연소 - 공기량 계산, 생성물,현상, 정의,형식, 특성

CHAPTER1. 연소

1.1 연소의 정의

1.1.1 연소의 정의 : 가연성물질과 산소와의 혼합계에 있어서의 산화반응에                       따른 발열량이 그 계로부터 방출되는 열량을 능가함

                     으로서 그 계의 온도가 상승하여 그 결과로서 발생

                     되는 열방사선 파장의 강도가 빛으로서 육안에 감지

                     하게 된 것

1.1.2 완전연소 

      C +O₂ → CO₂+ 94.1 [Kcal/mol]

1..1.3 불완전연소

      C + O₂ → CO + 26.4 [Kcal/mol]

1.1.4 화재의 정의 : 사람의 의도에 반하여 발생한 연소로서 소화의 필요성

                    을 느끼는 것

1.1.4.1 화재역학에서의 화재 한계기준 : 1,055[KW/㎥]

        물1[ℓ] 1초당 1[℃]씩 올리는데 충분한 열량

1.1.4.2 미국 5,000[BTU] : 스프링클러가 동작하는 열량 : 5.275[MW].

1.2 연소현상

1.2.1 연소의 4요소 : 연소현상을 발생 및 유지하기 위하여 필요한 요소

1.2.1.1 가연물 

1.2.1.1.1 정의

 - 화재 시 타는 모든 물질

1.2.1.1.2 종류

 - 산소공급원을 산화제라 한다면 가연물은 환원제로 설명할 수 있다

 - 가연물의 대부분은 유기화합물이다.

1.2.1.1.3 구비조건

 - 지연성가스 또는 조연성가스인 산소, 염소 등과 친화력이 클 것

 - 산화되기 쉽고 반응열이 클 것.(연소열이 클 것)

 - 열전도율이 적을 것(기체<액체<고체)

 - 표면적이 클 것(기체>액체>고체)

 - 연쇄반응이 일어나는 물질일 것

 - 활성화에너지가 작을 것(점화에너지가 작을 것)

1.2.1.1.4 가연물이 될 수 없는 물질

 - 흡열반응물질 : 산화반응이라도 흡열반응 물질은 가연물에서 제외된다.

 - 불활성기체 : 주기율표상의 8족 ()으로서

                화학적으로 안정하여 쉽게 반응하지 않는다.

 - 완전연소생성물 (산화반응이 완결된 물질) : 

    이미 산화 완료된 물질인 CO₂, H₂O 등은 더 이상 산소와 결합하지 

    않는다.

1.2.1.2 산소공급원

1.2.1.2.1 종류

 - 공기, 지연성가스, 산화제, 자기반응성(연소성) 물질 

1.2.1.2.2 공기의 조성

구 분

질소

산소

Ar(회가스)

탄산가스

V %

78.03

20.99

0.95

0.03

w %

75.51

23.15

1.3

0.04

1.2.1.2.3 산화제

 - 제1류 위험물, 제6류 위험물등으로서 분자 내의 다량의 산소를 함유

   하고 있는 물질이다.

1.2.1.2.4 자기반응성(연소성)물질

 - 연소에 필요한 산소공급원을 함유하고 있는 물질로서 니트로글리세린, 

     니트로셀룰로즈, TNT 등의 제5류 위험물이 자기 연소성물질

1.2.1.2.5 지연성가스

 - 조연성 가스라고도 하며, 할로겐 원소인  등이 있다

1.2.1.3 점화원 : 

1.2.1.3.1 기계적 점화원

 - 나화

 - 고온표면

 - 단열압축

 - 충격마찰

1.2.1.3.2 전기적 점화원

 - 정전기불꽃

 - 전기불꽃

 - 전기발열

1.2.1.3.3 화학적 점화원

 - 연소열 : 가연물이 산소와 반응하여 발열반응을 할때 생성되는 열량

 - 분해열 : 가연물이 분해반응할 때 발생하는 열량

 - 중합열 : 시안화수소나 산화에틸렌 등의 중합 폭발시 발생하는 열량

1.2.1.3.4 원자력 에너지

1.2.1.4 연쇄반응 : Chain Reaction

1.2.1.4.1 활성라디컬 : Chain Carrier : 연소가 용이한 중간체를 만들어 

                                       연소를 촉진하는 중간체

 -연쇄반응기구 :Chain Reaction mechanism

   개시 : 반응물과 활성화에너지(점화원)가 반응 중간생성물을 만드는 과정                H₂+ e →  2H*

   전개(전파 및 억제)  : 반응물 과 중간생성물이 반응하여 생성물 과 중간

                          생성물을 만드는 과정 

              H* + O₂→ OH* + O*

              O* + H₂→ OH* + H*

              OH*+H₂→ H₂O + H*

   종결 : 중간생성물과 중간생성물 반응하여 생성물을 만드는 과정

              2H*→ H₂

1.2.1.4.2 역활 : 화재의 성장을 활성화시키는 에너지역활.

1.2.1.5 연소사면체 : Fire tetra headron

                  

1.2.2 연소의 구비조건

 - 발열반응이어야 한다. 

 - 열에 의해서 가연물과 연소생성물의 온도가 상승하여야 한다.

 - 이때 빛을 발생할 수 있어야 한다.

1.3 연소의 형식

1.3.1. 연소의 형태

1.3.1.1 정상연소

 - 가연성 기체가 연소할 때 화염의 위치나 그 모양이 변하지 않는 경우

 - 연소가 일어나는 곳의 열의 발생속도와 방출속도가 서로 균형을 이룰 때

1.3.1.2 비정상연소

  - 폭발의 경우와 같이 연소가 격렬하게 일어날 때

  - 열의 발생속도가 방출속도를 능가하는 현상

1.3.2. 연소의 종류

1.3.2.1 발염연소 와 무염연소

1.3.2.1.1 발염연소 

 - 표면화재, 불꽃화재 : 연소의 4요소

 - 가연물 자체로 부터 발생된 증기나 가스가 공기 중의 산소와 혼합기를

     형성하여 연소하며, 연소속도가 매우 빠르고 불꽃과 열을 내며 연소

 -불꽃의 온도 : 연소가스 발생량 및 열용량에 의해서 결정.

  발생열량의 2/3정도가 방출연소가스 가열에 소모되고 1/3은 주위로 복사

   ․ 방출된다.

1.3.2.1.2 무염연소 

 - 표면연소, 훈소, 작열연소, 심부화재 : 연소의 3요소로 연소.

1.3.2.1.3 발염연소와 무염연소의 비교 

구분

불꽃연소

작열연소(표면연소)

연소특성

∙고체의 열분해, 액체의 증발에

  따른 기체의 확산 등 연소

  양상이 매우 복잡

∙고비점 액체생성물과 타르가 

  응축되어 공기중에서 무상의 

  연기 형성

불꽃여부

∙연료의 표면에서 불꽃을 발생

  하며 연소

∙연료의 표면에서 불꽃을 발생

  하지 않고 작열하면서 연소 

화재구분

∙표면화재

∙심부화재

연소속도

∙연소속도가 매우 빠르다.

∙연소속도가 느리다.

방출열량

∙시간당 방출열량이 많다.

∙시간당 방출열량이 적다.

연쇄반응

∙연쇄반응이 일어난다.

∙연쇄반응이 일어나지 않는다.

적응화재

∙B, C급 화재 적응

∙A급 화재 적응

에 너 지

∙고에너지 화재

∙저에너지 화재

연소물질

∙열가소성 합성수지류

∙가솔린, 석유류의 인화성액체

∙메탄, 프로판, 수소, 아세틸렌

  등의 가연성가스

∙열경화성 합성수지류

∙종이, 목재, 섬유류, 연탄, 전분,   짚∙코크스, 목탄(숯) 및 금속분

 (Al, Mg, Na)

소화대책

∙연소3요소 이론의 냉각․질식․

  제거 외에 연쇄반응의 

  억제에 의한 소화대책

∙연쇄반응이 없으므로 연소3

  요소 이론의 냉각․질식․제거의 

  소화대책

소화

∙34% 질식소화 

∙방사시간 1분 이내

∙34% 질식소화 및 냉각소화

∙방사시간 7분 이내

1.3.2.1.4 설계농도유지시간

 -통상적으로 Halon 1301 5% 농도로 소화 시 소화시간 10분을 기준으로 

   표면화재 및 심부화재로 구분한다.

 - Soaking Time : 가스계 소화설비 동작 시 소화 후 재발화 방지목적으로                       일정시간 동안 설계소화농도를 유지시키는 시간.

 - NFPA 규정 : Halon : 10분

                 CO₂ : 20분

1.3.2.2 가연물종류에 따른 종류

1.3.2.2.1 기체연소

 - 예혼합연소 : 기체연료가 공기와 미리 혼합하여 가연성혼합기를 생성

                   하고 여기에 점화시켜 연소하는 형태

 - 확산연소 : 메탄, 프로판, 수소, 아세틸렌 등의 가연성가스가 확산하여 

              생성된 혼합가스가 연소하는 것으로 발염연소 또는 불꽃연소.

              Fick's Law : 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 법칙

1.3.2.2.2 액체연소

 - 증발연소 : 액체의 가장 일반적인 연소형태로 에테르, 석유류, 알콜 등의

               인화성액체에서 발생한 가연성증기가 공기와 혼합된 상태

               에서 연소.

 - 분해연소 : 중유나 아스팔트 등 휘발성이 적은 액체가연물의 열분해 

              반응 시 생성된 가연성가스가 공기와 혼합된 상태에서 연소.

※액적연소 

점도가 높고 비휘발성인 액체를 가열 등의 방법으로 점도를 낮추어 

분무기(버너)를 사용하여 액체의 입자를 안개상으로 분출, 표면적을 넓게 하여 공기와의 접촉면을 많게 하는 연소방법이다.

※분무연소(Spray Combustion) 

액체연료를 미세하게 액적화(미립화)하여 표면적을 크게 하고 공기와의 혼합을 좋게 하여 연소하는 것으로서 공업적으로 가장 많이 이용된다. 휘발성이 낮고 점도가 높은 중질유 연소에 이용

1.3.2.2.3 고체연소 

 - 표면연소 : 고체의 일반적인 연소형태이다. 목탄(숯), 코크스, 금속분 등의                 가연물이 표면에서 산화반응하여 열과 빛을 내며 연소.

               열분해 반응이 없기 때문에 불꽃이 없다. 

 - 분해연소 : 종이, 목재, 석탄, 플라스틱 등의 고체가연물의 열분해 반응시                생성된 가연성가스가 공기와 혼합된 상태에서 연소.

 - 증발연소 : 황, 나프탈렌, 파라핀 등에서 발생한 가연성증기가 공기와 

               혼합된 상태에서 연소.

 - 자기연소 : 니트로글리세린, TNT 등의 폭발물은 분자내에서 산소를 

               가지고 있어 외부의 산소공급원 없이도 점화원의 존재

               하에서 쉽게 폭발적인 연소.

 -자연발화 : 발생한 에너지가 그 계에서 제거되지 않고 열로 축적되어 

             발화온도에 도달하여 스스로 점화를 일으키는 열의 방출을 

             동반하는 느린 산화공정

             자연발화 : 저온발화 : Spontaneous combustion

                        고온발화 : Auto ignition

             자연발화에 영향을 주는 인자 : 물질의 조성

                                           부피

                                           압력

                                           산소농도

1.4 연소의 특성

1.4.1 발열반응 : 가연물이 연소반응이 일어날 정도의 활성화에너지를 받아                    활성상태가 된 후에 연소하면서 에너지를 방출한다.

                 이때 발열에너지는 주위의 가연물을 다시 활성화시키고                     남은 양의 에너지는 연소열로 축적, 발산하면서 연소가                     계속된다

1.4.1.1 Arrbenius' Law V = A e ⁻E/RT

1.4.1.2 상온 부근에서 온도가 10℃상승함에 따라 반응속도는 2~3배가 된다

1.4.2 연소형태의 종류

 - 분젠식 : 1.200~1,300℃

            1차 공기(운동에너지) : 내염 : 불완전연소

            2차 공기 : 불꽃주변 : 외염 : 완전연소. 

 - 세미분젠식 : 1차 공기비율 40%이하, 1,000℃

 - 적화식 : 대기중 연소, 900℃

 - 전1차 공기연소식 :  1차 공기비율 100%, 850℃~ 900℃, 역화우려

1.4.2 이상연소현상

 - 불완전연소 : 가연성분이 산화반응을 완전히 완료하지 않으므로 일산화                   탄소, 그을음 등이 생기는 것

 - 역화 : 불꽃이 염공을 따라 들어가 혼합관 내에서 연소하는 현상

          분출속도에 비해 연소속도가 빠른 경우.

 - 선화 : 불꽃이 버너에서 부상하여 공간에서 연소하는 현상

          연소속도에 비해 분출속도가 빠른 경우.  

 - 엘로팁 : 불꽃의 끝이 적황색이 되어 연소하는 현상

            탄화수소가 열분해되어 탄소입자가 생기고 미연인 채로 적열

             되어 적황색이 된다.

           1차공기가 부족할 때 발생한다. 

 - 불꽃 옮겨 붙이기 불량 : 

            1차공기가 많을 때 나 가스압력이 높을 때 발생

 - Blow-off : 불꽃 기저부에 대한 공기의 움직임이 세어지면 불꽃이 노즐                  에서 정착하지 않고 떨어지게 되어 꺼지버리는 현상.

1.4.3 불꽃의 온도

색상

온도 : ℃

비고

암적색

700~750

적색

850

휘적색

925~950

황적색

1,100

백적색

1,200~1,300

휘백색

1,500

1.5 연소생성물

1.5.1 불꽃 : 화염

1.5.2 열 

1.5.2.1내열한계

 - 통상복 : 3,600[kcal/㎡․ h]

 - 내열방한복 : 7,200[kcal/㎡․ h]

1.5.2.2 화상

 - 홍반성화상 

 - 수포성화상

 - 괴사성화상 

 - 흑색화상

1.5.3 연소가스

1.5.3.1 일산화탄소 CO : 헤모글로빈(Hb)은 CO(카르복실헤모글로빈 :                                    CO-Hb)와의 결합력이 O₂(옥시헤모글로빈 :                               O₂-Hb)와의 결합력보다 210배 정도 이다

1.5.3.2 이산화탄소 CO₂: 이산화탄소의 농도가 높아지면 공기 중의 산소

                          부족으로 호홉속도가 빨라져 함께 존재하는 

                          독성가스의 흡입이 많아져 위험성을 더욱 증가                            시킨다

1.5.3.3 황화수소 : H₂S : 달걀 썩는 냄새

1.5.3.4 이산화황 : SO₂

1.5.3.5 암모니아 :NH₃

1.5.3.6 시안화수소 : HCN

1.5.3.7 염화수소 : HCL

1.5.3.8 질소산화물 : NO, NO₂

1.5.3.9 포스겐가스 : COCL₂

1.5.4 연기

1.5.5 미연소물질 : C

1.6 연소용 공기량 계산 

 - 실제 공기량 

 - 이론 공기량

 - 과잉 공기량 : 이론 공기량보다 과잉으로 공급한 공기량

1.6.1 연공비

      연공비 =

1.6.2 공연비

      공연비 =

1.6.3 당량비

      당량비 Φ =

      Φ＞1 : 연료과잉 : 급기부족화재

      Φ=1 : 완전연소  

      Φ＜1 : 연료부족

1.6.4 공기비  α = 

1.6.4.1 연료 형태별 공기비

 - 기체연료의 공기비 α =1.1 ~ 1.3

 - 액체연료의 공기비 α =1.2 ~ 1.4

 - 고체연료의 공기비 α =1.4 ~ 2.0

1.6.4.2 공기비 영향

1.6.4.2.1 공기비가 클 경우

 - 연소온도 저하

 - 통풍력이 강하여 배기가스에 의한 열손실 증대

 - 연소가스 중에 SO₂의 양이 증대되어 저온부식이 촉진된다

 - 연소가스 중에 NO₂의 발생이 심하여 대기오염을 유발한다.

1.6.4.2.2 공기비가 작을 경우

 - 불완전연소에 의한 매연 발생이 극심하다

 - 미연소에 의한 열손실이 증가된다

 - 미연소 가스에 의한 폭발사고의 발생 위험성이 증가한다.

1.6.4 화학양론비 : 완전연소

      Cst = × 100

1.6.5 완전연소방정식

      CnHxOy+(n+)O₂ → nCO₂+ H₂O

1.6.6 불완전연소방정식

      CnHxOy+()O₂ → nCO+ H₂O

1.6.7 완전연소조건

 - 연소에 필요한 충분한 양의 공기를 공급한다

 - 연소반응에 필요한 시간동안 체류할 수 있도록 충분한 넓이의 연소실을

    확보한다

 - 반응이 완전히 진행될 수 있도록 적절한 연소실의 온도를 유지한다.

 - 질 좋은 연료를 사용한다.

 - 연료와 공기를 잘 혼합시켜 연소한다

 - 일시에 많은 양의 연료를 공급하지 말고 일정량씩 균일한 속도로 

    공급한다

 - 연료 및 공기를 적절히 예열한다.