소방학계론 . 연소이론

◆ 연소이론

01) 연소의 정의
연소란「가연물이 공기 중의 산소 또는 산화제와 급격히 반응하여 열과 빛을 발생하면서 산화하는 현상」을 말하며，발열반응이 계속되면 발생되는 열（연소열）에 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 필요하며 충격•마찰•자연발화•전기불꽃•정전기•고온표면•단열압축•적외선•충격파•낙뢰•불꽃•화학열등에 의해 공급되고 있다.

02) 연소의3요소
가연물질（기체•액체 및 고체상태）이 연소하기 위해서는 산소를 공급하는 산소공급원（공기•오존•산화제•지연성가스）및 점화원（활성화에너지)이 있어야만 정상적인 연소의 화학반응을 유지할 수 있는데 이와 같이 연소반응의 유지를 위해서 필요한 가연물질•산소공급원•점화원을 연소의 3요소라고 한다. 또한 연소의 3요소에 화학적인 연쇄반응을 합하여 연소의 4요소라 한다.

1） 가연성물질
가연물은 우리 주위에 무수히 존재하는 유기화합물의 대부분과 Na, Mg 등의 금속，비금속，LPG, LNG, CO 등의 가연성 가스가 해당되는데，즉 산화하기 쉬운 물질이며 이는 산소와 발열반응을 일으키는 물질을 말한다. 이에 비하여 불연성 물질은 산화하기 어려운 것으로서 물，흙과 같이 이미 산화되어 더 이상 산화되지 아니하는 물질이다.
(1) 가연물질의 구비조건

*가연물질이 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다. ①화학반응을 일으킬 때 필요한 활성화에너지（최소 점화에너지）의 값이 작아다 한다. ②일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할때 발열량이 커야 한다. ③열의 축적이 용이하도록 열전도도가 작아야 한다. ④지연성（조연성）가스인 산소 • 염소와의 친화력이 강해야 한다. ⑤산소와 접촉할 수 있는표면적（비교면적）이 큰물질이어야 한다（기체>액체>고체) ⑥연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질이어야 한다.

(2) 가연물이 될수없는 조건
①불활성기체 : 산소와 결합하지 못하는 기체（헬륨, 네온，아르곤 등）
②산소와 화학반응을 일으킬수 없는 물질: 물（H2O），이산화탄소（CO2）등
> 일산화탄소（co）는 산소와 반응하기 때문에 가연물이 될 수 있다.
③산소와 화합하여 흡열반응하는 물질 : 질소 또는 질소산화물 등
④자체가 연소하지 아니하는 물질 : 돌，흙 등

2) 산소（공급원）
가연물이 연소하려면 산소와 혼합되어 불이 붙을 수 있는 농도조건을 만들어야 하는데，이를 연소범위라 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 분자 내에 산소를 보유하고 있어서 마찰 • 충격 등의 자극에 의해 산소를 방출하는 물질이 있는데 이를 산화성물질 이라 하며 화재에서 산소공급원 역할을 하는 위험한 물질이므로「위험물안전관리법」에서 위험물로 분류하여 관리하고 있다.

(1) 공기
일반적으로 공기 중에 함유되어 있는 산소（02）는 공기 중에 약 1/5 정도（체적비 : 약21%, 중량비 : 약 23%)로 존재하고 있다. 이와 같이 산소는 공기 중의 다른 물질과 기체상태로 충분히 혼합되어 가연성물질을 연소하는 데 필요한 역할을 하게 되므로 공기는 바로 산소의 공급원이 된다.

(2) 산화제
위험물 중 제1류(산화성고체) • 제6류(산화성액체) 위험물로서 가열 • 충격 • 마찰에 의해 산소를 발생한다. 제1류 위험물은 산소를 함유하고 있는 강산화제로서 염소산염류, 과염소산염류，무기과산화물，질산염류，과망간산염류，중크롬산염류 등과 제6류 위험물인 과염소산，과산화수소，질산 등이 있다.

(3) 자기반응성 물질
분자 내에 가연물과 산소를 충분히 함유하고 있는 제5류 위험물로서 연소속도가 빠르고 폭발을 일으킬 수 있는 물질이며, 니트로글리세린(NG)，셀룰로이드，트리니트로톨루엔(TNT) 등이 있다.

3) 점화원
연소반응이 일어나려면 가연물과 산소공급원이 적절한 조화를 이루어 연소범위를 만들었을때 외부로부터 최소의 활성화에너지가 필요한데 이를 점화원이라 하며 전기불꽃，충격및 마찰，단열압축，불꽃 및 고온표면，정전기 불꽃，자연발화，복사열 등이 있다.

(1) 전기불꽃
전기불꽃은 단시간에 집중적으로 에너지가 방사되므로 에너지 밀도가 높은 점화원이다.그러나 고체를 발화시킬 정도의 에너지를 부여하는 것은 어렵기 때문에 대부분 가연성기체나 증기가 그 대상이 된다.

(2) 충격 및 마찰
두 개 이상의 물체가 서로 충격 • 마찰을 일으키면서 작은 불꽃을 일으키는데，이러한 마찰불꽃에 의하여 가연성 가스에 착화가 일어날 수 있다.

(3) 단열압축
기체를 높은 압력으로 압축하면 온도가 상승하는데, 이때 상승한 열에 의한 가연물을 착화시킨다.

(4) 불꽃 및 고온표면
불꽃이란 항상 화염을 가지고 있는 열 또는 화기로서 위험한 화학물질 및 가연물이 존재하고 있는 장소에서 불꽃의 사용은 대단히 위험하다. 고온표면은 작업장의 화기，가열로，건조장치，굴뚝，전기 • 기계설비 등으로서 항상 화재의 위험성이 내재되어 있다.

（5）정전기 불꽃
정전기 불꽃이란 물체가 접촉하거나 결합한 후 떨어질 때 양（ + ）전하와 음（-）전하로 전하의 분리가 일어나 발생한 과잉전하가 물체（물질）에 죽적되는 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.

 

* 정전기에 의한 재해를 방지하기 위한 예방대책은 ①정전기의 발생이 우려되는 장소에 접지시설을 한다. ②실내의 공기를 이온화하여 정전기의 발생을 예방한다. ③정전기는 습도가 낮거나 압력이 높을 때 많이 발생하므로 습도를 70% 이상으로 한다. ④전기 저항이 큰 물질은 대전이 용이하므로 전도체 물질을 사용한다.

（6） 자연발화
물질이 외부로부터 에너지를 공급받지 않아도 자체적으로 온도가 상승하여 발화하는 현상을 말한다.

（7） 복사열
물질에 따라서 비교적 약한 복사열도 장시간 방사로 발화될 수 있다. 예를 들어 햇빛이 유리나 거울에 반사되어 가연성 물질에 장시간 노출시 열이 축적되어 발화될 수 있다.

4） 연쇄반응
가연성물질과 산소 분자가 점화에너지（활성화 에너지）를 받으면 불안정한 과도기적 물질로 나누어지면서 활성화된다. 이렇게 물질이 활성화된 상태를 라디칼（radical）이라고 하는데，극도로 불안정한 과도기적 물질로서 주변의 분자와 반응하여 공격하려는 성향，즉 반응성 이 매우 강하다.

한개의 라디칼이 주변의 분자를 공격하면 두개의 라디칼이 만들어지는 분기반응을 하면서 라디칼의 수는 기하급수적으로 증가하는데 이를 ‘연쇄반응’이라고 한다. 연쇄반응으로 만들어지는 라디칼이 화염이 발생하는 연소를 주도한다.

화염이 발생하는 일반적인 연소에서는 연소의 4요소가 적용되지만 무염연소（표면연소）에서는 연쇄반응이 빠진 3요소만이 적용된다. 따라서, 무염 연소에서는 연쇄반응으로 발생하는 라디칼을 흡착하여 없애는 억제소화는 효과가 없다.

◆  연소용어

01) 인화점 (인화온도)
연소범위에서 외부의 직접적인 점화원에 의해 인화될수 있는 최저온도, 즉 공기 중에서 가연물 가까이 점화원을 투여하였을때 착화되는 최저의 온도이다. 예를 들면 디에틸에테르의 경우는 -45°c 이상에서 인화성 증기를 발생하여 연소범위를 만들어 점화원에 의하여 인화한다

 

액체가연물질의 인화점

인화현상은 액체와 고체에서 볼 수 있다. 이 두 현상 간에는 차이점이 있는데，액체의 경우는 증발과정으로 고체의 경우는 열분해과정으로 이해할 수 있다.

액체와 고체의 인화현상의 차이점

02) 발화점（착화점, 발화온도）
외부의 직접적인 점화원 없이 가열된 열의 축적에 의하여 발화에 이르는 최저의 온도，즉 점화원이 없는 상태에서 가연성 물질을 공기 또는 산소 중에서 가열함으로써 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 화재진압 후 잔화정리를 할때 계속 물을 뿌려 가열된 건축물을 냉각시키는 것은 발화점（착화점） 이상으로 가열된 건축물이 열로 인하여 다시 연소되는 것을 방지하기 위한 것이다.

 

액체가연물질의 발화점

03) 연소점
연소상태가 계속될수 있는 온도를 말하며 일반적으로 인화점보다 대략 10도씨 정도 높은온도로서 연소상태가 5초 이상 유지될수 있는 온도이다. 이것은 가연성 증기 발생속도가 연소속도보다 빠를때 이루어진다.

 

즉，연소점이란 한번 발화된 후 연소를 지속시킬 수 있는 충분한 증기를 발생시킬 수 있는 최저온도로서 인화점＜ 연소점＜ 발화점의 위치를 차지한다.

04) 연소(폭발)범위
가연성 증기와 공기와의 혼합상태，즉 가연성 혼합기가 연소(폭발)할 수 있는 범위를 말하며 연소 농도의 최저 한도를 하한，최고 한도를 상한이라 한다.

예를 들면，수소와 공기 혼합물은 대기압 21°C에서 수소비율 4.1~75%의 경우 연소가 계속된다.

혼합물 중 가연성 가스의 농도가 너무 희박해도，너무 농후해도 연소는 일어나지 않는데 이것은 가연성 가스의 분자와 산소의 분자수가 상대적으로 한쪽이 많으면 유효충돌횟수가 감소하여 충돌했다 하더라도 충돌에너지가 주위에 흡수 • 확산되어 연소반응의 진행이 방해되기 때문이다. 연소범위는 온도와 압력이 상승함에 따라 대개 확대되어 위험성이 증가한다.

가연성증기의 연소범위

05) 증기비중
어떤 증기의 “증기비중”은 같은 온도，같은 압력하에서 동 부피의 공기의 무게에 비교한 것으로 증기비중이 1보다 큰기체는 공기보다 무겁고 1보다 작으면 공기보다 가벼운 것이 된다.
-한국소방안전원-