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1 Part I 연소공학 Chapter 1 발화( 發火 ) Chapter 2 연소( 燃燒 ) 이론 이론

2 발화 ( 發火 ) 이론 발화의개요 1) 화재가발생하면발화 연소 연소확대의경로로성장하게되는데발화가중요한이유는발화가화재성장의시작점이므로발화메카니즘을알면화재에대한예방대책을수립할수있기때문이다. 2) 발화는발열1) 과방열 2) 의관점에서볼때발열이크거나발열이적더라도방열이더적으면발 생할수있다. 결국, 발열이방열보다클때발생된다 ( 발열> 방열). 발화의종류 1) 발화에는자연발화 (Spontaneous ignition) 와인화에의한발화(Pilot ignition, 열면발화) 의 2가지형태로분류할수있다. 2) 자연발화는발열과방열의관점에서볼때발열은적지만방열이더적은경우로계내의축열과정을통해발생되는데이런자연발화를일으키는원인에는산화 3) 열, 분해 4) 열, 흡착 5) 열, 중합 6) 열, 미생물( 발효열) 등이있다. 3) 인화에의한발화는발열과방열의관점에서볼때발열이큰경우로점화원의입열과정을통해발생되는데이런인화에의한발화를일으키는원인에는나화 ( 裸火 ) 7), 고온표면 8) ( 열면 ), 충격마찰 9), 전기불꽃 10), 정전기 11), 복사열 12), 단열압축 13) 등이있다. 1) 발열 : 물체가열을내는것 2) 방열 : 열을내보내거나내뿜는일 3) 산화 : 어떤물질이산소와결합하거나수소를잃는현상, 산소화되는과정( ) 4) 분해 : 물질이보다작은물질로나누어지는현상( ) 5) 흡착 : 어떤물질이달라붙는현상 6) 중합 : 분자량이작은분자가연속적으로결합하여분자량이큰분자하나를만드는현상 7) 나화 : 벌거벗은불이란뜻으로난방, 보일러, 담뱃불, 램프, 토치등의노출된불에의한발화 8) 고온표면 : 열처리금속, 고온의전열기구, 보일러연도등과같은고온고체의표면에의한발화 9) 충격마찰 : 주물제나합금의일부분이충격이나회전에의한마찰이일어나면서발생된고온의입자에의한발화 10) 전기불꽃 : 전기의단락, 과전류, 지락, 누전, 접속부과열, 절연열화, 스파크등에의한발화 11) 정전기 : 전하가정지된상태로흐르지않고머물러있는전기, 가연성가스가분출할때스파크에의한발화 12) 복사열 : 어떤물체에서방출하는전자기파를흡수하여열로변환한에너지, 태양화염의복사열에의한발화 13) 단열압축 : 외부와의열교환이없는상태에서압축함으로서내부에서발생하는열에의한발화 2 Part I 연소공학

3 발화의조건과예방대책 1) 발화의조건은연소의조건과동일하다. 2) 발화가발생하기위해서는물적조건인연소범위내의농도와압력을유지하여야하며, 에너지조건인발화온도, 발화에너지, 충격감도가일정한열원을공급해주어야한다. 즉, 발화가발생하기위해서는물적조건과에너지조건이모두만족되어야한다. 3) 발화가발생하기위한또다른관점에는연소의 3요소또는 4요소관점이있는데연소의 3요소또는 4요소인가연물, 산소공급원, 점화원, 연쇄반응의요소가모두만족하면발화가발생한다. 4) 따라서, 발화를예방하기위해서는물적조건과에너지조건을만족시키지못하게하는제어대책과연소의 3요소또는 4 요소중하나를없애는대책이필요하다. [ 그림 1.1] 발화의조건( 연소한계곡선) [ 그림 1.2] 발화의예방대책 Chapter 01 발화( 發火 ) 이론 3

4 자연발화와인화에의한발화의비교 1) 메카니즘비교 (1) 자연발화는밀폐계로열원이혼합기체를둘러싸고있는형태로발열은적어도외부로의열전달이더적어열의축적이계의중심에서발생하고온도도중심부가최대가된다. 열의축적을방지할축열방지대책필요. (2) 인화에의한발화는개방계로열원이한쪽에서가해지고반대쪽은방열되는형태로점화원에의한입열이주변으로전달되어열의축적이계의외측에서발생하고온도도외측부가최대가된다. 입열을방지할점화원대책필요. 자연발화 인화에의한발화 [ 그림 1.3] 발화의비교( 가열조건차이) 자연발화 인화에의한발화 [ 그림 1.4] 발화의비교계내온도분포차이 ( ) 4 Part I 연소공학

5 2) 특성비교 구분자연발화인화에의한발화 발생현상 열축적 - 온도상승 - 반응가속 - 온도상승반복 - 발화온도이상시발화 에너지조건을충족하는착화원의존재에의해발화가시작화염전파의과정을거쳐계속적인연소 점화원점화원무 ( 無 ) 점화원유 ( 有 ) 조건물적조건 + 에너지조건필요물적조건만필요 현상적밀폐계에서존재개방계에서존재 원 인 산화열에의한발화 14) 분해열에의한발화 15) 흡착열에의한발화 16) 중합열에의한발화 17) 미생물( 발효열) 에의한발화 18) 나화, 고온표면( 열면) 충격마찰, 전기불꽃정전기, 복사열단열압축등 예방대책 가연성물질제거저장실습도, 온도낮게유지저장실통풍및환기유지열용량 ( c) 19) 을높임열확산율 ( ) 20), 열전도율을낮춤 점화원관리열면관리방폭전기기기사용열관성 ( c) 21) 을높임 자연발화영향요소및발생인자[ 산속부분압.... / 축열발공수.... ] 14) 산화열에의한발화 : 건성유( 정어리유, 아미인유등) 및반건성유, 원면, 석탄, 금속분, 고무분말, 기름걸레등 15) 분해열에의한발화 : 셀룰로이드, 니트로화합물, 아세틸렌등 16) 흡착열에의한발화 : 활성탄, 목탄등 17) 중합열에의한발화 : 액화시안화수소등 18) 발효열에의한발화 : 퇴비, 건초, 곡물, 먼지등 19) 열용량(heat capacity) : 열을저장하는재료의능력 20) 열확산율(thermal diffusivity) : 재료주위의온도가변할때에재료온도의변화속도를나타내는정수, 열전도율에비례하고열용량에반비례한다. 21) 열관성(Thermal inertia) : 주위온도가변할때건물표면구조가본래의열적상태를계속유지하려는성질 Chapter 01 발화( 發火 ) 이론 5

6 요도드값( 동식물성유지의불포화도) 1 동식물성유지는산소를흡수하면산화건조되는데건조성의정도를표현한것 2 기름 100g에첨가되어있는요오드의양을 g수로표시한값 3 건성유( 들기름) : 130 이상, 반건성유( 참기름) : 100~ 130, 불건성유( 올리브유) : 100이하 4 요오드값이클수록산화되기쉽고자연발화의위험성이커진다. 용어정의 발화(= 착화) : ignition 어떤물질이외부의도움없이스스로연소를지속하는과정 인화(= 유도발화) : piloted-ignition 외부의화염, 스파크, 작은불씨등에의해발화한경우 자연발화 : autoignition, self-ignition, spontaneous ignition 외부점화원의도움없이스스로발화한경우스파크또는화염이없는상태에서열기에의해발화된연소자체가열로인한자발적인발화별도의착화원없이온도의상승에의해착화되어연소가개시되는현상 6 Part I 연소공학

7 연소 ( 燃燒 ) 이론 1 연소의정의 1) 연소란가연성물질이공기중의산소와만나빛과열을수반하며급격히산화 (Rapid Oxidation Process) 하는현상이다. 2) 산화반응이란가연물이산소화되는과정이다. 또다른과정은전자를잃는현상이다. (1) 산소를얻는현상( 산소와결합한다는의미) ( 메탄이란가연물이, 로산소화되는것 ) ( 프로판이란가연물이, 로산소화되는것 ) (2) 전자를잃는현상 : 철이전자 2개를잃고 가된다. 이때철이산화되었다고하지만빛과열이없어연소는아니다. 3) 발열반응이란에너지변환의한과정으로발열은물질이보유한화학에너지가열에너지로변환할때발생한다. 이는연소전후생성열차이로나타나며발생한열은물질의온도상승에사용된다. 4) 발열반응에의해온도가상승하고, 상승된온도에의해분자의운동이증가하면에너지가증가되고그에따라열복사선이방출되는데, 온도가계속상승하면파장이점차짧아지면서가시광선의파장 (0.38~0.76 m) 에이르러우리의눈에발광반응을느끼게된다. 즉, 溫度輻射 (Temperature Radiation) 를통한빛을느끼게되며, 연소가기상에서일어나는경우물질의입자가부력으로이동하면서화염을형성한다. 5) 연소의색과온도 색깔온도 [ ] 암적색( 진홍색) 700~750 적색 850 휘적색( 주황색) 925~950 황적색 1,100 백적색 1,200~1,300 휘백색 1, 연소이론 7

8 2 연소의메카니즘 1) 연소는메탄의완전연소반응처럼( ) 원인계에서생성계로의화 학적변화로서, 연소는에너지가높은원인계에서에너지가낮은생성계로바로변화하는것이아니라원인계에일정한활성화에너지가주어지면활성상태에도달하고안정한에너지상태를유지하기위하여에너지를방출하면서생성계로변하게된다. 2) 물질이에너지가높은원인계에서에너지가낮은생성계로변하여안정된상태로되려고하나중간에활성화에너지에도달하여야한다. 따라서추가에너지를공급해주어야하는데이를발화에너지라한다. 3) 발화에너지를 E, 연소열을 Q, 활성계가생성계로이동할때의방출에너지를 W라하면시간에따른에너지변화는다음그림과같다. [ 그림 1.5] 연소현상의과정 4) 연소열은미반응부분의활성화및열전달인전도, 대류, 복사등의열로소모하게된다. 연소열 이다. 5) 일반적으로화학공장에서는이러한반응속도를빠르게하기위해활성화에너지를낮추는정 (+) 촉매를사용하여효율을높이고있으며, 소방에서는반응속도를느리게하기위해활성화에너지를높이는부(-) 촉매를사용한다. 즉, 할로겐화합물등을첨가하여불연화율을높여활성화에너지를높인다. 8 Part I 연소공학

9 3 연소의 3요소또는 4요소 개요 1) 가연물이연소하기위해서는산소공급원및점화원이있어야만정상적인연소의화학반응을유지할수있다. 2) 연소의 4요소 : 연소의 3요소인가연물, 산소공급원, 점화원에순조로운연쇄반응이추가된다. [ 그림 1.6] 연소의 3요소또는 4요소 연소의 3요소 1) 가연물 (1) 불에타기쉬운물질이나물건으로산소와반응시발열에의하여연소가계속되기쉬운것을말한다. (2) 가연물은산화되기쉬운물질이라할수있고산화되기쉽다는것은활성화점화 ( ) 에너지가작고발열량이많아연소하기쉽다는말이다. (3) 가연물의구비조건[ 발표는크게, 에도는작게, 발연기하자] 구비조건 상세설명 발열량이클것산화되기쉬운물질은발열량이크다. 표면적이클것 산소와의접촉면적이커져연소용이( 고체< 액체< 기체) 활성화에너지가작을것산화되기쉬운물질은활성화에너지가작다. 열전도도가작을것 열전도도가작으면열축적이용이( 고체> 액체> 기체) 발열반응일것가연물은산소와반응시반드시발열반응을해야한다. 연쇄반응을수반할것연소현상이연쇄적으로반응해야한다. 가연물의상태변화중고체는열전도도가제일작아열축적이용이하다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 9

10 (4) 가연물이될수없는불연성물질 1 주기율표 0족원소인불활성가스 활성이없으므로다른물질과결합하지못한다. 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne), 크세논(Xe), 라돈(Rn), 크립톤(Kr) 2 산소와는반응하나발열반응이아닌흡열반응하는물질 대표적인물질이질소또는질소산화물이다., 3 산소와이미결합하여더이상산소와화학반응을일으키지않는물질이산화탄소 (CO 2 ), 물(H 2 O), 삼산화황(SO 3 ), 오산화인(P 2 O 5 ), 규조토(SiO 2 ) 1 류위험물( 산화성고체), 6 류위험물( 산화성액체) 2) 산소공급원 (1) 산소공급원으로대표적인것은공기이고, 그외에도물질자체의분자내에산소를포함하고있는것으로산화제와자기반응성( 연소성) 물질이있다. (2) 공기의조성 여기서, V : volume, W : weight 구분질소 (N 2) 산소 (O 2) 아르곤 (Ar) 탄산가스 체적 (V) % 중량 (W) % 공기의무게 (3) 산화제 1 분자내의다량의산소를함유하고있는물질이다. 2 제1 류위험물[ 산화성고체 - 염소산염류(NaClO3, KClO 3 )] 3 제6 류위험물[ 산화성액체 - 과산화수소(H2O 2 ), 질산(HNO 3 )] 4 오존 (O3) (4) 자기반응성( 연소성) 물질 1 제류위험물 5 2 연소에필요한산소공급원을함유하고있는물질로서연소속도가빠르고폭발적 10 Part I 연소공학

11 인연소현상을일으킨다. 3 니트로글리세린 (C3H 5N 3O 9 ), 니트로셀룰로오스, TNT(C 7H 5N 3O 6 ) 등이있다. 3) 점화원 (1) 가연물이연소를시작할때가해지는활성화에너지로생성물질을형성하는데필요 한에너지이다. (2) 보통열원으로표현되는데열적, 기계적, 전기적, 화학적, 원자력에너지로분류하고점화원의강도는온도로표시된다. (3) 열적점화원 분류종류 나 화 난방, 난로, 담배등의나화 보일러, 토오치램프등의나화 가스냉장고의작은화염 고온표면 가열로, 전열기, 배기관, 연도등의고온부 가스절단의불꽃 용융금속,Slag등의고온 (4) 기계적점화원 분류종류 단열압축 충격및마찰 밸브의급속한열림조작에의한고압가스의발열 액체내부기포의충격압에의한발열 주철제공구에의한충격불꽃 회전부분의마찰면 배관내면과의마찰에의해서생성되는고온 Scale입자 (5) 전기적점화원 분류종류 정전기불꽃 전기불꽃 석유류의유동또는여과 노즐에서의수류충격압 전구의파괴 절환스위치의개폐 가연성가스의분출 습기가있는스팀의누설 자동제어장치의전기접점 전기활선의단락및지락 전기발열 단락, 과전류, 지락, 누전, 절연불량등에의한발열 낙뢰, 열적경과, 접속부과열등에의한발열 (6) 화학적점화원 1 연소열 - 가연물이산소와반응하여발열반응을할때생성되는열량 2 분해열 - 가연물이분해반응할때발생하는열량 3 중합열 - 시안화수소, 산화에틸렌등의중합시발생하는열량 (7) 원자력에너지 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 11

12 열에너지원(Heat Energy Source) 의종류 종류설명 기계열 압축열마찰열마찰스파크유도열유전열 기체를급하게압축할때발생되는열두고체를마찰시킬때발생되는열고체와금속을마찰시킬때불꽃이발생하는현상도체주위에자장이존재할때전류가흘러발생되는열누전등에의한전기절연의불량에의해발생되는열 전기열 저항열 도체에전류가흐를때전기저항때문에발생되는열 아크열스위치의 On/Off에의한 아크때문에발생되는열 화학열 정전기열낙뢰에의한열연소열분해열용해열생성열자연발화열 정전기가방전할때발생되는열 낙뢰에의해발생되는열 어떤물질이완전산화되는과정에서발생하는열 화합물이분해될때발생하는열 어떤물질이액체에용해될때발생하는열( 농황산, 묽은황산) 발열반응에의해화합물이생성될때발생하는열 외부로부터어떤열의공급을받지아니하고온도가상승하는현상 정전기방지대책 1 접지를한다. 2 공기를이온화시킨다. 3 제진기를설치한다. 4 공기중의상대습도를 70% 이상으로한다. 연소의 4요소 불꽃연소에서연소의 3요소이외의연쇄반응이나머지하나의요소로작용하는데이를연소의 4 요소 (Fire tetrahedron) 라한다. 1) 연쇄반응은연소의 4 요소중하나로화학적반응에서지속적으로활성라디칼(O +, OH +, H + ) 이발생되는과정이다. 2) 즉, 활성라디칼이원인계 생성계 원인계로이동하면서반응이지속되는과정으로연쇄반응이지속되기위해서는물질의전파반응 22), 분기반응23) 을통해연쇄전달체 (Chain carrier) 가지속되어야한다. 22) 전파반응 : 활성기하나가관여해서활성기하나를발생하는반응( ) 23) 분기반응 : 활성기하나가관여해서활성기 2 개이상을발생하는반응(, ) 12 Part I 연소공학

13 3) 연쇄반응억제는이러한연쇄전달체의발생을억제하여연쇄반응을차단함으로서소화하게되는것으로화학적소화, 부촉매를활용한소화방법이라한다. 4) 화학적소화는불꽃연소와관계가있으며작열연소(= 심부화재) 에는효과가없다. 연쇄반응 연쇄반응억제 4 연소범위( 물적조건) 개요 1) 화재는발화 연소 연소확대로성장하는데발화는화재성장의시작점이므로발화메카니즘을알면화재에대한예방대책수립이가능하다. 2) 물질이발화, 연소하는데는물적조건과에너지조건을만족하여야되는데이물적조건을연소범위라하며, 에너지조건을발화온도나발화에너지, 충격감도라한다. 3) 즉, 발화와연소의조건에는물적조건인연소범위의농도, 압력과에너지조건인발화온도, 발화에너지, 충격감도가있다. 또다른관점으로는연소의 4요소관점이있다. 4) 따라서, 발화와연소를예방하기위해서는물적조건과에너지조건의제어가필요하며연소의 4 요소메카니즘을끊음으로서가능하다. 연소범위의정의 1) 연소범위는연소가일어나는데필요한가연성가스나증기의농도범위를말한다. 2) 또다른말로연소범위를자력으로화염을전파하는공간이라고도한다. 3) 연소범위를화염전파가능한범위라하는것은연소하한계이하에서의반응은용이하게산화되어 CO 2 와 H 2 O 로변하지만화염전파는진행되지않기때문이다. 즉, 계내온도가상승하게되면열분해에의해물적조건인농도, 압력도상승하게되는데연소하한계이하에서는증기압및농도가낮아기상에서반응이일어나지못하고표면에서산화반응을하기때문에화염전파를하지못하고불꽃이없는작열연소를하게된다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 13

14 4) 종류[ 지하상가... ] 연소범위는말그대로범위를나타내기때문에상한과하한이있으며. 연소를일으킬수있는최저농도를연소하한계, 최고농도를연소상한계라고한다. (1) 연소하한계(Lower Flammability Limit, LFL) 1 공기중에서가장낮은농도에서연소할수있는부피 2 지연성가스 24) 는多, 가연성가스는小그이하에서는연소할수없는한계치 3 따라서연소하한계를가연물의최저용량비라한다. (2) 연소상한계 (Upper Flammability Limit, UFL) 1 공기중에서가장높은농도에서연소할수있는부피 2 지연성가스는小, 가연성가스는多그이상에서는연소할수없는한계치 3 따라서연소상한계를가연물의최대용량비라한다. 연소한계곡선 [ 그림 1.7] 연소한계곡선 1) 물질이발화, 연소하는데는가연물, 산소공급원, 점화원, 연쇄반응의 4 요소가필요하고또한, 물적조건과에너지조건을만족하여야되는데이물적조건을연소범위라하며에너지조건을발화온도나발화에너지, 충격감도라한다. 2) 외부의입열로계내온도가상승하게되면물적조건인농도, 압력도상승하게되는데일정한농도인연소범위에도달하게되면화염을전파하게된다. 이만나는점이물적조건과에너지조건의최소값이된다. 24) 지연성가스 : 자신은연소하지않고연소를도와주는가스[ 연소를지지하는가스( 산소)] 14 Part I 연소공학

15 최고연소속도농도 화학양론조성비 ( ) 보다연료가약간많은경우연소속도가최고가된다. 연소범위의영향요소 1) 온도 (1) 온도가높아지면기체분자의운동이증가하므로반응성이활발해진다. 일반적으로화학반응은온도가 10 C 상승하면반응속도가 2배로증가되고폭발범위도온도상승에따라확대되는경향이있다. 이는아레니우스(Arrhenius) 수식을따른다. 여기서, : 반응속도, : 빈도계수, : 활성화에너지( ) : 기체상수( ), T : 절대온도( ) (2) 온도가높을때: 열의발열속도> 방열속도 연소범위넓어진다. 온도가낮을때 : 열의발열속도 < 방열속도 좁아지거나없어진다. [ 그림 1.8] 연소범위에대한온도의영향개념도 (3) 보일샤를법칙에의해온도상승시부피, 압력이상승하여연소범위가넓어진다. 일정 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 15

16 (4) 실험식에의해 100[ ] 상승시연소상, 하한계 ± 8[%] 연소범위가넓어짐 [ 그림 1.9] 연소범위에대한온도의영향( 실험식 100 ) (5) 기체분자의평균속도는온도가올라가면증가하고온도가내려가면감소한다. (6) 기체는충분한운동에너지를가지고충돌해야반응하는데온도가오르면분자간운 동이활발하여지고충돌횟수도많아진다. [ 그림 1.10] 연소범위에대한온도의영향 2) 압력 (1) 압력상승시연소범위가넓어진다( 단, CO 는좁아진다). 16 Part I 연소공학

17 (2) 하한계보다는상한계의영향이크다. (3) 즉, 고압이되면연소범위가넓어지고 1[atm] 이하에서는큰변화가없다. (4) 폭발은온도, 압력, 조성의관계에서일어나며발화온도는압력에영향을준다. [ 그림 1.11] 연소범위에대한압력의영향 3) 산소농도 - 산소농도가증가하면연소범위가넓어진다. 4) 불활성기체 - 불활성기체가첨가되면연소범위가좁아진다. 주요가스의연소범위 가연성기체분자식하한계상한계발화온도 [ ] 수소 (Hydrogen) H 일산화탄소 (Carbon Monoxide) CO 아세틸렌 (Acetylene) C 2H 에틸렌 (Ethylene) C 2H 벤젠 (Benzene) C 6H 메탄 (Methane) CH 에탄 (Ethane) C 2H 프로판 (Propane) C 3H 부탄 (Butane) C 4H 헵탄 (Heptane) C 7H Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 17

18 연소범위관련수식 1) 존(John) 수식 - 단일가스성분의연소범위를구하는식, 연료몰수 연료몰수 공기몰수 2) 르샤틀리에(Le Chatelier) 수식 - 혼합가스성분의연소범위를구하는식, 여기서, : : 혼합가스연소범위하한계 혼합가스연소범위상한계 : 각성분의체적[vol %] : 각성분의연소범위하한계[vol %] : 각성분의연소범위상한계[vol %] 주의점 : 또는 가연성가스 불연성가스일경우가연성가스만백분율하여계산한다. 3) MOC( 최소산소농도) 수식 - 가연성혼합기의불활성화 산소몰수 4) 위험도 (H) 가스분진 MOC 10%, 설계시 -4% 6% 설계 MOC 8%, 설계시 -4% 4% 설계 여기서, : 위험도, : 연소상한계(UFL), : 연소하한계(LFL) 5 에너지조건 가연성물질의위험도기준 1) 가연성고체 - 충격감도 18 Part I 연소공학

19 2) 가연성액체 - 발화온도( 인화점, 연소점, 발화점) 3) 가연성기체 - 발화에너지 충격감도 1) 물질이고체인경우에는최소발화에너지에의한발화특성의위험성지표를구하기가어렵다. 2) 따라서, 고체성폭발성물질과같은것은일정한무게의물체를낙하시켜충격을주고이충격에의해발생되는에너지에의한발화성을알아보는것이다. 3) 낙하물체의높이를변화시키는것에따라에너지를변화시키지만에너지의절대값은구할수없고상대적인비교만을행하는것이다. 발화온도 1) 인화점(Flash Point) (1) 인화점의정의 1 인화점이란자연발화처럼느린열축적에의한발화가아닌순간발화하는온도로순간발화하기위해서는외부에서에너지가주어져야한다. 즉, 외부에너지( 점화원) 에의해발화하기시작하는최저온도를말한다. 2 물적조건과에너지조건이만나는최소값이다. 3 포화증기압과 LFL 이만나는최저온도이다. 4 가연성혼합기를형성하는최저온도이다. [ 그림 1.12] 연소범위( 인화점) (2) 인화점의용도 1 소방 - 점화원관리예방대책으로연소점보다낮은인화점을도입하였다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 19

20 2 액체의화재위험성평가 여기서, H : 위험도, U : 연소상한치(Upper Value)(%) L : 연소하한치(Lower Value)(%) 가연성기체하한계상한계위험도 수소 (Hydrogen) 4 75 아세틸렌 (Acetylene) 메탄 (Methane) 5 15 프로판 (Propane) NFPA 30 - 위험물분류 [ 그림 1.13] NFPA30( 위험물분류) - 인화점 20 Part I 연소공학

21 4 국내 - 석유류분류 [ 그림 1.14] 인화점에의한석유류분류 가. 상온에서가연성혼합기가형성되는경질유 25) 는액온이인화점보다높아예혼합형전파를하며이로인한 VCE, BLEVE 등폭발에가까운재해를일으킨다. 나. 상온에서가연성혼합기가형성되지않는중질유는액온이인화점보다낮아 예열형전파를하며이로인한일으킨다. Boilover, Slopover 등화재에가까운재해를 주요물질인화점 구분품명인화점 [ ] 특수인화물 (-20 이하) 제1석유류 (21 미만) 알코올류 제2석유류 (21 이상~70 미만) 디에틸에테르 -45 산화프로필렌 -37 이황화탄소 -30 아세톤 -20 휘발유 -20 ~ -43 메틸알코올 11 에틸알코올 13 등유 43~72 경유 50~70 나프탈렌 80 2) 연소점(Fire Point) 1) 연소점이란연소시필요한온도로, 외부에너지를제거해도발열반응의연소열에의해미반응부분의연쇄반응이지속적으로일어나는온도이다. 따라서자력에의해연소를지속할 25) 경질유 : 비중이 API 34 도이상으로비중이가볍고질이좋은원유( 휘발유, 나프타, 등유등) Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 21

22 수있는온도가된다. 2) 인화점에도달하여도방열속도가발열속도보다크기때문에화염을일정하게유지할온도가필요하며계속가열하여인화점보다높은온도를유지해주면점화원을제거해도자발적으로연소가지속되는온도를연소점이라한다. 3) 연소점이란인화점보다약 5~ 10 C 정도높다. 인화점 <연소점 < 발화점 3) 발화점(Ignition Point) (1) 발화점이란가연성혼합기체에열등의형태로에너지가주어졌을때스스로타기시작하는현상으로, 주위로부터충분한에너지를받아서스스로점화할수있는최저온도 를말한다. 즉, 발열속도가방열속도보다클경우계에열이축적되고온도가상승하여발화온도이상시발생한다. (2) 발화온도는발화지연시간, 증기의농도, 환경적영향( 압력, 산소농도), 촉매물질등에따라영향을받는다. (3) 발화점이낮을수록발화의위험성이크며, 황린(34 C), 이황화탄소(100 C), 셀룰로이드(180 C), 아세트알데히드(185 C) 등은발화의위험이크다. 물질발화온도 [ ] 물질발화온도 [ ] 황린 34 에틸알코올 363 황화린 100 종이류 405~410 이황화탄소 100 아세틸렌 406~440 셀룰로이드 180 목재 410~450 아세트알데히드 185 프로판 440~460 등유 257 톨루엔 480 적린 260 에탄 520~630 가솔린 300 메탄 537 역청탄 360 아세톤 560 (4) 파라핀계탄화수소 26) 는분자량이클수록발화온도는낮아지며, 화학양론조성비에서가장낮은발화온도가된다. 26) 파라핀계탄화수소 : 사슬모양탄화수소로일반식 로나타낼수있는화합물의총칭 (ex. ) 22 Part I 연소공학

23 인화점, 연소점, 발화점정의 1 인화점 : 2 연소점 : 3 발화점 : 외부에너지( 점화원) 에의해발화하기시작하는최저온도 외부에너지를제거해도자력으로연소를지속할수있는최저온도스스로점화할수있는최저온도 발화에너지 1) 에너지조건은가연물의종류, 외부조건에따라정해지는한계방사에너지가필요한데이에너지를최소발화에너지라하며, 전기불꽃에의한발화발생용이도의기준이된다. 2) 이최소발화에너지는혼합기의온도, 압력, 조성등에따라변하며, 최소착화에너지의경우탄화수소계가연성기체에서 0.25mJ 정도, 수소는 0.02mJ 정도로비교적작으며, 작은전기불꽃으로도충분히발화원이될수있음을알수있다. 3) 즉, 최소발화에너지는가연성혼합기를발화시키는데필요한최저에너지를말하고최소점화에너지, 최소착화에너지라고도하며전기불꽃에의한발화의발생용이도를나타낸다. 4) 발열> 방열일때발화가발생한다. 물질의위험성을나타내는성질 1 온도가높을수록위험 2 압력이클수록위험 3 연소범위가넓을수록위험 4 연소속도, 연소열, 증기압이클수록위험 5 인화점, 발화점, 융점, 비점이낮을수록위험 6 증발열, 비열, 표면장력, 비중이작을수록위험 6 연소의형태 개요 1) 연소의형태는연소의상황에따라구분하는방법과가연물의상태변화에따라구분하는방법 그리고불꽃의존재유무에따라구분하는방법등이있다. 2) 연소의상황에따라구분하는방법은발열과방열의관점으로, 열의발생( 발열) 과발산( 방열) 이균형을유지하면서연소하는정상연소와균형이깨져연소속도가급격히증가하여폭발적으로연소하거나산소나열의공급이원활하지못해소극적으로연소하는비정상연 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 23

24 소가있다. 3) 가연물의상태변화에따라구분하는방법에는가연성고체, 액체, 기체의상태변화에따라확산연소, 예혼합연소, 증발연소, 분해연소, 분무연소, 표면연소, 자기연소등으로구분한다. 4) 불꽃의존재유무에따라구분하는방법에는불꽃이있는불꽃연소와불꽃이없는작열연소 로구분하며, 불꽃이있는불꽃연소에는확산연소, 예혼합연소, 자연발화가있고불꽃이없이빛만내는작열연소에는표면연소(= 무염연소, 백열연소, 작열연소) 와훈소27) 가있다. [ 그림 1.15] 연소의형태개념도 연소의상황에따른연소의형태 1) 정상연소 (1) 연소시의조건이양호하여정상적으로연소가이루어지는경우로충분한공기의공급 27) 훈소 : 가연성고체의열분해시생성된가연성가스가바람에의해농도가희석되는지, 밀폐된공간에의해산소공급이부족하면가연성혼합기가생성되지않고다량의연기를내며표면반응을일으키는연소현상으로원래모습그대로방출되며특유의냄새가발생된다. 24 Part I 연소공학

25 이이루어질때의연소를말한다. (2) 연소상의문제점이발생되지않고연소장치, 기기및기구에서의열효율도높다. 2) 비정상연소 (1) 연소시의조건이좋지않아정상적으로연소가이루어지지않는경우로공기의공급이불충분한경우의연소를말한다. (2) 연소상의문제점이많이발생되므로연소장치, 기기및기구의안전관리에주의가요구된다. 가연물의상태변화에따른연소의형태 1) 기체의연소 (1) 일정한양의가연성기체에산소를접촉시킨상태에서점화원을주게되면산소와접촉하고있는부분부터불꽃을내면서연소하게되는데이것을기체의연소라한다. (2) 기체의연소는불꽃이있으나불티가없는연소로서불꽃연소또는발염연소라고한다. (3) 불꽃연소는예열대의존재유무에따라예열대가존재하지않는확산연소와예열대가존재하여화염을자력으로수반하는예혼합연소가있다. (4) 기체연소의가장큰특징은예혼합연소에의해폭발을수반하는것으로, 고체나액체는산소를공급한다고해도폭발을일으키지않는다. [ 그림 1.16] 예혼합연소개념도 2) 액체의연소 (1) 액체의연소는액체가연물이연소할때액체자체가연소하는것이아니라액체표면에서발생된증기가연소하는증발연소와액체가비휘발성인경우에열분해해서그 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 25

26 분해가스가공기와혼합하여연소하는분해연소가있다. (2) 또한, 점도가높고휘발성이낮은액체( 중질유등) 를가열등의방법으로점도를낮추어분무기( 버너) 로미세입자로분무하고공기와혼합시켜연소시키는방법인분무연소 (= 액적연소) 가있다. (3) 보통액체의연소는증발연소가대부분이다. 액체상태의연소형태물질 연소형태증발연소분해연소분무연소 물질 가솔린, 등유, 경유, 알코올, 아세톤등 중유, 아스팔트유등 벙커C유등 3) 고체의연소 (1) 고체가연물에열을가했을때우선적으로증발할수있는가연물은증발연소를일으키며, 다음은열분해해서분해연소가일어나고나머지남은물질은표면연소를한다. (2) 증발연소 (Evaporative combustion) 1 고체가연물에열을가했을때가연성증기가발생하여발생한증기와공기의혼합상태에서연소하는형태이다. 2 유황이나나프탈렌은가열하면열분해를일으키지않고증발하여증기와공기가혼합하여연소하는형태를보인다. 3 파라핀( 양초), 유지등은가열하면융해되어액체로변하게되고지속적인가열로기화되면서증기가되어공기와혼합하여연소하는형태를보인다. (3) 분해연소 (Destructive combustion) 1 고체가연물에열을가했을때열분해반응을일으켜생성된가연성증기와공기와혼합하여연소하는형태이다. 2 생성된가연성혼합기의연소가진행되면반응열에의해고체가연물의열분해는계속진행되며가연물이없어질때까지계속된다. 3 목재, 석탄, 종이, 플라스틱등의연소가대표적인예이다. (4) 표면연소 (Surface combustion) 1 고체가연물의표면에서산소와반응하여연소하는현상으로휘발성분이없어가연성증기증발도없고열분해반응도없기때문에불꽃이없는것이특징이다. 2 보통직접연소라고도하며, 발염을동반하지않기때문에무염연소라고도한다. 연 26 Part I 연소공학

27 소속도는비교적느린편이다. 3 숯, 코크스, 목탄, 금속분( 마그네슘등) 의연소가대표적인예이다. (5) 자기연소 (Self combustion) 1 제5류위험물과같이가연성이면서자체내에산소를함유하고있어공기중의산소를필요로하지않는연소형태로서내부연소라고도한다. 2 셀룰로이드, TNT 등은분자내에산소를가지고있어가열시열분해에의해가연성증기와함께산소를발생하여자신의분자속에포함되어있는산소에의해연소한다. 3 공기중의산소가부족하여도연소가빠르게진행되며외부에산소가존재시폭발로도진행될수있다. 고체상태의연소형태물질 연소형태 물질 증발연소유황, 나프탈렌, 파라핀( 양초), 유지등 분해연소 표면연소 목재, 석탄, 종이, 플라스틱, 고무등 숯, 코크스, 목탄, 금속분( 마그네슘등) 자기연소셀룰로이드,TNT, 니트로글리세린, 니트로화합물등 4) 가연물의상태변화에따른연소형태를다시정리하면다음과같다. 연소형태개념예상별분류 확산연소 1 가연성가스와산소가반응에의해농도가 0 이되는화염쪽으로이동되는 확산 이라는과정을통해연소 2 연료와산소가반응대를중심으로서로반대방향으로이동하여연소 1 자연화재의대부분이확산화염 2 성냥화염이나양초화염, 액면화재의화염, 제트화염기체 ( ) 고체 액체 기체연소 예혼합연소 1 가연성혼합기가형성되어있는상태에서연소 2 증발이나분해, 혼합과정이생략되므로 가연성가스누설폭발등 기체연소 연소속도가대단히빠르다. 1 열분해가없이직접증발하여증기가 연소하거나, 융해된액체가기화하여 증발연소 연소 2 물질의물리적인형태는변하지만화학적인본질은변하지않는다. 파라핀, 황, 나프탈렌, 액체 가연물 액체 고체연소 3 분해온도 > 증발온도 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 27

28 연소형태개념예상별분류 분해연소 1 열분해에의해생성된가연성가스가공기와혼합착화하여연소 2 열분해를일으켜물리 화학적으로분해 석탄, 종이, 플라스틱, 목재, 고무등 액체 고체연소 3 분해온도 < 증발온도 작열연소 ( 표면연소) 1 가연물이휘발분이없거나낮은열분해반응에의해가연성혼합기를형성하지못하고그물질자체가느린반응을하는현상 2 연소가기상에서일어나는경우화염을형성하지만연료표면에서반응하므로불꽃이없다. 숯, 목탄, 코크스, 금속분등고체연소 자기연소 1 물질자체의분자내에산소를함유하여외부의산소공급없이도열분해에의한산소의공급에의해연소하는현상 2 외부산소존재시는폭발로진행 5류위험물인니트로글리세린, 니트로셀룰로오즈, 질산에스테르류등 고체연소 [ 그림 1.17] 확산연소개념도 양초화재액면화재제트화염산불화재 [ 그림 1.18] 확산연소예 28 Part I 연소공학

29 [ 그림 1.19] 가연물상태변화에따른연소의형태 연소의일반적인양상 [ 그림 1.20] 연소의일반적인양상 1) 흡열 - 열을흡수 2) 분해 - 고체( 열분해), 액체( 증발), 기체( 휘발) 3) 혼합 - 가연성기체 공기 가연성혼합기형성 4) 연소 - 점화원 or 발화온도이상시연소시작 5) 배출 (1) 흡열-분해 -혼합-연소-배출을통한연소생성물과흡열-분해 -배출을통한분해 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 29

30 생성물이있다. (2) 연소생성물은완전연소일경우 CO 2,H 2 O 가발생, 불완전연소일경우 CO, 타르가발생된다. (3) 분해생성물은열분해후온도가낮아져액화상태인응축을통해계외로빠져나가기때문에상대적으로많은독성물질을함유하여다른연소에비해더욱위험하다. 완전연소와불완전연소의차이점 비 고 완전연소 불완전연소 산소공급 충분 불충분 연소온도 더높다 낮다 화염의색 더밝게보임 상대적으로덜밝음 연소생성물 ( 탄화수소화합물), 타르 7 불꽃연소와작열연소 불꽃연소의개요 1) 연소사면체(Fire tetrahedron) 에의한연소로연소속도가빠르고불꽃과열을내면서연소하므로표면화재라고도하며, 연소의 4 요소중하나인연쇄반응을수반한다. 2) 즉, 연료의표면에서불꽃( 화염) 을발생하며연소한다. 3) 연소시가연성가스와산소가높은농도에서낮은농도로이동한다는 Fick의법칙에따라가연성가스와산소가반응에의해농도가 0이되는화염쪽으로이동되는확산이라는과정을통해연소한다. 4) 고체의열분해, 액체의증발에따른기체의확산에의한연소, 연소속도가매우빠르며시간당방출열량이많다. 5) 화염에서의온도는낮거나높게나타나는현상이반복되며평균값은 800 ~ 1,000 C가된다. 연소반응은화염온도가충분히높아야하며대개 1,300 C 이상되어야지속가능하다. 30 Part I 연소공학

31 불꽃연소 불꽃이발생하는연소 표면화재 (Surface Fire) 작열연소의개요 1) 연소의 3 요소에의해가연물이연소하는것으로순조로운연쇄반응현상이없으며, 연소속도가느리고불꽃이없는것이특징이다. 2) 연료의표면에서불꽃( 화염) 이발생되지않고작열하면서연소하는현상으로표면연소라고도하며화재의양상은산소의공급이불충분한상태에서진행되는연소로심부화재 (Deep seated fire) 라고도한다. 3) 작열연소는휘발분이나열분해성분을거의함유하지않는연료에서발생하며다음과같은 2 가지연소형태를나타낸다. (1) 흡열을통해열분해생성물을방출하지않고진동에너지에의해고상결합이결렬되면서일어나는연소형태이다. 대표적인것이숯의연소이다. (2) 낮은휘발분의경우증기압이낮아거의대류를일으키지못하고산소가높은농도에서낮은농도로이동한다는 Fick의법칙에의해표면에서산소와반응하면서일어나는연소형태이다. 대표적인것이솜뭉치의연소이다. 작열연소 불꽃이없는연소, 불티만있는연소 심부화재 (Deep Seated Fire) 불꽃연소와작열연소의물성비교 구분불꽃연소작열연소( 표면연소) 연소특성 고체의열분해, 액체의증발에따른기체의확산등연소양상이매우복잡 고비점액체생성물과타르가응축되어공기중에서무상의연기형성 휘발분이없음 불꽃여부 연료의표면에서불꽃을발생하며연소 연료의표면에서불꽃을발생하지않고작열하면서연소 화재구분 표면화재 심부화재 연소속도 연소속도가매우빠르다. 연소속도가느리다. 방출열량 시간당방출열량이많다. 시간당방출열량이적다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 31

32 구분불꽃연소작열연소( 표면연소) 연쇄반응 연쇄반응이일어난다. 연쇄반응이일어나지않는다. 적응화재 B, C 급화재적응 A 급화재적응 에너지 고에너지화재 저에너지화재 연기형태 Dark smoke Light smoke 연소가스 CO 2,CO CO, CO2 소음 None to much None 연소물질 소화대책 열가소성합성수지류 28) 가솔린, 석유류의인화성액체 메탄, 프로판, 수소, 아세틸렌등의가연성가스 연소 3요소이론의냉각 질식 제거외에연쇄반응의억제에의한소화대책 열경화성합성수지류 29) 코크스, 목탄( 숯) 및금속분 (Al, Mg, Na) 연쇄반응이없으므로연소 3요소이론의냉각 질식 제거의소화대책 CO 2 소화 34% 질식소화 방사시간 1분이내 34% 질식소화및냉각소화 방사시간 7분이내 불꽃연소와작열연소의연소범위비교 1) 불꽃연소는화염전파공간인연소범위영역에서발생된다. 2) 작열연소는연소범위이외의영역에서발생된다. [ 그림 1.21] 불꽃연소와작열연소의연소범위비교 불꽃연소와작열연소의소화대책비교 1) 불꽃연소 - 질식, 냉각, 제거, 억제소화또는물리적소화 화학적소화 28) 열가소성수지 : 열을가하여성형한뒤에도다시열을가하면형태를변형시킬수있는수지 - PVC, 폴리에틸렌수지 29) 열경화성수지 : 열을가하여성형한뒤에는다시열을가해도형태가변하지않는수지 - 페놀, 요소, 멜라민수지 32 Part I 연소공학

33 [ 그림 1.22] 불꽃연소의소화원리개념도 2) 작열연소 - 질식, 냉각, 제거소화또는물리적소화 [ 그림 1.23] 작열연소의소화원리개념도 8 연소시발생되는이상현상 불완전연소 ( 不完全燃燒, Incomplete Combustion) 1 산소량이부족하여산화반응을완전히완료하지못해일산화탄소, 그을음, 카본등과같은미연소물이생기는연소현상 2 염공 ( 炎孔 ) 30) 에서연료가스가연소시가스와공기의혼합이불충분하거나연소온도가낮을경우에황염이나그을음이발생하는연소현상 30) 가스버너에서연료가스또는연료가스와공기의혼합가스를분출시키기위한가스분사구 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 33

34 3 불완전연소의원인가공기와의접촉및혼합이불충분할때나과대한가스량또는필요량의공기가없을때다배기가스의배출이불량할때라불꽃이저온물체에접촉되어온도가내려갈때 역화 ( 逆火, Back Fire) 1 연료가연소시연료의분출속도가연소속도보다느릴때불꽃이염공속으로빨려들어가혼합관속에서연소하는현상을말한다. 2 역화의원인가 1차공기가적어혼합기체의양이적은경우나공급가스의압력이낮을경우다염공이크거나부식에의해확대되었을경우 선화 ( 先火, Lifting) 1 불꽃이염공위에들뜨는현상으로염공에서연료가스의분출속도가연소속도보다빠를때발생 2 리프팅의원인가 1차공기가너무많아혼합기체의양이많은경우나공급가스의압력이높을경우다버너의염공이작거나거의막혔을경우 황염 ( 黃炎, Yellow Tip) 1 불꽃의색이황색으로되는현상으로염공에서연료가스의연소시공기량의조절이적정하지못하여완전연소가이루어지지않을때에발생한다. 2 황염의원인 : 1차공기가부족할때 34 Part I 연소공학

35 블로우오프 (Blow Off) 1 2 염공에서연료가스의분출속도가연소속도보다클때, 주위공기의움직임에따라날려서꺼지는현상을말한다. 선화(Lifting) 상태에서다시분출속도가증가하면결국화염이꺼지는현상 불꽃이 9 연소생성물의종류와유해작용 연소생성물의개요 1) 연소란가연성물질이공기중의산소와만나열과빛을수반하며산화하는현상 2) 연소는발열반응을통해연소생성물을생성하고가연물의고온화를통해연소를지속시킨다. [ 그림 1.24] 연소의일반적인개념도 3) 연소생성물에는열, 연기, 빛, 화염( 불꽃), 연소가스등이있다. 4) 연소생성물은인체에열적손상과비열적손상으로피해를주는데열적손상에는대류와복사열을통한화상과열응력이있고, 비열적손상에는마취성 자극성 독성가스의연소( 유해가스 ) 와연기등이있다. 5) 특히, 유해가스흡입시판단능력, 방향감각상실및패닉현상에의해피난이늦어지고더욱더많은유독가스를흡입하여결국치사된다. 연소시열특성 1) 현열(= 감열 : Sensible Heat) (1) 물질의상태변화없이온도변화에만필요한열량 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 35

36 (2) 수식 ㆍ ㆍ 여기서, Q : 현열(kcal, cal) m: 질량(kg,g) c : 비열(kcal/kg, cal/g ) t : 온도차( ) 2) 잠열(Latent Heat) (1) (2) 물질의온도변화없이상태변화에만필요한열량수식 ㆍ 여기서, Q : 잠열(kcal, cal) m: 질량(kg,g) : 융해잠열, 증발잠열(kcal/kg, cal/g) 고체 액체 : 얼음의융해잠열[80(kcal/kg)] 액체 기체 : 물의증발잠열[539(kcal/kg)] 3) 비열(Specific Heat) (1) 1g(kg) 의물체를 1 만큼상승시키는데필요한열량[cal(kcal)] (2) 물의비열(1.0[kcal/kg]) 은다른물질에비해크다 물입자가많은열량흡수 냉각효과가뛰어남 [ 그림 1.25] 물의상태변화개념도 36 Part I 연소공학

37 [ 그림 1.26] 물의상태변화 [ 그림 1.27] 물의수소결합에의한특성 문제 15 물 1kg이 200 증기로변할때흡수되는열량을구하시오. 1 물이수증기로변할때필요한열량 답 : 684 kcal Q= 물의현열 + 물의증발잠열 + 수증기의현열 2 계산과정 ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ 4) 고열기체 (1) 사람이장시간고열에노출되면체온의상승으로뇌신경중추에손상을입어일사병과동일한결과를초래하여사망한다. (2) 또한, 폐속으로들어간열로인해혈압강하와혈액순환장애로사망할수있다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 37

38 5) 복사열 (1) 대규모건물화재, 석유류탱크화재등강한복사열을받는장소에있을경우탈수와체온상승으로인한현기증, 구역질, 두통, 허탈감, 경련, 실신등열중증이된다. (2) 강한복사열을받는환경하에서소화활동을할경우복사열에대한반사성, 단열성의방열복을착용하지만장시간진화작업시피로가가중된다. (3) 인간이피부에느끼는고통과복사열강도 인체상태복사열강도 (kcal/m 2 h) 장시간노출에견디는최대방사열 1,080 고통을느끼기시작 1,260 1분후고통 1,800 10~ 20초후고통 3,600 3 초후고통, 10~ 20초에불에데어살이부어오름 9,000 (4) 공기온도와생존한계시간 공기온도 ( ) 생존한계시간( 분) 5 이하 15 이하 25 이하 60 이하 [ 그림 1.28] 화상의분류 38 Part I 연소공학

39 분류특징증상및치료방법 1도화상홍반성 표피에국한된손상으로그부위가빨간색깔을띠고심한통증을느낌 태양광이나부엌에서약하게데인정도 국소연고제로만으로효과가있으며흉터가남지않음 진피까지손상되어그부위가분홍색깔을띠고분비물이모여물집이생김 진피손상깊이에따라얕은 2도와깊은 2 도로나누어진다. 2도화상수포성 얕은 2도 ( 표재성) 깊은 2도 ( 심재성) 표피전부와진피의 1/3까지화상 과열된온수나불꽃화상에의해발생 1~ 2주내에재상피화31) 가일어나면서치유. 오랫동안연한변색 표피전부와진피의 2/3까지화상 3~ 8주치료로재상피화 염증이생기면 3도화상으로전환됨 3도화상괴사성 표피와진피외에피하지방까지손상 통증이없고, 검고희고붉은가피32) 를가짐 피부이식수술이필요하며심한흉터가남음 4 도화상 흑사성 ( 탄화성) 피부전층은물론근육이나뼈까지손상 고압전기에의한감전에의한화상 피부이식수술, 사지절단수술등이필요 6) 열전달방법 (1) 4 가지온도의관계 [ 그림 1.29] 4가지온도의상관관계 31) 재상피화 : 벗어진살갗표면이다시증식하는일 32) 가피 : 상처가헐었을때피부표면의결손부에생기는썩은부위에괸조직액 혈액 농고름 ( ) 등이말라굳은것 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 39

40 온도 단위환산 화씨온도 (Fahrenheit) = +32 섭씨온도 (Celsius) = ( - 32) K 켈빈온도 (Kelvin) 33) K = , K= R R 랭킨온도 (Rankine) 34) R= +460 (2) 온도차가발생되어열이높은곳에서낮은곳으로이동하는것을열전달( 전열) 이라한다. (3) 열전달방법에는전도, 대류, 복사등이있다. (4) 연소( 화재) 확대요인에는비화 35), 접염 36), 복사등이있다. [ 그림 1.30] 화재에의한열에너지의이동 1 전도 (Conduction) 가전도열전달은고체또는정지상태의유체( 액체, 기체) 내에서이루어진다. 나물체내의온도차로인해한물체에서다른물체로직접접촉에의하여열에너지가이동하는상태를말한다. 다물질들의분자가정지한상태에서위치의변동없이분자의진동에의해열을전달하는것을말한다. 33) 켈빈온도 : 빙점을 로하는절대온도. 0K 은절대온도( 이상기체의부피가 0 이되는온도) 이다. 온도의국제단위로사용 34) 랭킨온도 : 화씨절대온도, 화씨온도 F를기점으로하여측정한온도 35) 비화 : 불티가바람에날리거나튀어서멀리떨어진곳에있는가연물에착화되는현상 36) 접염 : 화염의접촉에의해열로변화는현상 40 Part I 연소공학

41 라완전진공상태에서는열은전달되지않는다. 마고체는기체보다열전도율37) 이좋다. 바 Fourier 의열전도법칙을따른다. 여기서, : 열유동율, 물질을통해전달되는열량(W, J/sec) k: 물질의열전도율(W/mK) T 1, T 2 : 물질양면의온도(K) l : 물질의두께(m) A: 표면적(m ) 사주택의벽면용단열재의경우 벽의면적이클수록열손실이많다. ( 면적 : A) 날씨가추울수록열손실이많다. ( 실내외공기온도차 : ΔT) 같은재료일때벽이두꺼울수록열손실이적다.( 벽두께 : Δl) 2 대류 (Convection) 가대류열전달은고체표면과움직이는유체사이에서분자의불규칙한운동과거시적인유체의유동에의해이루어진다. 나유체( 액체, 기체) 입자의유동에의해열에너지가전달되는현상이다. 다유체의유동에의해연소확대의원인이된다. 라대류는화재의이동경로, 연소확대, 화재의형태나특성에가장큰영향을미친다. 마고층건물에서발생한대형화재는대부분대류때문에발생한다고해도과언이아니다. 바대류는 Newton 의냉각법칙을따른다. =, 여기서,h 는대류전열계수또는대류열전달계수라한다. 사대류열전달은유체의유동이외부로부터작용하는힘에의해이루어지는가또는온도차로인한부력에의해발생하는가에따라강제대류 (Forced convection) 와자연대류 (Natural convection) 로구분된다. 37) 열전도율 : 물리학에서어떤물질의열전달을나타내는수치다.K( 켈빈) 로나타내며,W/mK와동일하다. 예를들어공기의열전도율은 W/mK, 구리의열전도율은 401 W/mK 이다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 41

42 아 자 강제대류 - 선풍기, 겨울철바람 여름에더운날선풍기를튼다고해서방안의공기온도가낮아지는것은전혀아닌데도시원한것은강제대류에의해사람의피부와공기와의열전달계수가높아졌기때문이다. 겨울에살을에는듯한바람도역시열전달계수를높여주었기때문이다. 자연대류 -냉난방방향 뜨거운공기는가벼워위로올라가고차가운공기는무거워아래로내려온다. 냉방을할경우에는바람을위로향하게하여방위쪽의더운공기를식히고자연스럽게무거운찬공기는아래로내려오게하여순환되도록한다. 난방을할경우에는바람을아래로향하게하여자연대류에의해방위쪽으로올라가순환되도록한다. 이러한이유로중앙냉난방식의경우에어컨은천장에라지에이터는아래에설치한다. [ 그림 1.31] 건물에서자연대류와강제대류 3 복사 (Radiation) 가태양이지구를따뜻하게해주는현상이다. 나복사열전달은물질에서방사되는에너지가전자기적인파동에의해전달됨으로써이루어진다. 다전도와대류는물질을매개체로열에너지가전달되지만복사의경우서로떨어져있는두물체사이에열에너지가전자파형태로물체에복사되고, 이것이다른물체에전파되어흡수되면열로변하는현상이다. 라진공상태에서는손실이없으며, 공기중에서도거의손실이없다. 마복사열은일직선으로이동한다. 42 Part I 연소공학

43 바 복사는 스테판-볼츠만의법칙에따른다. 여기서, σ : 스테판- 볼츠만상수 (w/m 2 k 4 ) A: 열전달면적(m ) F : 기하하적 Factor T 1 : 고온( K) : 저온( K) T 2 복사열은절대온도 4 제곱에차에비례하고, 열전달면적에비례한다. 사화염직경의두배이상떨어진목표물에대한복사열계산 여기서, : 화재의연소에너지방출(kw) : 총방출에너지중복사된에너지분율(0.15~0.6) : 화재중심과목표물과의거리(m) : 구의표면적 아건물재료에서복사에의한상호작용 [ 그림 1.32] 건물재료에서복사에의한상호작용 투과 : 복사에너지가재료를통과하는것 흡수 : 복사에너지가현열의형태로변환되어재료내에저장되는것 반사 : 복사에너지가재료표면에서반사되는것 방사 : 복사에너지가재료표면에서방출되는것 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 43

44 연소시유해가스특성 1) 유해( 연소) 가스발생상황 (1) 산소농도는급강하하여 Flashover 38) 직후약 2[%] (2) CO 2 농도는급상승하여최고 15[%], CO농도는 6[%] (3) CO>HCl>HCN>NH 3 순서로많이발생 (4) HCl 은합성계, 나머지는천연계에서많이발생 (5) CO 농도는화재하중이클수록환기량이적을수록증대 2) 유해( 연소) 가스의분류 유해( 연소) 가스는마취성가스, 자극성가스, 독성가스로분류한다. (1) 마취성가스 CO, HCN, 고농도 CO2, 저농도 O 2 (2) 자극성가스 HCl, HF, HBr, 아크롤레인, 폼알데하이드 (3) 독성가스 CO, HCl, HCN, NH3, COCl 2, SO 2, NO 2 3) 유해( 연소) 가스위험특성 종류위험특성 TLV-TWA 39) (ppm) 일산화탄소 (CO) 이산화탄소 (CO 2) 황화수소 (H 2S) 마취및독성가스로화재중독사의가장주된유해가스 폐에흡입된 CO가 물질의불완전연소시많이발생 헤모글로빈 (Hb) 와결합, 혈중산도농도를저하질식 연소가스중가장많은양을차지하나 CO 2 자체는유독성가스가아님 호흡률을증가시켜공존하는독성가스의흡입증대 2[%] 호흡속도 심도 50[%] 증가, 3[%] 100[%] 증가 고무, 동물의털과가죽등유황함유물의불완전연소시발생 달걀썩은냄새가남,0.02[%] 이상의농도에서는후각마비 0.04[%] 농도에서 30 분이상호흡시위험, 0.08[%] 농도시치명상 50 5, ) Flashover는가연물의착화와열분해시생성된화염이플룸(plume) 에의해천장아래에축적되고천장아래에축적된연기층의온도가 500~600[ ] 가되며이로인한바닥면의복사수열량이 20~40[kW/m 2 ] 될때순간적으로방전체가급격하게타오르는화재확대현상으로순발연소라고도한다. 39) TLV-TWA( 시간가중평균농도) : 일주일에 40 시간, 하루에 8시간씩근무할때노출되어도영향을주지않는최고평균농도( 허용농도) 44 Part I 연소공학

45 종류위험특성 TLV-TWA 40) (ppm) 이산화황, 아황산가스 (SO 2) 암모니아 (NH 3) 시안화수소 (HCN) 이산화질소 (NO 2) 염화수소 (HCl) 포스겐 (COCl 2) 아크롤레인 (CH 2CHCHO) 고무, 동물의털 가죽, 이황화탄소등유황함유물의완전연소시발생 자극성가스로눈, 호흡기등의점막을자극 0.05[%] 농도에서단시간노출시위험 질소함유물인수지류, 나무등이탈때발생, 냉동시설의냉매로사용 강자극성가스로눈, 코, 목, 폐에자극 0.25~ 0.65[%] 농도에서 30분이상노출시사망 질소함유물의불완전연소시발생, 기체는청산가스 강자극성가스로호흡곤란,0.3[%] 이상농도에서즉사 플라스틱등질소함유물의고온연소시발생 흡입시인후통, 흡입량이많을경우 5~ 10시간후폐수종초래 PVC( 폴리염화비닐, 건축물내의전선) 등염소함유물이탈때발생 호흡기장애로폐혈관계손상 PVC 등염소함유물이고온연소시, 사염화탄소 (CCl 4) 사용시발생 인명살상용독가스 - 유태인의대량학살용도로사용 석유제품, 유지류( 기름성분) 등이탈때발생 자극성이크고맹독성 가연성가스이면서독성가스인물질 황화수소 (H2S), 암모니아(NH 3) 40) TLV-TWA( 시간가중평균농도) : 일주일에 40 시간, 하루에 8시간씩근무할때노출되어도영향을주지않는최고평균농도( 허용농도) Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 45

46 10 주요가스의성상과특성 LPG와 LNG 1) 개요 (1) 도시가스연료로사용되고있는액체연료에는액화석유가스 (LPG ; Liquefied Petroleum Gas) 와액화천연가스(LNG ; Liquefied Natural Gas) 가있는데이들은각각물리적, 화학적인특성을지니고있어사용, 저장, 취급시주의를기울여야한다. (2) LPG는프로판, 부탄등이주성분인저급탄화수소화합물로서천연가스에서분리제조하거나석유정제또는석유화학공업에서제조하는가스를말하며 LNG는천연가스 (NG) 를 -162 로냉각액화시킨가스로서메탄이주성분인청청에너지이다. 2) LPG와 LNG의특성비교 구분 LPG LNG 생성물성용도장점단점 LPG 는원유의채굴, 정제과정에서생산되는기체상의탄화수소를액화시킨혼합물 주성분 : 프로판, 부탄 액화및기화가용이 기화시공기보다무겁고액화시물보다가볍다. 연소하한이낮아누출되면화재, 폭발의위험 기화잠열이높아기화시많은기화열이필요 무색, 무취, 무미이나누출시감지할수있도록착취제를첨가 프로판 : 가정, 요식업소 부탄 : 자동차, 산업용, 석유화학원료 발열량이높다. 시설설치비용이저렴 운반이용이 발열량이크며연소조절이쉽다. 비중 41) 이공기보다커누출시폭발사고위험 용기설치장소필요 용기관리필요 사용중공급중단우려 가스전의천연가스를대량수송과저장을위해 -162 C로냉각시켜부피를 1/600로압축시킨무색 무취인액체누설시쉽게감지 ( 할수있도록멜캅탄부취제를썩음 ) 주성분 : 메탄 공기보다가벼워누출시확산되어화재, 폭발의위험성이낮다. 불꽃조절이용이하며열효율이높다. 다른가스보다착화온도가높아새어나와도쉽게연소하지않는다. 배관으로공급되므로별도의연료저장시설이불필요 무색, 무취이나누출시쉽게감지할수있는멜캅탄이란착취제를첨가 도시가스, 산업용연료 누설시폭발위험이적다. 가격이상대적으로저렴 가스공급중단되지않는다. 연소조절이쉽고찌꺼기가없다. 시설이간단하나초기설치비용이많이든다. 46 Part I 연소공학

47 구분 LPG LNG 연소특성 프로판연소 (2.1 ~ 9.5) C 3H 8 +5O 2 3CO2 +4H 2O 프로판 1 m³ 에산소 5 m³ 필요 연소시많은공기필요 연소하한이낮아폭발위험 연소온도 2,150 C 로높다. 메탄의연소 CH 4 +2O 2 CO 2 +2H 2O 메탄 1 m³ 에산소 2 m³ 필요 연소시상대적으로적은공기필요 연소하한이 LPG 보다높다(5~15) 연소온도 2,050 C 로높다. 기타주요가스의성상및특성 1) 산소(O 2 ) (1) 공기중에약 21% 정도존재하며, 화학적으로대단히활발하다. (2) 자기자신은연소하지않지만( 조연성가스또는지연성가스라고함.) 다른가연물의 연소를도와주므로폭발이나폭굉과같은위험성을높인다. (3) 수소와반응하여폭발하고물을생성한다. 2) 수소(H 2 ) (1) 무색 무미 무취의기체로기체중에서확산속도가가장빠르고, 열전도도가매우크며환원성이강하다. (2) 수소는연소범위가매우넓고최소점화에너지가낮기때문에약한점화원에도폭발할수있는매우위험한가스이다. (3) 수소는산소와연소하면 2,800 의고열이발생되므로산소용접에사용된다. 3) 염소(Cl 2 ) (1) 상온에서심한자극성이있는황녹색의독성가스( 허용농도 1ppm) 이면서조연성가 스이다. (2) 수분존재하에산소라티칼을발생시켜살균, 표백, 소독작용을한다. (3) 염소가스가누설되고있는용기에주수소화를하면용기의부식이빨라지고기화속도도빨라지므로주수소화대신다량의소석회로확산을방지해야한다. 4) 일산화탄소(CO) (1) 무색 무취의기체로독성이강하며( 허용농도 50ppm), 환원성이강하여금속산화물을환원시킨다. (2) 상온에서염소와반응하여포스겐을생성한다. 41) 비중 : 같은부피를갖는기준물질과질량비 Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 47

48 5) 암모니아(NH 3 ) (1) 상온에서무색의기체이지만자극성이있는특유한냄새를가진독성가스이면서자 극성가스이다. (2) 가압에의해쉽게액화되고물에쉽게녹는다. 6) 아세틸렌(C 2 H 2 ) (1) 분해폭발을하는가스로압축시키면폭발가능성이높다. (2) 아세틸렌의운반및보관시에는용제인아세톤에용해한뒤목탄이나석탄등과같 은다공성물질에충전하여보관운반한다. (3) 고체아세틸렌의연소시 주수소화하면폭발을일으키므로건조사등으로덮거나 CO 2, 분말소화기를이용하여소화하는것이좋다. 기체의법칙 법칙설명 보일(Boyle) 의법칙 일정한온도에서일정량의기체부피는압력에반비례한다., 일정한압력에서일정량의기체부피는절대온도에비례한다. 샤를(Charles) 의법칙, 일정량의기체는압력에반비례하고절대온도에비례한다. 보일-샤를의법칙 분자의부피는없고질량만가지며, 평균운동에너지는분자량과무관하고절대온도에만비례한다. 보일-샤를의법칙과아보가드로의법칙으로유도한다. 이상기체상태방정식 여기서, : 압력, : 부피, : 절대온도, : 몰수 : 질량, : 분자량, : 기체상수 ㆍ ㆍ 48 Part I 연소공학

49 법칙설명 같은온도, 압력에서두기체의분출속도는그들기체의분자량의제곱근에반비례한다. 그레이엄(Graham) 의법칙 여기서, : 기체 A, B의분출속도 : 기체 A, B의분자량 : 기체 A, B의밀도 증기의비중 1 증기의비중 = 증기의분자량증기의분자량증기의분자량 공기의분자량 42) 2 증기-공기밀도 = 여기서, : 주변온도에서의증기압 : 대기압 : 증기밀도( 비중) 증기-공기밀도 >1: 밑으로가라앉는다. 증기-공기밀도 1: 대류에의한확산, 혼합으로희석 3 기체의밀도 = 분자량 ( 단, 0, 1 기압) 완전연소방정식 1 탄화수소계열의가연물의경우완전연소반응식은다음과같다. 2 이것을프로판 ( ) 의완전연소반응식으로표현하면다음과같다. 3 이것을메탄 ( ) 의완전연소반응식으로표현하면다음과같다. 42) 공기의분자량이 28.84g/mol은산소 21vol%, 질소 79vol% 로가정한경우이다. Chapter 02 연소( 燃燒 ) 이론 49

50 몰분율 두성분이상의물질계에서한성분의농도를나타내는방법의하나로전체성분에대한어떤성분의몰수비 여기서, :A기체의몰분율 :A기체의몰수 : 전체기체의몰수 압력단위변환 50 Part I 연소공학