플라스틱 압출공정의 화재위험성
글 천기홍
화재조사센터 과장
국제화재조사관(CFI)
1. 머리말
전 세계적인 최근 이슈 중 우리의 실생활과 가장 밀접하게 연관된 것을 꼽으라면 단연 미세플라스틱으로 인한 환경오염일 것이다. 오늘날 플라스틱은 대체할 물질이 없을 정도로 인간의 생활 전반에 없어서는 안 될 요소가 되었다. 하지만 그로 인해 엄청난 양의 폐기물이 양산되고, 인류는 환경오염이라는 커다란 숙제에 직면하게 되었으며, 현재는 일회용 플라스틱 제품의 사용을 제한하거나 플라스틱 폐기물을 재활용하는 등 다양한 대책이 시행되고 있다. 특히 플라스틱으로 인한 환경오염 문제가 점점 가속화 될수록 플라스틱 폐기물 재활용분야는 더더욱 수요가 늘어날 것으로 전망이다.
플라스틱 폐기물을 재활용하는 공장은 다른 대부분의 일반폐기물 취급 업체와 마찬가지로 영세하기 때문에 작업장 환경이 매우 열악하고 화재위험이 높다. 업종 특성상 전기에너지원에 의한 열원을 사용해 플라스틱 폐기물을 취급하기 때문에 화재하중이 매우 높고, 실제 이러한 사유로 플라스틱 재활용 공장에서 빈번하게 화재가 발생하고 있다. 이 글에서는 플라스틱 폐기물 재활용 공정인 압출공정의 화재위험성을 알아보고, 화재사례를 분석해 보고자 한다.
2. 플라스틱 압출기의 구조
플라스틱 재활용 공정은 플라스틱 폐기물의 이물질제거, 분쇄, 용융, 압출, 냉각, 절단 순으로 이루어진다. 가장 핵심 공정은 용융 및 압출이다. 압출기의 구조는 [그림 1]에서 보는 바와 같다. 분쇄된 플라스틱 폐기물을 호퍼에 투입하면 실린더 내부에 설치된 스크류에 의해 금형 방향으로 이송되는 동시에 실린더 외부에 설치된 밴드히터에 의해 가열되어 용융이 이루어지게 된다. 스크류에 의해 호퍼에서 금형 방향으로 이동하며 용융된 플라스틱 폐기물은 금형을 통해 압출이 되고 이후 냉각 및 절단되어 최종 완제품인 플라스틱 원료가 된다. 사출기 및 압출기에 설치되어 실린더를 가열하는 밴드히터([그림 2] 참조)는 호퍼에 투입되는 플라스틱 폐기물의 발화온도 이하에서 작동되는 것이 일반적이다.
3. 플라스틱 압출공정의 화재위험성
앞서 머리말에서 잠시 언급했듯이 플라스틱 압출공정의 화재위험은 크게 열원의 사용과 높은 화재하중이 원인이다. 이런 요인들이 구체적으로 어떠한 상황에서 화재로 발전되는지 발화원, 가연물, 연소확대 측면으로 나누어 분석해 보고자 한다.
가. 발화원 측면에서의 화재위험
플라스틱 압출공정에서 발화원이 될 수 있는 부분은 실린더에 설치된 밴드히터를 꼽을 수 있다. 대표적인 플라스틱 폐기물인 폴리에틸렌의 경우 발화온도가 330~410℃ 범위이기 때문에 실린더에 설치되는 밴드히터의 설정온도는 300℃ 이하로 설정한다. 하지만 최악의 상황을 고려할 때 열전대의 고장으로 인한 온도제어부의 기능상실 등으로 인해 밴드히터는 최고온도까지 상승할 수 있는 가능성이 있다. 밴드히터의 최고온도는 설계조건에 따라 상이하지만 일반적으로 사출기 및 압출기에 설치되는 밴드히터의 최고온도는 400~500℃ 정도이기 때문에 온도제어부의 기능상실에 의해 밴드히터의 최고온도까지 상승하게 된다면 실린더 내부 온도는 폴리에틸렌의 발화온도를 상회하게 되어 화재가 발생할 수 있다.
나. 가연물 측면에서의 화재위험
플라스틱 폐기물 재활용 공정의 특성상 다양한 폐기물이 공장으로 반입되기 때문에 폐기물 내에 이물질이 혼입될 위험은 상시 존재한다. 사실 실생활에서 분리수거 절차만 생각해 보아도 이물질 혼입 가능성이 매우 높다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다. 우선 혼입된 이물질에 의한 발화위험은 혼입된 물질에 따라 두 가지 화재위험이 있을 수 있다. 첫째, 발화점이 낮은 물질이 혼입될 경우 기존 폴리에틸렌과 혼합되어 발화점이 낮아져 정상운전 온도에서도 화재가 발생할 수 있다. 둘째, 자체 에너지를 가진 배터리나 마찰에 의해 불티가 발생할 수 있는 금속재 등이 유입되어 분쇄공정 중 마찰에 의한 화재가 발생할 수 있다.
다. 연소확대 측면에서의 화재위험
압출기에서 플라스틱을 용융시킬 경우 수분을 포함한 플라스틱 합성수지의 열분해 가스가 발생하게 된다. 발생되는 열분해 가스는 대기오염 문제를 야기 시킬 수 있기 때문에 반드시 배기장치를 거쳐 스크러버를 통해 세정 후 배출되어야 한다. 따라서 플라스틱 압출공장에서는 압출기에서 발생되는 열분해 가스를 포집하기 위해 국소배기장치를 설치하고 덕트(duct)를 통해 발생된 가스를 스크러버로 이송한다. 이 때 열분해 가스는 이송과정에서 덕트 내부에 고착 및 퇴적되는데 이렇게 고착 및 퇴적된 열분해가스 잔류물이 급격한 연소확대가 되는 매개체가 되어 화재위험을 증가시키는 역할을 한다. 특히 덕트는 작업장의 공간활용 측면에서 보통 높은 위치에 설치가 되는데 높은 위치에 설치된 덕트를 통해 연소확대가 이루어지면 소화활동도 매우 어렵기 때문에 전소로 이어질 가능성이 있다.
4. 플라스틱 압출공정의 화재사례
앞서 검토해 본 세 가지 측면의 화재위험을 바탕으로 실제 플라스틱 압출공장의 화재사례를 선정하고 원인분석을 통해 플라스틱 압출공정의 화재위험을 재확인 해보고자 한다.
가. 사고개요
(1) 화재일시: 2016년 05월 02일(월) 23:57
(2) 화재장소: 부산 강서구 대저동 “○○산업”
(3) 건물구조: 철골조 샌드위치패널 지붕구조
(4) 업종: 플라스틱 폐기물 재활용(플라스틱 압출)
나. 사고내용
화재공장은 플라스틱 폐기물을 재활용하는 공장으로써 24시간 교대근무를 실시하는 공장임.
화재당시에는 근무교대를 하기 위해 압출기를 예열상태로 설정하고 1시간 후 생산을 재개하기 위해 준비를 하는 시간이었음.
압출기 재가동 전 압출기 토출측 금형 부분에 삽입되는 철망(일종의 필터)을 교체하기 위해 금형 부분을 개방함과 동시에 불길이 치솟아 올랐음.
실린더 내부의 온도는 수동으로 제어하고 있었으며, 온도설정 범위는 300~350℃임.
다. 사고분석
(1) CCTV자료검토
압출기 토출 측 금형을 개방하는 순간 불길이 치솟기 시작하는 것으로 볼 때 실린더 내의 온도는 폴리에틸렌의 발화온도를 상회했던 것으로 보임.
이후 화재를 진화하기 위해 압출기 냉각수를 발화지점에 뿌리는 순간 유류화재의 양상과 동일하게 화재가 확산되며 상부 국소배기장치의 후드로 연소확대가 됨.
작업장 전역에서 덕트가 연소되면서 낙하되며 연소확대가 진행됨.
(2) 현장상황
화재로 인해 화재현장은 연소확대 경로 및 발화지점을 확인할 수 없을 정도로 전소됨.
5. 맺음말
지금까지 플라스틱 압출기의 구조를 통해 압출공정을 이해하고 압출공정의 화재위험성을 확인한 뒤 실제 화재사례를 통해 해당 위험요소들을 검증해 보았다. 이 같은 내용을 통해 확인 할 수 있는 화재예방대책은 다음과 같다.
(1) 플라스틱 압출기의 운전온도는 투입되는 원료의 발화온도를 상회하지 못하도록 강화된 인터록 시스템을 설치하는 등 조치를 취한다.
(2) 원료가 되는 플라스틱 폐기물에 발화온도가 낮은 이물질이나 화재가 발생할 수 있는 물질이 혼입되지 않도록 유의한다.
(3) 플라스틱 압출기에 설치되는 국소배기장치의 덕트는 주기적으로 청소 또는 교체하여 내부에 열분해 가스 잔류물이 고착 또는 퇴적되지 않도록 한다.
(4) 플라스틱 합성수지화재의 경우 주수소화 시 유류화재의 양상과 동일하게 연소확대가 될 수 있으므로 주수소화를 금하고 반드시 적응성이 있는 소화약제를 사용하도록 한다.