금속화재 대응을 위한 국내 금속폐기물 대응 방안 연구
A Study on Domestic Metal waste Countermeasures Against Metal Fires
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Abstract
소방청 국가화재정보시스템에 따르면, 최근 알루미늄과 마그네슘의 사용량이 증가함에 따라 최근 5년간(’18∼’22) 금수성 물질로 인한 화재는 총 140건, 재산 피해 약 13억원으로 나타났다. 또한 같은 시기에 발생한 금속화재 관련 화재보고서에는 금속 폐 분진에서 발생한 화제가 주된 원인이었다. 따라서 본 연구에서는 실제 금속 재활용업체에서 발생한 폐기물을 가지고 ISO 7165와 KS F 2271의 시험기준에 따라, 소화 실험과 가스 유해성 실험을 수행하였다. 팽창질석과 침윤소화약제의 소화 효과성을 확인하였으며, 해당 소화약제를 적용하였을 때 발생하는 가스 유해성을 마우스의 행동 변화로 확인하였다.
Trans Abstract
According to the National Fire Information System of the National Fire Agency, due to the recent increase in the use of aluminum and magnesium, a total of 140 fires caused by water reactive chemicals in the past five years (’18~’22) were reported, with about 1.3 billion won in property damage. In addition, the main cause of fire reports related to metal fires that occurred simultaneously was metal waste powder. Therefore, in this study, fire extinguishing and gas hazard experiments were conducted in accordance with the test standards of ISO 7165 and KS F 2271 using waste generated by domestic metal recycling companies. The effectiveness of fire suppression by the expanded vermiculite and wetting agent was confirmed, and the gas hazards caused by the application of digestive medicine were confirmed by changes in mouse behavior.
1. 서 론
일반적으로 사용되는 금속은 표면이 불연성 금속 산화물로 덮여있고, 열전도율과 열용량이 커 일부가 가열되어도 산소 등의 지연성 가스 중이 아니면 발화하지 않는다(1). 금속화재는 알루미늄(aluminum, Al), 마그네슘(magnesium, Mg), 칼륨(potassium, K), 리튬(lithium, Li), 나트륨(natrium, Na) 등의 반응성이 큰 가연성 금속에서 발생하는 화재를 말한다(2). 2018년부터 2022년까지 5년간 발생한 금속화재 관련 화재조사보고서 12건에 따르면, 대부분은 알루미늄을 재활용하는 업체의 가열된 폐 분진이나 폐기물을 보관하던 창고에서 발생한 화재로 확인되었다. 일부는 마그네슘 분진과 칩 형태의 알루미늄 절삭 폐기물을 보관하던 공장에서 화재가 발생하였다. 금속화재가 발생하였을 경우 소방에서 가장 큰 어려움을 겪는 것은 금속 가연물의 온도를 낮추는 방법이다. 일반적으로 사용되는 물의 경우 반응 시 폭발성이 강한 수소를 발생시키므로(3) 일반적인 물을 사용해서는 안 되고 팽창질석, 건조사, D급 소화기, 침윤소화약제, 액화팽창질석을 사용하거나 일부 적용해 볼 수 있다. 하지만, 약제를 구비하고 사용해야 하는 소방서에서는 일부 효과성이 있는 약제를 갖추기 위해 높은 비용을 지급해야 하므로 현실성이 떨어진다(Table 1)(4). 추가로 해외 D급 소화기 시험기준과 국내 금속화재의 현실적인 문제도 존재한다. ISO 7165의 기준에 따르면, 순도 높은 마그네슘 분말을 가연물로 지정하고 있으나, 국내 금속폐기물의 주원인으로는 재활용 단계에서 발생하는 용광로의 금속 폐 분진이다(5).
The Amount and Cost of Agents to be Completely Suppressed (Based on 2 kg of Magnesium)
국내 문헌에 따르면, 금속화재 대응을 위해 여러 소화약제나 소화기에 관한 연구가 수행되었다. 간이소화용구나 약제를 통해 소화 효과성을 분석하거나(4), 금속화재용 소화기 활용 방안과 관련된 연구였다(6). 하지만, 모두 순도 높은 마그네슘을 기준으로 실험되었으며, 실제 금속폐기물을 대상으로 하지 않았다. 또한 국립소방연구원에서 수행한 실험과 국외 문헌에 따르면 충분한 물 공급과 격리를 통해 연소 중인 금속분말의 화재 확산을 억제할 수 있다고 나타났다(7).
따라서 본 연구에서는 실제 금속폐기물을 재활용하는 업체를 조사하여 실험 시료를 채집하고 성분분석 함으로써 실제 주요 금속원소를 확인하였다. 또한 ISO 7165(8)와 KS F 2271(9) 시험기준을 인용하여, 국내에서 주로 발생하는 금속화재에서 소방대원이 적용할 수 있는 소화약제를 제시하고 노출될 수 있는 가스의 유해성을 알아보고자 하였다.
2. 실험방법
2.1 국내 금속폐기물 채집 공장 선정
국내 금속폐기물은 환경부, 한국환경공단, 통계청 등 공개된 자료를 통해 사업 규모와 지역별로 현황을 조사하였다. 총 161개의 업체가 일차적으로 선별되었으며, 이 중 시료 채집에 응한 업체 10곳(A∼J)을 최종 채집 대상으로 선정하였다(Table 2).
The List of Selected Metal Recycling or Processors
2.2 국내 금속폐기물 채집 방법
시료 채취 방법은 폐기물공정시험기준, 고형연료제품 품질 시험⋅분석 방법을 검토하여 최소 시료수를 정하였다. 시료를 채집하기 전에 휴대용 X-ray fluorescence, Olympus (XRF)를 사용하여 금속화재와 연관된 원소가 있는지 확인하였다. 해당 원소의 함유 여부가 확인되면 채집을 수행하였다. 채집 지점은 금속 폐분말이 담긴 자루를 기준으로 3곳 이상을 채집하였고 균질화를 통해 용기에 보관하였다. 시료 채집에 사용된 모든 장비는 비철 재질로 하였으며, 0 ℃∼4 ℃의 냉⋅암소에 보관하였다.
2.3 국내 금속폐기물 분석 항목 선정 방법
채집된 시료의 주요 분석 항목으로는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 철(Fe), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 아연(Zn), 니켈(Ni), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg)으로 하였다. 위의 원소들은 위험물안전관리법 시행령과 KOSHA GUIDE G-77-2013 물 반응성 물질의 취급⋅저장에 관한 기술 지침, NFPA 484 standard for combustible metal(10)을 바탕으로 선정하였다.
2.4 국내 금속폐기물 분석 방법
채집된 시료는 미국 환경 보호국 중금속 측정 방법인 EPA 3051 A를 준용하여 수행하였다. 분해 용기에 일정량의 금속폐기물 시료를 넣고, 질산 10 mL와 불화수소산 1 mL를 넣어 산 처리를 하였다. 마이크로웨이브 통해 분해 처리하였으며, 식힌 후 50 mL 부피플라스크에 담아 증류수로 맞추었다. 이후 완성된 용액을 분석기기 inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES, Ompima 8300)를 사용하여 분석하였다(Table 3). 분석값은 퍼센트(%)로 나타내었다.
The SettingVvalue of Microwave and ICP-OES
2.5 금속폐기물 소화 효과성 실험 방법
해당 실험은 ISO 7165 fire fighting-portable fire extinguishers의 시험방법을 준용하여 수행하였다. 시료 채집과 분석은 총 10가지로 수행되었다. 해당 시험기준에 따라 점화 후 지속적인 연소가 관찰되어야 하지만, 연소확산이 불가능한 시료 일곱 가지(B, D, E, F, H, I, J)는 소화 실험에서 제외되었다. 총 세 가지(A, C, G)의 시료를 사용하였으며, 성분분석과 반복 실험을 위해 각각 2 kg씩만 소화 효과성 실험에 사용하였다.
ISO 7165에서는 순도 99.5%의 마그네슘 분말을 사용하지만, 실제 화재와의 유사성을 위해 채집된 금속 폐분말 시료를 사용하였다. 또한 점화 시간은 본래 가스 토치를 이용하여 25 s에서 30 s 동안 가열되어야 하지만 순도가 낮은 혼합물의 특성을 고려하여 60 s간 가열하였다. 표면이 50% 이상 연소하였을 경우 소화약제를 투입하였다. 약제의 효과성을 비교한 문헌(4)을 토대로 고체 형태의 팽창질석과 액체 형태인 침윤소화약제 사용하였다(Table 4). 팽창질석은 삽을 이용하여 가연물에 직접 도포하였으며, 침윤소화약제는 가열된 금속폐분말의 반응성을 최소화하기 위해 미분무 형태로 적용하였다. 추가로, 화재현장에서 적재 상태에 따라 달라질 수 있는 환경을 고려하여 침윤소화약제의 경우 약제가 방출될 수 있는 조건과 방출되지 않는 조건을 비교하였다. 데이터로거(GL840WV, GRAPHTEC)와 총 6개의 온도보상도선(표면 3개, 심부 3개)을 통해 온도변화를 관찰하였으며, NFPA 484에서 제시하고 있는 잔여물이 주변 온도에 도달할 때까지 냉각으로 하였다. 실험체는 1,000 mm × 1,000 mm × 5 mm 철제 판 위에 금속 폐분말 시료를 위치시킨 후 600 mm × 600 mm × 300 mm 철제 틀을 제거하였다(Figure 1).
The Characteristic of the Agents
The class D test fire composition.
2.6 금속폐기물 가스 유해성 실험 방법
해당 실험은 KS F 2271 가스유해성 시험기준을 따라 수행되었다. 해당 실험은 마우스의 활동정지시간을 관찰하는 실험이며, 총 15 min 관찰 중 활동시간이 9 min 이상일 경우 통과로 한다. 본 실험은 국립소방연구원 동물실험윤리위원회의 실험계획 검토를 통해 실험 수행이 승인되었다(승인번호: AN-2023-대응-01). 마우스는 18∼22 g의 5주령 총 80개체를 사용하였으며, 실험이 완료된 동물은 안락사 챔버 내에서 15 min간 이산화탄소에 체류시켜 안락사를 시행하였다. 마우스의 구매와 처분은 식품의약품안전처에 등록된 업체를 이용하였다. 수직 시편이 아닌 금속 폐분말을 연소시키기 위해, 시험 장비의 교반상자와 같은 연소용 챔버를 추가 제작하였다. 제작된 연소용 챔버에서 발생한 가스는 KS F 2271의 본래 교반상자와 동일한 규격의 팬을 사용하였다. 발생한 가스는 마우스가 위치한 피검상자로 유입되었며, 가스에 노출된 마우스 8개체의 활동을 관찰하였다.
3. 실험결과
3.1 국내 금속폐기물 분석 결과
국내에서 채집된 10곳(A∼J) 중 7곳을 제외한 소화 효과성과 가스 유해성 시험이 가능한 3곳(A, C, G) 금속폐기물 분석 결과는 다음과 같다(Figure 2). 국내 금속폐기물의 특성상 가장 많이 검출되는 알루미늄(Al)과 ISO 7165에서의 가연물로 사용되는 마그네슘(Mg)을 주로 확인하였다. 알루미늄의 평균 함량은 최소 29.956%에서 최대 49.130% 상대적으로 가장 높았다. 다음으로 마그네슘의 평균 함량은 최소 2.883%에서 최대 6.866% 였다(Tables 5∼7).
The ICP-OES analysis result of the factories.
The ICP-OES Analysis Result of the Factory A
The ICP-OES Analysis Result of the Factory C
The ICP-OES Analysis Result of the Factory G
3.2 금속폐기물 소화 효과성 실험 결과
국내에서 채집된 3곳(A, C, G) 금속폐기물 소화 효과성 실험 결과는 다음과 같다. 먼저, 팽창질석을 소화약제로 사용하였다. 공장 A의 경우 최고온도는 표면 292.1 ℃, 심부 154.1 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 138.0 ℃로 나타났다(Figure 3). 공장 C의 경우 최고온도는 표면 534.9 ℃, 심부 72.9 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 462.0 ℃로 나타났다(Figure 4). 공장 G의 경우 최고온도는 표면 921.9 ℃, 심부 755.1 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 166.8 ℃로 나타났다(Figure 5).
The metal powder waste temperature graph of Factory A by the expended vermiculite agent.
The metal powder waste temperature graph of Factory C by the expended vermiculite agent.
The metal powder waste temperature graph of Factory G by the expended vermiculite agent.
다음은 분사된 침윤소화약제가 배출되지 못하고 지속해서 가열된 금속폐기물에 작용한 경우이다. 공장 A의 경우 최고온도는 표면 703.0 ℃, 심부 453.8 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 249.2 ℃로 나타났다(Figure 6). 공장 C의 경우 최고온도는 표면 746.0 ℃, 심부 398.8 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 347.2 ℃로 나타났다(Figure 7). 공장 G의 경우 최고온도는 표면 479.2 ℃, 심부 391.5 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 87.7 ℃로 나타났다(Figure 8).
The metal powder waste temperature graph of Factory A by the wetting agent (Be sealed).
The metal powder waste temperature graph of Factory C by the wetting agent (Be sealed).
The metal powder waste temperature graph of Factory G by the wetting agent (Be sealed).
마지막은 분사된 침윤소화약제가 배출되는 경우다. 공장 A의 경우 최고온도는 표면 292.1 ℃, 심부 154.1 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 138.0 ℃로 나타났다(Figure 9). 공장 C의 경우 최고온도는 표면 534.9 ℃, 심부 72.9 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 462.0 ℃로 나타났다(Figure 10). 공장 G의 경우 최고온도는 표면 921.9 ℃, 심부 755.1 ℃로 나타났으며 최고온도의 차는 166.8 ℃로 나타났다(Figure 11).
The metal powder waste temperature graph of Factory A by the wetting agent (Be opened).
The metal powder waste temperature graph of Factory C by the wetting agent (Be opened).
The metal powder waste temperature graph of Factory G by the wetting agent (Be opened).
소화 효과성 실험 종료 시점의 경우 팽창질석은 16 h 이후, 침윤소화약제의 경우 3 h 이후 연소반응이 종료된 것으로 확인되었다.
3.3 금속폐기물 가스 유해성 실험 결과
가스 유해성 실험에서는 마우스의 활동을 관찰하였다. 먼저, 금속폐기물만 단독으로 태워 연소가스에 노출되었을 경우이다. 공장 A의 경우 평균 행동 정지시간은 14 min 47 s로 나타났으며, 편차는 43 s, 최종 행동 정지시간은 13 min 42 s로 나타났다(Figure 12). 공장 C의 경우 평균 행동 정지시간은 13 min 26 s로 나타났으며, 편차는 1 min 41 s, 최종 행동 정지시간은 11 min 45 s로 나타났다(Figure 13). 공장 G의 경우 평균 행동 정지시간은 13 min으로 나타났으며, 편차는 2 min 31 s, 최종 행동 정지시간은 10 min 29 s로 나타났다(Figure 14).
The mouse activity graph of Factory A (Only metal powder waste).
The mouse activity graph of Factory C (Only metal powder waste).
The mouse activity graph of Factory G (Only metal powder waste).
다음은 연소 중인 금속폐기물에 팽창질석을 적용하였을 경우이다. 공장 A의 경우 평균 행동 정지시간은 15 min으로 나타났으며, 편차는 0 s, 최종 행동 정지시간은 15 min으로 나타났다(Figure 15).
The mouse activity graph of Factoty A by the expended vermiculite.
공장 C의 경우 평균 행동 정지시간은 15 min으로 나타났으며, 편차는 1 s, 최종 행동 정지시간은 14 min 59 s로 나타났다(Figure 16). 공장 G의 경우 평균 행동 정지시간은 14 min 59 s로 나타났으며, 편차는 4 s, 최종 행동 정지시간은 14 min 55 s로 나타났다(Figure 17).
The mouse activity graph of Factory C by the expended vermiculite.
The mouse activity graph of Factory G by the expended vermiculite.
마지막은 연소 중인 금속폐기물에 침윤소화약제를 적용하였을 경우이다. 공장 A의 경우 평균 행동 정지시간은 12 min 12 s로 나타났으며, 편차는 2 min 49 s, 최종 행동 정지시간은 9 min 23 s로 나타났다(Figure 18). 공장 C의 경우 평균 행동 정지시간은 14 min 52 s로 나타났으며, 편차는 18 s, 최종 행동 정지시간은 14 min 34 s로 나타났다(Figure 19).
The mouse activity graph of Factory A by the wetting agent.
The mouse activity graph of Factory C by the wetting agent.
공장 G의 경우 평균 행동 정지시간은 13 min 14 s로 나타났으며, 편차는 2 min 28 s, 최종 행동 정지시간은 10 min 46 s로 나타났다(Figure 20).
The mouse activity graph of Factory G by the wetting agent.
4. 실험결론
국내에서 채집한 금속폐기물을 이용한 성분분석과 소화 효과성 시험 그리고 가스유해성 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 수집된 국내 금속폐기물의 경우 일부 철(Fe) 또는 티타늄(Ti)을 주 가공물로 하는 경우를 제외하고 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)이 주된 금속폐기물로 나타났다. 본 연구에서 공장 10곳의 시료만 채집하였기 때문에 모집단으로써 대표성을 가지기 부족하다고 판단된다. 하지만 국내 금속폐기물의 가공이 주로 알루미늄(Al)을 대상으로 이루어지고 있다는 점은 고려해야 할 사항이다.
(2) 금속폐기물의 분석과 관련하여 채집 전 XRF를 이용한 정성 분석과 ICP-OES를 이용한 정량 분석에서 함량의 차이는 있으나, 경향성은 유사하게 검출되는 것으로 확인되었다. 이를 통해 금속 화재 발생 시 신속한 가연물 확인을 위해 XRF를 운용하는 것이 필요하다 생각된다.
(3) 국내 금속폐기물의 특성상 혼합된 분말 형태로 연소 시 일정한 온도변화를 관찰하기 어려웠다. 하지만 팽창질석을 적용하면 질식 효과를 통해 복사열이 차단되고 연소가스 발생량이 급격히 줄어드는 것을 확인하였다(Figure 21). 반응 또한 안정적이어서 실제 금속화재 현장에서도 신속하고 안전하게 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 침윤소화약제를 적용하는 경우 액체소화약제의 특징으로 빠른 온도 하강을 기대할 수 있으나, 가열된 금속폐기물이 지속해서 침윤소화약제와 반응하는 경우 심부에서의 화재 확산과 다량의 유해가스가 발생할 수 있으므로 밀폐공간이나 약제가 방출되기 어려운 구조에서는 사용에 주의하여야 한다.
(4) 가스 유해성 실험 결과에 따르면 금속폐기물이 단독으로 연소할 때 행동 정지시간 기준인 10 min을 모두 넘겨 활동이 일부 정지되었으나, 팽창질석을 적용하였을 경우 마우스의 활동 시간은 15 min으로 나타났다. 이는 현장 활동에서 팽창질석을 사용하는 것이 소방대원과 구조대상자의 안전에 적합하다 생각된다. 반면, 침윤소화약제를 적용하면 앞서 언급되었듯이 다량의 수증기와 유해가스로 인해 어려움이 있을 것으로 생각된다.
(5) 본 연구를 통해 소방관이 실제 금속화재 발생 시 팽창질석과 침윤소화약제를 적용할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 침윤소화약제와 같은 수계소화약제를 사용하는 경우, 신속한 진압은 가능하지만, 가연물에 적용된 약제의 배출과 발생하는 가스의 배연 환경을 고려해야 안전한 진압활동이 될 수 있다는 것이 확인되었다.
(6) 본 연구에서 시료 채집의 모집 단위 수와 소화 효과성 실험의 준용 그리고 가스 유해성 실험의 정성 분석의 한계가 분명하였다. 일반적인 금속화재 대응 방안을 수립하기 위해 추가적인 실험이 필요하다. 먼저, 금속폐기물 시료 수를 충분히 확보하여 일반성을 갖추는 것이다. 가스유해성 분석은 FT-IR (gas)와 같은 추가적인 정량분석이 필요하다. 마지막으로, 소방대원의 효율적이고 안전한 금속화재 대응을 위해, 휴대용 XRF를 이용한 신속한 시료 분석을 제안하며, 본 연구의 결과가 안전하고 효과적인 소방 활동에 기여되길 기대한다.
후 기
본 연구는 소방청 소방현장 활동지원 기술개발사업(1761002821)의 연구비 지원을 받아 수행되었습니다.
