기계식 진공시스템 안전성 번역(영어 원본)Explosion protection safety concept for use in mechanical vacuum pump systems in secondary metallurgy steel degassing processes Today’s international standards for mechanical vacuum systems are based on the latest generation Roots-type vacuum pumps and dry screw-type vacuum pumps. Degassers, particularly those using oxygen injection, such as VOD and RH-OB, can result in off-gases that are potentially explosive. Equipment supplied to the European equipment for explosive atmospheres (ATEX), provides safe and cost-effective mechanical vacuum solutions. Over the last decade, mechanical vacuum systems have proven to be very practicable, reliable and powerful for steel degassers and, compared with conventional steam ejector technology, they dramatically reduce operation costs and CO2 emissions. Today’s international standards for mechanical vacuum systems are based on the latest generation Roots-type vacuum pumps and dry screw-type vacuum pumps. Selecting such modern mechanical pump solutions also offers outstanding process control possibilities, and employs a very reliable design, enabling the pumps to survive inside the harsh steel plant environment. By installing standard pumps in multiple arrangements, even highest suction requirements can be fulfilled with competitive pricing (see Figure 1). In recent years, plant manufacturers and end users have made increased efforts to analyse the gases produced during the various steel degassing and decarburisation processes. Attention was given to the presence of flammable gases, such as carbon monoxide (CO) or hydrogen (H2) which, in combination with oxygen in the right concentration, could generate explosive gas mixtures. Then, having identified potentially explosive mixtures, the user must ensure that they cannot cause a hazardous explosion if ignited by a potential ignition source.
As mechanical pumps containing fast rotating parts could theoretically become a source of ignition, this article highlights that by employing the European equipment for explosive atmospheres (ATEX – Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosibles) regulations, safe and still cost-effective mechanical vacuum solutions are
possible. The directive 94/9/EC provides the technical requirements to be applied and the relevant conformity assessment procedures before placing any equipment or protective systems intended for use in potentially explosive atmospheres on the European market. RISK ASSESSMENT
Within the ATEX regulations, the user has the responsibility to analyse the specific degassing process and to define appropriate explosion protection zones both for the equipment itself and its surroundings. The user needs to identify if the gas mixtures which could appear inside these areas are explosive and how likely this is.
During a typical steel degassing process potentially flammable fuels as CO or H2 are produced, but the appearance of such gases alone does not create a danger. Only if the gas is mixed in the right concentration with oxygen does the gas mixture become dangerous. This can occur if their concentration lies between the lower
explosion limit (LEL) and upper explosion limit (UEL) values.
On analysing a typical degassing cycle we find that we do not see a clear ‘fuel with air’ gas mixture, but that the fuel is mixed with various other gases. LEL and UEL can therefore only be a guideline to analyse if the identified gas mixtures are dangerous or not. In addition, LEL and UEL are dependent on pressure, but the literature only mentions valid data for atmospheric pressure. Under vacuum conditions, the ‘explosive bandwidth’ becomes smaller and below a certain vacuum level (minimum ignition pressure) no gas mixture can be ignited (see Figure 2).
The literature provides no clear information for the minimum ignition pressure, and specific data for H2 and CO cannot be found. Traditionally pressures below 50-100mbar have been declared as safe areas, but recent literature shows that under certain conditions ignition is also possible at much lower pressures.
Even if assuming that the degasser is operating below the minimum ignition pressure, the user must hold in mind that the extracted gases are compressed to atmospheric pressure by the vacuum pump system and might become hazardous inside the pumps or at their exhaust side.
Another way to define if a gas mixture is safe is the use of the Minimum Oxygen Concentration (MOC), also known as the Limiting Oxygen Concentration (LOC). This value defines the limiting concentration of oxygen below which combustion is not possible, independent of the concentration of fuel. The MOC varies with pressure and
temperature and is also dependent on the type of inert (non-flammable) gas (eg, argon used for circulation). In Table 1 some sample literature data are listed.
(The temperature class and gas specific explosion groups are important for the selection of the right equipment. These values will not be further discussed in this article. The auto ignition temperature is only valid if oxygen is present.)
As it is technically possible to measure the oxygen concentration inside the evacuated gases this could be a vital way to ensure safety. Nevertheless, working with literature data which is defined under standard conditions, the user is advised to add an additional margin of at least 60% to ensure safety for specific, non-standard conditions.
Figure 3 shows a sample gas-analysis for a typical VOD process. The concentrations of the important gases are as follows: |
기계식 진공시스템 안전성 번역(한국어 번역본)2차 야금강 탈가스 공정 시 기계식 진공 펌프시스템의 방폭 안전 개념 현재 기계식 진공 펌프시스템에 관한 국제 표준들은 차세대 루츠타입 진공 펌프와 건식 스크류타입 진공 펌프를 근거로 하고 있다. 가스제거기 특히, VOD와 RH-OB와 같이 산소 주입법을 이용하는 가스제거기들은 폭발 가능성이 있는 가스들을 배출할 수 있다. 유럽 방폭 지침(ATEX)에 부합하는 장비는 안전하고 비용 효율적인 기계식 펌프 솔루션을 제공한다. 지난 10년 간, 기계식 진공시스템은 강철 가스제거기에 매우 적합하며 안정적이고 효과적인 것으로 입증되었다. 기계식 진공시스템은 재래식 스팀 이젝터 기술에 비해 운용비와 CO2 배출량을 현저하게 감소시킨다.
현재 기계식 진공시스템에 관한 국제 표준들은 차세대 루츠타입 진공 펌프와 건식 스크류타입 진공 펌프를 근거로 하고 있다. 그러한 최신 기계식 펌프 솔루션을 선택하면 공정을 훌륭하게 제어할 가능성이 생기고 신뢰성이 높은 설계를 이용함으로서 제철소의 혹독한 환경에서도 펌프가 보다 오래 견딜 수 있다. 다중 배열로 표준 펌프를 설치하면 경쟁력있는 가격으로 가장 높은 흡입 요건도 준수할 수 있다. (그림 1 참조)
최근 몇 년 동안, 플랜트 제조업체들과 실사용자들은 다양한 강철 탈가스 공정과 탈탄 공정 에서 생성되는 가스들을 분석하기 위해 노력을 기울여 왔다. 주로 농축 시 산소와 결합하면 폭발성 가스 혼합물을 생성할 수 있는 일산화탄소(CO)나 수소(H2)와 같은 인화성 가스들에 주목했다. 폭발 가능성이 있는 혼합물이 확인되면, 사용자는 반드시 잠재적인 발화원에 의해 불이 붙더라도 위험한 폭발이 발생하지 않도록 해야 한다.
빠르게 회전하는 부품이 들어 있는 기계식 펌프는 이론 상 발화원이 될 수 있지만, 본 글에서는 유럽 방폭 지침(ATEX-Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères Explosibles)을 활용해 안전하고 비용 효율적인 기계식 진공 솔루션이 가능하다는 것을 강조한다. 지침 94/9/EC는 유럽 시장 내의 잠재적 폭발성 환경에서 이용되는 장비나 방호시스템을 설치하기 이전에 실시하는 관련 적합성 평가 절차와 해당 기술 요건을 제시한다. 위험성 평가
ATEX 규제에 따르면, 특정 탈가스 공정을 분석하고 장비와 장비 주변에 적합한 방폭 구역을 규정할 책임은 사용자에게 있다. 사용자는 이러한 구역 내에 있을 수 있는 가스 혼합물들이 폭발성인지, 폭발 가능성은 얼마나 되는지를 규명해야 한다.
전형적인 강철 탈가스 공정에는 CO나 H2 같은 인화성 연료가 발생할 가능성이 있지만 그러한 가스들이 존재한다고 해서 위험이 발생하지는 않는다. 가스 혼합물들은 가스가 농축될 때 산소와 결합되는 경우에만 위험해 진다. 가스 혼합물의 농도가 폭발 하한계(LEL) 값과 폭발 상한계(UEL) 값 사이에 있다면 위험이 발생할 수 있다.
전형적인 탈가스 공정을 분석하면서 우리는 명확한 ‘fuel with air’ 가스 혼합물을 보지 못했지만 연료가 다른 다양한 가스들과 혼합된다는 것을 발견했다. 그러므로 LEL과 UEL만이 규명된 가스 혼합물이 위험한지, 아닌지를 분석할 수 있는 유일한 지침이 될 수 있다.
이 외에 LEL과 UEL은 압력에도 좌우되지만 본 글에서는 대기압에 타당한 자료만을 언급한다. 진공 상태에서는 ‘폭발 대역폭’이 작아지고, 특정 진공 수준 (최소발화압력) 이하에서 가스 혼합물은 인화가 불가능하다. (그림 2 참조)
문헌에는 최소발화압력에 대한 명확한 정보가 제시되어 있지 않으며 H2나 CO에 대한 구체적인 자료도 찾아볼 수 없다. 전통적으로 50-100mbar 이하의 압력은 안전한 영역으로 공인되어 왔지만 특정 조건에서는 이보다 훨씬 낮은 압력에서도 인화가 발생할 가능성이 있는 것으로 최근 논문에서 입증되었다.
가스제거기를 최소발화압력 이하에서 운전한다고 가정하더라도, 사용자는 반드시 추출된 가스들이 진공 펌프시스템에 의해 대기압까지 압축되고 펌프 내부나 펌프의 배기구 쪽에서 위험이 발생할 수 있음을 명심해야 한다.
가스 혼합물이 안전한지를 규명할 수 있는 또 다른 방법은 한계산소농도(LOC)라고도 알려져 있는 최소산소농도(MOC)를 이용하는 것이다. 이 값은 연료의 농도와 상관없이 인화가 불가능한 최소산소농도를 정의한다. MOC는 압력과 온도에 따라 다르며, 불활성 (비인화성) 가스 (예를 들어, 순환에 이용되는 아르곤)의 종류에도 좌우된다. 표 1은 일부 표본 논문 자료이다.
(온도 등급과 특정한 폭발군은 적합한 장비를 선택하는데 있어 중요하다. 본 글에서는 이 값들에 대해 더 이상 논하지 않을 것이다. 자동발화온도는 산소가 존재하는 경우에만 타당하다.)
배기된 가스의 산소 농노를 측정하는 것은 가능하기 때문에 이는 안전을 보장할 수 있는 중요한 방법이 될 수 있다. 그러나 표준 조건에서 규명된 문헌 자료를 이용하는 사용자는 최소 60%의 추가 마진(margin)을 더해 표준에서 벗어난 특정 조건에서의 안전성을 보장할 것을 권고한다.
그림 3은 전형적인 VOD 과정에 대한 표본 가스 분석 결과이다. 중요한 가스들의 농도는 다음과 같다. |
