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메탄과 석탄 분진이 함께 존재하는 폭연 환경에서는 NaHCO₃와 NH₄H₂PO₄ 같은 분말 억제제가 활용됩니다. 그러나 같은 억제제를 투입하더라도 석탄 분진의 휘발분 함량과 열분해 특성에 따라 화염 억제 양상은 다르게 나타날 수 있습니다.
연구팀은 9.5vol% 메탄 조건에서 장염탄, 점결탄, 무연탄이 포함된 폭연 시스템을 구성하고, Revealer NEO25 고감도 고속카메라로 화염 전파 과정을 기록했습니다. 이를 통해 억제제 종류와 농도에 따라 나타나는 종방향 균열, 국부 소염, 화염 분열, 발광 영역 변화를 비교했습니다.
이전 글에서 메탄–미분탄 혼합 폭연의 화염 진화와 전파 속도를 살펴봤다면, 이번 글에서는 분말 억제제에 따라 화염 구조와 소염 과정이 어떻게 달라지는지 분석합니다.
관련 글 확인하기실험은 연구팀이 자체 개발한 메탄–석탄 분진 폭연 가시화 플랫폼에서 수행되었습니다. 시스템은 화염 전파 이미지와 압력 데이터를 동기화해 취득할 수 있도록 구성되었으며, 석탄 종류와 분말 억제제 농도에 따른 폭연 거동을 비교하는 데 활용되었습니다.
폭연 배관과 석탄 분진 분산 시스템을 이용해 메탄과 석탄 분진이 혼합된 실험 환경을 구성합니다.
설정된 조건에서 혼합물을 점화하고, 폭연 과정에서 발생하는 압력 상승 데이터를 동기화해 취득합니다.
Revealer NEO25로 화염핵 형성부터 소염과 화염 분열까지 전체 전파 과정을 연속 촬영합니다.
화염 전파 과정은 Revealer NEO25 고감도 고속카메라를 이용해 5,000fps로 촬영되었습니다. 프레임 간 시간 간격은 200μs로 설정되어, 육안으로 구분하기 어려운 화염 전면의 순간적인 변형과 소염 과정을 시간순으로 확인할 수 있었습니다.
NEO25는 1280×1024 풀 해상도에서 최대 25,000fps를 지원하며 최대 양자효율 85%의 BSI 센서를 탑재합니다. 이러한 고감도 특성은 메탄 농도가 낮거나 억제제 농도가 높아 화염 밝기가 감소하는 조건에서도 화염 경계와 내부 발광 구조를 구분하는 데 유리합니다.
폭연 화염의 시계열 변화 기록
프레임 단위 화염 변화 분석
1280×1024 풀 해상도 기준
약광 화염 구조의 가시성 확보
연구팀은 장염탄, 점결탄, 무연탄 등 세 종류의 석탄 분진에 NaHCO₃와 NH₄H₂PO₄를 각각 첨가했습니다. 메탄 농도와 석탄 분진 질량 농도는 동일하게 유지하고, 억제제 첨가량만 단계적으로 변경해 화염 전파 특성을 비교했습니다.
| 항목 | 실험 구성 |
|---|---|
| 비교 대상 | 석탄 분진 3종 × 분말 억제제 2종 |
| 석탄 분진 | 장염탄, 점결탄, 무연탄 |
| 고정 조건 | 메탄 농도 9.5vol%, 석탄 분진 질량 농도 200g/m³ |
| 억제제 첨가량 | 0%, 10%, 30%, 50%, 70%, 90% |
| 계측 장비 | NEO25 고속카메라, 점화 시스템, 압력 취득 시스템 |
| 영상 분석 항목 | 화염 전면 위치, 전파 속도, 밝기, 계면 변화, 균열 및 국부 소염 시점 |
| 추가 분석 | Chemkin, SEM, XRD, TG-DTG |
| 분석 목적 | 억제제가 화염 전파와 석탄 입자 반응에 미치는 영향 규명 |
5,000fps로 취득한 연속 화염 이미지는 두 분말 억제제가 폭연 과정에 개입하는 방식을 구분하는 핵심 자료로 활용되었습니다. NH₄H₂PO₄ 조건에서는 화염 전파 연속성이 무너지는 현상이 두드러졌고, NaHCO₃ 조건에서는 입자 표면 연소 약화와 발광 영역의 이산화가 상대적으로 뚜렷했습니다.
종방향 균열, 국부 소염, 화염 분리 전파가 주요 영상 특징으로 나타났습니다.
연속 화염이 약해지고 개별 발광점과 미연소 영역이 확대되는 양상이 관찰되었습니다.
NH₄H₂PO₄를 첨가하자 화염 내부의 연속적인 열 방출 구조가 점차 약해졌습니다. 석탄 종류와 억제제 농도에 따라 종방향 균열, 미연소 영역, 국부 소염이 나타났으며 고휘발분 장염탄 시스템에서 억제 효과가 특히 분명하게 확인되었습니다.
| 석탄 종류 | 농도 | 고속카메라로 확인한 화염 변화 |
|---|---|---|
| 점결탄 CMM |
0% | 점화 후 7ms에 구형 화염핵이 형성되고, 24ms에는 손가락 모양 화염으로 전환되었습니다. 화염의 밝기와 연속성은 비교적 균일하게 유지되었습니다. |
| 50% | 전체 전파 시간이 69ms까지 늘어났으며, 39ms에 첫 종방향 균열이 나타났습니다. 54ms에는 균열이 확장되면서 화염이 여러 구간으로 나뉘었습니다. | |
| 90% | 90ms 시점에서 화염 내부에 뚜렷한 미연소 영역이 형성되었고, 화염은 배관 상단까지 안정적으로 전파되지 못했습니다. | |
| 결과 | 억제제 농도가 증가할수록 내부 균열이 확대되고 전파 연속성이 약해졌습니다. | |
| 무연탄 AMM |
0% | 7ms에 화염핵이 형성되고 24ms에 손가락 모양 화염으로 바뀌었으나, 점결탄보다 전체 화염 밝기가 낮았습니다. |
| 50% | 46ms 시점에서 화염 전면 억제가 나타났고, 종방향 균열보다 개별 발광점 형태의 변화가 두드러졌습니다. | |
| 70% | 17ms부터 화염 전면의 변형이 확인되었습니다. | |
| 90% | 화염 밝기는 크게 감소했지만 뚜렷한 균열 없이 연속성을 유지하며 118ms까지 전파되었습니다. | |
| 결과 | 휘발분이 적어 화염 밝기가 낮고 전파 구조가 불안정했지만, 화염의 완전한 분리보다는 약화된 연속 전파가 나타났습니다. | |
| 장염탄 LMM |
0% | 점화 후 3ms 만에 화염핵이 형성되고 19ms에 손가락형 화염으로 전환되었습니다. 세 석탄 중 가장 빠른 발달 속도와 높은 밝기를 보였습니다. |
| 50% | 71ms에 종방향 균열이 발생했고, 99ms에는 중간 영역이 완전히 소염되면서 하부 연소 영역과 상부 전파 영역이 분리되었습니다. | |
| 90% | 초기 화염핵이 완전한 구형 구조를 만들지 못했으며, 84ms부터 화염 전면 소염이 시작되었습니다. | |
| 결과 | 고휘발분 기상 연소가 억제되면서 화염핵 형성과 전파가 크게 약화되었습니다. |
NaHCO₃ 조건에서는 화염 전체가 즉시 분리되기보다 고휘도 영역이 감소하고 미연소 영역이 확대되었습니다. 특히 저휘발분 무연탄에서는 연속 발광면이 여러 개의 작은 발광점으로 나뉘는 파편화된 화염 구조가 관찰되었습니다.
| 석탄 종류 | 농도 | 고속카메라로 확인한 화염 변화 |
|---|---|---|
| 점결탄 CMM |
0% | 7ms에 화염핵이 형성된 뒤 42ms까지 빠르게 전파되었으며, 연속적인 형태와 균일한 밝기를 유지했습니다. |
| 50% | 65ms 시점에서 배관 중간에 군집형 미연소 영역이 만들어졌지만 화염 전체가 분열되지는 않았습니다. | |
| 90% | 48ms에 화염 중간에서 종방향 균열이 나타났으나 균열 폭은 좁고 불완전하게 유지되었습니다. | |
| 결과 | 화염이 완전히 끊어지기보다 고휘도 영역이 감소하고 미연소 영역이 넓어졌습니다. | |
| 무연탄 AMM |
0% | 7ms에 화염핵이 형성되고 24ms에 손가락형 화염으로 전환되었으며, 낮은 밝기로 47ms까지 전파되었습니다. |
| 50% | 화염 전면이 연속적인 발광면을 유지하지 못하고 여러 개의 개별 발광 영역으로 분리되었습니다. | |
| 90% | 화염핵 출현이 51ms까지 지연되었으며, 작은 발광점이 나타났다 사라지는 파편화된 구조가 전파 과정 전반에 걸쳐 관찰되었습니다. | |
| 결과 | 연속 화염이 약화되고 개별 발광점 중심의 불균일한 연소 분포가 두드러졌습니다. | |
| 장염탄 LMM |
0% | 3ms 만에 화염핵이 형성되고 19ms에 손가락형 화염으로 전환되었습니다. 빠른 발달 속도와 높은 밝기가 확인되었습니다. |
| 50% | 화염의 연속성은 유지되었고 밝기만 전반적으로 감소했습니다. 무연탄 조건에서 나타난 뚜렷한 파편화는 확인되지 않았습니다. | |
| 90% | 54ms에 화염 전면의 국부 함몰이 발생하고 60ms에 종방향 균열이 형성되었지만, 완전한 화염 분열이나 소염으로 이어지지는 않았습니다. | |
| 결과 | 기상 연소 전파가 빠르게 형성되어 밝기는 낮아졌지만 화염 구조의 완전한 붕괴는 제한적이었습니다. |
연구팀은 NEO25 고속카메라로 취득한 시간분해 화염 이미지와 반응속도론 시뮬레이션, 잔류물 분석 결과를 결합해 두 억제제의 차별화된 작용 메커니즘을 확인했습니다.
인 함유 자유라디칼 중간체가 H 라디칼을 소산시키고, 휘발분의 기상 연쇄 연소를 방해해 화염핵 균열과 분리 전파를 유도했습니다.
석탄 입자 표면에 안정적인 코팅층을 형성하고 O 라디칼을 소산시켜 화염 전파 속도와 입자 열분해 효율을 낮췄습니다.
메탄–석탄 분진 폭연과 같은 고속 연소 현상에서는 화염의 성장, 가속, 균열, 국부 소염이 수 밀리초 이내에 연속적으로 발생합니다. 압력 센서는 폭연의 강도를 정량화할 수 있지만, 화염이 어느 위치에서 약화되고 어떤 구조로 분리되는지 직접 보여주지는 못합니다.
고감도 고속카메라는 억제제 선별, 폭발 억제 성능 평가, 사고 재구성, 안전 장비 설계에 필요한 시간분해 이미지를 제공합니다. 특히 약광 화염이나 고농도 억제 조건에서는 촬영 속도뿐 아니라 센서 감도, 노출 시간, 해상도, 조명 및 광학 구성까지 함께 고려해야 합니다.
