수증기 폭발
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1. 개요
수증기 폭발은 고온의 물질과 물이 접촉하여 발생하는 폭발 현상으로, 급격한 수증기 발생으로 인해 발생한다. 용융 금속과 물의 접촉, 화산 폭발, 보일러 폭발, 원자로 노심 용융 등 다양한 상황에서 발생하며, 산업 현장 및 자연 현상에서 인명 피해를 발생시키기도 한다. 수증기 폭발은 바이오매스 정제, 증기 터빈, 조리 등 다양한 분야에서 활용되기도 한다.
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| 수증기 폭발 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 수증기 폭발 |
| 다른 명칭 | 증기 폭발 |
| 유형 | 폭발 |
| 원인 | 물의 급격한 증발 |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 액체가 급격하게 기화될 때 발생하는 폭발 |
| 발생 조건 | 뜨거운 물질과 액체의 혼합, 액체의 급격한 온도 변화, 외부 압력 감소 등 |
| 관련 현상 | 보일러 폭발, BLEVE(끓는 액체 팽창 증기 폭발), 화산 폭발, 용융 연료 냉각재 상호작용(MFCI) |
| 위험성 | |
| 잠재적 위험 | 인명 피해 재산 피해 환경 오염 |
| 예방 대책 | 안전 장치 설치 및 관리 작업자 안전 교육 비상 대응 계획 수립 |
| 추가 정보 | |
| 관련 사고 | 다양한 산업 현장에서 발생 가능 |
| 연구 동향 | 수증기 폭발 메커니즘 규명 및 예측 모델 개발 |
2. 메커니즘
수증기 폭발은 물이 고온의 물질과 만나 급격하게 기화하면서 발생하는 현상으로, 포획된 수증기 폭발과 포획되지 않은 수증기 폭발로 나눌 수 있다. 높은 증기 발생률은 보일러 드럼 고장이나 냉각 전선과 같은 상황에서 발생할 수 있지만, 일반적으로 용융된 뜨거운 상이 휘발성 냉각수 상 내에서 미세하게 파편화될 때보다는 에너지가 덜하다.
2. 1. 포획된 수증기 폭발
고온의 용융 금속 찌꺼기(슬래그)가 움푹 팬 바닥에 남아있는 물을 완전히 둘러싸면서 발생하는 폭발이다. 1 m3의 냉각수가 100°C의 수증기로 기화하면서 부피가 약 1,700배 팽창하기 때문에 용융 슬래그가 급격히 흩날리는(비산) 현상이 나타난다.[12] 이러한 부피 팽창은 이상 기체 방정식으로 설명할 수 있다.[12]:
(P: 압력, V: 부피, n: 기체의 몰수, R: 기체 상수, T: 절대 온도(K))
2. 2. 포획되지 않은 수증기 폭발
Eckhoff(2016)는 포획되지 않은 수증기 폭발이 포획된 수증기 폭발보다 더 큰 위력을 나타낸다고 실험을 통해 증명하였다.[13] 2017년 11월에 발생한 포항 제철소 대형 수증기 폭발도 포획되지 않은 수증기 폭발로 분석되었다.[11]2. 3. 화학 반응
용융 금속이 물과 접촉할 때, 특정 조건에서 화학 반응이 일어나 폭발력을 더욱 강하게 만들 수 있다. 예를 들어 알루미늄과 물이 반응하면 다음과 같다.:2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 3H₂
1g의 물이 660°C의 알루미늄 용탕 속에 밀폐되어 있으면, 순간적으로 발생하는 수증기 압력은 1제곱센티미터당 약 1600 kgf (160 메가파스칼)에 이른다.[11]
용융 알루미늄은 물과 강한 발열 반응을 일으키는데, 이는 일부 건물 화재에서도 관찰된다.[6][7]
가정에서 흔히 볼 수 있는 예로, 끓는 기름에 물을 부어 불을 끄려 할 때 슬로포버 현상이 발생한다. 뜨거운 기름이 물을 과열시켜 수증기가 발생하면서 불붙은 기름을 포함하여 빠르고 격렬하게 분출되는 것이다. 이러한 화재를 진압하려면 젖은 천이나 꽉 맞는 뚜껑을 사용하여 산소를 차단하고 불을 식히는 것이 좋다. 방염제나 방화포를 사용할 수도 있다.
3. 실제 사고 사례
수증기 폭발은 국내외 여러 환경에서 발생한다. 주요 사례는 다음과 같다.
- 자연 현상: 성층 화산을 포함한 특정 화산에서 뜨거운 용암이 바닷물이나 얼음을 만나 발생하며, '''해안 폭발'''이라고도 불린다.[6][7]
- 보일러 폭발: 보일러의 물통과 같이 가압된 용기가 파열될 때 발생한다.
- 원자로 노심 용융: 용융된 핵연료(코륨)가 냉각수인 물과 접촉하여 핵연료-냉각수 상호작용(FCI)이 일어나면서 발생할 수 있다.
- 기타: 슬로포버와 같이 불타는 기름을 물로 끄려 할 때, 또는 용융 알루미늄이 물과 반응할 때 발생할 수 있다.[6][7]
원유, 경유, 등유 등을 담은 탱크에서는 보일오버 현상이 발생할 수 있다. 탱크 아래쪽의 물층이 끓으면서 화재 강도가 세지고 불타는 유체가 주변으로 뿜어져 나오는 위험한 상황이다. 이때 물층이 과열수 상태라면 폭발적으로 끓어 팽창하면서 연료를 더 강하게 분출시킨다.[1][2]
3. 1. 한국
- 2006년 11월 경상남도 창원시 소재 폐기물 처리장에서 소각로 배출구가 막히자 작업자 3명이 확인하던 중 고열의 소각재가 냉각용 물받이통으로 쏟아지면서 수증기 폭발이 발생, 1명이 사망하고 2명이 부상당했다.[14]
- 2007년 10월 8일 18시 20분경 경기도 화성시 소재 알루미늄 가공공장에서 주조기 운전 준비 중 고온의 알루미늄 용융물과 냉각수가 접촉하여 수증기 폭발이 일어나 2명이 사망하고 2명이 부상당했다. 주조기 내 수분 잔류 및 건조 상태 관리 미흡이 원인으로 추정된다.[15]
- 2013년 7월 호우 기간 중 포스코에서 고온의 용융 금속을 냉각시키는 드라이 피트(Dry Pit) 바닥에 집중호우로 고온의 용융 금속이 접촉, 폭발하는 사고가 발생하였다.[16]
- 2017년 11월 3일 23시 24분경 포스코 슬래그 야드에서 수증기 폭발 사고가 발생하였다. 냉각되지 않은 용융 슬래그 덩어리가 바닥에 고인 냉각수로 낙하하여 수증기 폭발이 발생, 1500°C의 용융 슬래그가 공장 밖으로 비산되어 주위 녹지대에 화재가 발생하였고 충격파로 공장 건물 외벽, 전기실 창문, 중장비 차량이 파손되었으며 작업자가 부상당했다. 이 수증기 폭발의 강도는 트라이나이트로톨루엔(TNT) 4 kg이 폭발한 것과 동일한 수준으로 분석되었다.[11]
3. 2. 국외
수증기 폭발은 자연 현상, 보일러 폭발, 원자로 노심 용융 등 다양한 환경에서 발생할 수 있다. 뜨겁게 녹은 금속이 물이나 얼음을 만나면 위험한 수증기 폭발이 발생할 수 있는데, 이때 물이 수증기로 변하면서 뜨거운 금속을 흩뿌려 주변에 심각한 화상이나 화재를 일으킬 수 있다.[6][7]
원유, 경유, 등유 등을 담은 탱크에서는 보일오버 현상이 발생할 수 있다. 탱크 아래쪽의 물층이 끓으면서 화재 강도가 세지고 불타는 유체가 주변으로 격렬하게 뿜어져 나오는 위험한 상황이다. 이때 물층이 과열수 상태라면 폭발적으로 끓어 팽창하면서 연료를 더 강하게 분출시킨다.[1][2]
3. 2. 1. 자연 현상
수증기 폭발은 성층 화산을 포함한 특정 화산에서 자연적으로 발생하며, 화산 폭발로 인한 인명 피해의 주요 원인이다. 뜨거운 용암이 바닷물이나 얼음을 만나는 곳에서 자주 발생하며, 이러한 현상은 '''해안 폭발'''이라고도 불린다.3. 2. 2. 보일러 폭발
보일러의 물통과 같이 가압된 용기가 파열되면 증기 폭발이 발생한다. 해양 보일러의 일반적인 작동 온도 및 압력은 과열기 출구에서 약 950psi 및 약 454.4°C이다. 증기 보일러에는 증기 드럼에 증기와 물의 인터페이스가 있는데, 이곳에서 물이 증발한다.
다양한 이유로 워터 튜브가 고장나면 보일러의 물이 대기압보다 약간 높은 노 영역으로 팽창한다. 이는 화재를 진압하고 보일러 측면으로 팽창한다. 파괴적인 폭발 가능성을 줄이기 위해 보일러는 뜨거운 가스를 물통의 튜브를 통과시키는 "화구 보일러" 설계에서 튜브 내부에 물이 있고 노 영역이 튜브 주변에 있는 "수관 보일러"로 변경되었다.
오래된 "화구" 보일러는 조악한 제작 품질이나 유지 관리 부족(예: 화구의 부식 또는 팽창과 수축으로 인한 보일러 쉘의 금속 피로)으로 인해 고장나는 경우가 많았다. 화구 고장은 고압, 고온 증기가 화구로 되돌아가 보일러 전면에서 연소기를 날려버리는 반면, 물을 둘러싼 압력 용기의 고장은 대규모 증기 폭발로 보일러 내용물의 완전한 배출로 이어진다. 해양 보일러의 경우 이는 선박의 추진 설비를 파괴하고 선박의 해당 부분을 파괴할 수 있다.[1][2]
3. 2. 3. 원자로 노심 용융
핵연료-냉각수 상호작용(FCI)은 용융된 핵연료(코륨)가 냉각수인 물과 접촉하면서 발생하는 격렬한 상호작용으로, 증기 폭발을 일으킬 수 있다. 이러한 폭발의 심각성은 용융물이 주변의 물-증기 혼합물과 혼합되는 사전 혼합 과정에 크게 의존한다. 물이 풍부한 사전 혼합은 증기가 풍부한 환경보다 증기 폭발 시작 및 강도 측면에서 더 유리한 것으로 간주된다.[3][4][5]실제 원자로 사고에서는 이론적인 최대 강도의 증기 폭발이 발생하기 어렵다. 전체 용융된 원자로 코어가 사전 혼합 상태가 되는 것이 아니라, 일부만이 사전 혼합에 관여하기 때문이다. 또한, 원자로 내 물의 포화된 특성으로 인해 과냉각된 물이 존재하지 않아 증기 함량이 증가하고, 이는 폭발을 방지하거나 강도를 제한한다. 용융 입자의 응고 역시 폭발 강도에 영향을 미친다.
SL-1 원자로 사고에서는 임계 사고로 인해 연료와 연료 원소가 순간적으로 과열되어 증발하면서 증기 폭발이 발생했고, 이로 인해 원자로 용기가 파괴되었다. 체르노빌 원자력 발전소 사고에서는 핵연료가 원자로 지하실을 관통하여 잔류 소방수 및 지하수와 접촉하면서 증기 폭발이 발생할 수 있다는 우려가 있었으나, 터널을 파서 물을 퍼내고 콘크리트로 기반 토양을 보강함으로써 해결되었다.
원자로 노심 용융에서 증기 폭발의 가장 심각한 결과는 조기 격납 건물 파손이다. 용융된 연료가 고압으로 격납 건물로 배출되거나, 용기 내 증기 폭발로 인해 발사체가 격납 건물 안으로 배출될 수 있다.
3. 2. 4. 기타
높은 증기 발생률은 보일러 드럼 고장이나 냉각 전선(예: 물이 뜨겁고 건조한 보일러에 다시 들어갈 때) 등 다른 상황에서도 발생할 수 있다. 이러한 현상은 잠재적으로 손상을 입힐 수 있지만, 일반적으로 뜨거운("연료") 상이 용융되어 휘발성("냉각수") 상 내에서 미세하게 파편화될 수 있는 경우보다는 에너지가 덜하다.
용융 알루미늄은 물과 강한 발열 반응을 일으키는데, 이는 일부 건물 화재에서 관찰된다.[6][7]
가정에서는 슬로포버라고 불리는 과정에서 불타는 기름을 물로 끄려다 증기 폭발이 발생할 수 있다. 팬에 기름이 타는 경우, 물로 불을 끄면 뜨거운 기름이 물을 과열시켜 증기가 발생한다. 이 증기는 불붙은 기름을 포함하여 위와 밖으로 빠르고 격렬하게 분사된다. 이러한 화재를 진압하는 올바른 방법은 젖은 천이나 꽉 맞는 뚜껑을 사용하여 불에서 산소를 빼앗고 불을 식히는 것이다. 또는, 비휘발성으로 특별히 설계된 방염제나 간단한 방화포를 사용할 수도 있다.
4. 활용 분야
수증기 폭발은 환경에 해로운 잔여물을 생성하지 않고 많은 양의 가스를 생성한다는 장점이 있다. 특히 열을 재생 가능한 자원으로 생성하면 환경 친화적이다.
4. 1. 바이오매스 정제
증기 폭발 바이오정제는 바이오매스를 더 높은 가치를 가지도록 만드는 산업적 응용 분야이다. 최대 30기압의 증기로 바이오매스에 압력을 가한 다음 압력을 즉시 해제하여 바이오매스에서 원하는 변환을 생성하는 과정을 포함한다. 이 개념의 산업적 적용은 제지 섬유 프로젝트에서 입증되었다.4. 2. 증기 터빈
발전소 및 현대식 증기 터빈에서 증기를 생성하는 데에는 물의 제어된 폭발이 사용된다. 최신 증기 기관은 가열된 오일을 사용하여 물방울을 폭발시켜 제어된 챔버에서 고압을 생성한다. 그런 다음 이 압력을 사용하여 터빈을 작동시키거나 개조된 연소 엔진을 구동한다. 뜨거운 오일과 물 폭발은 물을 외부 에너지 없이 폐쇄 루프에서 오일과 분리할 수 있기 때문에 집광형 태양광 발전기에서 특히 인기를 얻고 있다.4. 3. 조리
플래시 보일링(Flash boiling)은 소량의 물을 사용하여 끓는 과정을 빠르게 하는 조리 기술이다. 예를 들어, 햄버거 패티 위에 치즈를 녹일 때 이 기술을 사용할 수 있다. 뜨거운 프라이팬 위의 햄버거 패티 위에 치즈를 올리고, 패티 근처에 소량의 찬물을 뿌린다. 냄비 뚜껑 등으로 덮으면 물이 빠르게 증발하면서 치즈와 패티에 열을 전달한다. 기화된 물이 다시 액체로 응축되면서 많은 양의 열이 방출되는 원리이며, 냉장고 및 냉동고 생산에도 사용된다.4. 4. 기타 활용
내연 기관은 연료를 에어로졸화하기 위해 수증기 폭발을 사용할 수 있다.[10]참조
[1]
간행물
C.A. La Electricidad de Caracas, December 19, 1982, Fire (Near) Caracas, Venezuela
https://www.icheme.o[...]
Institution of Chemical Engineers
2023-07-22
[2]
논문
Heat Transfer Mechanisms and Boilover in Burning Oil–Water Systems
1995
[3]
논문
An Assessment of Steam-Explosion-Induced Containment Failure. Part I: Probabilistic Aspects
1987
[4]
논문
Status and Prospects of Resolution of the Vapour Explosion Issue in Light Water Reactors
2009
[5]
논문
The probability of alpha-mode containment failure
1995-04-02
[6]
논문
Thermodynamics of Tower-Block Infernos: Effects of Water on Aluminum Fires
2019-12-20
[7]
논문
Why the World Trade Center collapsed
https://www.proquest[...]
2024-06-20
[8]
웹사이트
Steam Explosion - an overview | ScienceDirect Topics
https://www.scienced[...]
[9]
웹사이트
In einem Kreislauf: Ökopapier, Energie und Dünger aus Silphie
https://www.biooekon[...]
2021-11-25
[10]
논문
The Effect of Flash Boiling on the Atomization Performance of Gasoline Direct Injection Multistream Injectors
2014
[11]
저널
용융금속의 수증기 폭발 (Steam Explosions in Melt)
https://scienceon.ki[...]
1998
[12]
웹인용
제철소 용융 슬래그 수증기 폭발의 열전달 메커니즘 분석 (Analysis of Heat Transfer Mechanisms in Vapor Explosion of Molten Slag in Steelworks)
https://www.riss.kr/[...]
성균관대학교
2021
[13]
저널
Water vapour explosions - A brief review
https://www.scienced[...]
2016-03
[14]
저널
산업재해사례-소각로 배출구 점검작업중 수증기폭발에 의한 화상
https://scienceon.ki[...]
2007
[15]
저널
산업재해사례-알루미늄 주조기 우넌준비 중 수증기폭발사고
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2007
[16]
저널
INFORMATION - 제철소 용융금속의 수증기 폭발에 관한 완화대책
https://scienceon.ki[...]
2018
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