화재론 - 연소의 이론(연소, 연소의형태, 연소와 관계되는 용어, 위험물질의 위험성, 연소의 온도 및 문제점, 연소생성물의 종류 및 특성, 유류탱크, 가스탱크에서 발생하는 현상, 열전달의 종류, 열에너지원의 종류, 기체의 부피에 관한 법칙)

1. 연소

1) 연소의 정의
* 가연물이 공기중에 있는 산소와 반응하여 열과 빛을 동반하며 산화반응하는 현상
* 응고상태 또는 기체상태의 연료가 관계된 자발적인 발열반응 과정
* 연소속도 : 산화속도 (연소속도와 직접적인 관계 있음)
* 산화반응 : 물질이 산소와 화합하여 반응하는 것

2) 연소의 색과 온도

3) 연소물질의 온도

4) 연소의 3요소
가연물, 산소공급원, 점화원

▶ 가연물
ⓐ 가연물의 구비조건
→ 열전도율이 작을 것
→ 발열량이 클 것
→ 산화반응이면서 발열반응할 것
→ 활성화에너지가 작을 것 (활성화에너지 = 가연물이 처음 연소하는데 필요한 열0
→ 산소와 화학적으로 친화력이 클 것
→ 표면적이 넓을 것
→ 연쇄반응을 일으킬 수 있을 것

ⓑ 가연물이 될 수 없는 물질(불연성 물질)

▷ 불연성 가스 : 프레온

▶ 산소공급원 : 산소, 공기, 바람, 산화제 / 공기중의 산소 외에 다음의 위험물이 포함됨
* 제1류 위험물
* 제2류 위험물
* 제6류 위험물
※ 공기의 구성 성분 : 산소(21%), 질소(78%), 아르곤(1%)

▶ 점화원
: 자연발화, 단열압축, 나화 및 고온표면, 충격마찰, 전기불꽃, 정전기불꽃

※ 점화원이 될 수 없는 것 : 기화열, 융해열, 흡착열
* 기화열 : 액체가 기체로 변하면서 주위에서 빼앗는 열량
* 융해열 : 고체가 융해되어 액체로 될 때 요구되는 잠열
* 흡착열 : 흡착이 일어날 때 생기는 열량 (예시 - 실리카겔 내에 물 분자가 들어가 붙어 흡착되는 현상으로 포장지 내 내용물의 건조함을 유지 시켜줌)
* 흡착 : 기체, 액체, 용해된 상태의 원자, 분자 또는 이온이 고체나 액체 표면에 붙는 과정
※ 나화 : 불꽃이 있는 연소 상태

▶ 연소의 4요소(4면체적 요소)
→ 가연물(연료)
→ 산소공급원(산소, 산화제, 공기, 바람)
→ 점화원(온도)
→ 순조로운 연쇄반응 : '불꽃연소'와 관계 있음

* 불꽃연소 : 증발연소, 분해연소, 확산연소, 예혼합기연소(예혼합연소)
* 불꽃연소 특징 : 가연성 성분의 기체상태 연소 / 연쇄반응이 일어난다 / 연소시 발열량이 매우 크다 / 솜뭉치가 서서히 타는 현상

▶ 정전기 (가연성 물질을 발화시킬 수 있다)
ⓐ 정전기 방지대책
* 접지를 한다
* 공기의 상대습도를 70% 이상으로 한다
* 공기를 이온화 한다
* 도체물질을 사용한다

ex) AI 데이터센터의 UPS실, 통신실 내 Rack 장비에 대한 정전기 발생 방지를 위해 항온항습기 설치하여 관리

ⓑ 정전기 발화 과정
전하의 발생 - 전하의 축적 - 방전 - 발화

▷PVC film제조 - 정전기 발생에 의한 화재위험이 큼

2. 연소의 형태

1) 고체의 연소
㉠ 표면연소 : 숯, 코크스, 목탄, 금속분 등이 열분해에 의하여 가연성 가스를 발생하지 않고 그 물질 자체가 연소하는 현상

▷ 목재의 연소 형태 : 증발연소 → 분해연소 → 표면연소
▷ 표면연소=응축연소=작열연소=직접연소
▷ 작열연소(표면연소)
→ 연쇄반응이 존재하지 않음
→ 순수한 숯이 타는 것
→ 불꽃연소에 비하여 발열량이 크지 않다

㉡ 분해연소 : 석탄, 종이 플라스틱, 목재, 고무 등의 연소시 열분해에 의하여 발생된 가스와 산소가 혼합하여 연소하는 현상
㉢ 증발연소 : 황, 왁스, 파라핀, 나프탈렌 등을 가열하면 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 상태가 변하여 그 기체가 연소하는 현상
㉣ 자기연소(내부연소) : 제5류 위험물인 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스(질화면), TNT, 니트로화합물(피크린산), 질산에스테르류(셀룰로이드) 등이 열분해에 의해 산소를 발생하면서 연소하는 현상

▷ 불꽃연소 : 증발연소, 분해연소, 확산연소, 예혼합기 연소
▷ 제5류 위험물 : 폭발성 물질(자기 반응성 물질)
▷ 질화도 : 니트로셀룰로오스의 질소의 함유율 (질화도가 높을 수록 위험)

2)액체의 연소
㉠ 분해연소 : 주유, 아스팔트와 같이 점도가 높고 비휘발성인 액체가 고온에서 열분해에 의해 가스로 분해되어 연소하는 현상
㉡ 액적연소 : 벙커C유와 같이 가열하고 점도를 낮추어 버너 등을 사용하여 액체의 입자르 ㄹ안개형태로 분출하여 연소하는 현상
㉢ 증발연소 : 가솔린, 등유, 경유, 알코올, 아세톤 등과 같이 액체가 열에 의해 증기가 되어 그 증기가 연소하는 현상
㉣ 분무연소 : 물질의 입자르 ㄹ분산시켜 공기의 접촉면적을 넓게 하여 연소하는 현상

3) 기체의 연소
㉠ 확산연소 : 메탄, 암모니아, 아세틸렌, 일산화탄소, 수소 등과 같이 기체연료가 공기중의 산소와 혼합되면서 연소하는 현상
㉡ 예혼합기 연소 : 기체연료에 공기중의 산소를 미리 혼합한 상태에서 연소하는 현상

▷ 확산연소 : 화염의 안정범위가 넓고 조작이 용이하며 역화의 위험이 없는 연소
▷ 임계온도와 임계압력
→ 임계온도 : 아무리 큰 압력을 가해도 액화하지 않는 최저온도(압력조건에 관계없이 그 값이 일정)
→ 임계압력 : 임계온도에서 액화하는데 필요한 압력

 

3. 연소와 관계되는 용어

1) 발화점(Ignition point) = 착화점
가연성 물질에 불꽃을 접하지 아니하였을 때 연소가 가능한 최저온도
→ 탄화수소계의 분자량이 클수록 발화온도는 일반적으로 낮음

2) 인화점(Flash point)
㉠ 휘발성 물질에 불꽃을 접하여 연소가 가능한 최저온도
㉡ 가연성 증기 발생시 연소범위의 하한계에 이르는 최저온도
㉢ 가연성 증기를 발생하는 액체가 공기와 혼합하여 기상부에 다른 불꽃이 닿았을 때 연소가 일어나는 최저온도
㉣ 위험성 기준의 척도

▷ 인견(=인조견) : 견직물과 비슷한 질감을 내도록 만들어진 인공섬유로서 고체물질 중 발화온도가 높다
▷ 인화점 : 가연성 액체의 발화와 깊은 관계가 있음 / 연료의 조성, 점도, 비중에 따라 달라진다
▷ 발화점이 낮아지는 경우
→ 열전도율이 낮을 때
→ 분자구조가 복잡할 때
→ 습도가 낮을 때

▷ 물질의 발화점
→ 황린 : 30~50도
→ 황화린, 이황화탄소 : 100도
→ 니트로셀룰로오스 : 180도

3) 연소점(Fire point)
㉠ 인화점보다 10℃ 높으며 연소를 5초 이상 지속할 수 있는 온도
㉡ 어떤 인화성 액체가 공기중에서 열을 받아 점화원의 존재하에 지속적인 연소를 일으킬 수 있는 온도
㉢ 가연성 액체에 점화원을 가져가서 인화된 후에 점화원을 제거하여도 가연물이 계속 연소되는 최저온도

4)비중(Specific gravity)
물 4℃를 기준으로 했을 때의 물체의 무게

5)비점(Boiling point)
액체가 끓으면서 증발이 일어날 때의 온도

6)비열(Specific heat)
㉠ 1cal : 1g의 물체를 1℃만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량
㉡ 1BTU : 1lb의 물체를 1℉만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량
㉢ 1chu : 1lb의 물체를 1℃만틈 온도 상승시키는데 필요한 열량

<단위 명칭 간략 설명>
OZ(ounce 온스) : 중량과 액량의 무게
OZ=28g
lb(=pound) : 무게의 단위
lb=libra(천정저울)=453g
1cal=4.2J
1J=0.24cal
1lb=0.4536kg
1kg=2.2046[lb]
BTU(=British Thermal Unit)=252cal

<비열 디테일 설명>
① 1cal=1g의 물체를 1℃만큼 상승시키는데 필요한 열량
    1cal ∝ 1g → 0.4536kg ∝ 0.4536kcal

② ℃ 섭씨(0~100℃) 와 ℉ 화씨(32~212℉)의 변화량 비율
섭씨는 물의 어는점 0℃, 끓는점 100℃ / 화씨는 물의 어는점 32℉, 끓는점 212℉
섭씨 단위 간격은 눈금 100등분 / 화씨 단위 간격은 눈근 180등분
℃ : ℉ = 100 : 180 → ℃ : ℉ = 5 : 9
∴ 1℉ = 5/9℃
(섭씨를 화씨로 변환 → ℉=(9/5 x ℃)+32)
(화씨를 섭씨로 변환 → ℃=(5/9) x (℉-32)

③ 1BTU에 대해 물 0.4536kg을 5/9℃ 올리는데 필요한 열량?
1BTU = 1lb의 물체를 1℉만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량
1lb = 453.59g=0.4536kg ∝ 0.4536kcal
1BTU = 0.4536kcal를 1℉(=5/9℃)만큼 온동 상승시키는데 필요한 열량
1BTU = 0.4536kcal x (5/9) = 0.252kcal
∴ 1BTU=0.252kcal=252cal

7)융점(Melting point)
대기압하에서 고체가 용융하여 액체가 되는 온도

8)잠열(Latent heat)
어떤 물질이 고체, 액체, 기체로 상태를 변화하기 위해 필요로 하는 열

▷물의 잠열

▷열량
Q=r·m+m·C·△T

Q : 열량[cal]
r :  융해열 또는 기화열[cal/g]
m : 질량[g]
C : 비열[cal/g℃]
△T : 온도차[℃]

▷ 열용량 : 비점이 낮은 액체일수록 증기압이 높다

9)점도(Viscosity)
액체의 점착과 응집력의 효과로 인한 흐름에 대한 저항을 측정하는 기준

10)온도

11) 증기비중(Vaper Specific Gravity)
증기비중=분자량/29 (29=공기의 평균분자량)

12) 증기밀도
증기밀도=분자량/22.4 (22.4=기체 1몰의 부피[ℓ])

13) 증기-공기밀도(Vaper-Air Density)
어떤 온도에서 액체와 평형상태에 있는 증기와 공기의 혼합물의 증기밀도

P1 : 대기압 / P2 : 주변온도에서의 증기압 / d : 증기밀도

▷비점이 낮은 액체일수록 증기압이 높다
▷비중이 무거운 순서 : HALON 2402 - HALON 1211 - HALON 1301 - CO2

4. 위험물질의 위험성

㉠ 비등점(비점)이 낮아질수록 위험하다 (비점이 낮은 액체일수록 증기압 높다)
㉡ 융점이 낮아질수록 위험하다 (융점 : 대기압하에서 고체가 용융하여 액체가되는 온도)
㉢ 점성이 낮아질수록 위험하다 (액체의 점착과 응집력에 대한 저항 낮아진다)
㉣ 비중이 낮아질수록 위험하다 (물 4℃를 기준으로 했을 때 물체의 무게0

▷ 용어설명
비등점 : 액체가 끓어오르는 온도, 액체가 끓으면서 증발이 일어날 때 온도 (=비점)
융점 : 녹는 온도 (=융해점)
점성 : 끈끈한 성질
비중 : 어떤 물질과 표준물질과의 질량비
잠열 : 온도변화가 없이 상태변화에 사용되는 열
현열 : 물체의 온도가 가열, 냉각에 따라 변화하는데 필요한 열량

 

5. 연소의 온도 및 문제점

1) 연소온도에 영향을 미치는 요인
→ 공기비, 산소농도, 연소상태, 연소의 발열량, 연소 및 공기의 현열, 화염전파의 열손실

▷ 공기비
* 고체 : 1.4 ~ 2.0
* 액체 : 1.2 ~ 1.4
* 기체 : 1.1 ~ 1.3

2) 연소속도에 영향을 미치는 요인
→ 압력, 촉매, 산소의 농도, 가연물의 온도, 가연물의 입자
▷ 연소 : 빛과 열을 수반하는 산화반응
▷ 촉매 : 반응을 촉진시키는 것

3) 연소상의 문제점
㉠ 백-파이어(Back-fire) : 역화
가스가 노즐에서 나가는 속도가 연소속도보다 느리게 되어 버너 내부에서 연소하게 되는 현상
혼합가스의 유출속도 < 연소속도

㉡ 리프트(Lift)
가스가 노즐에서 나가는 속도가 연소속도보다 빠르게 되어 불꽃이 버너의 노즐에서 떨어져서 연소하게 되는 현상
버너내압이 높아져서 분출속도가 빨라지는 현상
혼합가스의 유출속도 > 연소속도

㉢ 블로-오프(Blow-off)
리프트 상태에서 불이 꺼지는 현상

6. 연소생성물의 종류 및 특성

1) 일산화탄소(CO)
㉠ 화재시 흡입된 일산화탄소의 화학적 작용에 의해 헤모글로빈(Hb)이 혈액의 산소운반작용을 저해하여 사람을 질식, 사망하게 한다
㉡ 산소와의 결합력이 극히 강하여 질식작용에 의한 독성을 나타냄

▷ 연소생성물 : 열, 연기, 불꽃, 가연성 가스
▷ 일산화탄소
: 화재시 인명피해를 주는 유독성 가스 / 인체의 폐에 큰 자극을 줌 / 연기로 인한 의식 불명 또는 질식을 가져오는 유해성분

▷ 고체가연물 연소시 생성물질

2)이산화탄소
연소가스 중 가장 많은 양을 차지하고 있으며 가스 그 자체의 독성은 거의 없으나 다량이 존재할 경우, 사람의 호흡속도를 증가시키고, 이로 인하여 화재가스에 혼합된 유해가스의 혼입을 증가시켜 위험을 가중시키는 가스

▷이산화탄소는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 용해도는 증가한다 (용해도 : 포화욕액 가운데 들어있는 용질의 농도)
▷ PVC : 폴리염화비닐은 Polyvinyl chloride의 약자이다. 열가소성 플라스틱의 일종으로 건설자재 배관, 튜브, 시트, 필름 등의 건축,포장, 의료 등 다양한 분야에서 사용
▷ PVC 연소시 생성가스
* HCl(염화수소) : 부식성가스
* CO2 : 이산화탄소
* CO : 일산화탄소

3) 포스겐

매우 독성이 강한 가스로서 소화제인 사염화탄소를 화재시에 사용할 때도 발생

4) 황화수소
* 달걀 썩는 냄새가 나는 특성
* 유황분이 포함되어 있는 물질의 불완전 연소에 의하여 발생하는 가스
* 자극성이 있다
▶가연성가스+독성가스 = 황화수소, 암모니아

5) 아크롤레인
독성이 매우 높은 가스로서 석유제품, 유지 등이 연소할 때 생성되는 가스

6) 암모니아
* 나무, 페놀수지, 멜라민수지 등의 질소함유물이 연소할 때 발생하며, 냉동시설의 냉매로 쓰인다
* 눈,코,폐 등에 매우 자극성이 큰 가연성 가스

<인체에 영향을 미치는 연소생성물>

▷ 연소시 아황산가스 발생 물질
S 성분이 있는 물질

▷ 연소시 염화수소 발생 물질
Cl 성분이 있는 물질

▷ 질소함유 플라스틱 연소시 발생가스
N 성분이 있는 물질

▷ 연소시 시안화수소 발생 물질
요소, 멜라민, 아닐린, 폴리우레탄

7. 유류탱크, 가스탱크에서 발생하는 현상

1) 블래비(BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion)
과열 상태의 탱크에서 내부의 액화가스가 분출하여 기화되어 폭발하는 현상

2) 보일 오버(Boil over)
㉠ 중질유의 탱크에서 장시간 조용히 연소하다 탱크내의 잔존기름이 갑자기 분출하는 현상
㉡ 유류탱크에서 탱크 바닥에 물과 기름의 에멀전이 섞여 있을 때 이로 인하여 화재가 발생하는 현상
㉢ 연소 유면으로부터 100℃ 이상의 열파가 탱크저부에 고여 있는 물을 비등하게 하면서 연소유를 탱크 밖으로 비산시키며 연소하는 현상
㉣ 유류탱크의 화재시 탱크 저부의 물이 뜨거운 열류층에 의하여 수증기로 변하면서 급작스런 부피팽창을 일으켜 유류가 탱크 외부로 분출하는 현상
㉤ 탱크저부의 물이 급격히 증발하여 탱크밖으로 화재를 동반하며 방출하는 현상

▷ 에멀전(emulsion) : 물의 미립자가 기름과 섞여서 기름의 증발능력을 떨어뜨려 연소를 억제하는 것
▷ 열파 : 열의 파장

3) 오일 오버(Oil over)
저장탱크 내에 저장된 유류저장량이 내용적의 50% 이하로 충전되어 있을 때 화재로 인하여 탱크가 폭발하는 현상

4) 프로스 오버(Froth over)
물이 점성의 뜨거운 기름 표면 아래에서 끓을 때 화재를 수반하지 않고 용기가 넘치는 현상

5) 슬롭 오버(Slop over)
㉠ 물이 연소유의 뜨거운 표면에 들어갈 때 기름표면에서 화재가 발생하는 현상
㉡ 유화제로 소화하기 위한 물이 수분의 급격한 증발에 의하여 액면이 거품을 일으키면서 열유층 밑의 냉유가 급히 열팽창하여 기름의 일부가 불이 붙은 채 탱크벽을 넘어서 일출하는 현상
㉢ 연소유면의 온도가 100℃ 이상일 때 발생
㉣ 연소유면의 폭발적연소로 탱크 외부까지 화재가 확산
㉤ 소화시 외부에서 뿌려지는 물에 의하여 발생
▷ 유화제 : 물을 기름화재에 사용 할 수 있도록 거품을 일으키는 물질을 섞은 것

 

8. 열전달의 종류

1)전도(Conduction)

→ 정의 : 하나의 물체가 달른 물체와 직접 접촉하여 열이 이동하는 현상
→ 예) 티스푼을 통해 커피의 열이 손에 전달됨

▷ 열의 전도와 관계 있는 것 : 온도차 / 자유전자 / 분자의 병진 운동 / 열전도율 / 밀도 / 비열 / 온도
▷ 열의 전달 : 전도, 대류, 복사가 모두 관여한다

2) 대류(Convection)
→ 정의 : 유체(액체 또는 기체)의 흐름에 의하여 열이 이동하는 현상 
→ 예) 난로에 의해 방안의 공기가 따뜻하게 데워지는 것

3) 복사(Radiation)
→ 정의 : 전자파의 형태로 열이 옮겨지는 현상으로서, 높은 온도에서 낮은 온도로 열이 이동
→ 예) 태양의 열이 지구에 전달되어 따뜻함을 느끼는 것

▷ 스테판-볼츠만의 법칙 : 복사체에서 발산되는 복사열은 복사체의 절대온도(K켈빈)의 4제곱에 비례한다.
▷ 복사 : 화재시 열의 이동에 가장 크게 작용하는 방식

9. 열에너지원(Heat Energy Source)의 종류에 대해서

1) 기계열
→ 압축열 : 기체를 급히 압축할 때 발생하는 열
→ 마찰열 : 두 고체를 마찰시킬 때 발생하는 열
→ 마찰스파크 : 고체와 금속을 마찰시킬 때 불꽃이 일어나는 것
▷ 기계적인 착화원 : 단열압축, 충격, 마찰

2) 전기열
→ 유도열 : 도체 주위에 변화하는 자장이 존재하거나 도체가 자장 사이를 통과하여 전위차가 발생하고 이 전위차에서 전류의 흐름이 일어나 도체의 저항에 의하여 열이 발생하는 것
→ 유전열 : 누설전류에 의해 절연능력이 감소하여 발생하는 열
→ 저항열 : 도체에 전류가 흐르면 도체물질의 원자구조 특성에 따른 전기저항 때문에 전기에너지의 일부가 열로 변하는 발열(백열전구의 발열)
→ 아크열 : 스위치의 ON/OFF에 의해 발생하는 것
→ 정전기열 : 정전기가 방전할 때 발생하는 열
→ 낙뢰에 의한 열 : 번개에 의해 발생되는 열

3) 화학열
→ 연소열 : 어떤 물질이 완전히 산화되는 과정에서 발생하는 열
→ 용해열 : 어떤 물질이 액체에 용해될 때 발생하는 열(농황산, 묽은 황산)
→ 분해열 : 화합물이 분해할 때 발생하는 열
→ 생성열 : 발열반응에 의한 화합물이 생성할 때의 열
→ 자연발열(자연발화) : 어떤 물질이 외부로부터 열의 공급을 받지 아니하고 온도가 상승하는 현상

<자연발화 조건>
→ 열전도율이 작을 것
→ 발열량이 클 것
→ 주위의 온도가 높을 것
→ 표면적이 넓을 것
→ 적당량의 수분이 존재할 것

<자연발화 방지법>
* 습도가 높은 곳을 피할 것(건조하게 유지)
* 저장실의 온도를 낮출 것(주위온도를 낮게 유지)
* 통풍이 잘 되게 할 것
* 퇴적 및 수납시 열이 쌓이지 않게 할 것(열의 축적 방지)
* 발열반응에 정촉매 작용으 ㄹ하는 물질을 피할 것)

▷ 물질의 발화점

▷ 자연발화의 형태
㉠ 분해열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스
㉡ 산화열 : 건성유(정어리유, 아마인유, 해바라기유), 석탄, 원면, 고무분말
㉢ 발효열 : 퇴비, 먼지, 곡물
㉣ 흡착열 : 목탄, 활성탄

▷ 건성유 : 자연발화가 일어나기 쉽다(동유, 아마인유, 들기름)

10. 기체의 부피에 관한 법칙4

1) 보일의 법칙(Boyle's law)

2) 샤를의 법칙(Charl's law)
압력이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다

3) 보일-샤를의 법칙(Boyle-Charl's law)
기체가 차지하는 부피는 압력에 반비례하며, 절대온도에 비례한다

▷ 절대온도
→ 켈빈온도 : K = 273+℃
→ 랭킨온도 : ˚R = 460+℉

4) 이상기체 상태방정식

▷ 몰수 : 아보가드로수에 해당하는 물질의 입자수 또는 원자수