연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
폐수 증발농축공정의 화재폭발 위험성 및 안전관리 방안
- 연구책임자
- 최이락 외 4명
- 수 행 연 도
- 2023년
- 핵 심 단 어
- 증발건조,증발농축,폐수,폐수수탁업,화재폭발
- 주 요 내 용
- 1. 연구배경
폐수처리공법 중 하나인 증발농축공정은 폐수를 증발농축장치에 유입하여 증발 및 농축한 후, 증발된 증기는 응축과정을 거쳐 처리수로 배출하고 농축액은 증발건조기로 이송되어 건조과정을 거쳐 최종 처리되는 공법으로 운전비용이 적게 소요되면서 처리 효율이 높아 다양한 분야에서 많이 이용되고 있다. 증발 농축공정의 주요 취급물질이 물이기 때문에 화학물질을 취급하는 다른 제조공정에 비해 상대적으로 안전하다고 인식되고 있으나, 감압조건에서 진공이 깨지거나 온도조절에 실패할 경우 내부온도가 증가하면서 슬러지가 과건조되어 산화 및 분해 등에 의해 화재폭발사고가 발생할 수 있으며, 폐수 특성상 모든 성분을 특정하는 것이 불가능하기 때문에 사고의 정확한 원인을 파악하기 어렵다. 2020년과 2023년, 각기 다른 폐수수탁업 사업장에서 화재사고가 발생했으며, 두 사고 모두 증발농축(건조)기의 온도가 상승함에 따라 슬러지가 과건조되어 분출되면서 화재가 발생한 것으로 보고되었다. 수탁폐수업의 경우, 폐수의 성상에 따른 유연한 처리가 불가능함에 따라 유사사고를 방지하기 위해서는 폐수수탁업 사업장의 안전관리에 대한 근본적인 대책이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 사고의 예방을 위해 증발농축공정을 사용하는 폐수수탁업 사업장의 실태를 파악하고, 문헌조사, 관련 법규, 사고사례 분석 및 폐수의 증발농축 공정에서 생성되는 물질에 대한 화재폭발 위험성 평가를 통해 사고예방을 위한 안전관리 방안을 마련하고자 하였다.
2. 주요 연구내용
1) 폐수 증발농축공정의 현황
환경부에 등록된 폐수처리업 등록현황에 의하면 ’23년 5월 기준 국내 85개의 사업장이 폐수를 수탁, 재이용하는 폐수처리업체로 등록되어 있으며 이 중 75개 사업장은 50인 미만의 소규모이며, 2015년 자료에 의하면 64개 사업장에서 증발농축공정을 이용하여 폐수를 처리하고 있다. 산업안전보건법 제19조(안전보건관리담당자)에 따라 폐수처리업의 경우 2019년부터 상시근로자 20명 이상 50명 미만인 사업장은 안전보건관리담당자를 1명 이상을 지정하도록 하고 있으나 57%(48개소)에 달하는 20인 미만인 사업장은 선임의무가 없어 안전보건 관리 측면에서 여전히 ‘사각지대’에 머물러 있다고 할 수 있다.
환경부는 폐수처리업의 안전관리기준을 강화하고자 2020년 물환경보전법 하위법령을 개정하였다. 등록제에서 허가제로 변경되면서 허가절차, 기술능력, 시설 및 장비 등의 허가기준을 마련했으며, 수탁받은 폐수를 다른 폐수와 혼합하여 처리하려는 경우 혼합확인을 통해 사전에 폐수 간 반응여부 등을 확인하도록 했다. 그러나 실제 운전 조건에서 반응위험성이나 과건조에 의한 분해 등에 의한 화재폭발 위험성을 사전에 예방하는 데 있어 혼합확인으로는 한계가 있는 것으로 판단된다.
폐수수탁업 5개 사업장을 방문하여 인터뷰를 진행하고, 공정 및 설비 관련 안전관리 현황을 파악하였다. 수탁폐수 간 혼합확인은 법적인 의무사항으로 항목별로 실시하고 있었으며, 압력계는 진공만 측정가능한 상태로 판체크밸브, 파열판 등의 설비는 있으나 안전밸브는 미설치되어 있었다. 또한 정상운전조건 이탈시 경보장치는 1곳을 제외하고 모두 설치되어 있었으며, 스팀 공급차단과 냉각수 공급의 연동은 미설치되었다. 안전운전절차서는 설비의 운전 및 유지보수 관련 설명의 위주로써 정상운전조건 이탈시의 절차에 대해서는 포함되지 않았다.
2) 폐수 처리업의 사업장의 사고사례
2013년부터 2023년 8월까지 폐수처리업으로 등록된 사업장의 재해사례를 수집하여 분석하였다. 수탁처리업 34개, 수탁·재이용업 18개, 재이용업 33개 업소가 등록되어 있으며 재해현황은 사망 16명, 부상 158명, 재해건수는 156건이다. 업종별로 구분한 재해자수는 수탁 및 수탁·재이용업 사업장의 재해자수가 전체 재해자수의 95.4%에 달하는 것으로 나타났다. 발생형태를 화재, 폭발, 이상온도 및 화학물질 누출·접촉으로 한정하여 업종별로 구분한 결과 전체 54건 중 51건이 수탁 및 수탁·재이용업 사업장에서 발생하였다.
2020년과 2023년, 각기 다른 폐수수탁업 사업장에서 화재사고가 발생했으며, 두 사고 모두 증발농축(건조)기의 온도가 상승함에 따라 슬러지가 과건조되어 분출되면서 화재가 발생한 것으로 보고되었다.
3) 폐수 증발농축공정 물질의 화재·폭발특성 평가
증발건조기에서 폐수 슬러지가 과건조되면서 사고가 발생함에 따라 폐수 슬러지를 건조처리하여 열분석, 마찰감도 등의 시험을 통해 반응안정성 및 화재폭발 특성을 평가하였다. 열분석 결과, 이상반응에 의해 화재폭발 특성에 영향을 미칠 수 있는 발열개시온도의 범위는 시료마다 차이는 있으며 (143~171) ℃의 범위 내에 있었으며, 일부 시료는 단열조건에서 125℃에 도달하면서 자기발열이 시작되었고 16시간 후 시료용기의 한계 압력인 200bar를 초과하여 용기가 파열되었다. 또한 마찰감도를 평가한 결과, 일정 수준 이상의 마찰에너지에 의해 분해 및 착화 가능성이 있는 것으로 나타났다.
4) 폐수 증발농축공정의 안전관리 방안
사고가 발생한 증발건조기는 폐수 농축액 내 성상이 확인되지 않는 물질에 의해 반응폭주 등 이상 화학반응이 일어날 수 있기 때문에 특수화학설비 안전조치(계측장치, 자동경보장치, 긴급차단장치 등의 설치)에 준하는 조치를 실시하는 것을 고려해야 한다. 또한 수탁폐수 간 혼합확인 시 증발건조기의 공정과 유사한 환경에서 반응 여부를 확인할 수 있는 분석방법 도입이 필요할 것으로 판단된다. 관리적 측면에서는 안전운전절차서 및 비상대응절차 보완 및 근로자 교육 실시 등을 제안하였다.
3. 연구 활용방안
- 사업장 교육 및 기술자료로 활용, 학술지 논문 발표
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