이 글의 목적은 산업현장에서 발생하는 분진폭발 위험 물질을 체계적으로 정리하고, 국제 기준과 국내 기술지침을 바탕으로 방폭 설비 기준과 예방 대책을 현장에서 바로 적용할 수 있도록 설명하는 것이다.
1. 분진폭발의 기본 개념과 발생 메커니즘
분진폭발은 고체 물질이 미세한 분말 상태로 공기 중에 부유하여 폭발성 분진운을 형성하고, 여기에 점화원이 작용하여 순간적으로 연소·압력 상승이 일어나는 현상이다.
전형적인 분진폭발은 다음 다섯 요소가 동시에 갖추어질 때 발생한다.
- 가연성 분진(Combustible Dust) 존재
- 산소 공급(보통 공기)
- 점화원(불꽃, 고온 표면, 정전기 스파크 등)
- 분진이 공기 중에 운화된 상태(분진운)
- 압력이 축적될 수 있는 공간 또는 설비 내부
가연성 분진은 액체나 가스와 달리 입자 크기, 수분 함량, 밀도, 분산 상태에 따라 폭발성이 크게 달라진다. 특히 평균 입경이 수백 μm 이하로 작고 건조한 분진일수록 폭발성이 크다.
1.1 분진폭발을 평가하는 주요 특성값
분진폭발 위험을 정량적으로 평가할 때 다음과 같은 특성값을 사용한다.
- 최소폭발농도(MEC, Minimum Explosible Concentration) : 공기 1 m³ 중에 존재하는 분진 질량이 이 값 이상일 때 폭발이 가능한 최소 농도이다. 많은 가연성 분진의 MEC는 대략 30~60 g/m³ 범위에 존재하는 것으로 알려져 있다.
- 최소점화에너지(MIE, Minimum Ignition Energy) : 분진운에 점화가 발생하는 최소 에너지이다. 정전기 스파크 수준의 에너지에서도 점화가 가능한 분진이 많기 때문에 정전기 관리가 중요하다.
- 최대폭발압력(Pmax) : 밀폐된 시험용기에서 분진폭발 시 발생하는 최대 압력이다.
- 폭발강도지수(Kst) : 폭발압력 상승 속도(dP/dt)에 용기 부피를 보정한 값으로, 분진의 폭발 강도를 나타내는 지수이다.
일반적으로 Kst 값에 따라 분진폭발 위험을 다음과 같이 분류한다.
- St 0 : Kst = 0 bar·m/s (폭발성 없음)
- St 1 : 0 < Kst ≤ 200 bar·m/s (보통 폭발성)
- St 2 : 200 < Kst ≤ 300 bar·m/s (강한 폭발성)
- St 3 : Kst > 300 bar·m/s (매우 강한 폭발성)
2. 분진폭발 위험 물질의 종류와 분류
국제적으로 NFPA 652, NFPA 654 등에서는 “Combustible Dust”를 고체 물질이 분말 상태에서 공기와 혼합되어 화재·폭발 위험을 유발하는 입자로 정의하고, 모든 산업 분야에 공통적으로 적용되는 기본 요구사항을 제시한다. 국내 KOSHA 가이드에서도 가연성 분진을 유사한 개념으로 정의하고 있다.
대표적인 분진폭발 위험 물질은 다음과 같다.
- 곡물·식품류 : 밀가루, 전분, 옥수수분, 쌀겨, 설탕, 커피 분말 등
- 목재·셀룰로오스류 : 톱밥, MDF 분진, 펄프 분진, 종이 분진 등
- 플라스틱·합성수지류 : PVC, PE, PP, 폴리에스터 수지 분진 등
- 섬유·직물류 : 면섬유, 인조섬유, 펠트 가공 분진 등
- 금속 분말 : 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 철분, 아연, 석탄 분진 등
- 화학제품·의약품 : 유기 안료, 고무 분말, 제약 원료 분말 등
2.1 분진폭발 위험 물질 예시 표
| 분류 | 예시 물질 | 전형적 Kst 수준 | 위험도 개략 평가 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 곡물·식품 | 밀가루, 전분, 설탕 | St 1 | 보통~높음 | 사일로, 제분·제당 공정에서 사고 다발이다. |
| 목재·셀룰로오스 | 톱밥, MDF 분진 | St 1 | 보통 | 집진설비 및 필터 하우징 내부 위험이 크다. |
| 플라스틱·수지 | PVC, PE, 고무 분말 | St 1~St 2 | 보통~높음 | 열분해가 동시에 일어나면 화재와 폭발이 결합된다. |
| 금속 분말 | 알루미늄, 마그네슘 | St 2~St 3 | 매우 높음 | 불활성가스 사용, 특수 설비 필요이다. |
| 기타 | 석탄 분진, 제약 분말 | St 1 수준 | 보통~높음 | 밀폐·집진·방폭전기 설비가 중요하다. |
2.2 우리 공정 분진이 가연성인지 판단하는 절차
현장에서 사용하는 분말이 분진폭발 위험 물질인지 판단하기 위해 다음과 같은 순서를 따른다.
- 물질의 성질 검토 : 유기물(탄소 기반) 또는 금속 분말인 경우 우선적으로 가연성 분진 가능성이 있다고 본다.
- 입도 확인 : 평균 입경이 500 μm 이하인 분말은 분진폭발 위험 후보로 본다.
- SDS(Material Safety Data Sheet) 확인 : “Combustible Dust” 또는 “가연성 분진” 관련 문구가 있는지 확인한다.
- 시험 필요성 판단 : 중요 공정이거나 대량 저장·이송이 이루어지는 경우에는 공인 시험기관에 Kst, Pmax, MEC 시험을 의뢰하는 것이 바람직하다.
- 시험 결과에 따른 위험 분류 : 시험 결과 St 1 이상으로 확인되면 방폭 설비 및 운영관리 기준을 적용한다.
주의 : SDS에 분진폭발 관련 정보가 없더라도 실제로는 가연성 분진인 경우가 많기 때문에, 연소성·입도·공정 조건을 종합하여 보수적으로 판단하는 것이 안전하다.
3. 분진폭발 위험장소 구분(Zone 20·21·22 / 20종·21종·22종)
국제적으로는 ATEX·IECEx에서 분진폭발 위험장소를 Zone 20, 21, 22로 구분하고, 국내 KOSHA 가이드(E-99-2013 등)에서도 20종, 21종, 22종 장소 개념을 도입하여 관리한다.
구분 기준은 “폭발성 분진운이 얼마나 자주, 얼마나 오래 존재하는가”이다.
| 구분 | 정의(요약) | 대표 장소 예 | 설비 선정 원칙 |
|---|---|---|---|
| Zone 20 / 20종 | 폭발성 분진운이 연속적으로, 또는 장시간·빈번하게 존재하는 장소이다. | 사일로 내부, 집진기 내부, 필터 하우징 내부 등이다. | 분진 방폭 인증 설비 사용, 폭발방출구 또는 폭발억제 설비를 필수적으로 검토한다. |
| Zone 21 / 21종 | 정상 운전 중에 폭발성 분진운이 간헐적으로 발생할 수 있는 장소이다. | 충전구 주변, 투입·배출 슈트, 포장·소분 공정 주변 등이다. | 해당 구역에 적합한 방폭전기 설비 및 국소배기·집진 설비를 적용한다. |
| Zone 22 / 22종 | 정상 운전에서는 드물지만, 누출·누설 등 비정상 상태에서만 폭발성 분진운이 발생할 수 있는 장소이다. | 분진 취급 설비 주변 바닥, 배관 플랜지 주변, 청소가 미흡한 상부 구조물 등이다. | 청소·하우스키핑 강화, 비상정지·차단 기능 확보, 장비 선정 시 해당 구역 등급을 고려한다. |
주의 : 실제 위험장소 구분은 공정 조건, 분진 특성, 통풍 상태 등을 현장 실측과 함께 종합적으로 평가해야 하며, 단순히 예시만으로 일률 적용해서는 안 된다.
4. 분진폭발 예방을 위한 공정·설비 설계 원칙
분진폭발 예방의 기본 원칙은 “분진을 만들지 않거나, 쌓이지 않게 하고, 점화원을 통제하는 것”이다. NFPA 654 등에서도 분진 누출 최소화, 청소·하우스키핑, 점화원 관리, 방폭 설비 적용을 핵심 전략으로 제시한다.
4.1 공정 설계 단계에서의 예방
- 분진 발생 최소화 : 가능한 경우 슬러리 형태, 펠릿 형태 등 분진 발생이 적은 공정 방식을 선택한다.
- 밀폐 이송 시스템 채택 : 벨트 컨베이어 대신 스크류, 공압 이송 등 밀폐된 이송 방식을 우선 검토한다.
- 낙차·충돌 최소화 : 투입·배출부 낙차를 줄이고, 물질이 벽면에 고속으로 충돌하지 않도록 설계한다.
- 데드 스페이스 제거 : 분진이 쌓이기 쉬운 사각 지대, 보강재 뒤편, 상부 트러스 등은 구조 설계 단계에서 최소화한다.
4.2 집진·환기 설계
- 국소배기 후 집진기 처리 방식으로 분진을 공기 중에서 신속하게 제거한다.
- 집진덕트의 공기 속도는 분진이 퇴적되지 않고 수송될 수 있도록 충분히 확보한다.
- 집진기·필터 하우징은 폭발·압력 상승을 고려하여 설계하고, 폭발방출구·폭발억제 설비를 검토한다.
- 일반 환기(희석 환기)는 분진폭발 예방의 보조 수단이며, 집진을 대체할 수 없다는 점을 명확히 인식한다.
주의 : 집진설비를 설치하고도 필터 교체·청소를 적절히 수행하지 않으면 분진이 필터 및 하우징 내부에 과다 축적되어 오히려 폭발 위험이 증가한다.
4.3 점화원 관리
- 용접·용단, 그라인딩 공정은 분진 취급 설비와 충분한 거리(또는 방화구획)를 두고 수행한다.
- 마찰·충격이 큰 설비(밀, 파쇄기 등)는 과부하·베어링 과열을 방지하기 위해 온도·진동 모니터링을 도입한다.
- 정전기 방지를 위해 금속 설비·배관·필터 하우징 등을 일괄 접지하고, 분말 충전·배출 시 접지 클램프를 사용한다.
- 휴대용 전기공구, 조명 등은 해당 구역의 위험장소 등급에 적합한 방폭 구조 제품을 사용한다.
5. 방폭 설비 및 방재 시스템 기준
NFPA 652는 가연성 분진을 취급하는 모든 시설에 대해 폭발 위험 관리, 방폭 설비 적용, Dust Hazard Analysis(DHA) 수행을 요구하고, NFPA 654는 구체적인 폭발 예방·완화 설계 기준을 제공한다. 국내에서는 KOSHA 가이드(집진설비 분진폭발 방지, 폭연 방출구 설계, 분진폭발 위험장소 설정, 분진폭발위험장소 전기설비 기준 등)에서 세부 설계·운영 기준을 제시한다.
5.1 집진설비 및 배관 설계 기준
- 가연성 분진을 취급하는 집진기는 가능하면 옥외 또는 외벽 근처에 설치하여 폭발 발생 시 압력이 건물 외부로 방출되도록 한다.
- 집진기 입구에는 불꽃·고온 입자가 유입되지 않도록 스파크 검출기 및 자동 차단댐퍼, 불꽃방지기를 검토한다.
- 분진 배관은 급격한 굴곡, 데드엔드, 과도한 플렉시블 호스를 피하고, 내부에 분진이 쌓이지 않도록 기울기와 속도를 설계한다.
- 폭발이 배관을 통해 공정 설비로 전파되지 않도록 폭발방지 댐퍼, 화염 차단 장치, 격리 밸브를 설치한다.
5.2 폭발방출구(폭연 방산구)와 폭발억제 설비
- 폭발방출구는 집진기·사일로·호퍼 등 밀폐 설비가 허용할 수 있는 최대압력을 기준으로 적절한 면적과 개구 압력을 계산하여 설치한다.
- 방출 방향은 인근 작업자·통행로·다른 설비를 향하지 않도록 하고, 방출 통로에는 장애물이 없도록 유지한다.
- 폭발억제 시스템은 압력·광학 센서가 초기 폭발을 감지하면 소화약제를 순간적으로 분사하여 압력 상승을 억제하는 방식으로, 내부 설치가 어려운 설비나 고가 설비에 적용을 검토한다.
주의 : 폭발방출구를 임의로 막거나 위에 구조물을 추가 설치하면 폭발 시 압력이 배출되지 못해 설비 파괴·2차 피해가 급격히 커진다. 증설·배관 변경 시에는 반드시 방출구 설계를 재검토해야 한다.
5.3 방폭 전기·계장 설비 기준
분진폭발 위험장소에서 전기 설비를 설치할 때에는 KOSHA 가이드(분진폭발위험장소에서의 전기설비 선정·설치 기준)에 따라 다음 사항을 고려한다.
- Zone 20 / 20종 장소에는 분진 방폭 구조(예: 외함 보호형 Ex t, 내압방폭과 분진 보호를 조합한 구조 등)로 인증된 설비만 허용한다.
- Zone 21·22 / 21·22종 장소에도 해당 구역 등급에 맞는 방폭 등급·온도 등급을 갖는 설비를 선정한다.
- 전기 설비 외함의 표면 온도가 분진의 발화온도보다 충분히 낮도록 관리하고, 표면에 분진이 쌓이지 않도록 구조·청소 계획을 수립한다.
- 케이블 글랜드, 도입부 등은 분진 침입을 방지할 수 있는 구조·씰링을 사용한다.
5.4 접지와 정전기 제어
- 금속 설비·배관·집진기·필터 하우징·지원 구조물은 공통 접지 시스템에 연결하여 정전기 축적을 방지한다.
- 이동식 드럼, IBC, 탱크로리 등에는 충전·배출 시 접지 클램프를 사용하여 확실한 접촉을 확보한다.
- 분진과 함께 인화성 용제 증기가 존재하는 경우, 정전기 방지 대책은 폭발 방지의 핵심 요소가 되므로 별도의 검토가 필요하다.
5.5 청소·하우스키핑 설비
- 가연성 분진이 쌓일 수 있는 바닥, 보, 트러스, 케이블 트레이 상부 등은 정기적인 청소 계획을 수립한다.
- 청소에는 방폭 인증된 산업용 진공청소기를 사용하고, 일반 진공청소기나 압축공기 블로잉만으로 분진을 날리는 방식은 피한다.
- 집진설비의 드레인·슬러지 배출, 필터 교체 절차에 분진 비산 최소화 조치를 포함한다.
주의 : 압축공기로 분진을 불어내는 작업은 대량의 분진운을 순간적으로 형성하여 폭발 조건을 스스로 만드는 행위가 될 수 있으므로, 허용 범위를 제한하고 필요 시 별도의 안전조치와 작업허가제를 적용해야 한다.
6. 분진폭발 위험성 평가(DHA)와 운영관리
NFPA 652는 가연성 분진을 취급하는 모든 시설에 대해 “Dust Hazard Analysis(DHA)” 수행을 요구하며, 이는 공정에서 발생할 수 있는 화재·플래시파이어·폭발 위험을 체계적으로 식별·평가하는 절차이다. 국내에서도 공정위험성평가(HAZOP, JSA 등)를 통해 유사한 접근을 적용할 수 있다.
6.1 DHA(또는 공정위험성평가) 수행 절차 개요
- 공정·설비 목록화 : 원료 수령, 저장, 이송, 혼합, 건조, 분쇄, 체질, 포장 등 분진이 발생할 수 있는 모든 공정을 도면(P&ID, 레이아웃 등)과 함께 정리한다.
- 분진 특성자료 수집 : Kst, Pmax, MEC, MIE, 발화온도 등 시험 자료를 확보하고, 없을 경우 시험 필요성을 검토한다.
- 위험장소 분류 : 각 공정별로 Zone 20·21·22(또는 20종·21종·22종)를 구분하여 지도 형태로 작성한다.
- 위험 시나리오 도출 : 설비별로 분진 축적, 설비 고장, 청소 불량, Hot work 등으로 인한 화재·폭발 시나리오를 도출한다.
- 기존 방호수단 검토 : 집진, 방폭 설비, 폭발방출구, 정전기 제어, 교육·절차 등을 점검하여 위험 감소 수준을 평가한다.
- 추가 대책 도출 : 위험도가 허용 수준을 초과하는 경우 설비 보강, 운영절차 개선, 감시·경보 시스템 도입 등을 제안한다.
6.2 운영 단계 관리(Procedural Controls)
- 작업허가제 : 용접·용단, 그라인딩, 배관 개구 등 고위험 작업은 사전 위험성 평가와 허가서를 통해 관리한다.
- 정기 점검·보수 : 집진설비, 폭발방출구, 방폭전기 설비, 접지 상태, 스파크 검출기 등은 정기 점검 항목으로 관리한다.
- 교육·훈련 : 가연성 분진 개념, 분진폭발 사고 사례, 방폭 설비의 의미, 청소 절차, 비상조치 등을 주기적으로 교육한다.
- 변경관리(MOC) : 공정 조건, 원료, 설비 변경 시에는 분진폭발 위험이 증가하지 않는지 검토하고, 필요 시 DHA를 재수행한다.
6.3 설비별 점검 항목 예시
| 설비 유형 | 주요 점검 항목 | 권장 점검 주기 |
|---|---|---|
| 집진기·필터 | 차압, 필터 손상, 방출구 상태, 드레인·슬러지 제거 상태 | 월 1회 이상, 고위험 공정은 주 1회 이상 |
| 폭발방출구 | 패널 변형·부식, 도장·피복 여부, 방출 통로 장애물 존재 여부 | 반기 1회 이상 |
| 방폭 전기설비 | 외함 손상, 케이블 글랜드 상태, 표면 분진 축적 여부, 접지 연속성 | 연 1회 이상 |
| 접지·정전기 설비 | 접지 저항, 클램프 접촉 상태, 연속성 시험 | 연 1회 이상, 주요 포인트는 분기별 점검 |
| 건물·구조물 | 상부 구조물·케이블 트레이 등 분진 축적 두께 및 청소 상태 | 분기 1회 이상 |
7. 사업장에서 활용 가능한 분진폭발 자가 점검 체크리스트
다음 항목은 실제 사업장에서 분진폭발 위험 관리를 위해 최소한으로 점검해야 할 내용이다.
- 우리 공정에서 사용하는 분말·분진의 목록과 특성(Kst, MEC 등)을 정리해 두었는가.
- 사일로, 호퍼, 집진기, 필터 하우징 등은 폭발을 고려한 설계·방폭 설비(폭발방출구, 폭발억제, 격리 장치 등)를 갖추고 있는가.
- Zone 20·21·22(또는 20종·21종·22종) 위험장소 구분도를 작성하여 최신 상태로 유지하고 있는가.
- 위험장소 내 전기·계장 설비는 해당 등급에 적합한 방폭 인증 제품으로 설치되어 있는가.
- 명시적인 청소 계획이 존재하며, 상부 구조물·난간·설비 상부의 분진 축적 상태를 주기적으로 확인하는가.
- 접지·정전기 제어 설비가 설치되어 있으며, 실제 사용 시 접지 클램프가 제대로 사용되고 있는가.
- 용접·용단 등 고온 작업은 작업허가제 하에서 이루어지며, 분진축적 상태·집진 설비 가동 여부 등 사전점검을 수행하는가.
- 신규 설비 도입 또는 공정 변경 시 분진폭발 위험을 별도로 검토하고 DHA 또는 위험성평가를 갱신하는가.
- 분진폭발 사고 시 비상조치 절차(설비 정지, 대피, 통보, 2차 폭발 방지 등)를 문서화하고 주기적으로 훈련하는가.
주의 : 위와 같은 체크리스트에서 하나라도 “아니오”가 나온다면, 해당 항목은 즉시 개선계획을 수립하여 우선순위를 정하고 조치해야 한다.
FAQ
Q1. 우리 공장의 분진이 폭발 위험이 있는지 가장 빠르게 확인하는 방법은 무엇인가?
우선 물질이 연소성인지(타는 물질인지), 입자가 충분히 미세한지, 공정 중 공기 중으로 분산되는지 세 가지를 확인하면 된다. 유기물 또는 금속 분말로서 평균 입경이 수백 μm 수준이고, 공정 중 비산·분산이 발생한다면 가연성 분진으로 간주하는 것이 안전하다. 이후 SDS 확인과 전문기관 시험(Kst, MEC 등)을 통해 정량적 위험성을 평가하는 것이 바람직하다.
Q2. Kst 시험 등 분진폭발 시험은 언제 반드시 해야 하는가?
대량 저장·이송·분쇄·건조 등 분진이 고농도로 발생할 수 있는 설비를 신규로 설치하거나 증설하는 경우, 또는 이미 분진폭발 사고가 보고된 유사 물질을 취급하는 경우에는 가급적 시험을 통해 Kst, Pmax, MEC, MIE 등을 확보하는 것이 좋다. 또한 NFPA 652의 요구사항을 충족하기 위해 DHA를 수행할 때에도 객관적인 시험 데이터 확보가 필수적이다.
Q3. 폭발방출구(폭연 방산구)는 어떤 설비에 반드시 설치해야 하는가?
사일로, 집진기, 필터 하우징, 대형 호퍼처럼 내부에서 분진이 고농도로 존재하고, 폭발 시 압력이 급격히 상승할 수 있는 밀폐 설비에는 폭발방출구 설계 여부를 반드시 검토해야 한다. 설비 구조·내용적·허용압력·설치 위치에 따라 폭발방출구 면적과 개구압을 계산하며, 필요 시 폭발억제·폭발 격리 설비와 조합하여 설계한다.
Q4. 이미 오래전에 지어진 공장에도 Dust Hazard Analysis(DHA)가 필요한가?
NFPA 652의 취지는 “가연성 분진을 취급하는 모든 시설”에 동일한 기본 요구사항을 적용하는 것이므로, 기존 공장이라도 가연성 분진을 취급한다면 단계적으로 DHA를 수행하는 것이 바람직하다. 기존 설비의 설계 도면·운영 기록이 부족한 경우라도 현재 상태를 기준으로 위험 시나리오를 도출하고, 우선순위가 높은 개선 항목부터 순차적으로 반영하는 방식으로 접근할 수 있다.
Q5. 분진폭발 예방에서 청소·하우스키핑이 중요한 이유는 무엇인가?
많은 분진폭발 사고는 설비 내부 분진운 폭발 자체보다, 건물 내부에 쌓인 분진층이 1차 폭발 충격으로 동시에 비산하면서 2차 폭발이 발생하여 피해가 확대되는 형태를 보인다. 따라서 상부 구조물·설비 상부·구석진 공간의 분진층을 얇게 유지하는 것이 가장 효과적이고 비용 대비 효율이 높은 예방 대책 중 하나이다.