<편집자주>
2. 가연성 가스
2.1 연소 이론과 폭발 사고
어떤 물질이 미연소 상태로부터 연소되는 상태로 변화하는 것을 발화 현상이라 하며, 발화 현상이 진행되는 속도나 그로 인한 순간적 압력 상승의 유무에 따라서 화재와 폭발로 구분한다. 발화가 일어나기 위해서는 그림 2-1과 같은 연소의 세 가지 요소가 갖추어져야 하며, 이 그림을 ‘연소 삼각형’이라고도 한다.
연소 현상이 발생할 때에는 공기중에 포함된 산소가 가연성 물질과 결합하는 경우가 대부분이며, 염소산염이나 과산화물 같은 산화제 등에 의하여 산소를 공급받기도 한다. 보통의 공기는 21% 정도의 산소를 함유하고 있고, 대부분의 작업 환경에는 공기가 있으므로 산소는 항상 존재하는 것으로 간주된다.
점화원이란 물질이 연소하는데 필요한 에너지원을 말하며, 화기는 물론, 전기 스파크, 마찰열, 충격 등에 의한 불꽃 및 발열과, 자연적 발화의 원인이 되는 산화열 등이 있다. 가연성 물질이 존재하는 장소에서는 점화원의 접근을 방지하기 위한 여러 가지 주의와 규제가 따르지만, 점화원과 가연성 물질의 완전한 격리는 불가능한 경우가 대부분이고, 순간적 실수에 의하여 점화원이 공급됨으로써 대형 사고로 연결되는 사례가 빈번히 발생하고 있다.
가연성 물질은 산소와 반응시 발열에 의한 연소가 계속되면서 열을 발생하는 물질을 말한다. 여기에는 석탄, 목재, 종이, 섬유류 등의 고체 물질과, 가연성 액체 및 석유류와 같은 액체, 그리고 LNG 및 LPG와 같은 액화 가스를 포함하여 대기 조건에서 가스나 증기 상태로 존재하는 물질이 있다. 가스 및 증기 상태로 존재하는 가연성 물질을 가연성 가스라 하는데, 가연성 가스의 연소는 극히 순간적으로 진행되는 특성을 갖고 있다. 특히 제한된 공간 내에서 가연성 가스가 연소될 경우에는 폭발 현상으로 이어져 순식간에 엄청난 피해를 유발하게 된다.
예기치 못한 연소 또는 폭발로 인해 사고가 발생하는 것을 방지하기 위해서는 일반적으로 가연성 물질을 제한된 공간내에 격리시키는 방법을 사용한다. 그러나 고체 및 액체 물질은 물리적 격리가 비교적 용이한 반면, 가스 형상의 가연성 물질은 공기중에서의 이동성이 우수하고, 색깔이나 냄새가 없는 경우가 많으며, 발화점이 낮기 때문에 위험도가 매우 높다. 가연성 가스에 의한 폭발 사고를 방지하기 위해서는, 1차적으로 계측기기를 이용하여 그 존재 여부를 탐지하고, 위험수준 이상의 농도에서는 작업자나 제어장치 등에 의하여 적절한 환기 및 희석을 수행하는 방법이 적용된다.
2.2 가연성 물질의 특성
가연성 물질의 인화점이란, 공기 중에서 액체를 가열할 때, 액체 표면에서 증기가 발생하여, 그 증기에 점화원을 접근시킬 때 증기에 인화되는 최저 온도를 말한다. 인화점 이하의 온도 조건에서 가연성 증기가 발생하지 않을 경우에는 점화원을 접근시켜도 인화되지 않는다. 착화점이란, 점화원을 부여하지 않고 단지 물질을 가열시킴에 따라 연소를 일으키는 최저 온도를 말한다.
한편, 가연성 물질의 기체, 또는 증기는 산소(공기)와 일정한 범위 내에서 혼합되어 있는 경우에만 연소가 이루어지게 되는데, 이 범위를 폭발한계라고 한다. 폭발한계는 다시 하한치와 상한치로 구분되며, 이를 각각 최저 폭발한계(Lower Explosive Limit ; LEL) 및 최고 폭발한계(Upper Explosive Limit ; UEL)라 한다.
최저 폭발한계 이하의 농도에서는 가연성 물질의 농도가 희박하기 때문에 정상적인 조건에서는 연소 또는 폭발이 발생하지 않게 되며, 최고 폭발한계 이상의 농도에서는 산소 부족으로 인하여 연소 또는 폭발 현상이 유발되지 않는다. 그러나, 실제 상황에서는 공간 전체의 평균 농도가 최저 폭발한계보다 낮게 계산되더라도 부분적으로 농도가 높게 형성된 영역이 존재하기 때문에 상당한 주의가 필요하다. 또한, 최고 폭발한계 이상으로 형성된 가스는 주변의 공기에 희석되면서 최고 폭발한계 이하로 내려갈 가능성을 갖고 있으므로, 가연성이 상존하는 것으로 보아야 하며, 충분한 주의를 기울여야 한다.
3. 가스농도 측정방법
3.1 반도체식 센서
반도체식 센서는 전기전도도의 변화를 이용하는 것과, 정류 특성의 변화를 이용하는 것이 있으며, 일반적으로 측정 대상 가스가 반도체 표면에 화학적으로 흡착될 때 반도체의 전기 전도도가 변화되는 원리를 이용한다.
가스 흡착에 의한 전기전도도의 변화를 설명하는 이론 중에서 보편적으로 인정되고 있는 것은 다음과 같다. 그림 3-1의 (1)에 나타낸 것과 같이, 반도체 구성 입자의 경계가 깨끗한 공기 중에 노출되었을 때에는 공기 중의 산소가 반도체 표면에 흡착되어 전위 장벽을 형성하여 전기 전도도가 낮아진다. 여기에 환원성(가연성) 가스가 접촉되면, 반도체 표면에 흡착되어 있던 산소가 이 가스와 결합하여 전위 장벽이 저하되기 때문에 전기 전도도가 높아지게 되며, 이 상태의 전기 전도도를 측정하면 해당 가스의 농도를 알 수 있게 된다.
반도체 방식의 센서는 구조가 간단하고, 자동화에 의한 대량생산이 가능하므로 가격이 저렴하며, 응답 속도가 비교적 빠르다는 장점이 있다. 그러나 측정 원리상, 모든 환원성 가스에 대하여 반응이 일어나게 되므로 선택성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 히터 인가 전압을 조정하여 특정 가스만이 반응하도록 감지 소자의 온도를 변화시키거나, 특정 가스에 대하여 선택성이 있는 모재료와 촉매를 사용하는 방법으로 방해 성분에 의한 영향을 제거시키고 있다.
반도체식 가스 센서는 고체상과 기체상 사이의 흡탈착 현상을 이용한다는 근본적인 문제점으로 인하여, 온도 및 습도 등 주변 환경에 의한 영향을 많이 받게 되며, 다른 성분의 가스에 의한 측정 장해가 심하고, 표면 오염으로 인한 영점의 전이가 크게 나타나기 때문에 낮은 농도의 정밀한 측정에는 적용이 제한된다. 또한 제조 공정상 전극간의 편차가 심하여 각각의 센서에 대한 개별적인 교정이 필요하며, 재현성이 다소 떨어진다는 단점이 있다. 따라서 이 방식의 센서는 가정용 가스 경보기와 같은 민수용품이나 고농도 가스의 누설 탐지용 등에 제한적으로 사용되고 있으며, 특히, 미국과 유럽 공동체에서는 인명 보호를 위한 산업용 안전기기에 이 방식을 채택하지 않고 있다.
3.2 열선식 센서
열선식 센서는 측정하고자 하는 가스의 가연성이나 비열, 열전도도의 차이에 따라 검출 소자의 온도 변화를 유발시킴으로써 전기적 저항이 변화하는 성질을 이용하는 것이다. 이 센서는 일반적으로 그림 3-2의 (1)과 같이 질소 등의 기준 가스를 흘려주는 기준 열선과 피측정 가스를 흘려 검출 소자의 온도 변화에 의한 전기저항 변화를 발생하게 하는 측정 열선으로 구성된다. 또한 사용의 편이를 위하여 기준 열선을 밀봉시킨 형태의 상품도 개발되어 있다.
열선식 센서는 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 다른 가스에 의하여 측정상의 교란을 받는 경우가 많고, 측정 지점의 주위환경에 의한 영향이 많기 때문에 특정 성분의 가스를 선택적으로 측정하는 용도에는 사용이 어렵다. 이 방식의 센서는 수소, 헬륨, 이산화탄소와 같이 비열이 매우 큰 가스의 농도 측정이나, 가스 조성의 변화 추이 등을 검출하는 용도에 주로 사용되고 있다.
실용적인 계측기기에서는 그림 3-3과 같이 측정 열선에 다공질 세라믹을 씌우고 그 표면에 촉매 물질을 도포시킨 방식의 센서를 주로 이용하는데, 이 방식의 센서는 접촉 연소식, 촉매 연소식, 촉매 산화식 등의 다양한 이름으로 불려지고 있다.
이 센서는 비교적 감도가 높고 가스 농도에 비례하여 직선적인 출력 특성을 나타내는 반면, 습도의 영향이 심하고 고농도의 가스에는 적용이 어려우며 기계적 충격에 약하다는 단점이 있다. 접촉 연소식 센서는 최저 폭발한계(Lower Explosive Limit ; LEL) 농도를 정밀하게 측정하는 대표적인 가연성 가스 센서로 널리 사용되고 있다.
3.3 전기화학식 센서
전기화학식 센서에서는 측정 대상 가스의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 측정한다. 정전위 전해식(Poten tiostat)이라 불리는 전기화학식 센서의 내부 구조는 측정 물질의 산화가 일어나는 감응전극(Sensing Electrode), 감응전극에 외부로부터 전압을 걸어 줄 때 기준이 되는 기준전극(Reference Electrode), 감응전극에서 흐르는 전류만큼의 대응 전류를 흘려줌으로써 평형을 유지시키는 대전극(Counter Electrode)으로 구성된다.
예를 들어, 일산화탄소 센서의 경우, 외부 가스 중에 포함된 일산화탄소 성분이 센서의 내부 감응전극에 확산되어 도달하면, 다음 반응식과 같이 전극의 표면에서 CO가 CO2로 산화되고, 그 결과로 전자가 발생한다.
이때, 대전극에서는 감응전극의 반응과 평형을 유지하기 위하여 공기 중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응을 수행한다. 결국, 일산화탄소 센서는 시료 가스의 일산화탄소 농도에 비례하는 전기적 신호(전류)를 발생하므로 이 전류를 측정하면 일산화탄소의 농도를 알 수 있게 된다.
정전위 전해식 센서는 개별 편차가 매우 적고, 재현성이 우수하며, 주위 환경에 대하여 매우 안정적으로 작동될 뿐 아니라, 신호가 직선적이고 구조 및 취급이 간단하여 산업 현장에서 유독성 가스의 농도를 감시하는 용도에 널리 사용된다.
한편, 그림 3-5는 갈바니 전지식(Galvanic Cell) 산소 센서의 구조 및 작동을 나타낸 것이다. 이 방식은 납(Pb)으로 제조된 양극을 전해액에서 반응시키는 전지 형태의 구조를 갖고 있으며, 전기화학 반응에 의하여 산소 농도를 정밀하게 측정하는 가장 진보된 방식으로 평가되고 있다. 이 센서의 양극과 음극에서 일어나는 반응을 종합하면 다음 식과 같이 표시되는데, 이때 양극과 음극 사이에 흐르는 전류를 측정하면 산소 농도를 알 수 있게 된다.
3.4 가스 분석기
3.4.1 가스 분석기의 분류
가. 적용 분야에 의한 분류 : 시험연구용, 산업용, 가정용
나. 측정 대상에 의한 분류 : 배기가스용, 안전관리용, 대기(환경)오염 측정용
다. 운용 형태에 의한 분류 : 휴대형, 이동형, 설치형
라. 감지 방법에 의한 분류 : 흡입(샘플링)식, 확산식
마. 대상 가스에 의한 분류 : O2, CO, H2S, SO2, NO, NO2, Cl2, H2, HCN, HCl, NH3, 가연성 가스 등
바. 측정 가스의 수효에 의한 분류 : 단일형, 복합형
사. 사용 센서의 형식에 의한 분류 : 검지관식, 반도체식, 열선식, 전기화학식 등
3.4.2 센서의 수명 및 교체
대부분의 센서는 공기에 접촉하는 것만으로도 열화가 진행되는데, 이러한 현상은 측정기를 사용하지 않더라도 발생하며, 일정한 기간이 경과하면 사용이 불가능하게 된다. 안전용 가스 분석기에서 폭넓게 채택되고 있는 전기화학식 센서의 경우, 그 수명은 접촉한 공기에 포함된 해당 가스의 농도와 접촉시간의 누적치로 나타나지만, 일반적인 환경에서 표 3-1과 같은 정도의 수명을 갖는다. 한편, 정도의 차이는 있지만, 모든 가스 센서는 주위온도 및 습도의 변화에 민감하게 반응하고, 그 수명도 주위 환경에 따라 가감될 수 있으므로 정상적인 환경 조건을 유지하려는 노력이 필요하다.
센서 열화에 의한 성능의 변화 형태에는 출력의 저하, 암절류의 증대, 응답속도의 저하, 검량선의 변형, 불안정화 등이 있는데, 실제로는 이러한 현상들이 동시에 복잡하게 발생한다.
① 출력의 저하 : 센서의 출력이 떨어지는 것으로, 실제 농도보다 낮게 지시함.
② 암전류의 증가 : 센서 내부의 암전류가 증가하면 실제 농도보다 높게 지시함.
③ 응답속도의 저하 : 0∼90% 응답에 1분 이상이 소요됨.
④ 검량선의 변형 : 실제의 농도와 다른 기울기의 출력을 나타냄.
⑤ 불안정화 : 센서의 출력이 불안정하여 농도가 불안정하게 표시됨.
가스 분석기는 유사시 인간의 생명을 보호하기 위하여 사용하는 것이며, 그 특성이 매우 민감하므로 반드시 정기적인 점검과 교정이 필요하다.
기기의 작동상태가 불량하거나, 출력이 비정상적으로 나타나는 경우에는 먼저 센서가 정상인지 여부를 확인해야 하며, 센서의 열화 조짐이 나타나면 새로운 센서로 교환한 후, 표준 가스에 의한 교정 작업을 수행하여야 한다. 대부분의 안전기기에서는 표 3-1에 나타낸 센서의 최소 수명을 기준으로, 정기적인 교체 시기를 결정하고 있다.
3.4.3 기기의 점검과 교정
안전용 가스 분석기는 통상 1개월에 1회 정도(최소한 6개월에 1회 이상)의 주기로 정기 점검을 실시하며, 이때, 점검 항목은 대략 다음과 같다.
① 외관 점검 : 본체부, 케이블, 호스, 코넥터 등에 대한 외관상의 이상 유무를 점검함.
② 영점 점검 : 측정기를 오염되지 않은 대기에 노출, 동작시킬 때 영점의 이동여부를 점검함.
③ 작동 점검 : 경보치(기준치) 부근의 혼합 가스를 이용하여, 오차발생 여부를 점검함.
각종 가스 분석기의 사용 및 관리에 있어서, 전자적 또는 화학적 교정은 매우 중요하다. 특히, 기기의 사용 환경이 열악할 경우에 교정은 아무리 자주 수행하여도 지나치지 않을 것이다. 그러나, 가스 분석기가 안전용으로 사용될 때에는 점검 및 교정에 있어서 각별한 주의가 요구되며, 따라서 책임있는 전문가에 의하여 실시되어야 한다.
① 전자적 교정 : 센서의 출력치 및 측정값의 선형성 확인
② 화학적 교정 : 표준가스에 의한 실제적인 교정
가스 분석기의 교정은 사용하기 이전에 수시로 수행하는 것이 원칙이지만, 그 교정에 있어서 전문성이 요구되므로, 일반적으로 연간 2회 정도가 합당하다. 교정을 위한 표준 가스는 한국표준과학연구원 등에서 제조, 공급하고 있으며, 교정을 수행한 기기는 교정 일시와 그 결과를 기기 외부 및 별도의 관리 대장에 각각 기록하여 두어야 한다.
한편, 위험 소지가 있는 현장에 작업자가 투입될 때에는 주위의 가스 농도를 측정하여 기록하도록 지도하는 것이 바람직하고, 이 기록은 적어도 3년간 보존하여야 한다.