메테인(CH4)의 연소범위가 5~15vol%일 때 위험도(H)는?

위험도 H는 연소상한계에서 연소하한계를 뺀 값을 연소하한계로 나누어 구한다. 메테인은 (15-5)/5=10/5=2.0이다. 분모를 하한계가 아닌 상한계로 잘못 쓰거나, 뺄셈을 생략하고 상한계를 하한계로 그대로 나누거나, 소수점을 잘못 옮기면 오답이 된다.
[근거 조문] 위험도 H=(UFL-LFL)/LFL

메테인의 연소범위(폭발범위)를 이용한 위험도(H) 계산 문제입니다. 위험도는 가연성 가스가 얼마나 폭발 위험성이 높은지를 정량적으로 나타내는 지표로, 연소범위의 폭이 넓을수록, 연소하한계가 낮을수록 위험도가 커집니다.

위험도(H)의 계산식은 다음과 같습니다.

위험도(H) = (연소상한계 - 연소하한계) / 연소하한계

메테인의 연소범위가 5~15vol%이므로, 연소하한계는 5vol%, 연소상한계는 15vol%입니다. 이를 식에 대입하면,

H = (15 - 5) / 5 = 10 / 5 = 2.0

따라서 메테인의 위험도는 2.0입니다.

핵심! 위험도 계산에서 분모는 반드시 연소하한계를 사용합니다. 연소하한계가 낮다는 것은 적은 농도로도 폭발성 혼합기를 형성할 수 있다는 의미이므로, 위험도 산출의 핵심 변수로 작용합니다.

메테인은 탄광 지역에서 축적될 경우 급성 폭발 위험을 초래하는 대표적인 가연성 가스입니다 ^[1]. 지하 탄광의 채굴적 공동(goaf)에서는 석탄의 자연발화로 인해 메테인을 포함한 다성분 가스 혼합물의 폭발한계가 동적으로 변동하며, 이는 가스 폭발 위험 구역의 분포에 직접적인 영향을 미칩니다 ^[3]. 따라서 메테인의 연소범위와 그로부터 산출되는 위험도는 밀폐된 작업 환경에서의 안전 관리와 실시간 모니터링 체계를 설계할 때 기본적으로 고려해야 할 물리적 특성입니다.

연소범위의 폭과 위험도의 관계를 이해하기 위해 다른 가연성 가스와 비교해 보면, 수소는 연소범위가 매우 넓고 연소하한계가 낮아 위험도가 메테인보다 높게 산출됩니다. 수소-메테인 혼합 가스의 연소 특성을 다룬 연구에서도 수소 혼합 비율이 증가할수록 혼합 가스의 연소 및 폭발 특성이 변화하는 것을 확인할 수 있으며 ^[2], 이는 위험도 계산의 기초가 되는 연소범위가 혼합 조성에 따라 달라질 수 있음을 시사합니다. 다공성 매질 내에서 수소-메테인 혼합기의 폭발 효과를 분석한 연구에서도 임계 소염 수소 혼합 비율이 존재함을 보고하여, 연소범위와 폭발 거동이 단일 가스의 고정된 값이 아니라 주변 조건과 혼합 비율에 따라 평가되어야 함을 보여줍니다 ^[4].

혼동 주의! 위험도(H)와 연소범위의 폭(상한계-하한계)을 혼동하지 않도록 합니다. 연소범위의 폭은 단순히 상한계에서 하한계를 뺀 값(10vol%)이지만, 위험도는 이 폭을 하한계로 나눈 상대적인 비율입니다. 예를 들어 연소범위가 2~10vol%인 가스는 폭이 8vol%로 메테인보다 좁지만, 하한계가 2vol%로 더 낮아 위험도는 4.0으로 메테인보다 높게 나타납니다. 낮은 농도에서도 폭발할 수 있다는 점이 위험도에 더 큰 가중치를 부여하는 것입니다.