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알기 쉽게 이해하는
석유화학공장 재해형태와 주요 소화설비




1 석유의 구분

석유(Petroleum)라는 말은 지하에서 생성된 액체, 기체, 고체상태의 탄화수소 혼합물을 말하지만 보통은 액체 및 기체상태의 원유를 말한다. 이 석유라는 명칭은 그리스어와 라틴어 Petra(바위 또는 돌)와 Oleum(오일)에서 유래했는데 독일의 광물학자인 아그리콜라(Georgius Agricola)가 1556년 석유의 회수‧정제에 관한 책을 서술하면서 처음 사용한 말이다.

석유가 가공되지 않은 형태에서는 여러 종류의 탄화수소를 주성분으로 하고 미량성분으로서 황, 질소, 금속 등을 함유하고 있으며 불순물로 수분 및 가스분을 함유하고 있다. 따라서 수출 또는 정유공장으로의 이송에 앞서 보통 간단한 처리를 거쳐 수분 및 가스분을 제거하는데 이 단계까지의 상태를 원유라고 부른다. 이 원유는 정제공정을 거쳐 각각 이용목적에 맞게 여러 가지 제품으로 만들어지는데, 이를 석유제품이라 한다.

원유는 생산지와 산출되는 유층에 따라 그 성상이 다른데, 미국석유협회(API : American Petroleum Institute)가 제정한 화학적 방법에 따르면 아래와 같이 분류할 수 있다.

석유의 구분
구 분輕質油(경질유)中質油(중질유)重質油(중질유)
API34도 이상31~33도30도 이하

경질유(輕質油, 경유, light oil, API 비중 34도 이상의 원유)는 비중이 가벼운 원유다. 가솔린·나프타·등유 등이 경질유로서 이용가치가 높은 성분을 함유한 원유일수록 비중이 가벼운데, API 비중이 34도인 아라비안 라이트는 경질유의 대표적인 원유로 기준원유다. 이밖에 API 비중 31~33도를 중질유(中質油), 30도 이하를 중질유(重質油)라고 한다.

석유는 액체 그 자체가 직접 불타는 것이 아니라, 석유에서 증발된 기체에 함유된 탄화수소가 공기 속의 산소와 혼합되어 연소한다. 이 혼합비율이 일정한 범위가 되었을 때 일정 온도를 가하면 착화하게 되는데 이때의 온도를 인화점이라고 한다. 석유의 인화점은 다른 물질이 타기 시작하는 온도에 비해서 낮기 때문에 불붙기 쉬운 성질을 가지고 있다.

석유는 종류에 따라 그 연소방식이 다르며 인화점도 상온에서 인화되기 쉬운 가스부터 휘발유(-43℃ 이상), 등유(30~60℃), 경유(50~90℃), 중유(60~150℃), 윤활유(130~350℃), 아스팔트(200~300℃) 등 종류에 따라 각각 다르다.


2 유종에 따른 저장탱크의 종류

유종에 따른 저장탱크의 종류
구 분ConeRoofTank
(원추형 지붕 탱크)
Floating Roof Tank
(유동형 지붕 탱크)
Internal Floating
Roof Tank
(복합형 탱크)
구형 탱크
형태
저장유종증발손실이 적은
중질유(中質油) 등
제품에 사용
증발손실이 큰 경질유
제품에 사용
최종 제품을 저장하는 소형·중형 탱크에 많이 사용수열면적이 적어 고압가스 저장에 사용
제품종류 Bunker-C, Diesel Crude Oil, P-Naphtha Gasoline, Benzene, P-Xylene, Toluene, JP-4Propane, Butane

1) Cone Roof Tank (원추형 지붕 탱크)

정유공장, 석유화학공장, 기타 화학공장 및 저유소에서 흔히 볼 수 있으며 일반적으로 가장 널리 사용되는 대부분의 옥외 탱크라고 할 수 있다. 특징은 탱크 천장이 Tank Shell에 고정되어 있고, 지붕은 이름처럼 1/5~1/6 정도의 원추형을 이룬다. 증발손실이 비교적 적은 위험물(중유, 등유, 경유 등)을 저장하는데 적합하며, 용량 4천만 리터 이하의 중형급 탱크에 널리 사용되고 있다.

유종에 따른 저장탱크의 종류
구 분 ConeRoofTank (원추형 지붕 탱크)
형태

저장물질은 휘발성이 적고 점도가 높은 중유, 벙커-C유, 아스팔트 등이며 점도가 높아 탱크의 벽에 보온재를 씌우고 내부에 히팅 코일을 설치하는 경우가 많다.

또한 탱크지름이 커질수록 지붕의 무게가 증가하여 지지방법이 곤란하기 때문에 대형탱크의 적용에는 어렵다. 이 형식의 탱크는 내‧외압에 약하며 수주 –50~450 정도 내압이기 때문에 Breathing Valve에 염분이 고착하게 되면 Pump로 기름을 이송할 때 탱크 내부가 감압되면서 외벽(Tank Shell)이 찌그러질 수 있고, 반대로 기름이 유입될 때 Roof 부분을 파손시킨 예를 흔히 볼 수 있다.

ConeRoofTank (원추형 지붕 탱크)
구 분 ConeRoofTank (원추형 지붕 탱크)
형태

2) Floating Roof Tank (유동형 지붕 탱크)

저장물질 위에 띄운 지붕판이 탱크 측판부를 따라 상하로 움직이게 되어있는 원통탱크로서 휘발성이 많은 위험물을 저장하는 중‧대형 탱크에 널리 사용되고 있다. 저장물질은 원유 등 증발손실을 고려할 필요가 있는 석유류의 저장에 많이 이용되고 있으며, 빗물 등의 내부 유입을 막기 위해 측판과 지붕판 사이에 실링(Sealing)장치를 설치한다. 또한 빗물 등 외부로부터의 이물질 침입 가능성이 상시 존재하기 때문에 저장물질의 품질보증이 요구되는 경우에는 사용하지 않는다.

Floating Roof Tank (유동형 지붕 탱크)
Floating Roof Tank (유동형 지붕 탱크)
외 형저유량 大저유량 小

증기압이 높은 경질원유라든가, 가솔린 등을 통상 Cone Roof Tank에 저장하면 탱크의 Breathing 및 기름의 Filling에 의하여 상당한 증발 Loss가 생긴다. 그리고 탱크 상부 공간에 공기와 증기가 섞여서 그 혼합비가 폭발범위에 들어갈 위험이 있다. 이러한 증발 Loss 및 폭발 위험성을 감소시키기 위하여 고안된 것이 Floating Roof Tank이며 폭발 위험성 및 화재 위험성이 훨씬 줄어들기 때문에 화재방지 목적으로도 이용된다.

CRT와 FRT 비교
구 분CRT와 FRT 비교
형태
폭발위험폭발위험성 증가폭발위험성 감소

3) Internal Floating Roof Tank (복합형 탱크)

Cone Roof Tank와 Floating Roof Tank의 복합형이다. 즉 Tank 상단 외부는 Cone Roof로 되어 있고 그 내부에 다시 Floating Roof가 설치되어 있는 탱크다. 그리고 이 Tank 외부는 Cone Roof로 되어 있기 때문에 비가 올 때 수분이 제품에 들어가는 것을 방지해주고 Floating Roof는 Vapor 성분의 증발 및 대기와 제품의 접촉을 막아준다.

저장유종은 Gasoline, Benzene, P-Xylene, Toluene, JP-4 등이다. 최종 제품을 저장하는 소‧중형 탱크에 많이 사용된다. 최근에는 대기환경 규제로 VOC(휘발성유기화합물) 방지를 위해 기존 고정지붕탱크에 이 형식을 개조하여 설치하는 경우가 많다.

Internal Floating Roof Tank (복합형 탱크)
구 분 Internal Floating Roof Tank (복합형 탱크)
형태

4) Spherical Tank (구형 탱크)

높은 압력에 견딜 수 있도록 두꺼운 철판을 이용하며 구형으로 만들어진다. 압축가스 혹은 액화가스 같은 압력을 필요로 하는 유체 저장에 많이 사용되고 주로 LPG를 저장한다. 그리고 이 Tank는 열을 받는 면적이 적어 고압가스 저장에 용이하다. 저장유종은 Propane, Butane 등 고압가스다.

Spherical Tank (구형 탱크)
구 분 Spherical Tank (구형 탱크)
형태


3 탱크화재의 특성

1) 중질유(中質油)의 재해 위험성

석유류 화재는 경질유와 중질유에 따라 연소특성 및 대책이 다르다는 점에 주의해야 한다. 경질유는 인화점이 낮아 증기 발생이 용이하므로 작은 점화에너지로도 인화가 쉽고, 중질유는 인화점이 높으므로 인화점까지 온도를 상승시켜야 인화가 가능하다.

경질유는 단일성분 액체로 액체온도가 인화점보다 높아 예혼합형 전파로 연소 확대되고 VCE(Vapor Cloud Explosion), BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) 등의 폭발에 가까운 재해를 일으키기 때문에 폭발방지대책이 필요하다. 또한 중질유는 다성분 액체로 액체온도가 인화점보다 낮아 예열형 전파로 연소 확대되고 소방대에 치명상을 입히는 Boil-over, Slop-over 등의 재해를 일으키므로 화재방지대책이 필요하다.

2) 경질유 탱크화재의 특성

(1) 일반적인 특성

① 경질유는 비점이 낮고 증기압이 100℉에서 4psi 이상인 액체(휘발유, 등유 등)를 말한다. 좀 더 범위를 넓히면 100℉에서 2~4psi인 액체(JP-4연료, 메탄올, 에탄올 등)까지 포함한다. 증기압이 2~4psi인 경질유는 상온에서도 증기공간이 연소범위가 되어 비정상적인 위험을 초래할 수 있다.

② 밀폐탱크의 경우, 연소범위 내 착화원 존재 시 폭발로 지붕이 날아갈 수 있다. 따라서 경질유 저장은 FRT(Floating Roof Tank) 등을 사용하여 증기공간을 없애 폭발가능성을 저감시키거나 증기공간을 없애기 위해 증기공간에 불활성 가스를 주입하여야 한다.

(2) 예혼합형 전파

① 액체온도가 인화점보다 높은 경우에 발생하는 화염전파로, 액면상의 증기에는 연소범위가 포함되어 있는 농도영역이 존재하는데 화염은 그 증기층을 통해서 전파된다. 이것은 관속의 가연성 혼합기 화염전파와 유사한데 증기공간에 농도구배가 있고 윗면이 대기에 개방된 것이 차이점이다.

② 전파속도는 액체온도가 증가함에 따라 증가하는데 화학양론조성비로 갈수록 증가하다가 조성비를 넘으면 일정한 값을 유지한다. 최대속도는 층류 예혼합연소의 2~3배 정도로 이는 밀도차에 따라 달라진다.

(3) 액면아래 온도 분포

① 화염중심에서 1,400~1,500℃ 정도이며 아래로 내려갈수록 온도는 낮아진다.
② 액면에서는 비점이 되고 액면아래의 온도는 처음과 비교 시 거의 변하지 않으므로 액체 내에서는 지수함수형태로 서서히 감소한다.

(4) 재해형태

□ BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, 비등액체 팽창 증기폭발)

① 개요

BLEVE는 비등액체 팽창 증기폭발로 용기 내의 액체가 비등하고 증기가 팽창하면서 폭발을 일으키는 현상이다. 가연성 액화가스 주위에 화재가 발생한 경우 기상부 탱크강판이 국부 가열되어 그 부분의 강도가 약해지면 탱크가 파열되고, 이 때 내부의 가열된 액화가스는 급속한 상변화를 수반하면서 팽창하여 폭발하는 현상이다.

화학적인 변화 없이 상의 변화에 의한 폭발로서 원인계와 생성계가 동일한 물리적 폭발의 대표적인 예다. BLEVE는 인화성 또는 가연성 액체 저장탱크 지역에 화재발생 시 화재열에 의한 저장탱크의 온도상승과 탱크의 파열로 인한 폭발로서 온도를 낮추는 대책과 용기의 강도를 강화시키는 대책이 필요하다.

② 발생 Mechanism

㉠ 액체가 들어있는 탱크주위에서 화재 발생 ㉡ 화재열에 의해 탱크벽 가열 ㉢ 액위 이하의 탱크벽은 액에 의해 냉각되나, 액체온도는 올라가고 탱크 내의 압력도 증가 ㉣ 압력증가가 설계압력을 초과하면 용기 일부분 파열 ㉤ 파열로 인한 급속한 압력강하로 과열된 액체가 폭발적으로 증발 ㉥ 이 증발력에 의해 액체 원래 체적의 약 200배 이상으로 팽창 ㉦ 이 팽창력에 의해 액체가 폭발적으로 외부로 분출 ㉧ 액체분출과 동시에 탱크파편이 비산 ㉨ 점화원의 존재로 분출된 증기운이 착화 ㉩ 폭발적 연소와 함께 Fire Ball 형성

□ VCE (Vapor Cloud Explosion, 증기운 폭발)

① 개요

다량의 가연성 증기가 대기 중에 방출되었을 때 공기와 혼합하여 증기구름을 형성하고 유동하다가 폭발농도 범위 내의 상태에서 점화원을 만나 폭발하는 현상이다.

② 증기운 폭발의 방지대책

1) 방출 차단 - 물질의 방출을 막는다. 2) 재고량 최소화 - 휘발성이고 가연성 물질을 취급할 때는 재고량을 낮게 유지한다. 3) 고성능 검지기 설치 - 아주 낮은 농도에서도 감지되는 검지기를 설치·운용한다. 4) 차단밸브 설치 - 누설 초기단계에서 작동하는 자동차단 밸브를 설치한다.

3) 중질유 탱크화재의 특성

(1) 일반적인 특성

① 중질유는 비점이 높고 증기압이 100℉에서 2psi 미만이 되는 액체로서 케로신, 디젤, 중유, 원유 등이 해당한다.

② 비점이 높아 상온에서는 일반적으로 연소범위 이하가 되고, 비정상적인 가열이나 화재 노출로 인해 저장탱크의 중질유가 인화점까지 가열될 때 증기공간이 연소범위가 된다.

③ 중질유는 CRT(Cone Roof Tank)에 저장이 가능하며, 특히 원유와 같이 다비점 성분의 경우는 유출을 수반하는 화재인 Boil-over나 Slop-over가 발생하는 경우가 많다.

(2) 예열형 전파

① 액체온도가 인화점보다 낮은 경우에 발생하는 화염전파다. 액면상의 농도가 LFL(연소하한계) 이하여서 화염이 곧바로 전파되지 않고 화염에 의해 미연소액면이 인화점까지 예열이 되어야만 화염전파가 시작된다.

② 따뜻한 표면류에 의하여 차가운 미연소 액면이 가열되어 인화점에 도달하면, 화염은 그 위치까지 이동하게 되는데 그 전파속도는 일정하지 않고 가속과 감속을 반복하는 맥동형 연소확대 거동을 보인다.

(3) 액면아래 온도분포(열파)

① 중질유는 다성분 액체로 비점이 넓어 고온의 열류층을 유면아래에 형성한다. 다성분 액체 중 가벼운 성분은 유류 표면층에서 증발하여 연소하고 무거운 성분은 계속 축적되어 고온의 열류층(Heat Layer)을 형성하는데 이를 열파라 한다.

② 열류층의 온도는 200~300℃이며 열류층 아래로 열흐름이 생기고 반대방향으로 물질 이동이 생긴다.

(4) 재해형태

□ 보일오버(Boil-over, 물, 수증기 팽창) - 소방대에 가장 많은 피해를 입히는 재해현상

① 개요

단일성분 액체인 경질유는 끓는점이 같아 화염중심에서 1,400~1,500℃ 정도다. 아래로 내려감에 따라 온도는 낮아져 액면에서는 비점이 되고 액체 내에서는 비점 아래로 서서히 감소하여 열류층을 형성하지 못한다. 다성분 액체인 중질유는 끓는점이 달라 저장탱크에 화재가 장기간 진행되면 유류 중 가벼운 성분은 유류 표면층에서 증발하여 연소된다. 무거운 성분은 화염의 온도에 의해 가열‧축적되어 200~300℃의 열류층(Heat Layer)을 형성한다.

② 발생 Mechanism

열류층의 온도는 200~300℃로 열류층 아래로 열흐름이 생기고, 이 열흐름에 의해 반대방향으로 물질이 이동하여 고온층은 천천히 하강한다. 열류층은 화재의 진행과 더불어 점차 탱크 바닥으로 도달하게 된다. 이때 탱크의 하부에 물 또는 물-기름 에멀션이 존재하면 뜨거운 열류층의 온도에 의하여 물이 수증기로 변하면서 급작스러운 부피팽창에 의하여 유류가 탱크 외부로 분출되는 동시에 다량의 불이 붙은 기름을 탱크 밖으로 분출시키는 현상을 Boil-over라 한다.

③ 보일오버(Boil-over) 현상 진행순서

㉠ 비점이 다른 성분의 혼합물인 원유나 중질유 등의 유류저장탱크에 화재가 발생하여 ㉡ 장시간 진행되면 비점이나 비중이 작은 성분은 유류 표면층에서 먼저 증발연소 되고 ㉢ 비점이나 비중이 큰 성분은 가열 축적되어 열류층(heat layer)을 형성하게 된다. ㉣ 이러한 열류층은 화재진행과 더불어 점차 탱크의 저부로 내려와 ㉤ 탱크 저부의 수분을 비등시켜 연소상태의 상부 유류를 비산·분출하게 된다.

□ 슬롭오버(Slop-over, 기름 팽창)

① 개요

열류층(Heat Layer)을 형성한 다성분 액체인 중질유는 열류층 아래로 열흐름이 생기고 반대 방향(↓↑)으로 물질의 이동이 생긴다. 그러나 소화활동 중 소방대에 의해 고온층의 표면에 물, 포말 등 찬 물질이 투입되면 열흐름과 물질의 이동이 같은 방향으로(↑↑) 교란되어 열류층을 탱크 밖으로 비산시키며 연소하는 현상이다. 이 고온층의 표면에서부터 소화작업 등에 의한 물, 포말이 주입되면 수분의 급격한 증발에 의하여 유면에 거품이 일거나, 열류의 교란에 의하여 고온층 아래의 찬기름이 급히 열팽창하여 유면을 밀어 올려, 유류는 불이 붙은 채 탱크벽을 타고 넘게 된다.

② 특징

유류화재 시 물이나 포소화약제를 방사할 경우 발생할 수 있는 현상이다. 그러나 슬롭오버 현상은 유류의 표면에 한정되기 때문에 비교적 격렬하지는 않다.

③ 슬롭오버(Slop-over) 현상 진행순서

㉠ 점성이 큰 중질유와 같은 유류에 화재가 발생하면 유류의 액표면 온도가 물의 비점 이상으로 상승하게 되는데 ㉡ 이때 소화용수가 연소유의 뜨거운 액표면에 유입되면 급격한 비등으로 부피팽창을 일으켜 ㉢ 탱크 외부로 유류를 분출시키는 현상


4 석유화학공장(위험물시설)의 주요 소방시설

1) 소방시설 설계기준

석유화학공장(위험물시설)에 대한 소화설비 설치기준은 「위험물안전관리법」에 의거하여 설치하도록 되어 있다. 위험물시설의 구분, 규모, 저장취급 위험물의 양 등을 토대로 하여 「위험물안전관리법 시행규칙 별표17」 및 「위험물안전관리에 관한 세부기준」 제5장에 정하고 있다.

이에 반하여 위험물시설 이외의 건축물(특정소방대상물)에 대한 소화설비 설치기준은 「화재안전기준」에 의거하여 설치되는데 건축물의 용도에 따라 바닥면적, 층수 등을 토대로 하여 기준을 정한다. 「위험물안전관리법」에 의한 기준과 「화재안전기준」은 기본적으로 같은 소화설비에 대한 기준이다. 하지만 위험물시설에 대하여는 「위험물안전관리법」의 기준을 적용하여 더 강화된 소화설비를 설치하도록 하고 「화재예방, 소방시설 설치‧유지 및 안전관리에 관한 법률」의 「화재안전기준」을 적용하지 않는다.

다만, 「위험물안전관리법」에 의해 정하지 않은 사항은 「화재예방, 소방시설 설치‧유지 및 안전관리에 관한 법률」의 「화재안전기준」을 적용한다(위험물안전관리법 시행규칙 제46조). 이는 위험물에 의한 화재는 화세가 강하여 진화가 곤란하고 위험물의 성상에 따라 적응성 있는 소화설비가 한정되어있기 때문이다. 결론적으로 「위험물안전관리법」에 의한 기준을 적용하는데 필요한 것으로서 동법에 규정되지 않은 공통적인 기준은 「화재안전기준」을 준용하되, 「위험물안전관리법」에서 규정하지 않은 설비의무 또는 「위험물안전관리법」의 기준과 상충되는 기준은 준용하지 않는다.

또한 한국산업안전보건공단의 KOSHA GUIDE 정유 및 석유화학 공장의 소방설비에 관한 기술지침 등에 관련 기준이 있는데, 이는 현행법상 CODE가 아니고 GUIDE이다.

2) 주요 소화설비

(1) 고정포 소화설비

고정포 소화설비는 위험물 옥외탱크저장소에 주로 설치되며, 「위험물안전관리법」에 의해 설치기준이 명시되어 있으나 대부분의 내용이 「화재안전기준」과 일치한다. 포헤드(포워터스프링클러) 설비와의 차이점은 수동개방밸브의 동작에 있어서 수동개폐밸브에 전동으로 동작하는 MOV(Motor Operating Valve)설치 또는 수동개폐밸브의 직접 개폐조작이 가능한 점이다.

자동개방밸브 방식은 옥외탱크저장소 탱크 상부에 화재감지기가 교차회로로 구성된 곳이 있으며, 대부분 수동기동밸브를 설치 운영한다. 직접조작 또는 원격조작에 의하여 가압송수장치, 수동식개방밸브 및 포소화약제 혼합장치를 기동할 수 있도록 유지 관리되어야 한다.

(2) 물분무 소화설비

물분무 소화설비는 물분무 헤드로부터 물을 분무형태로 방사하여 연소면을 덮는 것에 의해 소화하는 설비다. 물분무에 의한 위험물의 냉각, 발생하는 수증기에 의한 질식 등의 효과를 이용하는 것이다. 스프링클러설비와 유사하며, 가압송수장치(펌프)에 배관 및 일제개방밸브가 연결되고 위험물탱크에 주위에 물분무헤드가 설치된다.




참고문헌

- 소방청 위험물실무해설서 제4권 - 송영주 화재이론보충자료. 동신대학교 소방행정학과 - 한국산업안전보건공단 정유 및 석유화학 공장의 소방설비에 관한 지침(KOSHA) - 한국석유공사 홈페이지 https://www.knoc.co.kr


글. 홍성업 한국소방안전원 안전진단과장, 소방기술사, 소방시설관리사

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