연소이론

[카페지기]

연 소 이 론

경 상 북 도 소 방 학 교

<목 차>

제1장 연 소 5

제1절 연소 개론 5

1. 연소의 정의 5

2. 연소의 양상 6

3. 정상연소와 비정상연소 6

4. 완전연소와 불완전연소 7

5. 연소공기 7

6. 연소방정식 9

7. 연소불꽃의 색상 10

제2절 연소 용어 11

1. 인화점(인화 온도) 11

2. 발화점(착화점, 발화온도) 11

3. 연소점 13

4. 연소범위(vol%) 13

5. 연소속도 14

6. 증기밀도 14

7. 비점(沸點, Boiling point) 15

8. 비열(比熱 specific Heat) 15

9. 융점(融點, Melting point) 15

10. 잠열(潛熱, Latent Heat) 15

11. 점도(粘度, Viscosity) 16

제3절 연소의 3요소 17

1. 가연물질 17

2. 산소 공급원 19

3. 점화원 20

제4절 연소의 형태 23

1. 기체의 연소 23

2. 액체의 연소 24

3. 고체의 연소 25

제5절 연소의 확대 27

1. 전도 27

2. 대류 27

3. 복사 27

4. 비화(불똥) 27

제6절 이상(異常)연소 현상 28

1. 역화(Back fire) 28

2. 선화(Lifting) 28

3. 블로우 오프(blow-off)현상 28

4. 불완전연소 29

5. 연소 소음 29

제7절 연소생성물의 종류와 유해성 30

1. 일산화탄소(CO) 31

2. 이산화탄소(CO2) 31

3. 황화수소(H2S) 32

4. 아황산가스(SO2) 32

5. 암모니아(NH3) 32

6. 시안화수소(HCN) 32

7. 포스겐(COCl2) 32

8. 염화수소(HCl) 33

9. 이산화질소(NO2) 33

10. 불화수소(HF) 33

제2장 폭 발 34

제1절 폭발개론 34

1. 폭발의 정의 34

2. 폭발반응의 원인 34

3. 폭발의 성립 조건 34

제2절 폭발형태 35

1. 물리적 폭발과 화학적 폭발 35

2. 응상폭발과 기상폭발 37

제3절 폭발 한계 49

1. 폭발한계의 정의 49

2. 폭발하한계(LEL) 49

3. 폭발상한계(UEL) 49

4. 폭발한계에 대한 영향을 주는 요소 49

제4절 폭연과 폭굉 51

제3장 소 화 52

1. 냉각소화 52

2. 질식소화 53

3. 제거소화 54

4. 희석소화 54

제1장 연 소

제1절 연소 개론

1. 연소의 정의

연소란「가연물이 공기중의 산소 또는 산화제와 반응하여 열과 빛을 발생하면서 산화하는 현상」을 말하며, 발열반응이 계속되면 발생되는 열에 의해 가연물질이 고온화되어 연소는 계속 진행된다. 이러한 연소의 화학반응은 연소할 수 있는 가연물질이 공기 중의 산소뿐만 아니라 산소를 함유하고 있는 산화제에서도 일어나며 반응을 일으키기 위해서는 활성화에너지(최소 점화에너지)가 필요한데 이 에너지를 점화에너지․점화원․발화원 또는 최소점화(착화)에너지라고 하며 약 10-6 ～ 10-4[J]의 에너지가 필요하다.

가연물질의 활성화를 위해 필요한 에너지는 충격․마찰․자연발화․전기불꽃․정전기․고온표면․단열압축․자외선․충격파․낙뢰․나화․화학열 등에 의해 공급되고 있다.

[표 1] 가연성가스와 공기의 혼합가스 최소점화 에너지

물 질	분자식	가연성가스농도(vol%)	최소점화에너지(mj)
메 탄	CH4	8.5	0.28
에 탄	C2H6	6.5	0.25
프 로 판	C3H8	5.0 ～ 5.5	0.26
부 탄	C4H10	4.7	0.25
헥 산	C6H14	3.8	0.24
벤 젠	C6H6	4.7	0.20
에틸에테르	C4H10O	5.1	0.19
아 세 톤	C3H6O	―	0.019
수 소	H2	28 ～ 30	0.019
이황화탄소	CS2	―	0.019

2. 연소의 양상

연소는 대체로 불꽃연소와 표면연소(작열연소)의 두가지 양상으로 분류되는데 표면연소는 고체상태의 표면에 산소가 공급되어 연소가 이루어지며 불꽃연소는 고체가 융해후 증발, 액체가 증발하거나, 기체에 산소가 공급되어 연쇄반응을 일으키는 현상을 말한다.

불꽃연소는 단위시간당 방출하는 열량이 많아 연소속도가 매우 빠르고 그 양상도 복잡한데, 대략 연소시 발생하는 열량의 절반 이상은 가연물을 가열하여 연소가스의 방출에 소모되고 나머지는 주위의 복사열로 방출되는데 정상상태에서는 발생되는 열량과 주위로 잃어버리는 열량이 시간적으로 같으나 발생되는 열량이 더 많아지면 화세가 강해지고, 반대로 주위로 방출되는 열량이 많아지면 화세는 약해진다. 불꽃연소는 액체나 기체연료의 경우이지만 연탄․목재․종이․짚 등은 불꽃연소와 표면연소가 동시에 일어나다 휘발분이 모두 방출되면 표면연소만 일어난다.

표면연소만 일어나는 경우는 금속분, 목탄(숯), 코크스와 쉽게 산화될 수 있는 금속물질 즉 알루미늄, 마그네슘, 나트륨 등에서 일어난다.

3. 정상연소와 비정상연소

액체나 고체의 경우에는 공기의 공급에 따라서 주어진 산소의 양 만큼만 연소하게 되므로 비정상연소는 일어나지 않지만 기체의 연소에 있어서는 산소가 공급되는 방법에 따라 정상연소 또는 비정상연소를 하게 된다.

가. 정상연소

가연물질의 연소시 충분한 공기의 공급이 이루어지고 연소시의 기상조건이 양호할 때에는 정상적인 연소가 이루어지므로 화재의 위험성이 적으며, 연소상의 문제점이 발생되지 않고 연소장치․기기 및 기구에서의 열효율도 높다.

나. 비정상연소

가연물질의 연소시 공기의 공급이 불충분하거나 기상조건이 좋지 않아 정상적으로 연소가 이루어지지 않고 이상현상이 발생되므로 화재의 위험성이 많으며, 연소상의 문제점이 많이 발생함으로써 연료를 취급․사용하는 연소장치․기기 및 기구의 안전관리에 주의가 요구된다.

4. 완전연소와 불완전연소

가연물질이 연소하면 가연물질을 구성하는 주성분인 탄소(C), 수소(H) 및 산소(O)에 의해 일산화탄소(CO)․이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)가 발생한다. 이때, 공기중의 산소 공급이 충분하면 완전연소반응이 일어나고 산소의 공급이 불충분하면 불완전연소반응이 일어나며, 주로 완전연소시에는 이산화탄소(CO2)가 불완전연소시에는 일산화탄소(CO)가스가 발생한다.

5. 연소공기

가연물질을 연소시키기 위해서 사용되는 공기의 양에는 실제공기량, 이론공기량, 과잉공기량, 이론산소량, 공기비 등이 있다.

가. 실제공기량

가연물질을 실제로 연소시키기 위해서 사용되는 공기량으로서 이론공기량보다 크다

나. 이론공기량

가연물질을 연소시키기 위해서 이론적으로 계산하여 산출한 공기량이다

다. 과잉공기량

실제공기량에서 이론공기량을 차감하여 얻은 공기량이다.

라. 이론산소량

가연물질을 연소시키기 위해서 필요한 최소의 산소량이다.

마. 공기비(m)

실제공기량에서 이론공기량을 나눈 값

	과잉공기량	=	실제공기량	-	이론공기량
	공기비	=	실제공기량	=	실제공기량
			이론공기량		실제공기량	-	과잉공기량

일반적으로 공기비는 기체가연물질은 1.1～1.3, 액체가연물질은 1.2～1.4, 고체가연물질은 1.4～2.0이 된다.

[표 2] 가연성가스의 이론공기량 및 연소열

가연물질	분자식	분자량	이론공기량		연소열(㎉/㎏)
			Nm3/㎏	Nm3/㎏
메 탄	CH4	16.043	9.524	13.304	212.80
에 탄	C2H6	30.070	16.667	12.421	372.82
프로판	C3H8	44.097	23.810	12.100	530.60
n-부탄	C4H10	58.124	30.953	11.934	687.64
에틸렌	C2H4	28.054	14.286	11.412	337.15
아세틸렌	C2H2	26.038	11.905	10.246	310.62

그러므로 가연성 가스를 공기중에서 연소시킬 때 공기중의 산소 농도가 증가하면

① 연소속도는 빨라진다.

② 화염의 온도는 높아진다.

③ 발화온도는 낮아진다.

④ 폭발한계는 넓어진다.

⑤ 점화에너지는 작아진다.

또한, 불완전연소의 원인은

① 가스의 조성이 균일하지 못할 때

② 공기 공급량이 부족할 때

③ 주위의 온도가 너무 낮을 때

④ 환기 또는 배기가 잘 되지 않을 때 등이다.

6. 연소방정식

탄소(C)와 수소(H)로 구성된 탄화수소계 가연성가스에 대한 연소방정식은 일반적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

가연성가스인 은 완전연소 시키면 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 발생되나 공기의 양이 부족하면 불완전연소하여 일산화탄소(CO)가 발생된다.

예) 탄화수소계 가연성가스의 완전연소식

•부탄(C4H10) : C4H10 + 6.5O2 → 4CO2 + 5H2O + 687.64㎉

•프로판(C3H8) : C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + 530.60㎉

•메탄(CH4) : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 212.80㎉

앞의 예)에서 보면 액화천연가스의 주성분인 메탄이 연소할 때에는 2몰, 부탄은 6.5몰, 프로판은 5몰의 산소가 필요한데 프로판이나 부탄이 연소할려면 메탄보다 2～3배의 산소가 더 필요한 것을 알 수 있다.

이론 공기량을 구해보면

이론산소량 = 이론공기량 × 21/100 이므로

이론공기량 = 이론산소량 ÷ 0.21

그러므로 부탄은 31, 프로판은 24, 메탄은 9.5배의 공기가 필요하다.

7. 연소불꽃의 색상

가연물질의 완전연소시에는 공기의 공급량이 충분하기 때문에 연소불꽃은 휘백색으로 나타나고 보통 불꽃온도는 1500℃에 이르게 되며 금속이 탈때는 3000℃내지 3500℃에 이른다. 그러나 공기중의 산소의 공급이 부족하면 연소불꽃은 담암적색에 가까운 색상을 나타내며 생성물인 일산화탄소를 많이 발생하여 사람이 마시면 혈액 속에 들어있는 헤모글로빈과 결합으로 질식사하게 된다.

[표 3] 연소불꽃의 색상에 따른온도

연소불꽃의 색	온도(℃)		연소불꽃의 색	온도(℃)
암 적 색	700		황 적 색	1100
적 색	850		백 적 색	1300
휘 적 색	950		휘 백 색	1500이상

제2절 연소 용어

1. 인화점(인화 온도)

연소범위에서 외부의 직접적인 점화원에 의하여 인화될 수 있는 최저 온도 즉, 공기 중에서 가연물 가까이 점화원을 투여하였을 때 불붙는 최저의 온도이다. 예를들면 디에틸에테르의 경우는 -45℃이하에서 인화성 증기를 발생하여 연소 범위를 만들어 점화원에 의하여 인화한다.

[표 4] 액체가연물질의 인화점

액체가연물질	인화점(℃)		액체가연물질	인화점(℃)
디에틸에테르	-45		클레오소오드유	74
이황화탄소	-30		니트로벤젠	87.8
아세트알데히드	-37.7		글리 세 린	160
아 세 톤	-18		방 청 유	200
휘 발 유	-20 ～ -43		메 틸 알 콜	11
톨 루 엔	4.5		에 틸 알 콜	13
등 유	30 ～ 60		시안화수소	-18
중 유	60 ～ 15		초 산 에 틸	-4

2. 발화점(착화점, 발화온도)

외부의 직접적인 점화원이 없이 가열된 열의 축적에 의하여 발화가 되고 연소가 되는 최저의 온도, 즉 점화원이 없는 상태에서 가연성 물질을 공기 또는 산소 중에서 가열하므로써 발화되는 최저 온도를 말한다.

일반적으로 산소와의 친화력이 큰 물질일수록 발화점이 낮고 발화하기 쉬운 경향이 있으며 고체 가연물의 발화점은 가열공기의 유량, 가열속도, 가연물의 시료나 크기, 모양에 따라 달라진다.

발화점은 보통 인화점보다 수 백도가 높은 온도이며 화재 진압 후 잔화정리를 할때 계속 물을 뿌려 가열된 건축물을 냉각시키는 것은 발화점(착화점) 이상으로 가열된 건축물이 열로 인하여 다시 연소되는 것을 방지하기 위한 것이다.

일반적으로 발화점이 낮아지는 이유로는 ①분자의 구조가 복잡할수록 ②발열량이 높을수록 ③압력, 화학적 활성도가 클수록 ④산소와 친화력이 클수록 ⑤금속의 열전도율과 습도가 낮을수록 등이다. 또한 발화점이 달라지는 요인으로는 ①가연성가스와 공기의 조성비 ②발화를 일으키는 공간의 형태와 크기 ③가열속도와 가열시간 ④발화원의 재질과 가열방식 등에 따라 달라진다.

[표 5] 가연물질의 발화점

물 질	발화점(℃)		물 질	발화점(℃)
황 린	34		셀롤로이드	180
이황화탄소	100		무 연 탄	440 ～ 500
적 린	260		목 탄	320 ～ 400
에틸알콜	363		고 무	400 ～ 450
탄 소	800		프 로 판	423
목 재	400 ～ 450		일산화탄소	609
견 사	650		헥 산	223
휘 발 유	257		암모니아	351
부 탄	365		산화에틸렌	429

(A) (B)

(그림 1) 인화와 발화의 차이

3. 연소점

연소상태가 계속될 수 있는 온도를 말하며 일반적으로 인화점보다 대략 10℃정도 높은 온도로서 연소상태가 5초이상 유지될 수 있는 온도이다. 이것은 가연성 증기 발생속도가 연소 속도보다 빠를 때 이루어진다.

4. 연소범위(vol%)

가연성증기와 공기와의 혼합 상태에서의 증기의 부피를 말하며 연소 농도의 최저 한도를 하한, 최고 한도를 상한이라 한다.

예를 들면, 수소와 공기 혼합물은 대기압 21℃에서 수소비율 4.0～75%의 경우 연소가 계속된다.

혼합물중 가연성 가스의 농도가 너무 희박해도 너무 농후해도 연소는 일어나지 않는데 이것은 가연성 가스의 분자와 산소와의 분자수가 상대적으로 한쪽이 많으면 유효충돌횟수가 감소하여 충돌했다 하더라도 충돌에너지가 주위에 흡수․확산되어 연소반응의 진행이 방해되기 때문이다. 연소 범위는 온도와 압력이 상승함에 따라 대개 확대되어 위험성이 증가한다.

[표 6] 가연성증기의 연소범위

기체 또는 증기	연소범위(vol%)		기체 또는 증기	연소범위((vol%)
수소	4.1 ～ 75		에틸렌	3.0 ～ 33.5
일산화탄소	12.5 ～ 75		시안화수소	12.8 ～ 27
프로판	2.1 ～ 9.5		암모니아	15.7 ～ 27.4
아세틸렌	2.5 ～ 82		메틸알콜	7 ～ 37
에틸에테르	1.7 ～ 48		에틸알콜	3.5 ～ 20
메탄	5.0 ～ 15		아세톤	2 ～ 13
에탄	3.0 ～ 12.5		휘발유	1.4 ～ 7.6

5. 연소속도

가연물질에 공기가 공급되어 연소가 되면서 반응하여 연소생성물을 생성할 때의 반응속도이며 연소생성물 중에서 불연성 물질인 질소(N2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2) 등의 농도가 높아져서 가연물질에 산소가 공급되는 것을 방해 또는 억제시킴으로서 연소속도는 저하된다.

연소속도에 영향을 미치는 요인으로는

① 가연물의 온도 ② 산소의 농도에 따라 가연물질과 접촉하는 속도

③ 산화반응을 일으키는 속도 ④ 촉매 ⑤ 압력 등이 있다.

온도가 높아질수록 반응속도가 상승하며, 압력을 증가시키면 단위부피 중의 입자수가 증가하므로 결국 기체의 농도가 증가하므로 반응속도도 상승한다.

촉매는 반응속도를 변화시키는 물질로서 반응속도를 빠르게 하는 정촉매와 반응속도를 느리게 하는 부촉매가 있다.

6. 증기밀도

어떤 증기의 “증기밀도”는 같은 온도, 같은 압력하에서 동 부피의 공기의 무게에 비교한 것으로 증기 밀도가 1보다 큰 기체는 공기보다 무겁고 1보다 적으면 공기보다 가벼운 것이 된다.

증기밀도 = (29 : 공기의 평균 분자량)

탄산가스는 분자량이 44이기 때문에 공기보다 무거워서 소화기에서 방출되면 낮은 아래 부분에 쌓이게 된다. 온도가 올라가면 증기밀도는 적어지기 때문에 연소시 생성된 뜨거운 가스가 위로 올라가는 것은 이러한 이유이다.

7. 비점(沸點, Boiling point)

액체의 증기압은 대기압에서 동일하고 액체가 끓으면서 증발이 일어날 때의 온도를 액체의 비점이라 한다. 비점이 낮은 경우는 액체가 쉽게 기화되므로 비점이 높은 경우보다는 연소가 잘 일어난다. 일반적으로 비점이 낮으면 인화점이 낮은 경향이 있는데 예를 들면 휘발유는 비점이 30～210℃, 인화점은 -43～-20℃인데, 등유의 비점은 150～300℃, 인화점이 40～70℃이다.

8. 비열(比熱 specific Heat)

물질에 따라 비열은 많이 다르다. 물 이외의 모든 물질은 대체로 비열이 1보다 적다. 비열은 어떤 물체를 위험 온도까지 올리는 데 필요한 열량이나 고온의 물체를 안전한 온도로 냉각시키는 데 제거하여야 할 열량을 나타내는 비교 척도이므로 중요하다.

물이 소화제로서 효과가 있는 이유 중의 하나가 그 비열이 다른 물질보다 크다는 점이다.

9. 융점(融點, Melting point)

대기압(latm)하에서 고체가 용융하여 액체가 되는 온도를 융점이라고 말한다. 융점이 낮은 경우 액체로 변화하기가 용이하고 화재 발생시에는 연소구역의 확산이 용이하기 때문에 위험성이 매우 높다.

10. 잠열(潛熱, Latent Heat)

어떤 물질이 고체에서 액체로 변할 때나 액체에서 기체로 변할 때는 열을 흡수한다. 역으로 액체에서 고체로, 기체에서 액체로 변할 때 출입하는 열을 융해 잠열이라 하고, 고체가 액체로, 액체가 기체로 변할 때 출입하는 열을 증발잠열이라 한다.

대기압에서의 물의 융해잠열은 80cal/g, 100℃에서의 증발 잠열은 539cal/g이다. 물의 증발잠열이 큰 것은 물이 좋은 소화제가 될 수 있는 이유 중의 하나이다. 0℃의 얼음 1g이 100℃의 수증기가 되기까지는 약 719cal의 열량을 요한다. 대개의 물질은 잠열이 물보다 적다.

11. 점도(粘度, Viscosity)

액체의 점도는 점착과 응집력의 효과로 인한 흐름에 대한 저항의 측정 수단이다. 모든 액체는 점성을 가지고 있다. 인화성 위험물은 상온에서 액체상태의 경우가 많으므로, 온도가 상승하는 경우 인화점, 발화점 등을 주의하도록 하여 취급하지만 점성이 낮아 지면 유동하기에 용이하여 진다. 그러나 기체의 점도는 온도가 상승하므로써 점도가 증가하지만 기체의 점도의 크기에 따라서 위험성 증가와는 특별한 관계가 없다.

제3절 연소의 3요소

가연물질(기체․액체 및 고체상태)이 연소하기 위해서는 산소를 공급하는 산소공급원(공기․오존․산화제․지연성가스) 및 활성화 에너지(점화원)가 있어야만 정상적인 연소의 화학반응을 유지할 수 있는데 이와 같이 연소반응의 유지를 위해서 사용되는 가연물질․산소공급원․활성화에너지를 연소의 3요소라고 한다. 또한 연소의 3요소에 화학적인 연쇄반응을 합하여 연소의 4요소라 한다.

(그림 2) 연소의 4요소

1. 가연물질

가연물은 우리 주위에 무수히 많이 잔존해 있는 유기화합물의 대부분과 Na, Mg 등의 금속, 비금속, LPG, LNG, CO 등의 가연성 가스가 해당되는데 즉, 산화하기 쉬운 물질이며 이는 산소와 발열반응을 일으키는 물질을 말한다. 이에비하여 불연성 물질은 반대로 산화하기 어려운 것(활성화에너지의 양이 큰 물질)으로서 물, 흙과 같이 이미 산화되어 더이상 산화되지 아니하는 물질이다.

가. 가연물질의 구비조건

가연물질이 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다.

1) 화학반응을 일으킬 때 필요한 최소의 에너지(활성화에너지)의 값이 적어 야 한다.

2) 일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할 때 발열량이 커야 한다.

3) 열의 축적이 용이하도록 열전도의 값이 적어야 한다.

〔열전도율 : 기체<액체<고체 순서로 커지므로 연소순서는 반대이다〕

4) 지연성(조연성) 가스인 산소․염소와의 친화력이 강해야 한다.

5) 산소와 접촉할 수 있는 표면적이 큰 물질이어야 한다.(기체>액체>고체)

6) 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질이어야 한다.

나. 가연물이 될 수 없는 조건

1) 주기율표 O족의 불활성기체로서 이들은 결합력이 없으므로 산소와 결합 하지 못한다

: 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 등

2) 이미 산소와 결합하여 더이상 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질

:물(H2O), 이산화탄소(CO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 오산화인(P2O5), 삼산화황(SO3), 삼산화크롬(CrO3), 산화안티몬(Sb2O3) 등

※ 일산화탄소(CO)는 산소와 반응하기 때문에 가연물이 될 수 있다.

CO + O2 → CO2 + Q㎉

3) 산소와 화합하여 산화물을 생성하나 발열반응을 하지 않고 흡열반응하는 물질

: 질소 또는 질소 산화물 N2, NO 등

N2 + O2 → N2O - Q㎉

N2 + O2 → 2NO - Q㎉

4) 자체가 연소하지 아니하는 물질 : 돌, 흙 등

2. 산소 공급원

가연물이 연소하려면 산소와 혼합되어 불이 붙을 수 있는 조건을 만들어야 하는데, 이를 연소 범위라 한다. 보통 공기 중에는 약 21%의 산소가 포함되어 있어서 공기는 산소공급원 역할을 할 수 있다. 일반적으로 산소의 농도가 높을수록 연소는 잘 일어나고 일반 가연물인 경우 산소농도 15%이하에서는 연소가 어렵다. 이밖에도 물질 자체가 분자내에 산소를 보유하고 있어서 마찰․충격 등의 자극에 의해 산소를 방출하는 물질이 있는데 이를 산화성물질이라 하며 화재에서 산소 공급원 역할을 하는 위험한 물질이므로 위험물안전관리법에서 위험물로 분류하여 관리하고 있다.

가. 공기

일반적으로 공기중에 함유되어 있는 산소(O2)의 양은 용량으로 계산하면 전체 공기의 양에 대하여 21용량%(vol%)이며, 질량으로 계산하면 23중량%(wt%)로 존재하고 있어 연소에 필요한 산소는 공기중의 산소가 이용되고 있다.

[표 7] 공기의 조성범위

성 분 조성비	산 소	질 소	이산화탄소	희가스
용량(vol%)	20.99	78.03	0.03	0.95
중량(wt%)	23.15	75.51	0.04	1.30

나. 산화제

위험물 중 제1류․제6류 위험물로서 가열․충격․마찰에 의해 산소를 발생한다. 제1류위험물은 산소를 함유하고 있는 강산화제로서 염소산염류, 과염소산염류, 과산화물, 질산염류, 과망간산염류, 무기과산물류 등과 제6류 위험물인 과염소산, 질산 등이 있다.

1) 과산화칼륨(K2O2) : 물과 접촉하거나 가열하면 산소를 발생시킨다.

2K2O2 + 4H2O → 4KOH + 2H2O + O2↑

2K2O2 2K2O + O2↑

2) 과산화나트륨(Na2O2) : 수용액은 30～40℃의 열을 가하면 산소를 발생시킨다.

2Na2O2 2NaO + O2↑

3) 질산나트륨(NaNO3) : 조해성이 있어 열을 가하면 아질산나트륨과 산소가 발생한다.

2NaNO3 2NaNO2 + O2↑

다. 자기반응성 물질

분자내에 가연물과 산소를 충분히 함유하고 있는 제5류 위험물로서 연소속도가 빠르고 폭발을 일으킬 수 있는 물질이며, 니트로글리세린(NG), 셀룰로이드, 트리니트로 톨루엔 등이 있다.

3. 점화원

연소반응이 일어나려면 가연물과 산소공급원이 적절한 조화를 이루어 연소범위를 만들었을 때 외부로부터 최소의 활성화 에너지가 필요한데 이를 점화원이라 하며 전기불꽃, 충격 및 마찰, 단열압축, 나화 및 고온표면, 정전기 불꽃, 자연발화, 복사열 등이 있다.

가. 전기불꽃

전기설비의 회로상에서나 전기기기․기구 등을 사용하는 장소에서 접점스파크나 고전압에 의한 방전, 조명기구 등이 파손되면서 과열된 필라멘트가 노출되는 경우, 자동제어기의 경우 릴레이의 접점, 모터의 정류자 등 작은 불꽃에서도 충분히 가연성 가스를 착화시킬 수 있는 에너지가 있다.

나. 충격 및 마찰

두 개 이상의 물체가 서로 충격․마찰을 일으키면서 작은 불꽃을 일으키는데, 이러한 마찰불꽃에 의하여 가연성 가스에 착화가 일어날 수 있다.

다. 단열압축

기체를 높은 압력으로 압축하면 온도가 상승하는데, 여기에 각종 오일이나 윤활유가 열분해 되어 저온 발화물을 생성하며 발화물질이 발화하여 폭발을 하게 된다.

라. 나화 및 고온표면

나화란 항상 화염을 가지고 있는 열 또는 화기로서 위험한 화학물질 및 가연물이 존재하고 있는 장소에서 나화의 사용은 대단히 위험하다. 고온표면의 중요한 것은 작업장의 화기, 가열로, 건조장치, 굴뚝, 전기․기계설비 등으로서 항상 화재의 위험성이 내재되어 있다.

마. 정전기 불꽃

정전기 불꽃이란 물체가 접촉하거나 결합한후 떨어질 때 양(+)전하와 음(-)전하로 전하의 분리가 일어나 발생한 과잉전하가 물체(물질)에 축적되는 현상을 말하는데, 이렇게 되는 경우 정전기의 전압은 가연물질에 착화가 가능하다. 예를 들면 화학섬유로 만든 의복 및 절연성이 높은 옷 등을 입으면 대단히 높은 전위가 인체에 대전되어 접지 물체에 접촉하면 방전불꽃이 발생한다.

정전기를 방지하기 위한 예방대책은

1) 정전기의 발생이 우려되는 장소에 접지시설을 한다.

2) 실내의 공기를 이온화하여 정전기의 발생을 예방한다.

3) 정전기는 습도가 낮거나 압력이 높을 때 많이 발생하므로 습도를 70% 이상으로 한다.

4) 전기의 저항이 큰 물질은 대전이 용이하므로 전도체 물질을 사용한다.

바. 자연발화

인위적으로 가열하지 않아도 원면, 고무분말, 셀룰로이드, 석탄, 프라스틱의 가소제, 금속가루 등의 경우 일정한 장소에 장시간 저장하면 열이 발생하여 축적됨으로서 발화점에 도달하여 부분적으로 발화되는 현상을 말한다.

자연발화를 일으키는 원인에는

1) 분해열에 의한 발열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로우스

2) 산화열에 의한 발열 : 석탄, 건성유

3) 발효열에 의한 발열 : 퇴비, 먼지

4) 흡착열에 의한 발열 : 목탄, 활성탄 등이 있다.

자연발화를 방지할 수 있는 방법으로는

1) 통풍구조를 양호하게 하여 공기유통을 잘 시킬 것.

2) 저장실 주위의 온도를 낮춘다.

3) 습도 상승을 피한다.

4) 열이 쌓이지 않도록 퇴적한다.

사. 복사열

물질에 따라서 비교적 약한 복사열도 장시간 방사로 발화 될 수 있다. 예를 들어 햇빛이 유리나 거울에 반사되어 가연성 물질에 장시간 쪼일 때 열이 축적되어 발화될 수 있다.

제4절 연소의 형태

연소의 형태는 기체가연물․액체가연물 및 고체가연물을 구성하는 분자의 구조, 원소성분, 물성 등에 따라 기체연소․액체연소․고체연소로 분류되며 연소의 상태에 따라 정상적으로 연소하는 정상연소와 폭발적으로 연소하는 비정상연소로 구분된다.

1. 기체의 연소

가연성 기체는 공기와 적당한 부피비율로 섞여 연소범위에 들어가면 연소가 일어나는데 기체의 연소가 액체 가연물질 또는 고체 가연물질의 연소에 비해서 가장 큰 특징은 연소시의 이상 현상인 폭굉이나 폭발을 수반한다는 것이다.

기체의 연소형태는 확산연소, 예혼합연소, 폭발연소로 나눌 수 있다.

가. 확산연소(발염연소)

연소버너 주변에 가연성 가스를 확산시켜 산소와 접촉, 연소범위의 혼합가스를 생성하여 연소하는 현상으로 기체의 일반적 연소 형태이다.

예를 들면 LPG - 공기, 수소 - 산소, 아세틸렌 - 산소의 경우이다.

나. 예혼합연소

연소시키기 전에 이미 연소 가능한 혼합가스를 만들어 연소시키는 것으로 혼합기로의 역화를 일으킬 위험성이 크다.

다. 폭발연소

가연성 기체와 공기의 혼합가스가 밀폐용기 안에 있을 때 점화되면 연소가 폭발적으로 일어나는데 예혼합연소의 경우에 밀폐된 용기로의 역화가 일어나면 폭발할 위험성이 크다. 이것은 많은 양의 가연성 기체와 산소가 혼합되어 일시에 폭발적인 연소현상을 일으키는 비정상연소이기도 하다.

2. 액체의 연소

액체 가연물질의 연소는 액체 자체가 연소하는 것이 아니라 “증발”이라는 변화과정을 거쳐 발생된 기체가 타는 것이다.

액체 가연물질이 휘발성인 경우는 외부로부터 열을 받아서 증발하여 연소하는 것을 증발연소라 하고 액체가 비휘발성이거나 비중이 커 증발하기 어려운 경우에는 높은 온도를 가해 열분해 하여 그 분해가스를 연소시키는 것을 분해연소라 한다.

가. 증발연소(액면연소)

액체 가연물질이 액체 표면에 발생한 가연성 증기와 공기가 혼합된 상태에서 연소가 되는 형태로 액체의 가장 일반적인 연소형태이다.

연소원리는 화염에서 복사나 대류로 액체표면에 열이 전파되어 증발이 일어나고 발생된 증기가 공기와 접촉하여 액면의 상부에서 연소되는 반복적 현상이다.

예로서, 에테르, 이황화탄소, 알콜류, 아세톤, 석유류 등이다.

		산 소
	증발	↓
액 체	→	증 기	→	연 소
		↑
		점화“에너지”

(그림 3) 증발연소

나. 분해연소

점도가 높고 비휘발성이거나 비중이 큰 액체 가연물이 열분해 하여 증기를 발생케 함으로서 연소가 이루어지는 형태이며 이는 상온에서 고체상태로 존재하고 있는 고체 가연물질의 경우도 분해연소의 형태를 보여준다.

또한 점도가 높고 비휘발성인 액체의 점도를 낮추어 버너를 이용하여 액체의 입자를 안개상태로 분출하여 표면적을 넓게 함으로서 공기와의 접촉면을 많게 하여 연소시키는 액적연소도 있다.

3. 고체의 연소

상온에서 고체상태로 존재하는 고체 가연물질의 일반적 연소형태는 표면연소, 증발연소, 분해연소, 자기연소로 나눌 수 있다.

가. 표면연소(직접연소)

고체 가연물이 열분해나 증발하지 않고 표면에서 산소와 급격히 산화 반응하여 연소하는 현상 즉, 목탄 등이 열분해에 의해서 가연성 가스를 발생하지 않고 그 물질 자체가 연소하는 현상으로 불꽃이 없는 것(무염연소)이 특징이다.

예로서, 목탄, 코우크스, 금속(분․박․리본 포함) 등의 연소가 해당되며 나무와 같은 가연물의 연소 말기에도 표면연소가 이루어진다.

나. 증발연소

고체 가연물이 열분해를 일으키지 않고 증발하여 증기가 연소되거나 먼저 융해된 액체가 기화하여 증기가 된 다음 연소하는 현상을 말한다. 이것은 액체 가연물질의 증발연소 형태와 같으며 황(S), 나프탈렌(C10H8), 파라핀(양초) 등이 있다.

다. 분해연소

고체 가연물질을 가열하면 열분해를 일으켜 나온 분해가스 등이 연소하는 형태를 말하며 열분해에 의해 생기는 물질에는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 메탄(CH4) 등이 있다.

분해연소 물질에는 목재․석탄․종이․섬유․프라스틱․합성수지․고무류 등이 있으며 이들은 연소가 일어나면 연소열에 의해 고체의 열분해는 계속 일어나 가연물이 없어질 때까지 계속된다.

		산 소
	(열분해)	↓
유기고체	→	가 연 가 스	→	연 소
		↑
		점화에너지

(그림 4) 분해연소

라. 자기연소(내부연소)

가연물이 물질의 분자 내에 산소를 함유하고 있어 열분해에 의해서 가연성 가스와 산소를 동시에 발생시키므로 공기 중의 산소없이 연소할 수 있는 것을 말한다.

위험물안전관리법시행령 별표 1의 제5류 위험물인 니트로셀룰로우스(NC), 트리니트로톨루엔(TNT), 니트로글리세린(NG), 트리니트로페놀(TNP) 등이 있으며 대부분 폭발성을 지니고 있으므로 폭발성물질로 취급되고 있다.

제5절 연소의 확대

연소시 발생한 열은 열 기류가 되어 다양한 형태로 이동되어 연소확대의 요인이 되는데 그 형태는 「전도」,「대류」,「복사」,「비화」로 구분된다.

1. 전도

열이 물체를 통하여 전달되는 현상으로 고온측에서 저온측으로 이동하는데 고체는 기체보다 잘 전도되고, 고온측과 저온측의 온도차, 길이 및 두께에 따라 달라지며, 주로 금속류가 높다. 공기는 열전도가 낮은 편인데 압력이 낮으면 열전도는 느리게 되고 진공 상태에서는 열의 전도가 이루어지지 않는다.

2. 대류

공기의 운동이나 유체의 흐름에 의해 열이 이동되는 현상으로 액체나 기체에 온도를 가하면 비중이 가벼워져 분자의 운동이 활발하여지고 팽창하면서 고온의 열 기류는 상승하게 된다. 화재시 연기가 위로 향하는 것이나 화로에 의해 방안의 공기가 더워지는 것이 대류에 의한 현상이다.

3. 복사

물체가 가열되면 열에너지를 전자파로 방출되는데 이 전자파에 의해 열이 이동하는 것으로 난로가에 열을 쬘때, 양지바른 곳에서 햇볕을 쬐면 따뜻한 것은 복사열을 받기 때문이며 화재현장에서 열의 이동에 가장 크게 작용하여 주위 건물을 연소시키는 것은 복사열이 주원인이다.

4. 비화(불똥)

불티나 불꽃이 기류를 타고 다른 가연물로 전달되어 화재가 일어나는 것을 말한다.

제6절 이상(異常)연소 현상

1. 역화(Back fire)

대부분 기체연료를 연소시킬 때 발생되는 이상연소 현상으로서 연료의 분출속도가 연소속도보다 느릴 때 불꽃이 연소기의 내부로 빨려 들어가 혼합관 속에서 연소하는 현상을 말한다.

역화의 원인으로는

가. 혼합 가스량이 너무 적을 때

나. 노즐의 부식으로 분출구멍이 커진 경우

다. 버너의 과열

라. 연소속도보다 혼합가스의 분출속도가 느릴 때

마. 압력이 과다할 때 등이 있다.

2. 선화(Lifting)

역화의 반대 현상으로 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 빠를 때 불꽃이 버너의 노즐에서 떨어져서 연소하는 현상으로 완전한 연소가 이루어지지 않는다.

3. 블로우 오프(blow-off)현상

선화 상태에서 연료가스의 분출속도가 증가하거나 주위 공기의 유동이 심하면 화염이 노즐에 정착하지 못하고 떨어져 화염이 꺼지는 현상을 말한다.

4. 불완전연소

연소시 가스와 공기의 혼합이 불충분하거나 연소온도가 낮을 경우 등 여러가지 요인으로 노즐의 선단에 적황색 부분이 늘어나거나, 그을음이 발생하는 연소현상으로 그 원인은

가. 공기의 공급이 부족 할 때

나. 연소온도가 낮을 때

다. 연료 공급상태가 불안정할 때

등이 있다.

5. 연소 소음

연소에 수반되어 발생되는 소음을 말하며 발생원인은 연소속도나 분출속도가 대단히 클 때와, 연소장치의 설계가 잘못되어 연소시 진동이 발생하는 경우에 발생하며, 종류로는 연소음, 가스 분출음, 공기 흡입음, 폭발음, 공명음 등이 있다.

제7절 연소생성물의 종류와 유해성

건축재료, 가구, 의류 등 유기가연물은 일반적으로 화재열을 받으면 열분해한 다음 공기 중의 산소와 반응하여 연소하며 여러 가지 생성물을 발생시킨다. 이 열분해 연소과정은 실제로는 매우 복잡하게 진행된다.

고분자물질 등 유기물의 구성원소는 일반적으로 탄소, 수소를 중심으로 산소, 질소를 함유하는 경우가 있고, 거기에 유황, 인, 할로겐(염소, 불소, 취소 등)등을 포함하는 경우가 있다.

완전연소의 경우 생성물의 수는 적으며, 탄소는 탄산가스, 수소는 물, 산소는 탄산가스 및 물 등의 산화물, 질소는 질소가스, 유황은 아황산가스, 인은 오산화인으로, 또한 할로겐은 염화수소 등의 할로겐화수소로 된다. 그러나 불완전연소의 경우 상기 생성물 외에 다수의 산화물이나 분해생성물이 발생한다.

[표 8] 연소물질과 생성가스

연소생성가스	연소물질
일산화탄소 및 탄산가스	탄화수소류 등
질소산화물	셀룰로이드, 폴리우레탄 등
시안화수소	질소성분을 갖고 있는 모사, 비단, 피혁 등
아크릴로레인	합성수지, 레이온 등
아황산가스	나무, 종이 등
수소의 할로겐화물	나무, 치오콜 등
(HF, HCl, HBr, 포스겐등)	PVC, 방염수지, 불소수지류 등의 할로겐화물
암모니아	멜라민, 나일론, 요소수지 등
알데히드류(RCHO)	페놀수지, 나무, 나일론, 폴리에스테르수지등
벤젠	폴리스티렌(스티로폴) 등

1. 일산화탄소(CO)

일산화탄소는 무색․무취․무미의 환원성이 강한 가스로서 상온에서 염소와 작용하여 유독성 가스인 포스겐(COCl2)을 생성하기도 하며 인체 내의 헤모글로빈과 결합하여 산소의 운반기능을 약화시켜 질식케 한다.

[표 9] 일산화탄소의 공기 중의 농도와 중독증상

공기중의 농도		경과시간(분)	중독증상
%	ppm
0.02	200	120 ～ 180	가벼운 두통 증상
0.04	400	60 ～ 120	통증․구토증세가 나타남
0.08	800	40	구토․현기증․경련이 일어나고 24시간이면 실신
0.16	1,600	20	두통․현기증․구토 등이 일어나고 2시간이면 사망
0.32	3,200	5 ～ 10	두통․현기증이 일어나고 30분이면 사망
0.64	6,400	1 ～ 2	두통 ․현기증이 심하게 일어나고 15～30분이면 사망
1.28	12,800	1 ～ 3	1～3분내 사망

2. 이산화탄소(CO2)

이산화탄소는 무색․무미의 기체로서 공기보다 무거우며 가스자체는 독성이 거의 없으나 다량이 존재할 때 사람의 호흡 속도를 증가시키고 혼합된 유해 가스의 흡입을 증가시켜 위험을 가중시킨다.

3. 황화수소(H2S)

황을 포함하고 있는 유기 화합물이 불완전 연소하면 발생하는데 계란 썩은 냄새가 나며 0.2%이상 농도에서 냄새 감각이 마비되고 0.4 ～ 0.7%에서 1시간 이상 노출되면 현기증, 장기혼란의 증상과 호흡기의 통증이 일어난다. 0.7%를 넘어서면 독성이 강해져서 신경계통에 영향을 미치고 호흡기가 무력해진다.

4. 아황산가스(SO2)

유황이 함유된 물질인 동물의 털, 고무 등이 연소하는 화재시에 발생되며 무색의 자극성 냄새를 가진 유독성 기체로 눈 및 호흡기 등에 점막을 상하게 하고 질식사 할 우려가 있다. 특히 유황을 저장 또는 취급하는 공장에서의 화재시 주의를 요한다.

5. 암모니아(NH3)

질소 함유물(나이론, 나무, 실크, 아크릴 프라스틱, 멜라닌수지)이 연소할 때 발생하는 연소생성물로서 유독성이 있으며 강한 자극성을 가진 무색의 기체이다.

냉동시설의 냉매로 많이 쓰이고 있으므로 냉동창고 화재시 누출가능성이 크므로 주의해야 한다.

6. 시안화수소(HCN)

질소성분을 가지고 잇는 합성수지, 동물의 털, 인조견 등의 섬유가 불완전 연소할 때 발생하는 맹독성 가스로 0.3%의 농도에서 즉시 사망할 수 있다.

7. 포스겐(COCl2)

열가소성 수지인 폴리염화비닐(PVC), 수지류 등이 연소할 때 발생되며 맹독성가스로 허용농도는 0.1ppm(㎎/㎥)이다.

일반적인 물질이 연소할 경우는 거의 생성되지 않지만 일산화탄소와 염소가 반응하여 생성하기도 한다.

8. 염화수소(HCl)

PVC와 같이 염소가 함유된 수지류가 탈 때 주로 생성되는데 독성의 허용농도는 5ppm(㎎/㎥)이며 향료, 염료, 의약, 농약 등의 제조에 이용되고 있고 부식성이 강하여 쇠를 녹슬게 한다.

9. 이산화질소(NO2)

질산셀룰로즈가 연소 또는 분해될 때 생성되며 독성이 매우 커서 200～700ppm정도의 농도에 잠시 노출되어도 인체에 치명적이다.

10. 불화수소(HF)

합성수지인 불소수지가 연소할 때 발생되는 연소생성물로서 무색의 자극성 기체이며 유독성이 강하다.

허용농도는 3ppm(㎎/㎥)이며 모래․유리를 부식시키는 성질이 있다.

제2장 폭 발

제1절 폭발개론

1. 폭발의 정의

폭발을 명확히 정의하는 것은 어려우나 「압력의 급격한 발생 또는 해방의 결과로서 굉음을 발생하며 파괴하기도 하고, 팽창하기도 하는 것」, 「화학변화에 동반해 일어나는 압력의 급격한 상승현상으로 파괴 작용을 수반하는 현상」등으로 설명할 수 있다.

2. 폭발반응의 원인

빛, 소리 및 충격 압력을 수반하는 순간적으로 완료되는 화학변화를 폭발 반응이라 하며 기체상태의 엔탈피(열량) 변화가 폭발반응과 압력상승의 원인으로 다음을 들 수 있다.

가. 발열화학반응시에 일어난다.

나. 강력한 에너지에 의한 급속가열로 예를들면 부탄가스통의 가열시 폭발하는 것과 같다.

다. 액체에서 기체상태로 변화를 증발, 고체에서 기체 상태로의 변화를 승화라 하는데 이처럼 응축상태에서 기상으로 변화(상변화)시 일어난다.

3. 폭발의 성립 조건

가. 밀폐된 공간이 존재하여야 된다.

나. 가연성 가스, 증기 또는 분진이 폭발범위내에 있어야 한다.

다. 점화원(Energy)이 있어야 한다.

간략하게 정리하면 연소의 3요소에 밀폐된 공간이 있으면 성립한다.

제2절 폭발형태

1. 물리적 폭발과 화학적 폭발

폭발이란 급격한 압력의 발생, 해방의 결과로 그 현상이 격렬하게 폭음을 동반한 이상 팽창 현상으로 크게는 물리적인 폭발과 화학적 폭발로 구분하며, 물리적 상태에 따라 응상폭발과 기상폭발로 구분한다

가. 물리적 폭발

진공용기의 파손에 의한 폭발현상, 과열액체의 급격한 비등에 의한 증기폭발, 고압용기에서 가스의 과압과 과충진 등에 의한 용기의 파열에 의한 급격한 압력개방 등이 물리적인 폭발이다.

미세한 금속선에 큰 용량의 전류가 흐름으로서 전선에 급격한 온도상승이 되어 전선이 용해되어 갑작스런 기체 팽창이 짧은 시간내에 발생되는 폭발현상도 물리적인 폭발이며 전선폭발이라고도 한다.

나. 화학적 폭발

1) 산화 폭발

산화폭발은 연소의 한 형태인데 연소가 비정상상태로 되어서 폭발이 일어나는 형태이고 연소폭발이라고도 하며 주로 가연성 가스, 증기, 분진, 미스트 등이 공기와의 혼합물, 산화성, 환원성 고체 및 액체혼합물 혹은 화합물의 반응에 의하여 발생된다.

산화 폭발사고는 대부분 가연성 가스가 공기 중에 누설되거나 인화성 액체 저장탱크에 공기가 혼합되어 폭발성 혼합가스를 형성함으로서 점화원에 의해 착화되어 폭발하는 현상이다.

공간부분이 큰 탱크장치, 배관 건물 내에 다량의 가연성 가스가 공간 전체에 채워져 있을 때 폭발하게 되지만 큰 파괴력이 발생되어 구조물이 파괴되며, 이 때 폭풍과 충격파에 의하여 멀리 있는 구조물까지도 피해를 입힌다.

예를들면 LPG-공기, LNG-공기 등이며 가연성 가스의 혼합가스 점화에 의한 폭발을 말한다.

2) 분해폭발

산화에틸렌(C2H4O), 아세틸렌(C2H2), 히드라진(N2H4) 같은 분해성 가스와 디아조화합물 같은 자기분해성 고체류는 분해하면서 폭발하며 이는 단독으로 가스가 분해하여 폭발하는 것이다.

아세틸렌 : C2H2 → 2C + H2 + 54.19[㎉]

아세틸렌은 분해성 가스의 대표적인 것으로 반응시 발열량이 크고, 산소와 반응하여 연소시 3,000℃의 고온이 얻어지는 물질로서 금속의 용단, 용접에 사용된다.

고압으로 압축된 아세틸렌 기체에 충격을 가하면 직접 분해반응을 일으키므로 고압으로 저장할 때는 불활성 다공물질을 용기내에 주입하고 여기에 아세톤액을 스며들게 하여 아세틸렌을 고압으로 용해 충진하는 방법을 사용한다.

용해 아세틸렌을 저장할 때는 용기내에 가스층간의 공간이 없도록하고 아세틸렌의 충진시 용기에 발열되는 경우에 냉각시키고, 충진후에도 온도가 안정될 때까지 냉각하여야 한다.

일반적으로 널리 사용되는 용해아세틸렌 용기는 고열이 국부적으로 발생되고, 다공물질이 변질 혹은 공간이 생성되는 이상이 발생될 때 분해증발이 일어나 국부적인 과열로 인한 용기가 폭발하는 경우가 있으므로 신중하게 취급해야 한다.

3) 중합폭발

중합해서 발생하는 반응열을 이용해서 폭발하는 것으로 초산비닐, 염화비닐 등의 원료인 모노머가 폭발적으로 중합되면 격렬하게 발열하여 압력이 급상승되고 용기가 파괴되는 폭발을 일으키는 경우가 자주 있다.

중합반응은 고분자 물질의 원료인 단량제(모노머)에 촉매를 넣어 일정온도, 압력하에서 반응시키면 분자량이 큰 고분자를 생성하는 반응을 말하며, 이 반응은 대부분 발열반응을 하므로 적절한 냉각설비를 반응장치에 설치하여 이상반응이 되는 것을 방지하여야 한다. 그러나 반응시 냉각에 실패하는 경우 반응온도가 급격히 상승하여 미반응 모노머의 팽창, 비등이 발생하여 이상고압으로 되는 경우 반응장치를 파괴시키는 경우가 있다.

중합이 용이한 물질은 촉매를 주입하지 않아도 공기중의 산화와 그외 산화성 물질, 알칼리성 물질이 촉매역할을 하여 반응을 일으킬수도 있으므로 반응중지제를 준비하여야 한다. 중합폭발을 하는 가스로는 시안화수소(HCN), 산화에틸렌(C2H4O) 등이 있다.

4) 촉매폭발

촉매에 의해서 폭발하는 것으로 수소(H2)+산소(O2), 수소(H2)+염소(Cl2)에 빛이 쪼일 때 등에 일어난다.

2. 응상폭발과 기상폭발

폭발물질의 물리적 상태에 따라서 기상폭발과 응상폭발로 구분하며, 일반적으로 응상이란 고상 및 액상의 것을 말하고, 응상은 기상에 비하여 밀도가 102～103배이므로 그 폭발의 양상이 다르다.

수소, 일산화탄소, 메탄, 프로판, 아세틸렌 등의 가연성 가스와 조연성 가스와의 혼합기체에서 발생하는 가스폭발이 기상폭발에 속하고 응융 금속이나 금속조각 같은 고온물질이 물 속에 투입되었을때 고온의 열이 저온의 물에 짧은 시간에 전달되면 일시적으로 물은 과열상태로 되고 급격하게 비등하여 폭발현상이 나타나게 되는 것을 응상폭발이라하며 수증기폭발이 대표적인 것이다.

기상폭발은 가스폭발(혼합가스폭발), 가스의 분해폭발, 분무폭발 및 분진폭발로 응상폭발은 혼합위험성 물질에 의한 폭발, 폭발성 화합물의 폭발, 증기폭발로 분류할수 있다.

가. 혼합가스 폭발

가연성 가스와 조연성 가스가 일정비율로 혼합된 가연성 혼합기는 발화원에 의해 착화되면 가스폭발을 일으킨다. 이것을 폭발성 혼합기(폭발성 혼합가스)라 부른다. 가연성 가스에는 수소, 천연가스, 아세틸렌 가스, LPG 외에 휘발유, 벤젠, 툴루엔, 알콜, 에테르 등의 가연성 액체로부터 나오는 증기도 포함된다.

조연성 가스(지연성 가스)에는 공기, 산소 외에 아산화질소, 산화질소, 이산화질소, 염소, 불소 등도 포함된다.

보통 밀폐용기에서의 폭발 생성가스의 압력은 초기압력의 7～10배에 달한다.

1) 질소 산화물의 분해반응

가) 아산화 질소(N2O)

N2O ─→ N2 + O2 -△H = 19.5㎉/mol

나) 산화질소

NO ─→ N2 + O2 -△H = 21.6㎉/mol

다) NO2 ─→ N2 + O2 -△H = 8㎉/mol

2) 한계압력은 N2O;2.5㎏/㎠, NO;15㎏/㎠이며 이 이상의 압력에서 분해 폭발되었을 때 폭발압력은 초기압력의 10배이상 된다.

3) 압력이 낮을 때는 큰 발화에너지가 필요하나, 높은 압력하에서는 조그만 에너지에도 분해폭발을 한다.

나. 가스의 분해폭발

기체 분자가 분해할 때 발열하는 가스는 단일성분의 가스라고 해도 발화원에 의해 착화되면 혼합가스와 같이 가스 폭발을 일으킨다. 이것을 가스의 분해폭발이라고 하며 산소가 없어도 폭발한다. 분해 폭발성 가스는 아세틸렌, 산화에틸렌, 에틸렌, 프로파디엔, 메일아세틸렌, 모노비닐아세틸렌, 이산화염소, 히드라진 등이 있다.

아세틸렌 충전공장과 같은 곳에서는 때때로 고압 아세틸렌이 분해 폭발에 의한 사고가 일어난다. 또한, 폴리에틸렌 공장에서 1000기압 이상의 고압 에틸렌이 분해 폭발을 일으켜 누설되고, 공기 중에서 다시 혼합가스 폭발을 일으킨 경우도 있었다.

1) 아세틸렌

가) 아세틸렌의 분해반응

C2H2 ──→ 2C + H2 -△H = 54㎉/mol

나) 발열량이 커서 열손실이 없으면 화염온도는 3,100℃가 되며 밀폐용 기 내에서 분해폭발이 발생되면 초기압력의 9～10배가된다.

다) 배관중에서 아세틸렌의 분해반응이 발생되면 화염은 가속되어 폭굉 이 되기 쉽다. 폭굉의 경우 초기압력의 20～50배가되고 파괴력도 크다.

라) 분해폭발은 화염, 스파크, 가열 등의 열원에 의하여 발생되는 경우 도 많지만 밸브의 개폐에 의한 단열압축열의 발화에 의한 경우도 있다.

마) 아세틸렌은 구리, 은 등의 금속과 반응하여 폭발성 아세틸리드를 생 성하며 이것은 조그만 충격에도 폭발하여 아세틸렌을 발화시키므로 아세틸렌을 취급하는 장치에는 구리나 구리함유량이 많은 금속을 사용해서는 안된다.

바) 아세틸렌이 분해폭발을 하기 위해서 낮은 압력에서는 큰 에너지가 필 요하지만 압력이 높게 되면 적은 에너지로도 발화된다. 따라서 아세틸 렌이 25㎏/㎠이 넘는 압력에 있을 때는 질소 등의 불활성 가스 등을 첨가하여 분해폭발을 방지해야 한다.

사) 아세틸렌의 공기중의 폭발한계는 2.5～100vol%이다.

2) 산화 에틸렌(에틸렌 옥사이드)

가) 산화에틸렌의 분해반응

C2H4O ─→ CH4 + CO -△H = 32.11㎉/mole ── ①)

2C2H4O ─→ C2H4 + 2CO + 2H -△H = 7.89㎉/mole ── ②

나) 산화에틸렌의 공기 중의 폭발한계는 3.2～100vol%이다.

다) 산화에틸렌의 한계압력(이 압력이하에서는 화염전파가 일어나지 않 음) 300㎎ 정도로 낮으므로 안전상의 주의가 필요하다.

라) 상온 상압하에서 분해폭발은 69%가 식(1)에 의해, 31%가 식(2)에 의해 분해하므로, 초기압력 증가는 전체 발열량을 증가시키고 폭발시 압력도 높아진다.

마) 산화에틸렌의 분해폭발시 폭굉이 발생한 사례는 없다.

3) 에틸렌

가) 에틸렌의 분해폭발은 아세틸렌과 비교하여 큰 발화에너지가 필요하며 저압에서의 사고예가 없으나, 고압법을 사용한 폴리에틸렌의 제조공정 에서 2,000㎏/㎠이상의 압력에서 분해폭발사고가 가끔 발생한다.

나) 에틸렌의 분해폭발반응

C2H4 ─→ 1.02C + 0.95CH4 + 0.02C2H2 + 0.17H2 -△H = 29㎉/mol

이때 발생압력은 초기압력의 6.3배이다.

다) 에틸렌은 100㎏/㎠이하의 압력에서는 큰 발화에너지가 없으면 분해 폭발을 일으키지 않지만, 고온 고압이 되면 분해폭발이 된다.

다. 분무 폭발

공기중에 분출된 가연성 액체가 미세한 액적이 되어 무상으로 되고 공기중에 부유하고 있을 때 착화에너지가 주어지면 발생하는데 분출한 가연성 액체의 온도가 인화점 이하로 존재하여도 무상으로 분출된 경우에는 폭발하는 경우가 있다. 고압의 유압설비로부터 기계유의 분출 후에 공기중에서 미세한 액적이 되어 일어난다.

라. 분진 폭발

1) 분진폭발의 의의

가연성고체의 미분 또는 가연성 액체의 미스트(mist)가 어떤 농도이상 공기와 같은 조연성 가스 등에 분산되어 있을 때 발화원에 의하여 착화됨으로서 일어나는 현상을 말하며, 금속, 프라스틱, 농산물, 석탄, 유황, 섬유질 등의 가연성 고체가 미세한 분말상태로 공기중에 부유하여 폭발하한계 농도이상으로 유지될 때 착화원이 존재하면 가연성 혼합기와 동일한 폭발현상을 나타낸다.

탄광의 갱도, 유황 분쇄기, 합금 분쇄 공장 등에서 가끔 분진 폭발이 일어난다.

2) 분진의 발화폭발 조건

가) 가연성 : 금속, 프라스틱, 밀가루, 설탕, 전분, 석탄 등

나) 미분상태 : 200mesh(76㎛) 이하

다) 지연성 가스(공기)중에서의 교반과 유동

라) 점화원의 존재

3) 가연성 분진의 착화폭발 기구

가) 입자표면에 열에너지가 주어져서 표면온도가 상승한다.

나) 입자표면의 분자가 열분해 또는 건류작용을 일으켜서 기체상태로 입 자 주위에 방출한다.

다) 이 기체가 공기와 혼합하여 폭발성 혼합기가 생성된 후 발화되어 화 염이 발생된다

라) 이 화염에 의해 생성된 열은 다시 다른 분말의 분해를 촉진시켜 공기 와 혼합하여 발화 전파한다.

4) 분진폭발의 특성

가) 연소속도나 폭발압력은 가스폭발에 비교하여 작으나 연소시간이 길고, 발생에너지가 크기 때문에 파괴력과 타는 정도가 크다. 즉, 발생에너 지는 가스폭발의 수백배이고 온도는 2000～3000℃까지 올라간다. 그 이유는 단위 체적당의 탄화수소의 양이 많기 때문이다.

나) 폭발의 입자가 연소되면서 비산하므로 이것에 접촉되는 가연물은 국 부적으로 심한 탄화를 일으키며 특히 인체에 닿으면 심한 화상을 입 는다.

다) 최초의 부분적인 폭발에 의해 폭풍이 주위의 분진을 날리게하여 2차, 3차의 폭발로 파급됨에 따라 피해가 크게 된다.

라) 가스에 비하여 불완전한 연소를 일으키기 쉬우므로 탄소가 타서 없어 지지 않고 연소후의 가스상에 일산화탄소가 다량으로 존재하는 경우 가 있어 가스에 의한 중독의 위험성이 있다.

5) 폭발성분진

가) 탄소제품 : 석탄, 목탄, 코크스, 활성탄

나) 비료 : 생선가루, 혈분 등

다) 식료품 : 전분, 설탕, 밀가루, 분유, 곡분, 건조효모 등

라) 금속류 : Al, Mg, Zn, Fe, Ni, Si, Ti, V, Zr(지르코늄)

마) 목질류 : 목분, 콜크분, 리그닌분, 종이가루 등

바) 합성 약품류 : 염료중간체, 각종 프라스틱, 합성세제, 고무류 등

사) 농산가공품류 : 후추가루, 제충분, 담배가루 등

6) 분진의 폭발성에 영향을 미치는 인자

가) 분진의 화학적 성질과 조성

(1) 분진의 발열량이 클수록 폭발성이 크며 휘발성분의 함유량이 많을 수록 폭발하기 쉽다.

(2) 탄진에서는 휘발분이 11%이상이면 폭발하기 쉽고, 폭발의 전파가 용이하여 폭발성 탄진이라고 한다.

나) 입도와 입도분포

(1) 분진의 표면적이 입자체적에 비하여 커지면 열의 발생속도가 방열 속도보다 커져서 폭발이 용이해진다.

(2) 평균 입자경이 작고 밀도가 작을수록 비표면적은 크게되고 표면에 너지도 크게 되어 폭발이 용이해진다.

(3) 입도분포 차이에 의한 폭발특성 변화에 대해서는 상세히 알 수 없 으나 작은 입경의 입자를 함유하는 분진의 폭발성이 높다고 간주한다.

다) 입자의 형성과 표면의 상태

(1) 평균입경이 동일한 분진인 경우, 분진의 형상에 따라 폭발성이 달 라진다. 즉 구상, 침상, 평편상 입자순으로 폭발성이 증가한다.

(2) 입자표면이 공기(산소)에 대하여 활성이 있는 경우 폭로시간이 길 어질수록 폭발성이 낮아진다. 따라서 분해공정에서 발생되는 분진은 활성이 높고 위험성도 크다.

라) 수분

분진속에 존재하는 수분은 분진의 부유성을 억제하게 하고 대전성을 감소시켜 폭발성을 둔감하게 한다.

반면에 마그네슘, 알루미늄 등은 물과 반응하여 수소를 발생하고 그로 인해 위험성이 더 높아진다.

7) 발화에 대한 영향

가) 입도

(1) 분진이 미립자일수록 분산이 더 잘 되고 부유시간이 길며 발화가 용이하다.

(2) 분진이 용매에 젖어 있거나, 용매-공기에 존재하는 분진을 dry분진 보다 최소점화에너지가 훨씬 낮다

나) 정전기

(1) 분진폭발은 대부분 정전기에 의해서 발생한다. 따라서 분진은 이장 치를 통과할 때 정전기가 발생하므로 분진취급장치는 모두 접지를 해야 한다.

(2) 경우에 따라서 접지된 장치와 접지선 사이에서 스파크가 발생되는 수도 있다.

예) PVC파이프와 접지된 금속 고리 사이에 스파크가 발생되는 경우도 있다. (PVC는 전기적으로 절연체이기 때문에 대전된다) 따라서 절연 체로 된 파이프를 이용해서 가연성 분진을 이동해서는 안된다.

(3) 습도가 낮은 경우 비전도체의 전도도가 감소하여 정전기 발생을 촉 진시킨다. 따라서 겨울철에 분진화재나 폭발이 더 발생된다.

다) 온도

(1) 분진발화온도 : 200mesh이하의 분진을 이용하여 측정한 최소발화 온도

(2) 분체의 크기는 발화온도에 큰 영향을 주지 않는다.

(3) 분진층의 두께가 두꺼울수록 발화온도는 낮아진다.

(4) 전구에 분진이 쌓이면 과열되어 발화가 가능하고 꽉 조이지 않은 전구와 소켓 사이에 방전이 가능하므로 주의해야 된다.

라) 불활성 기체

(1) 전기스파크를 이용하여 가연성 분진을 연소할 때 CO2를 사용하여 O2의 함량을 11vol%이하이거나 N2를 사용하여 O2의 함량을 8vol% 이하로 낮추면 분진의 농도와 관계없이 화염전파를 방지할 수 있다.

(2) 단, 금속분말은 O2농도가 더 낮아야 한다.

(3) 분진에 가연성 기체나 증기가 존재할 경우 더 많은 불활성 기체를 주입시켜야 한다.

8) 폭발 압력

가) 분진의 최대폭발압력은 양론적인 농도보다 훨씬 더 큰 농도에서 일어 난다.(가스폭발의 경우와 다름)

나) 최대폭발압력 상승속도는 입자의 크기가 작을수록 증가하는데 이는 입자의 크기가 작을수록 확산되기 쉽고 발화되기 쉽기 때문이다.

9) 폭발 방지

가) 2차 폭발을 방지하기 위하여 분체를 다루는 장치는 가능한한 옥외에 설치하여야 한다. 단, 옥내에 설치된 경우는 폭발생성물이 옥외로 배 출되도록 해야 한다.

나) 분체를 취급하는 주걱은 접지된 금속주걱을 사용하여 정전기 발생으로 인한 방전을 예방하여야 한다.

다) 진공청소기를 사용할 때는 모든 금속부분이 접지된 방폭용을 사용해야 한다.

라) 배관속에 분진이 누적되는 것을 방지하기 위하여 이동속도를 20m/sec 이상 유지해야 한다.

마) 불필요한 금속조각이 분쇄기에 들어가지 않도록 해야 한다.

바) 스프레이를 이용하여 분체도량을 할 때 스프레이건으로부터의 분체의 배출속도는 최대로 하되 분체의 농도가 최소폭발농도 이하가 되도록 공기량을 조절해야 된다.

사) 이 때 작업장의 모든 금속표는 1㏁이하의 저항을 지닌 바닥에 접지하 고 폭발배출용 닥트는 가능한한 짧게 옥외로 배출시켜야 한다.

마. 혼합위험성 물질에 의한 폭발

산화성 물질과 환원성 물질의 혼합물에는 혼합 직후에 발화 폭발하는 것, 또는 혼합 후에 혼합물에 충격을 가하거나 열을 가하면 폭발을 일으키는 것 등이 있다.

바. 폭발성 화합물의 폭발

산업용 화약, 무기용 화약 등의 화학 폭약의 제조와 가공공정에서 또는, 그 사용중에 폭발사고가 일어나는 것을 말한다. 이밖에 반응중에 생기는 민감한 부생물이 반응조내에 축적되어 폭발을 일으키는 경우도 해당된다. 예를 들면 산화 반응조에 과산화물이 축적되어 폭발 사고를 일으킨 것도 있다.

사. 증기 폭발

1) 증기폭발의 의의

액체에 급속한 기화현상이 발생되어 체적 팽창에 의한 고압이 생성되어 폭풍을 일으키는 현상으로, 물, 유기액체 또는 액화가스 등의 액체들이 과열상태가 될 때 순간적으로 증기화 되어 폭발현상을 나타내는 것을 말한다. 지상에 있는 물웅덩이에 작열된 용융카바이트나 용융철을 떨어뜨릴 경우 또는 탱크속의 비등점의 낮은 액체가 중합열 또는 외부로부터 가해지는 화재의 열 때문에 온도가 상승되어 증기압을 견디지 못하고 용기가 파열될 때 남아있던 가열액체는 순간적으로 심한 증기폭발을 일으킨다.

2) 증기폭발의 분류

가) 보일러 폭발 (고압포화액의 급속액화)

(1) 보일러와 같이 고압의 포화수를 저장하고 있는 용기가 파손 등의 원인으로 동체의 일부분이 열리면 용기내압이 급속히 하락되어 일 부 액체가 급속히 기화하면서 증기압이 급상승하여 용기가 파괴된다.

(2) 내용물이 가연성 물질인 경우 비등 기화로 액체입자를 포함하는 증기 가대량으로 대기에 방출됨으로써 화염원으로부터 착화되어 화구 를 형성하게 된다.

(3) 100℃이상 과열된 압력하의 물을 폭발수(explosive water)이라 한다.

나) 용융염의 수증기 폭발 (액체의 급속 가열)

(1) 물 또는 물을 함유한 액체에 고온 용융금속, 용융염 등이 대량으로 유입되는 경우 이 물질로 인해 밀폐된 상태의 물이 급격히 증발되고 밀폐로 인한 고압이 발생되어 폭발하는 현상이다.

(2) 수증기 폭발의 발생은 고온 용융염의 투입속도가 빠를수록 용기의 단면적이 작을수록 잘 일어난다.

(3) 수증기 폭발의 발생기구는 최초 고온 용융염이 물에 접촉하여 열전 달이 일어날 때 온도차가 커서 용융염의 표면에 막비 등이 일어나 지만 이 때는 폭발이 발생되지 않는다. 그러나 용융염의 표면이 냉 각되어 균열이 발생되고 균열된 곳에 물이 들어가면 용융염이 미세 화되어 비등핵이 형성되어 격렬한 증기가 발생되면서 폭발하게 된 다. 이와 같은 현상을 핵폭발이라고도 한다.

다) 극저온 액화가스의 증기폭발(극저온 액화가스의 수면유출)

1) LNG 등의 저온액화가스가 상온의 물위에 유출될 때 급격하게 기화 되면서 증기폭발이 발생된다

2) 이 때 뜨거운 유체로 작용하는 것은 물(15℃)이며 LNG는 -162℃ 에서 액화된 가스이므로 차가운 액체로 작용한다.

3) 이 때의 에너지원은 물의 현열이다.

라) 수증기 폭발의 예방대책

증기폭발이 일어나는 설비는 용광로, 용융로, 평로, 전기로, 회수로 등이 가장 많고 도가니, 주형, 가마 등이다. 또한 폐기물 수집장소나 배수구 수초 등에서도 발생하고 있다 수증기폭발의 예방대책의 기본은 물과 고온 물과의 접촉기회를 주지 않는 것이다.

(1) 로내로의 물의 침입방지

(가) 로내에 투입하는 재료에 수분이 함유된 경우

(나) 전극의 냉각수가 로내로 들어간 경우

(다) 로벽이 완전히 건조되지 않는 상태에서 용융작업을 하는 경우

(라) 화재 소화 작업중 주수가 로내에 들어가는 경우

(2) 작업바닥의 건조

(가) 지하수의 누수

(나) 빗물 등

(3) 고운 폐기물의 처리는 건조한 장소에서 한다.

(가) 고온 금속조각을 젖은 장소에 폐기하는 것을 방지

(나) 고온 물을 하수구나 수조에 투입하는 것을 방지

(다) 고온 물을 건조한 장소에 버리고 물을 뿌려 냉각하는 것을 방지

(4) 주수분쇄설비의 안전설계

(가) 고운 물에 주수(물을 뿌림)하여 급냉에 의한 분쇄를 하는 경우 수증기 폭발의 위험성이 있다.

(나) 물속에 고온 물을 투입하는 것은 안되고, 고온 물이 밖으로 흘러 나오지 않도록 물을 뿌려주는 설비가 필요하다.

(다) 배수가 잘 되도록 하고 물이 고여 있도록 해서는 안된다.

제3절 폭발 한계

1. 폭발한계의 정의

가연성 가스와 공기(또는 산소)의 혼합물에서 가연성 가스의 농도가 낮을 때나 높을 때 화염의 전파가 일어나지 않는 농도가 있다. 농도가 낮을 경우를 폭발하한계, 높을 경우를 폭발 상한계라 하고 그 사이를 폭발 범위라고 한다. 그리고 연소한계, 가연한계라고도 한다.

2. 폭발하한계(LEL)

발화원이 있을 때 불꽃이 전파되는 증기 혹은 가스의 최소 농도로서 공기나 산소중의 농도로 나타낸다. 단위는 부피%이다.

3. 폭발상한계(UEL)

발화원과 접촉시 그 이상의 농도에서는 화염이 전파되지 않는 기체나 증기의 공기중의 최대농도를 나타낸다. 단위는 부피%이다.

4. 폭발한계에 대한 영향을 주는 요소

가. 온도의 영향

1) 일반적으로 폭발범위는 온도상승에 의하여 넓어지게 되며 폭발한계의 온 도의존은 비교적 규칙적이다.

2) 공기중에서 연소하한계 L은 온도가 100℃ 증가함에 따라 약8% 감소 한다.

Lt = L25℃ - (0.8L25℃ × 10-3)(t-25)

3) 공기중에서 연소상한계 U는 온도가 100℃증가함에 따라 약 8% 증가한다.

Ut = U25℃ + (0.8U25℃ × 10-3)(t-25)

나. 압력의 영향

압력이 상승되면 연소하한계 L은 약간 낮아지나 연소상한계 U는 크게 증가한다.

다. 산소의 영향

1) 산소중에서의 연소하한계 L은 공기중에서의 L과 같다.

(공기중의 산소는 L에서 연소에 필요한 이상의 양이 존재한다.)

2) 연소상한계 U는 산소량이 증가할수록 크게 증가한다.

라. 기타산화제

Cl2등의 산화제 분위기 중에서의 폭발범위는 공기중에서보다 넓고 O2분위기와 비슷하다.(가연성물질이 Cl2에 의해 산화되기 때문이다)

제4절 폭연과 폭굉

압력파 또는 충격파의 전파속도가 음속보다 느리게 이동하는 경우를 폭연(Deflagration)이라고 하며, 음속보다 빠르게 이동하는 경우를 폭굉(Detonation)이라 한다.

[표10] 폭연과 폭굉의 차이

구 분	폭연(Deflagration)	폭굉(Detonation)
충격파 전파속도	음속보다 느리게 이동한다 (기체의 조성이나 농도에 따라 다르지만 일반적으로 0.1～10㎧범위)	음속보다 빠르게 이동한다 (1,000～3,500㎧ 정도로 빠르며, 이때의 압력은 약 1,000㎏f/㎠)
특 징	- 폭굉으로 전이될 수 있다. - 충격파의 압력은 수기압(atm) 정도이다. - 반응 또는 화염면의 전파가 분 자량이나 난류확산에 영향을 받는다 - 에너지 방출속도가 물질전달속 도에 영향을 받는다.	- 압력상승이 폭연의 경우보다 10배, 또는 그 이상이다. - 온도의 상승은 열에 의한 전파 보다 충격파의 압력에 기인한 다. - 심각한 초기압력이나 충격파를 형성하기 위해서는 아주 짧은 시간내에 에너지가 방출되어야 한다. - 파면에서 온도, 압력, 밀도가 불연속적으로 나타난다.

제3장 소 화

연소가 계속되려면 연소에 필요한 가연성 물질과 산소의 공급 및 열원이 필요하며 이 중에 전부 또는 한가지만이라도 제거하면 연소는 단절되게 된다. 즉, 3요소 중 어느 하나를 제거하면 소화라는 목적을 달성하게 된다.

1. 냉각소화

연소하는 데에는 연소의 화학반응에 의하여 유치된 열이 미반응의 기체 및 이들을 발생하는 고체와 액체에 공급되지 않으면 안된다. 이 도중에서 열을 뺐는 조작-냉각이 행해지면 연소는 중단되고 소화가 된다.

가) 고체에 의한 냉각

가스버너(gas burner)의 화염에 철망을 대면 망으로부터 상부의 불꽃은 차츰차츰 꺼진다. 이것은 철망에 의해서 열을 빼앗기기 때문이다. 즉, 냉각소화가 이루어진 셈이다.

이와 같이 연소계층에 열을 흡수하는 물체를 넣어주면 소화가 행해지는 경우가 있다.

가정에서 튀김기름에 불이 붙을 때 채소류를 넣으면 좋다는 것은 채소류의 열용량으로 기름의 온도강하를 초래하여 소화하려고 하는 것으로 분류상 이에 속한다.

나) 분무(噴霧)에 의한 냉각

불꽃 속에 분무상의 미세한 물방울을 다수 주입하면 그것이 증발할 때에 증발의 잠열을 탈취해서 화염을 냉각시켜 연소를 저지한다. 소위 분무소화는 이 원리를 적용한 것으로 불꽃속에 적당량의 물을 주입하는 것은 희석효과도 포함되므로 그 어느 것이 주역활을 하는 것인지는 아직 정확치 않으며, 이때 가연성 기체가 고체의 분해로 발생하고 있을 때에는 물방울은 그 고체 자신도 적시어 연소를 곤란하게 한다. 그러나 소화의 기구가 어떻든간에 이 방법은 주수소화법이 대량의 물을 필요로 하는데 비하여 다음의 장점을 가진다.

① 극히 소량의 물을 유효하게 사용할 수 있다.

② 화원에 접근할 수 있다.

③ 물과 섞이지 않는 액체의 연소에 이용할 수 있다.

다) 보통주수에 의한 냉각

목재 등과 같이 분해연소를 하는 물질에 물을 주입하면 목재 자체의 냉각으로 소화된다. 다시 말하면 주수에 의한 냉각에 동반되는 열분해의 저지와 분해 생성물인 가연성 가스의 결핍에 기인하여 연소가 중단되는 현상이다.

2. 질식소화

연소에는 산소를 필요로 하며 이 산소는 공기로부터 받아들이는 때가 많으므로 밖으로부터 공급되는 산소를 차단하면 당연히 연소는 계속되지 못한다. 즉, 소화될 것이 기대되는 것이다.

가) 무거운 불연성 기체로 연소물을 덮는 방법

무거운 불연성 기체 또는 증기를 연소물 위에다 뿌리면 이 기체가 연소물 위를 덮어 쌓임으로써 밖으로부터의 산소의 공급을 막는 방법이다. 여기에 사용되는 기체는 공기보다 무거우며 불연성이면 좋으나 상온에서 이러한 성질을 지니는 기체인 물질은 적으므로 비점이 낮고 용이하게 증기로 되는 액체가 많이 쏘인다. 현재 사용되고 있는 것에는 탄산가스(CO2) 등의 기체와 클로로브롬메탄(CH2ClBr)등의 액체 증기가 있다.

나) 불연성의 거품으로 연소물을 덮는 방법

연소하고 있는 물질을 공기, 탄산가스, 질소가스 들을 함유한 거품으로 덮을 때 앞에서와 마찬가지의 효과를 거둘 수 있으므로 이 방법도 현재 많이 쓰인다.

다) 고체로 연소물을 덮는 방법

연소물을 고체로 덮는 것도 소화법으로서 성립된다. 포(布) 이불 ․가마니 등으로 덮으면 불은 꺼지고, 모래․흙 같은 것을 뿌려도 소화되는 것은 우리가 잘 아는 사실이다. 이 소화법은 돌발적인 경우에 쓰이는 소화법에 속하는 때가 많으나 불연성가스 또는 수중에서도 더욱 연소가 계속되는 경우(금속마그네슘의 연소 등)에는 마른 모래로 질식소화를 하는 것이 거의 유일한 방법이 된다.

일반적으로 이러한 방법은 덮는 범위가 좁고 또한 덮는 기술이 어렵다. 더욱이 불을 두들겨 끄는 방법, 뚜껑을 덮는 방법 등도 분류상 여기에 해당된다고 볼 수 있을 것이다.

3. 제거소화

제거소화는 가연성물질을 연소부분으로부터 제거함으로써 불의 확산을 저지하는 소화방법으로 이는 협의적인 방법과 광의적인 방법이 있다.

협의적인 제거 소화방법은 가스화재시 주밸브를 차단시켜 가스공급중단으로 연소를 멈추게 하거나 가용성 가연액체(알코올, 아세톤 등) 화재시 물을 다량 살포함으로써 연소를 그치게 하는 등이 있고, 광의적인 제거 소화방법은 연소중인 가연물체를 안전한 곳으로 이동시키거나 연소 직전의 인근건물 등을 파괴한 후 방어선을 구하여 화재확대 방지나 인명구출 수단으로 필요시에 활용하게 된다.

4. 희석소화

가연성 기체가 연소하려면 그것이 산소와 연소범위에 있는 혼합기를 만들지 않으면 안된다. 따라서 산소나 가연성물질의 어느 것의 농도가 희박해지면 연소는 계속하지 못한다.

이와 같이 기체 ․고체 ․액체에서 나오는 분해가스, 증기의 농도를 작게 하여 연소를 중지시키는 소화법을 희석 소화법이라 부른다.

가) 액체농도의 희석

액체를 불연성의 다른 액체로 희박하게 하면 이들 가연성 액체의 농도가 저하한다. 따라서 동 농도에서는 액면상의 증기량은 감소하고 드디어 거기에 존재하는 공기중의 산소와의 혼합기 농도가 연소범위 이하로 되어 더 이상 연소가 계속하지 못할 극한이 생겨 소화된다.

가령 알코올 ․아세톤 등과 같은 수용성의 액체가 타고 있을 때 여기에 물을 부으면 불꽃이 꺼진다.

나) 강풍으로 소화하는 방법

일반적으로 연소물에 강렬한 바람이 닿으면 풍속이 어떤 값 이상일 때에 불꽃이 불려 꺼진다. 이것은 연소에 관여하는 가연성 중기가 바람에 날려서 농도가 희박해지기 때문이다. 실제로 이 방법을 이용할 단계에 이르면 여러 가지 곤란이 수반되고 현재 이것이 이용되고 있는 유일한 장소는 유전지역이며, 유전의 화재를 폭약의 폭풍으로 소화하는 것이다. (이 방법은 탄의 연소와 같이 불꽃을 내지 않고 표면에서만 연소하는 물질에는 적용 할 수 없다.)

다) 불연성 기체에 의한 희석

불연성 기체를 화염 중에 넣으면 산소 농도가 감소하는 까닭으로 소화하게 된다. 이것을 이용하여 탄산가스 등을 용이하게 방출하는 고체 등을 투입하여 소화하는 방법이 행하여지고 있다. 탄산가스 자동소화장치, 분말소화기에 의한 소화 등이 그 예이다. 즉, 전자에 있어서는 화재인 경우 실내 전체에 CO2를 충만시켜 소화하고, 후자에 있어서는 중조의 분말을 화염중에 투입함으로써 탄산가스를 발생시켜 희석소화한다.