연소의 기본개념과 이해

 

국가화재평가원

여용주 원장 소방기술사 / 공학박사

 

연소의 정의 및 연소의 3요소

화재의 주체인 연소란 “가연성 물질과 산소와의 혼합계에 있어서의 산화 반응에 따른 발열량이 그 계로부터 방출되는 열량을 능가하여 그 계의 온도가 상승하여 그 결과로써 발생되는 열방사선의 강도가 빛으로서 육안에 감지하게 된 것” 이라고 할 수 있으며 화염을 수반하는 것이 보통이다. 넓은 의미로서 산화반응이 행해지고 있는 각종의 반응을 연소라고 부르는 경우도 있고 때로는 발열만하고 빛을 내지 않는 완만한 산화반응 이라든지 발생하는 열량이 적은 화학발광도 산화반응 이므로 이것도 연소라고 부를 수도 있지만, 안전공학의 입장에서는 적절하지 않다. 더욱이 방사성 물질의 원자 붕괴에 의한 열에너지의 방출도 연소라고 칭할 수도 있지만 적당한 표현 이라고는 할 수 없다. 위에 말한 연소의 정의와 같이 연소가 일어나기 위해서는 ⓐ 가연성 물질과 ⓑ 산소가 필요한 것은 분명한 이치 이나 양자가 존재하고 있다면 곧 반응이 시작되는 경우도 있겠으나 통상적으로는 이에 ⓒ 발화에너지가 부여되어야 연소가 시작된다. 발화 에너지의 공급원을 발화원 착화원 이라 하고 가연성물질 및 산소공급원과 더불어 연소의3요소 라고 부른다.

 

[ 연소의 3요소 ]

 

가연성 물질의 정의 및 종류

가연성물질이란 산소와 화합하는 성질을 가진 것으로서 원소로서는 주기율표의 영족 원소 이외의 원소에는 산화물의 존재가 확인되어 있으므로 가연성물질이라고 할 수 있지만 산소와 결합할 때 발열을 수반하지 않는 질소, 염소, 불소 등은 가연성 물질이 될 수 없다. 같은 개념을 화합물에 대해 고찰하면 가연성 물질이 이미 산소와 충분히 화합하고 있는 산화물은 가연성물질이 아니다.

 

이에 반하여 산화의 정도가 낮아 아직 산소와 화합할 여지가 있는 것은 가연성 물질이 될 가능성이 있다. 일산화탄소나 삼산화인은 이의 예이다. 우리 주변에 존재하는 다양한 유기화합물은 거의가 공기중의 산소와 반응하므로 가연물질이다. 산소와 발열반응을 하는 물질이라도 발열량이 적은 경우에는 계의 온도상승이 일어 나지 않으므로 가연성물질이 되지 않는데 은, 수은 등이 그 예이다.

 

가연성물질의 연소 Mechanism

가연성물질을 기체, 액체, 고체로 구분하면 이들이 연소할 때에는 각각 다른 연소 방식을 나타낸다. 가연성가스는 수소나 메탄의 연소에서 보는 바와 같이 그대로 탄다.  가연성액체에 있어서는 액체 상태로 타지 않고 휘발유나 벤젠과 같이 액체가 증발해서 발생한 가연성 기체가 타는 경우와 글리세린과 같이 열분해 가스가 타는 경우가 있다. 가연성 고체의 연소 구조는 좀 복잡하다. 고형의 파라핀이나 유황이 타고 있을 때는 액화와 기화의 두 과정을 거쳐 발생한 증기가 타는 것이고, 금속 마그네슘이나 분말로 된 알루미늄도 이와 같은 방법으로 탄다. 나프탈렌과 같이 승화하기 쉬운 물질은 액화의 과정을 거치지 않고 타는 수도 있다. 거의 모든 플라스틱, 목재, 종이 등은 열분해 또는 건류에 의해서 발생한 가연성가스, 가연성액체 및 잔류탄소분이 타는 것인데 이중에서 잔류탄소분을 제외하면 타고 있는 본체는 가연성가스 또는 증기이다. 목탄, 코크스 및 잔류탄소분의 연소는 고체 자신이 공기와의 계면에서 타고 있는 특수한 연소이고 가연성가스의 연소와 달리 화염을 수반하지 않는다.

 

연소조건 : 연소범위, 최소발화에너지, 착화원

화재의 경우에 타고 있는 주체는 대부분 가연성가스 임을 알 수 있다. 가연성가스와 공기의 혼합물은 항상 타는 것이 아니고 양자가 어느 비율의 범위 내에서 혼합되어 있을 때이어야 연소를 일으킨다. 혼합물 중의 가연성 가스농도가 너무 희박해도 또는 너무 농후해도 연소는 안 된다. 이는 가연성 가스분자와 산소의 분자수가 상대적으로 한쪽이 과잉이면 유효충돌회수가 감소하여 가령 충돌해도 그 충돌에너지는 주위에 흡수 또는 방산 되므로 연소반응의 진행이 방해되기 때문이다. 이 희박한 한계를 연소하한계, 농후한 한계를 연소상한계 라고 부르며 양한계의 농도 범위를 연소범위라고 한다. 그리고 이들의 수치는 측정방법과 조건에 따라 다소의 차이는 있으나 가연성가스에 의해서 정해지는 수치 이다. 그러나 연소는 화학반응의 일종이므로 이들의 수치는 연소범위 내에 있는 가연성 가스와 공기의 혼합기의 온도와 압력의 영향을 크게 받지만 수소, 이산화탄소 등의 예외를 제외하면 온도와 압력의 상승과 함께 연소범위는 연속적으로 확대되어 그 위험성이 증가하는 것이 보통이다.

 

연소범위를 연소가 일어나는 농도범위라고 해석하는 것보다 화염전파가 가능한 범위 라고 해석하는 편이 실제적이다. 왜냐하면 하한계 온도를 훨씬 밑도는 농도로 가연성 가스가 포함되어 있는 혼합기는 고온물체에 접촉하거나 전기불꽃이 일어나면 용이하게 산화 되지만 화염의 전파는 진행되지 않기 때문이다.

 

가연성 혼합기는 자연발화를 제외하고는 그 자체에서 화염을 발생하여 타는 일은 없고 여기에 어느정도 이상의 에너지가 부여 되어야만 화염이 발생하는데 이를 발화 착화 또는 점화 라고 하고, 발화를 일으키는데 필요한 최소의 에너지를 최소발화에너지 라고 부르며 그 에너지원을 발화원 착화원 이라고 한다. 가해지는 에너지는 대부분 열에너지의 형태로 부여된다. 이들 에너지원은 나화를 포함한 고온물, 정전 스파크를 포함한 전기불꽃, 충격, 마찰, 단열압축, 자연발화 열선, 광선 등이다.

 

 

 

화염속도 및 연소속도

가연성 혼합기 중에 한번 화염이 발생하면 이를 중심으로 주위에 확대되어 가는데 이때 화염면이 이동해가는 속도 즉, 화염이 전파해가는 속도를 화염전파속도 라 한다. 이때 화염면의 앞에 있는 미연소 가연성 혼합기는 이미 연소에 의해서 발생한 연소가스의 열팽창 때문에 전방으로 밀려 나가므로 화염은 이 이동하고 있는 미연소 가연성 혼합기 속을 전파해 가게 된다. 따라서 화염속도 중에는 이 미연소 혼합기의 이동속도가 가산되어 있고 이 이동 속도는 연소의 상태에 따라서 변동하므로 화염의 전파를 이론적으로 고찰할 때는 미연소 혼합기의 이동속도를 빼야 한다. 그래서 실제로 화염이 전파하는 속도는 화염면이 미연소 가연성 혼합기의 표면에 대해 직각으로 이동하는 속도 즉 이동하고 있는 미연소 혼합기에 대한 화염면의 상대적 속도이다. 이 속도를 연소속도 라하고 화염속도와 구별하여 사용한다.

 

연소속도는 화염 속에서 일어나는 화학반응의 속도로 정해진 수치이므로 온도 압력의 증가와 함께 증대되고 가연성 혼합기의 조성이 화학 양론적 조성 부근에 있을 때 최대가 되고 이보다 하한계 및 상한계로 향함에 따라서 작아진다. 가연성 혼합기는 자연발화를 제외하고는 그 자체에서 화염을 발생하여 타는 일은 없고 여기에 어느정도 이상의 에너지가 부여 되어야만 화염이 발생하는데 이를 발화 착화 또는 점화 라고 하고, 발화를 일으키는데 필요한 최소의 에너지를 최소발화 에너지 라고 부르며 그 에너지원을 발화원 착화원 이라고 한다. 가해지는 에너지는 대부분 열에너지의 형태로 부여된다. 이들 에너지원은 나화를 포함한 고온물, 정전 스파크를 포함한 전기 불꽃, 충격, 마찰, 단열압축, 자연발화 열선, 광선 등이다.

 

하부인화점 및 상부인화점

가연성액체와 고체의 연소는 이들이 가열 됨으로써 발생하는 가연성가스에 의한 것이며, 발생한 가연성가스의 농도가 상승하여 가연성 혼합기가 형성되지 않으면 연소는 일어나지 않는다. 다시 말해서 가연성의 액체나 고체가 타기 위해서는 그 표면에 가연성 혼합기가 형성되기까지의 온도에 도달해 있지 않으면 안 되는데 이 온도를 인화점 정확히는 하부 인화점 이라고 부른다. 따라서 가연성액체나 고체가 인화점 이상의 온도를 유지하고 있을 때에는 발화의 위험성을 안고 있게 되며 반대로 인화점 이하의 온도를 유지하고 있는 경우는 인화점 이상의 온도가 될 때까지 가열되지 않는 한 착화위험은 없다. 따라서 인화점은 착화의 위험성을 평가하는데 중요한 지표가 된다. 가연성의 액체 또는 고체의 온도가 상승하면 그 표면의 가연성가스의 농도는 상승하여 먼저 연소하한계에 도달하고 더욱 온도가 상승하면 마침내는 연소상한계의 농도에 달하게 된다. 이보다 온도가 더욱 상승하면 그 표면의 기상은 연소범위를 초과한 조성이 되므로 착화원의 유무에 관계없이 발화의 위험성은 없어진다. 가연성 혼합기가 연소 상한계의 농도에 도달하는 온도를 상부 인화점이라고 한다.

 

발화점 발화온도

인화점은 항상 착화원의 존재를 전제로 한 경우에 있어서 가연성액체 또는 고체의 화재위험성을 나타내는 지표이지만 가연성 혼합기를 발화원에서 완전히 격리한 상태로 가열해가서 어느 온도에 달하면 스스로 발화하여 연소할 수도 있다. 이때의 온도를 발화점 발화온도 라고 한다. 발화온도는 측정방법이나 조건에 따라서 큰 폭으로 변동하므로 실제로 발표되어 있는 수치는 어느 특정의 장치로 특정의 조건하에서 측정된 것이므로 서로 다른 측정방법 으로 측정한 발화점을 비교하여 위험성을 평가하는 일은 피해야 한다.

 

소화조건

화재는 산업화재 이건 도시화재 이건 발화의 미연 방지가 가장 바람직하며 이를 위해서는 발화원 대책이 화재방지의 주류이나, 산업화재의 경우는 가연성 물질 특히 가연성기체와 액체의 누설 방지가 추가된다. 불행히도 화재가 발생한 경우에는 화염에 의한 열에너지는 물론 화염에서 방사되는 방사열이 주위의 가연성물질을 가열 발화시켜 화재는 확대되고 피해는 시간의 경과와 함께 기하급수적으로 증가하므로 당연히 소화가 필요해 진다.

 

소화는 연소의 3요소인 가연물, 공기 및 열 가운데 어느 하나라도 제거하면 그 목적을 달성할 수 있다. 그리고 연소반응은 많은 종류의 분자, 원자 및 유리기가 고온하에서 복잡하게 작용하고 있는 고속의 연쇄반응이기 때문에 이 연쇄반응의 일부를 중단할 수가 있다면 또한 소화의 목적이 달성된다. 따라서 연소의 3요소 중 어느 하나라도 제거하거나 연쇄반응을 중단시키거나 하면 소화의 목적은 달성되므로 이들 4가지를 소화조건 이라고 한다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 6호에 기고된 글입니다.