소방원론-연소 이론 :: 소방 설비

[2] 연소 이론

2.1 연소란?

연소란 화학반응의 일종으로 가연물이 산소중에서 산화반응을 하여 열과 빛을 내는 현상을 말한다.

2.2 연소의 3요소

불은 연료(가연물), 열(점화원), 산소 등 3가지 조건이 모두 갖추어져야만 불이 발생할 수 있다. 따라서 이 3가지 조건 중 최소 1가지 이상을 제거하면 소화할 수 있다.

1) 연료: 가연물

2) 산소: 산화제, 공기, 바람, 조연물

3) 열(점화원) : 온도, 점화에너지

2.3 연소의 4요소(연소의 4면체적 요소)

불이 발생 후 지속적인 연소가 이루어지기 위해서는 순조로운 연쇄반응이 합쳐져야만 한다.

연료, 열(점화원), 산소, 순조로운 연쇄반응

2.4 가연물의 구비조건

1) 열전도율이 적을 것

2) 활성화 에너지가 (점화에너지) 작을 것

3) 발열량이 클 것

4) 열의 축척이 용이할 것

5) 가연물의 표면적이 커야 한다. (산소와 접촉면적이 클 것)

2.5 가연물의 형상에 따른 위험도

기체>액체>고체

[이유]

1) 고체보다 액체, 액체보다 기체의 열전도율이 적어 열의 축적이 용이하기 때문이다.

2) 고체보다 액체, 액체보다 기체의 표면적이 커서 산소와의 접촉 면적이 크기 때문

2.6 불연성 물질의 조건

1) 산소와 반응시 흡열반응

[종류] 질소, 질소 산화물

N2+1/2O2->N2O - 19.5[kcal]

N2+O2->2NO - 43.2[kcal]

2) 산소와 반응하지 않는 물질

[종류] 주기율표의 0족 원소

헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne), 크세논(Xe), 라돈(Rn), 크립톤(Kr)

3) 이미 산소와 결합하여 더 이상 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질

[종류] 이산화탄소(CO2), 삼산화황(SO3), 오산화인(P2O5), 규조토(SiO2), 물(H2O)

2.7. 산소지수(Limited Oxygen Index: LOI)

산소지수란 가연물의 수직으로 하고 최상부에 착화하였을 때 연소를 계속 유지할 수 있는 최소 산소농도를 말하며 산소지수가 클 수록 방화능력이 우수하다.

2.8. 공기의 조성

산소(O2): 21[%]

질소(N2): 78[%]

아르곤(Ar) 등: 1[%]

2.9 공기비

1) 공기비=실제 공기량/이론 공기량

2) 연료의 종류에 따른 적정 공기비

a. 기체: 1.1~1.3

b. 액체: 1.2~1.4

c. 고체: 1.4~2.0 정도

3) 이론공기량: 어느 연료를 이론적으로 완전 연소시키는 데 소요되는 최소공기량

4) 실제공기량: 이론공기량+추가공기량

2.10 활성화 에너지(점화원)

- 화확적 에너지: 연소열, 자연발열, 분해열, 융해열, 생성열, 중화열

- 전기적 에너지: 저항열, 유도열, 유전열, 정전기열, 아크열, 낙뢰에 의한열

- 기계적 에너지: 마찰열, 압축열, 마찰스파크

2.11 반응열

화학반응에 수반하여 출입하는 열을 반응열이라 하며 보통 1몰의 물질이 변화할 때 출입하는 열량을 말한다.

1) 연소열

물질 1몰이 완전히 연소(산화)할 때 발생하는 열량으로 연소열은 모두 발열 반응이다.

2) 용해열

물질 1몰이 다량의 물에 녹을 때 발생 또는 흡수하는 열량

3) 분해열

1몰의 화합물을 그 성분 원소의 홑원소 물질로 분해할 때 발생 또는 흡수하는 반응열

4) 생성열

1몰의 화학물이 그 성분 원소의 홑원소 물질에서 생길 때 발생 또는 흡수하는 반응열

5) 중화열

산과 염기가 각각 1그램당량씩 반응하여 1몰의 물을 생성할 때 발생하는 열량

2.12 정전기 방지대책

1) 공기 중의 상대습도를 70[%] 이상으로 유지한다.

2) 접지한다.

3) 공기를 이온화한다.

4) 제전기의 의한 대전 방지

2.13 최소점화에너지

점화원에 의해 가연물을 점화시킬 수 있는 최소의 에너지를 최소 점화에너지라 하며 이는 가연물의 종류에 따라 다르다.

2.14 연소형태

1) 기체연소

불꽃은 있으나 불티가 없는 연소로서 발염염소, 확산연소라고 한다.

2) 액체 연소

액체의 연소에는 증발연소와 분해연소로 구분된다.

a. 증발연소: 액체표면에서 발생된 증기가 연소

b. 분해연소: 액체가 비 휘발성인 경우에 열 분해해서 그 분해가ㄱ스가 공기와 혼합하여 연소

3) 고체의 연소

증발연소-> 분해연소->표면연소

2.15 연소형태별 특징

2.16 불꽃연소와 작열연소

2.17 연소한계

연소는 일반적으로 가연성 가스와 지연성 가스(공기, 산소)가 어떤 범위내로 혼합된 경우에만 일어난다. 따라서 가연성 가스의 농도가 너무 낮아도 또는 너무 높아도 연소가 일어나지 않는다.

대기 중 인화성 가스나 증기의 농도가 폭발 또는 발화할 수 있는 농도로서 가장 높은 농도를 연소상한계라 하고 가장 낮은 농도를 연소하한계라 한다. 따라서 연소 범위가 넓을수록, 하한계가 낮을 수록 더 위험하다.

2.18 온도와 압력의 변화에 따른 연소범위

1) 온도가 상승하면 하한가는 불변, 상한가는 상승하여 결과적으로 연소범위가 넓어진다.

2) 압력이 상승하면 하한가는 불변, 상한가는 상승하여 결과적으로 연소범위가 넓어진다.

(단, 일산화탄소 및 수소는 압력이 상승하면 연소범위가 좁아진다.)

3) 불활성 기체를 첨가하면 좁아진다.

2.19 자연발화

자연발화라 하는 것은 물질이 공기 중에서 발화온도보다 낮은 온도에서 스스로 발열하여 그 열이 장시간 축적, 발화점에 도달하여 연소에 이르는 현상을 말하며 그 방지대책으로는 열이 물질의 내부에 축적되지 않도록 하는 방법과 열의 발생속도를 낮추는 방법이 있다.

1) 열의 축적에 영향을 미치는 요인

a. 열전도율: 작을수록 자연발화할 가능성이 높다.

b. 퇴적방법: 부피가 클수록 축적은 어렵다

c. 공기의 이동: 통풍이 좋은 장소에서는 자연발화가 발생하는 경우는 적다

2) 열의 발생 속도

a. 온도: 온도가 높으면 반응속도가 빠르기 때문에 열 발생은 증가

b. 발영량: 대기중에 빼앗기는 열보다 발열량이 크면 열의 축적이 크다.

c. 수분: 수분이 촉매적 역할을 하므로 반응속도가 빨라 자연발화의 가능성이 크다. 그 반면에 수분이 많으면 열 전도성이 좋아 자연발화의 가능성이 낮다. 즉 수분은 양면성을 갖고 있다.

d. 표면적: 표면적이 클수록 자연발화의 가능성이 크다. 즉 분말상태에서는 자연발화의 가능성이 크다

e. 촉매물질: 발열반응에 촉매가 존재하면 반응은 가속된다.

3) 자연발화의 조건

a. 주위의 온도가 높을 것

b. 발열량이 클 것

c. 열전도율이 적을 것

d. 표면적이 넓을 것

e. 통풍이 잘 안될 것

2.20 자연발화 방지대책

1) 통풍이나 환기 방법을 고려하여 열의 축척을 방지

2) 황린은 물 속에 보관

3) 저장실 및 주위의 온도를 낮게 유지

4) 가능한 입자를 크게 하여 공기와의 접촉면적을 적게 유지

5) 습도가 낮은 곳을 피할 것

2.21 자연발화의 형태

a. 분해열에 의한 발화: 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스

b. 산화열에 의한 발화: 석탄, 건성유(정어리유, 해바라기유), 고무분말, 원면

c. 미생물에 의한 발화: 퇴비, 먼지, 곡물

d. 흡착열에 의한 발화: 목탄, 활성탄

2.22 연소속도

연소속도란 연소시 화염이 미연소 혼합가스에 대하여 수직으로 이동하는 속도 즉, 단위시간에 단위 면적당 연소하는 혼합가스량을 말하며, 이는 가스의 성분, 공기와의 혼합비율, 혼합가스의 온도 및 압력에 따라 달라진다. 즉, CO2나 N2의 농도가 높아지면 상대적으로 산소의 농도가 저하하여 연소속도는 감소한다.

일반 건축물에서 발화후 약 10분 이내의 연소속도는 2~3[m/sec] 정도이다.

2.23 연소의 색과 온도

- 암적색(진홍색) 700~750도

- 적색: 850도

- 주황색: 925~950도

- 황적색: 1100도

- 백적색(백색): 1200~1300

- 휘백색: 1500

2.24 플래쉬 오버(Flash over)

Flash-over 현상은 발화 후 5~6분 경과 후 화재 성장과정에서 발생하는 것으로 화재로 생긴 가연성 가스가 일시에 인화하여 화염이 충만해지는 과정을 말하는 것으로 폭발적인 착화현상과 폭발적인 화재확대 현상을 일으킨다.

플래쉬오버(FO) 시점에서의 실내온도는 실내의 가연물질에 따라 달라지지만 보통 800도~900도이다.

2.25 플래쉬 오버(FLash over)에 영향을 미치는 요인

1) 화원의 크기

2) 가연물의 양 및 성질

3) 개구부의 크기

4) 가연 내장재료

5) 실의 넓이와 모양

6) 화재실의 온도

2.26 플래쉬 오버 발생시간(F.O.T)과 내장재와의 관계

1) 난연재(5~6분)는 가연재(3~4분)보다 늦게 발생한다

2) 벽보다는 천정재가 크게 영향을 미친다.

3) 열전도율이 적은 내장재가 빨리 발생한다. (생성된 열이 실내에 축적되기 때문)

4) 내장재의 두께가 얇은 것이 빨리 발생한다.

2.27 연소억제재

a) 유기첨가제: 브롬, 염소, 황, 할로겐으로 치환된 탄화수소

b) 무기첨가제: 아연, 안티목, 인, 몰리브덴, 알루미늄의 인

2.28 폭발

폭발은 정상연소에 비해 연소속도와 화염전파속도가 매우 빠른 비정상연소로서 충격파의 전파속도에 따라 폭연(Deflagration)과 폭굉(Detonation)으로 구분된다.

1) 폭연(Deflagration): 화염전파속도가 음속이하

2) 폭굉(Detonation): 화염전파속도가 음속보다 빠른 것으로 1000~3500[m/sec] 정도

2.29 공정별 폭발의 종류와 형식

1) 핵폭발

원자핵의 분열 또는 융합에 동반하여 일어나는 강한 에너지의 유출에 의해 발생

2) 물리적 폭발

고압용기의 파열, 탱크의 감압파손, 폭발적인 증발 및 압력방출에 의해 발생

3) 화학적 폭발

화학반응이 관여하며 폭발적인 연소, 중합, 분해, 반응폭주 등에 의해서 발생

(1) 산화폭발: 가연성 고체 및 액체에서 증발된 가연성 가스가 산소와 혼합되어 점화원에 의해 심하게 연소하는 일종의 산화반응을 말한다.

(2) 분해폭발: 분해시 발생하는 열과 압력에 의해 폭발하는 것으로서 아세틸렌, 산화에틸렌, 다이너마이트 등이 해당된다.

(3) 중합폭발: 중합반응을 일으킬 때 발생하는 중합 열에 의해 폭발하는 것으로서 시안화수소, 산화에틸렌 등이 해당된다.

(4) 촉매폭발: 촉매에 의해 폭발하는 것으로 수소-산소, 수소-염소에 빛을 쬐면 폭발하는 것이 해당된다.

4) 가스폭발

일반적으로 가스 폭발은 가스 누출시 발생하는 것으로 전형적인 확산연소이다. 종류는 증기운형태의 화재, 푸울화재, 토오치 화재, 블리브(Bleve) 현상이 있다.

5) 분진폭발

가연성 고체의 미부이 공기 중에 부유하고 있을 때 어떤 착화원에 의해 에너지가 주어지면 폭발하는 현상

(1) 분진폭발을 일으키는 물질

- 금속분(알루미늄, 마그네슘, 아연분말)

- 플라스틱

- 농산물

- 황

(2) 분진폭발을 일으키지 않는 물질

- 시멘트

- 생성회(CaO)

- 석회석

- 탄산칼슘(CaCO3)

(3) 분진폭발을 일으키는 분진 입자는 크기는 약 100마이크론 이하이다.

6) 물리적 폭발과 화학적 폭발의 병립에 의한 폭발