benzene 액체는 저장탱크 주위의 콘크리트 방유제 내에 고였다. Benzene이 즉시 점화하여 Pool Fire를 일으켰다. 그 때 주위의 온도는 21℃이고, 상대습도는 90%이다. 화재 액면의 중심에서부터 1m에서 61m 거리에 있는 지상 위의 열플럭스와  5분동안 노출되었을 때 화상정도를 추정하였다. (액체는 순식간에 방유제 표면으로 퍼진다고 가정하고, 바람속도는 높이 10m에서인 지점에서 4m/s이다. 대기안정도는 중간이며, Benzene 액체는 원형모양의 방유제 내에 모였다.) 이 사고로 작업 중이던 60여명이 중화상을 입었다. 사고를 분석하기 위해 사용한 자료는 다음과 같다.

사고 형태 : Pool Fire

재해 형태 : 복사열

누출량 : 10,000 lb

누출 물질 : Benzene

대기온도 : 21℃

대기압 : 1atm

이 프로그램의 적용 결과는 Fig. 2와 Fig. 3과 같고, 프로그램의 결과를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. The Result of the accident evaluation program

Type Of Damage	복사열 (□/□)	화염의 기울기(Deg)
		0	22.7	32.6
공정장치에 손상을 야기시키기에 충분함	37.50	―	1	1
오랫동안 누출에 의해 화염없이 목재를 점화하기 위해 필요한 최소 에너지	25.00	―	6.5	7
건축물 내에서도 운전원이 임무 수행 곤란하며 건축물 내의 기기에도 복사열이 전달됨	15.77	4	14	13.5
플라스틱 튜브를 녹이거나 화염없이 목재를 점화시키기 위해 필요한 최소에너지	12.5	6.4	18.5	17
개인방호물 없이 최대 30초간 간헐적으로 노출될 수 있음	9.46	9.5	24	21
개인 방호물 없이 그러나 보호의를 착용하면 1분간 노출될 수 있는 복사열	6.31	16	29	27
개인방호물 없이 평상복을 착용하여도 1분간 노출될 수 있는 복사열	4.73	21	33	32
연속적으로 노출가능	1.58	45	53	52

결과

사고의 정량평가를 위한 프로그램을 작성하였다. 화재와 독성의 영향을 평가할 수 있도록 작성하였다. 결과는 기상조건을 고려한 결과, 화재의 경우 거리와 복사열, 독성의 경우는 거리와 확산량의 농도분포의 관계로 얻을 수 있으며, Probit 분석도 가능하게 하였다. 이 프로그램을 Benzene 탱크 폭발 사고에 적용하여 보았다. 결과로 나타난 위험 수치는 풍속에 의해 안전거리가 가까워짐을 알 수 있었다. 화학공장과 피해 대상이 되는 공장 부근의 주거지역이나 공공시설 사이를 어떻게 격리 또는 수용되어야 하는지를 다루는 토지 이용 규제의 이론치로 이용될 수 있으며, 위험성 산정을 통한 사전 안전성 평가의 도구로 활용될 수 있다.

참고 문헌

이수경 외 5인 : □가스안전공학□, 동화기술, (1999)

조지훈 외 2인 : □화학공정 위험성 평가Ⅲ□, 한국산업안전공단, (1998)

배성진 : □화학공장의 정량적 영향 평가에 관한 연구□, 숭실대석사학위논문, (1998)

CCPS : "Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis", AlChE-CCPS, New York, (1989)

Figure  Thermal radiation vs Distance in Benzene Tank Pool Fire Case

Figure 3. Probit Analysis in BTX Pool Fire Case