유해독성가스의 누출에 대한 분산모델링 방법론의 개발에 관한 연구

박종규, 강호철, 송덕만

울산대학교 화학공학과

A Study on the Development of the Dispersion Modeling Methodology

for Hazardous/Toxic Gas Releases

J.K. Park, H.C. Kang, D.M. Song

Dept. of Chem. Eng., University of Ulsan

1. 서론

오늘날 미국 등 선진국에서는 현재 유해위험성 평가의 일환으로, 유해독성물질들의 인체의 건강, 환경 및 안전에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 대기분산모델을 적절하게 사용하는 방법을 모색하여 왔다.  반면, 우리나라는 유해독성물질의 인체의 건강에 미치는 영향을 사전에 방지하기 위한 구체적인 대책수립이 구축되지 못한 실정이어서, 유해독성물질의 인체의 건강에 미치는 영향평가에 대한 과학적이고 체계적인 유해위험성 평가기술이 절실히 요구되고 있다.

이에, 본 연구는 화학공장의 화학장치설비에서 누출 가능성이 있는 다양한 유해독성가스의 누출영향을 가장 적절하게 평가할 수 있는 모델들을 검토하여 저장탱크나 파이프라인에서 유해독성가스의 누출시 사고영향을 평가하기 위한 가상적인 누출 시나리오들을 설정하고, 여러가지의 누출 시나리오들에 따른 누출원 주위 인근에 미치는 피해영향을 정량적으로 평가하는 분산모델링 방법론을 개발함으로써 화학공장의 화학장치설비중 저장탱크나 파이프라인에서 누출된 유해독성가스의 저감대책 및 안전관리 방안을 수립하기 위한 것이다.

2. 분산모델링 방법론

2.1. 모델의 선정 (Selection of the Model)

본 연구에서는 여러가지의 가상적인 누출 시나리오들을 설정하여 누출에 따른 누출원 주위 인근에 미치는 피해영향을 정량적으로 평가하기 위하여 스크리닝 절차 (Screening Procedure)와 정교한 해석 (Refined Analysis)을 조합하는 분산모델링 방법론을 개발하고자 한다.  스크리닝 절차로서는 현재 미 환경보호국 (USEPA)에서 유해독성물질의 유해위험성 평가를 위한 스크리닝 목적으로 개발한 단기 최대 지표면 농도를 예측하는 TSCREEN 모델을 사용하였다.  TSCREEN 모델은 USEPA가 공인하는 스크리닝 절차인 SCREEN, RVD, PUFF 모델들과 Britter-McQuaid 모델을 포함하고 있다.  또한, 복잡하고 다양한 유해독성가스의 누출에 대한 보다 정교한 해석을 위해서 USEPA가 공인하는 ISCST2 모델 (BREEZE AIR, Trinity Consultants Inc.)를 사용하였다.  현재 사용되고 있는 많은 스크리닝 모델들이 ISCST 모델에서 사용하는 이론적 배경에 근거를 두고 있으며, 입□출력 자료에 대한 상호 호환성이 높아 결과□비교가 용이하다.

2.2. 누출원 모델링 (Source Modeling)

유해독성물질 누출에 대한 분산 모델링에서 첫 단계인 누출원 모델링은 누출물의 상태(기상, 액상, 2상) 및 조건(온도, 압력), 누출물의 물리□화학적 특성에 따라 다양하게 수행될 수 있다.  특히, 누출가스가 공기보다 무거운지 가벼운지의 여부는 Richardson Number (Ri)에 의하여 결정된다.  TSCREEN 모델에서 연속 및 순간누출에 사용된 누출원 모델링의 개요는 다음의 Table 1에 나타내었다.

Table 1. The Selection of the Model Used for TSCREEN Model

연속누출 (Continuous Release)	순간누출 (Instantaneous Release)
<Step 1> 부력 체크 □2/□air□> 1, Negative Bouyancy (→ Go to Steps 2. or 3.) □2/□air□≤ 1, Neutral 또는 Positive Bouyancy (→ SCREEN 모델)	<Step 1> 부력 체크 □2/□air□> 1, Negative Bouyancy (→ Go to Steps 2. or 3.) □2/□air□≤ 1, Neutral 또는 Positive Bouyancy (→ PUFF 모델)
<Step 2> 수직상승제트 Ri > 30 : Dense (→ RVD 모델) Ri < 30 : Non-Dense (Passive) (→ SCREEN 모델)	<Step 2> 수직상승제트 Ri > 30 : Dense (→ RVD 모델) Ri < 30 : Non-Dense (Passive) (→ PUFF 모델)
<Step 3> 기타 누출유형 Ri <(1/6)3 : Dense (→ B-M 모델) Ri>(1/6)3 : Non-Dense (Passive) (→ SCREEN 모델)	<Step 3> 기타 누출유형 BM Criteria > 0.2 : Dense (→ B-M 모델) BM Criteria ≤ 0.2 : Non-Dense (Passive) (→ PUFF 모델)

2.3. 분산모델링

본 연구는 TSCREEN 및 ISCST2 모델을 이용하여 화학공장의 화학장치설비중 저장탱크나 파이프라인에서 누출된 유해독성가스인 Cl2 및 NH3 가스의 풍하거리에 따른 1-hr 평균 최대 지표면 농도를 산출하여 유해독성가스의 인근지역에 미치는 피해영향을 정량적으로 예측하는 대기분산 모델링 방법론을 개발하였다.  아울러 OSHA의 결과와 비교하기 위하여 Pasquill-Gifford 농도식에 의한 유해독성가스인 Cl2 및 NH3 가스의 누출에 대한 대기분산 모델링도 수행하였다.

TSCREEN 모델에서의 기상자료는 최악의 경우를 고려하여 선정된 표준 기상자료를 사용하며, ISCST2 모델에서의 기상자료는 1996년의 울산의 기상자료를 대표값으로, 실제 기상측정 자료를 근거하여 시간별 1년치 자료를 입력하였다.

TSCREEN 모델의 경우 지표면 착지점은 누출원의 경계선 (Fenceline)으로부터 미리 선정된 30 km 지점까지의 풍하거리에 대하여, ISCST2 모델의 경우는 누출원 중심으로부터 100 m에서 100 km까지 풍하거리에 대하여 유해독성가스인 Cl2 및 NH3 가스의 1-hr 평균 최대 지표면 농도를 예측하였다.

착지점 상승지형 사양은 상승지형에 대한 지형자료의 불충분으로 인하여 평탄지형이라 가정하였고 분산모드는 Rural 모드 사양을 선정하였다.

3. 결과 및 고찰

SCENARIO #1 : 저장탱크 (6.8 atm, 320 K)의 파열로 생긴 구멍(□ 2.8cm)을

통한 Cl2 가스의 연속 및 순간누출.

SCENARIO #2 : 압력이 2.586×106Pa에서 개방되도록 설계된 Pressure Relief                     Valve (□ 10.16cm)를 통한 포화 Cl2 가스의 연속 및 순간누출.

각 누출시나리오에 대한 풍하거리에 따른 1-hr 평균 최대 지표면 농도분포를 Plot 하였으며, 입력자료 및 최대농도의 예측결과는 Table 2, Table 3 및 Fig. 1에 나타내었다.

Table 2.  Data Entry and Model Results for a Hypothetical Scenario #1

INPUT DATA (Source Parameter)	Evaluated Release Source Characteristics
Area (Ao) of Hole : 6.158 cm2 Gas Heat Capacity (CP) : 489 J/kg□K Reservoir Pressure (P1) : 6.89E5 Pa Molecular Weight (MW) : 70.9 kg/kmol Ambient Pressure (Pa) : 101325 Pa Reservoir Temperature (T1) : 320 K Critical Temperature (TC) : 417.15 K Latent Heat of Vaporization (LVap) at Tb : 2.879E5 J/kg Boiling Point Temperature (Tb) : 239.05 K Density at Reservoir (□1) : 18.36 kg/m3 Ambient Temperature (Ta) : 293 K NON-VERTICALLY DIRECTED JET Total Released Amount (Q) : 400 kg	Critical Pressure (P*) : 37409.34 Pa Flow Characteristic : Choked Flow Gas Temperature (T*) at P*) : 276.4043 K Vapor Pressure (PV) at T* : 405986 Pa Emission Rate (Qm) : 11001.003 g/s Discharge Temperature (T2) : 282.9437 K Discharge Density (□2) : 3.053886 kg/m3 Density of Air (□Air) : 1.20209 kg/m3 Bouyancy is negative NON-VERTICALLY DIRECTED JET Release Duration (Td) : 6.055085 min
BRITTER-McQUAID MODEL INPUTS	BRITTER-McQUAID MODEL RESULTS
Relative Humidity (Rh) : 50 % Averaging Time : 15 min (Continuous)a 1 min (Instantaneous)b Receptor Location : Default	MAX CONC DIST TO MAX WIND SPEED (ppm) (m) (m/s) □□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□ 26200a 50 3 8280.b 100 3 30000b 50 3

Table 3. Data Entry and Model Results for a Hypothetical Scenario #2

INPUT DATA (Source Parameter)	Evaluated Source Characteristics
Area (Ao) of Hole : 81.07 cm2 Gas Heat Capacity (CP) : 489 J/kg□K Reservoir Pressure (P1) : 2.586E6 Pa Molecular Weight (MW) : 70.9 kg/kmol Ambient Pressure (Pa) : 101325 Pa Reservoir Temperature (T1) : 349.2 K Critical Temperature (TC) : 417.15 K Latent Heat of Vaporization (LVap) at Tb : 2.879E5 J/kg Boiling Point Temperature (Tb) : 239.05 K Density at Reservoir (□1) : 1574 kg/m3 Ambient Temperature (Ta) : 293 K VERTICALLY DIRECTED JET Total Released Amount (Q) : 400 kg	Critical Pressure (P*) : 1404072 Pa Flow Characteristic : Choked Flow Gas Temperature (T*) at P* : 301.6262 K Vapor Pressure (PV) at T* : 853262.5 Pa Two-Phase Flow Emission Rate (Qm) : 62583.96 g/s Discharge Temperature (T2) : 341.572 K Discharge Density (□2) : 2.529709 kg/m3 Vapor Fraction at Discarge (X2) : 1.105221 Density of Air (□Air) : 1.20209 kg/m3 Bouyancy is negative VERTICALLY DIRECTED JET Release Duration (Td) : 0.106524 min
RVD MODEL INPUTS	RVD MODEL RESULTS
Release Height above Ground : 10 m Exhaust Gas Exit Velocity : 148.87 m/s Pollutant Concentration (Vol) : 100 % Pollutant Molecular Weight : 70.9 g/mol Urban/Rural Classification : Rural Averaging Time : 15 min (Continous)a 1 min (Instantaneous)b	MAX CONC DIST TO MAX WIND SPEED (ppm) (m) (m/s) □□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□ 201.4435a 112.2981 1. (A) 3021.652b 112.2981 1. (A)

대기분산 모델링을 수행한 결과, 유해독성가스인 Cl2 및 NH3 가스의 대기중 분산은 누출물의 상태 및 조건, 누출물의 물리□화학적 특성을 포함하는 누출원 모델 뿐만아니라, 지형 및 기상조건에 의해 커다란 영향을 받고 있음을 알 수 있다.  유해독성가스의 대량누출시 누출형태가 고농도 순간누출에서 저농도 연속누출까지 다양하며 어느 경우에도 대단히 위험한 상태로 비화될 가능성이 있음을 알 수 있다.  특히, 풍속이 낮고 대기가 매우 안정한 밤동안에는 공기의 대류가 원활하지 못해 확산 및 분산이 늦어지면서 유해독성증기의 체류시간이 길어져 유해위험성은 크게 증가함을 알 수 있다.  한편, NH3 가스는 분자량이 공기보다 작지만 누출유형에 따라 2상 흐름(Two-Phase Flow)를 형성하는 경우 공기보다 무거운 가스의 거동을 보이고 있음을 알 수 있다.

Fig. 1. 1-hr avg. max. ground-level concentration for a hypothetical scenario #2

4. 결론

본 연구에서는 유해독성가스의 스크리닝 절차와 정교한 해석을 조합하는 분산모델링 방법론을 개발하였으며, 분산모델링의 예측결과는 근사적인 값이지만 화학공장의 저장탱크나 파이프라인에서 누출된 유해독성가스의 저감대책 및 안전관리 방안을 수립하는데 기여할 것으로 사료된다.

향후, 유해독성가스의 누출에 대한 보다 더 정교한 해석을 위하여 Trinity Consultants Inc.의 BREEZE AIR (ISCST3), BREZZE HAZ (AFTOX, DEGADIS+, TRPUF, INPUFF) 모델 및 Arthur D. Little, Inc.의 SuperchemsTM 등을 이용하여 모델링 예측결과들을 비교□검토함으로써 보다 정교한 영향평가를 수행할 계획이다.

REFERNCES

1. USEPA, "User's Guide for the Industrial Source Complex (ISC 2) Dispersion

Models", Vol. I - Vol. II, EPA-450/4-92-008a and b, March (1992).

2. USEPA, "Workbook of Screening Technologies for Assessing Impacts of Toxic

Air Pollutants (Revised)", EPA-454/R-92-024, Dec. (1992).

3. USEPA, "Guidance on the Application of Refined Dispersion Models to

Hazardous Air Pollutants Releases", EPA-454/R-93-002, April (1993).

4. G.A. Melhem, "Advanced Consequence Analysis : Emission, Dispersion, Fire,

and Explosion Dynamics", Arthur D. Little, Inc. August (1995).