소방의 모든 것

제6편 연소·방화·방폭공학(1)

⚬ 연소의 정의 : “물질이 격렬한 산화반응을 함으로써 열과 빛을 발생하는 현상”이다. 조금 더 학술적으로 정의하면 “가연성 물질과 산소와의 혼합계에서 산화반응에 따른 발열량이 그 계로부터 방출되는 열량을 능가함으로써 그 계의 온도가 상승하여 열복사선의 파장 강도가 빛으로서 육안에 감지되는 것”이라 정의할 수 있다.

⚬ 연소의 3요소(가산점) : 가연성물질, 산소, 점화에너지

⚬ 연소의 4요소 : 가연성물질, 산소, 점화에너지, 화학적인 연쇄반응

⚬ 불연성 물질

  1) 불활성 기체 : 헬륨, 네온, 아르곤 등

  2) 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질 : 물, 이산화탄소 등

  3) 흡열반응 하는 물질 : 질소 또는 질소산화물

  4) 자체가 연소하지 않는 물질 : 돌, 흙

⚬ 가연성 물질의 구비조건

  1) 산소와의 친화력이 크다

  2) 활성화에너지가 작다(작은 에너지로 불이 잘 붙어야 한다)

  3) 열전도율이 작다

  4) 연소열이 크다

  5) 비표면적이 크다

  6) 건조도가 높다

⚬ 산소공급원

  1) 공기 중에 산소는 약 21vol% 존재한다.

  2) 산화성물질

⚬ 자연발화 : 외부에서 에너지를 공급받지 않고 자체적으로 온도가 상승하여 발화하는 현상

  1) 분해열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스

  2) 산화열 : 석탄, 건성유

  3) 발효열 : 퇴비

  4) 흡착열 : 목탄, 활성탄

  5) 중합열 : 시안화수소, 산화에틸렌

⚬ 연쇄반응 : 물질이 활성화된 상태 라디칼, 극도로 불안정한 과도기적 물질로서 주변의 분자와 반응하여 공격하려는 성향, 즉 반응성이 매우 강하다.

⚬ 한계산소농도(한계산소지수) : 14~15vol%

⚬ 연소범위

  1) 연소범위 : 가연성 기체가 공기 중에 섞여 가연성혼합기를 만드는데 이때 이 혼합기의 농도가 적정한 농도범위 내에 있어야만 연소가 발생할 수 있다.

  2) 연소하한계와 연소상한계 : 공기 중에서 가연성기체의 수가 너무 적어서 연소가 발생할 수 없는 한계를 연소하한계라고 하며, 반대로 가연성기체의 수가 너무 많아서 연소가 발생할 수 없는 한계를 연소상한계라고 한다. 즉, 가연성기체가 공기 중에 섞여 가연성혼합기를 형성하여 연소가 발생되기 위해서는 가연성기체 농도는 연소하한계와 연소상한계 사이의 농도로 유지되어 있고 점화원을 만나는 경우에 연소 또는 폭발이 일어난다.

⚬ 연소의 형태

  1) 고체의 연소

   가. 분해연소 : 가연성고체가 열분해하면서 가연성증기가 발생하여 연소하는 현상으로 고체의 가장 일반적인 연소형태이다.

    (예) 목재, 종이, 석탄 등

   나. 증발연소 : 고체가 열에 의해 융해되면서 액체가 되고 이 액체의 증발에 의해 가연성증기가 발생하는 경우이다.

    (예) 고체파라핀(양초), 황, 열가소성수지(열에 의해 녹는 플라스틱) 등

   다. 표면연소(작열연소, 무염연소) : 열분해에 의해 증기가 될 수 있는 성분이 없는 고체의 경우 고체가 표면에서 산소와 직접 반응하여 적열되면서 화염 없이 연소하는 형태가 표면연소이다.

    (예) 숯, 코크스, 금속(마그네슘 등), 목재의 말기연소 등

   라. 자기연소 : 분자 내에 산소를 함유하고 있어서 열분해에 의해 가연성증기와 산소를 동시에 발생시키는 물질은 자기연소를 한다. 외부로부터 산소 공급을 필요로 하지 않으며, 폭발적으로 연소하는 경우가 많다.

    (예) 자기반응성물질(제5류 위험물). 폭발성물질

  2) 액체의 연소

   가. 증발연소 : 가연성액체가 자체의 열이나 외부 에너지로 증발하여 가연성증기가 만들어지고 이것이 공기와 혼합되면서 연소범위 내의 농도 영역에서 화염을 발생시키는 일반적인 연소형태로서 대부분의 액체가 증발연소이다.

   나. 분해연소 : 액체 중 분자량이 커 비점과 점도가 높은 물질로부터 가연성 증기가 만들어지는 과정은 ‘증발’이라는 물리적인 변화가 아니고 ‘분해’라는 화학적 변화(반응)이다. 분해연소는 흔치않은 액체의 연소형태로서 글리세린, 중유 등이 대표적이 예이다.

  3) 기체의 연소

   가. 확산연소 : 분출되어지는 기체가 공기 중으로 확산하여 공기와 가연성기체가 혼합하면서 연소범위 농도의 영역에서 화염을 발생시키는 연소를 확산연소라 한다.

   나. 예혼합연소 : 가연성기체와 공기를 미리 연소범위 내의 농도로 혼합한 상태에서 노즐을 통해 공급하여 연소시키는 것을 예혼합연소라고 한다.

⚬ 연소의 특성

  1) 인화점 : 점화에너지에 의해 화염이 발생하기 시작하는 온도

  2) 연소점 : 발생한 화염이 꺼지지 않고 지속되는 온도, 5초 이상 연소상태가 유지되는 온도

  3) 발화점 : 외부로부터의 직접적인 에너지 공급 없이 물질 자체의 열 축적에 의하여 착화가 되는 최저 온도

⚬ 화재의 분류

  1) 일반화재(A급화재) : 연소 후 재를 남기며 보통화재라고 불리며 수용액으로 소화를 할 수 있다

  2) 유류화재(B급화재) : 연소 후 재를 남기지 않으며, 소화를 위해서는 포 등을 이용한 질식소화가 적응성이 있다.

  3) 전기화재(C급화재)

  4) 금속화재(D급화재)

  5) 주방화재(K급화재)

⚬ 완전연소와 불완전연소

  1) 완전연소 : 가연성 물질이 산소공급이 충분하여 미반응 없이 모두 연소하는 것으로서 탄화수소의 경우는 완전연소의 결과로 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)만 발생한다.

  2) 불완전연소 : 가스 연소 시 연소생성물을 포함한 배기가스(가연성 성분)가 공급가스와의 산화반응을 완전히 완료하지 않으므로 일산화탄소, 그을음, 알데하이드, 카본 등의 미연소물이 생기는 것과 같은 상태를 불완전연소라 한다.

⚬ 연소 시 발생되는 이상현상

  1) 역화(Back Fire, Flash back) : 가연성 가스의 연소시 노즐에서 혼합가스의 방출속도가 연소속도보다 늦어질 때 발생하며 버너 내부에서 연소를 계속하는 현상으로 발생 원인은 다음과 같다.

   가. 가연성 가스의 양이 적을 때

   나. 노즐구멍의 확대 또는 노즐이 부식되었을 때

   다. 버너가 과열되었을 때

   라. 이물질이 가스 내에 함유되었을 때 발생한다.

  2) 선화(Lift) : 역화의 반대현상으로 가연성 가스의 연소시 노즐에서 혼합가스의 방출속도가 연소속도보다 클 때 불꽃이 노즐에서 떨어져 연소하는 현상으로 발생 원인은 다음과 같다.

   가. 노즐의 축소

   나. 방출되는 가스량의 과다

   다. 1차 공기량이 많을 때 발생한다.

  3) 블로우오프(Blow Off)

   가. 가스의 방출속도가 크거나 공기의 유동이 너무 강하여 불꽃이 노즐에서 정착하지 않고 떨어지게 되어 꺼져 버리는 현상

   나. 선화(Lift)현상을 계속 유지하다 혼합가스의 방출속도가 크거나 공기유동이 너무 강하면 불꽃이 노즐에서 정착하지 않고 떨어져서 꺼지는 현상

⚬ 현열(Sensible Heat) : 물질의 상태 변화는 없고 온도를 변화시키기 위해 필요한 열량을 말하며, 다음의 식에 의해 표현된다.

⚬ 잠열(Latent Heat) : 물질의 상태변화는 있고 온도변화가 없을 때 상태변화에 필요한 열량을 말한다. 물질이 고체에서 액체로 변할 때 필요한 열량을 융해잠열이라 하고 액체에서 기체로 변할 때 필요한 열량을 기화(증발)잠열이라 한다. 대기압에서 물의 융해잠열은 80㎉/㎏이며 기화(증발)잠열은 539㎉/㎏이다. 이러한 잠열은 다음 식에 의해 표현된다.

⚬ 비열(Specific Heat)

  1) 비열은 1㎏의 물체를 1℃ 만큼 상승시키는 데 필요한 열량[㎉]을 말한다. 단위로는 ㎉/㎏·℃ 이다.

  2) 비열은 어떤 물질을 위험 및 안전한 온도로 올리거나 내리는 데 필요한 열량을 나타내는 비교척도로 이용된다.

  3) 일반적으로 물질마다 비열은 다르나 물 이외의 다른 물질의 비열은 1㎉/㎏·℃보다 작다. 물이 소화약제로 사용되는 이유 중의 하나가 다른 물질에 비해 비열이 크기 때문이며 이러한 이유로 냉각효과가 뛰어나다.

⚬ 연소가스의 종류 및 유해성

  1) 일산화탄소(CO) : 일산화탄소가 혈액 중의 산소 운반물질인 헤모글로빈보다 산소와 결합하는 능력이 약 200배 이상 높기 때문에 산소와 헤모글로빈과의 결합을 방해하게 된다. 결과적으로 헤모글로빈에 의한 산소의 운반과 탄산가스의 배출작용이 방해받게 되어 사람에게 질식과 같은 상태를 유발한다. 일반적으로 일산화탄소는 낮은 농도에서도 매우 위험하며 4000ppm의 농도에 1시간 이내로 노출되면 사망에 이르게 된다.

  2) 이산화탄소(CO₂)

   가. 이산화탄소 그 자체는 일산화탄소처럼 인체에 대해 생화학적 영향을 줄 정도의 유독성을 가진 것은 아니지만 화재 시 대량으로 발생함으로써 공기 중의 산소 부족에 따른 질식으로 죽음에 이르게 할 수 있다.

   나. 실제 화재 시에는 이산화탄소의 농도증가에 따라 호흡속도가 빨라짐으로써, 함께 존재하는 유독성 가스의 흡입률이 증가하기 때문에 위험은 더욱 가속화된다.

   다. 대체로 농도의 9% 정도 되는 이산화탄소의 속에서는 거의 모든 사람이 10분 이내에 의식을 잃게 되고, 그 이상의 농도가 되면 의식을 상실하는 시간도 단축된다.

   라. 약 20%의 농도에서 의식을 잃은 사람은 신속한 조치를 취하지 않는 한 대게 20~30분 내에 사망하게 된다. 약 20% 농도는 특별한 전문의학적 조치에 의하지 아니하더라도 일상적인 방법으로 공기를 충분히 호흡시켜(때로는 인공호흡) 인명 소생을 가능케 할 수 있는 한계농도라고 볼 수 있다.

  3) 암모니아(NH₃) : 암모니아는 눈, 코, 인후 및 폐에 매우 자극성이 큰 유독성 가스로서 사람들이 본능적으로 피하고자 할 정도로 역한 냄새가 난다.

  4) 시안화수소(HCN) : 맹독성의 유독가스로서 대체로 0.3% 이상의 농도에서는 거의 즉사한다. 목재나 종이류가 탈 때는 공기 중의 질소가 탄소와 결합하면서 생성되기도 하지만, 주로 질소 함유물로 제조되는 수지류, 모직물 및 견직물이 불완전 연소되어 발생된다.

  5) 염화수소(HCl) : PVC와 같이 염소가 함유된 수지류가 탈 때 주로 생성되며, 자극적인 냄새와 금속에 대한 강한 부식성이 있다.

  6) 황화수소(H₂S) : 고무, 동물의 털과 가죽 및 고기 등과 같은 물질에는 황 성분이 포함되어 있어, 화재 시에는 이들의 불완전연소로 인해 황화수소가 발생한다. 황화수소는 썩은 달걀에서 나는 것과 같은 특유한 냄새가 있어 쉽게 감지할 수 있으나 0.02% 이상의 농도에서는 후각이 바로 마비되기 때문에 불과 몇 회의 호흡만으로도 전혀 냄새를 맡을 수 없게 되므로 처음 감지되면 바로 방호조치를 취하여야 한다.

  7) 아황산가스(SO₂) : 황화수소의 경우처럼 황이 함유된 물질이 연소하는 화재 시에 발생된다. 황화수소의 경우와 달리 황이 완전히 산화될 때 생성된다. 아황산가스는 자극성이 있어 눈 및 호흡기 등의 점막을 상하게 하기 때문에 약 0.05%의 농도에 단시간 노출되어도 위험하다.

  8) 이산화질소(NO₂) : 이산화질소의 독성은 매우 커서 대체로 200~270ppm 정도의 농도에 잠시 노출되기만 해도 인체에 치명적이다. 이산화질소는 질산셀룰로이즈가 연소 또는 분해될 때 생성되며, 질산염 계통의 무기물질이 포함된 화재에서도 발견된다. 이산화질소를 흡입하면 즉각 인후의 감각신경이 마비되어 그 존재여부를 깨닫지 못하는 경우가 많으므로 주의를 요한다.

⚬ 열전달 방식

  1) 전도 : 가늘고 긴 금속막대의 한 끝을 불꽃으로 가열하면 불꽃이 닿지 않은 다른 부분에서 열이 전달되어 점점 뜨거워진다. 이와 같은 열의 이동은 전도에 의한 것이다. 단위시간에 전도에 의해 전달되는 열은 다음의 식으로 표현할 수 있다.

  2) 대류 : 기체 혹은 액체와 같은 유체의 흐름에 의하여 열이 전달되는 현상이다.

  3) 복사

   가. 화재 시 열의 이동에 가장 크게 작용하는 열 이동방식으로 모든 물체의 온도 때문에 열에너지를 파장의 형태로 계속적으로 방사하며, 그렇게 방사하는 에너지를 열복사라고 한다.

   나. 햇볕을 쬐면 따뜻한 것은 복사열을 받기 때문이다.

   다. 복사체로부터 방사되는 복사열은 복사체의 단위 표면적당 방사열로 정의하여 정량적으로 파악하게 되는데, 그 양은 복사표면의 절대온도의 4승에 비례한다. 이것을 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙이라고 하며 다음과 같은 식으로 나타내어진다.

⚬ 화재의 양상

  1) 초기

  2) 성장기

  3) 플래시오버 : 화염에서 발생한 복사열에 의해 내장재나 가구 등이 일시에 발화점에 이르러 가연성 가스가 축적되면서 일순간에 폭발적으로 전체가 화염에 휩싸이는 현상이며 온도는 약 800~900℃가 된다. 플래시오버 현상의 영향조건으로는 화원의 크기, 가연성이 있는 내장재의 종류, 개구부의 조건에 따라 달라진다.

  4) 최성기

  5) 감쇠기(감퇴기)

⚬ 백드래프트(Back draft) : 문을 개방할 때 신선한 공기가 유입되어 실내에 축적되었던 가연성가스가 단시간에 폭발적으로 연소함으로써 화염이 폭풍을 동반하여 실외로 분출되는 현상을 말하며 연기폭발이라고도 한다. 백드래프트는 농연의 분출, 파이어볼(fire ball)의 형성, 건물 벽체의 도괴 등의 현상을 수반한다.

⚬ 화재강도와 화재하중

  1) 화재강도 : 단위시간당 축적되는 열의 값으로서, 가연물의 비표면적이 클수록 연소가 용이하며 가연물의 연소열 값이 클수록 화재강도는 크게 된다.

  2) 화재하중 : 일반건축물에서 가연성 건축구조재와 수요물의 양을 말한다. 건물화재 시 가열온도(발열량) 및 화재의 위험성을 나타내는 것으로 내장재 발열량이 클수록 화재하중이 크다. 즉, 화재하중은 실내장식물 등에 대한 화재의 위험도를 나타낸다고 할 수 있으며, 내장재의 불연화가 화재하중을 감소시키는 것이라 할 수 있다.

⚬ 환기지배형 화재 및 연료지배형 화재 특징

⚬ 연소 조건에 따른 분류

  1) 제거소화 : 가연물을 제거하여 연소현상을 제어하는 소화법, 즉 가연물과 화원을 격리시킴으로써 연소를 중단시키는 방법이다. 적용 예로는 가스화재에서 밸브를 잠금으로써 연소를 중지시키는 방법, 산림화재에서 화염진행방향의 나무 등의 가연물을 미리 제거하는 방법이 있다.

  2) 질식소화 : 연소의 3요소 중 하나인 산소 농도를 21%에서 15% 이하로 떨어트려 불을 끄는 방법이다. 적용 예로는 유류화재에서 폼(Foam)으로 유류표면을 덮어서 불을 끄는 것, 이산화탄소 등 불활성가스의 방출로 화재를 제어하는 것, 발화초기에 담요나 모래 등으로 덮어서 불을 끄는 것 등이 있다.

  3) 냉각소화 : 연소가 진행되고 있는 계의 열을 빼앗아 온도를 낮춰서 불을 끄는 방법이다. 가연물의 온도가 인화점 이하로 떨어지면 열분해나 증발에 의해서 발생하던 가연성증기의 농도가 연소범위의 하한계 아래로 떨어짐으로써 연소는 제어된다. 대표적으로 물이 주로 사용되는데, 물은 자신의 온도를 높이기 위해 필요한 열량인 비열이 1㎉/㎏·℃, 액체에서 기체로 증발할 때 필요한 열량인 증발열(잠열)이 539㎉/㎏·℃로 매우 높아서 냉각소화의 목적을 달성하는데 유용한 물질이다.

  4) 억제소화 : 화염이 발생하는 연소반응을 주도하는 라디칼을 제거하여 연소반응을 중단시키는 방법이다. 제거소화, 질식소화, 냉각소화는 모두 물리적 작용에 의한 소화방법이지만 억제소화는 화학적 작용에 의한 소화방법이다.

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