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위험물 기능장/위험물의 연소 및 소화

가연성가스 연소(폭발)범위, 연소상한계(UFL), 연소하한계(LFL), 화학양론비(Cst), 르샤틀리에 법칙, 최소산소농도(MOC), 연소(폭발)에 영향을 주는 요소, 위험도, 암기법

by 더불어숲 2022. 1. 30.

가연성 가스 연소(폭발) 범위, 연소 상한계(UFL), 연소 하한계(LFL), 화학양론비(Cst), 르샤틀리에 법칙, 존스식, 최소산소농도(MOC), 불활성화, 연소(폭발)에 영향을 주는 요소에 대해 알아보겠습니다. 가연성 가스 연소(폭발) 범위는 화재 제어 및 소화에 밀접한 관계가 있습니다. 즉 연소(폭발) 범위를 통해 위험도를 알 수 있고 발화와 연소를 예방하기 위한 대책을 강구할 수 있게 됩니다. 이를 이해하고 접근할 때 더욱 좋은 공부가 될 것입니다.

 

 

 

가연성 가스의 정의, 종류, 가스 분류, 암기법

 

1. 가연성 가스 정의

공기 또는 산소 등과 혼합하여 점화 시에 급격한 산화반응으로 빛과 열을 수반하여 연소(폭발)를 일으키는 가스를 말한다. 가연성 가스가 연소하려면 공기와 점화원 즉, 불씨가 있어야 하며, 또한 공기와 혼합 시에도 어느 농도의 범위가 되어야만 연소하는데, 연소할 수 있는 농도(연소범위 또는 폭발 범위)는 가스마다 다르다.

 

 

2. 종류

   대표적인 종류에는 아크릴로니트릴ㆍ아크릴알데히드ㆍ아세트알데히드ㆍ아세틸렌ㆍ암모니아ㆍ수소ㆍ황화수소ㆍ시안화수소ㆍ일산화탄소ㆍ이황화탄소ㆍ메탄ㆍ염화메탄ㆍ브롬화메탄ㆍ에탄ㆍ염화에탄ㆍ염화비닐ㆍ에틸렌ㆍ산화에틸렌ㆍ프로판ㆍ시클로프로판ㆍ프로필렌ㆍ산화프로필렌ㆍ부탄ㆍ부타디엔ㆍ부틸렌ㆍ메틸에테르ㆍ모노메틸아민ㆍ디메틸아민ㆍ트리메틸아민ㆍ에틸아민ㆍ벤젠ㆍ에틸벤젠 등이 있다.

 

 

3. 그밖에 공기 중에서 연소하는 가스

  연소(폭발) 한계 하한이 10퍼센트 이하인 것과 연소(폭발) 한계 상한과 하한의 차가 20퍼센트 이상인 것을 말한다.

 

★ 참고로 암모니아의 경우는 가연성 가스 이면서 독성가스입니다. 

 

 

이번 주제와는 관련이 없지만 알아두면 좋은 내용이 있다. 압축가스, 액화가스, 용해 가스가 그것이다. 이것에 대한 정의도 함께 알아두면 좋을 것이다.

 

 

① 압축가스

  수소, 질소, 메탄 등과 같이 임계온도(기체가 액체로 되기 위한 최고온도)가 상온(14.5∼15.5℃) 보다 낮아 상온에서 압축시켜도 액화되지 않고, 단지 기체 상태로 압축된 가스를 말한다.

 

 

② 액화가스

   가압(加壓)ㆍ냉각 등의 방법에 의하여 액체상태로 되어 있는 것으로서 대기압에서의 끓는점이 섭씨 40도 이하 또는 상용 온도 이하인 것을 말한다. 액화가스 중 액화산소, 액화질소 등은 초저온에서 액화한 후에 단열 조치를 하여 초저온 상태로 저장한다.

 

 

③ 용해 가스

  아세틸렌과 같이 압축하거나 액화시키면 스스로 분해 폭발을 일으키는 가스이기 때문에 용기에 다공 물질(스펀지나 숯과 같이 고체 내부에 많은 빈 공간을 가진 물질)과 가스를 잘 녹이는 용제(아세톤, 디메틸 포름 아미드 등)를 넣어 용해시켜 충전하는 가스이다.

 

 

④ 독성가스

    아크릴로니트릴ㆍ아크릴알데히드ㆍ아황산가스ㆍ암모니아ㆍ일산화탄소ㆍ이황화탄소ㆍ불소ㆍ염소ㆍ브롬화메탄ㆍ염화메탄ㆍ염화프렌ㆍ산화에틸렌ㆍ시안화수소ㆍ황화수소ㆍ모노메틸아민ㆍ디메틸아민ㆍ트리메틸아민ㆍ벤젠ㆍ포스겐ㆍ요오드화수소ㆍ브롬화수소ㆍ염화수소ㆍ불화수소ㆍ겨자가스ㆍ알진ㆍ모노실란ㆍ디실란ㆍ디보레인ㆍ세렌화수소ㆍ포스핀ㆍ모노게르만 및 그밖에 공기 중에 일정량 이상 존재하는 경우 인체에 유해한 독성을 가진 가스로서 허용농도(해당 가스를 성숙한 흰쥐 집단에게 대기 중에서 1시간 동안 계속하여 노출시킨 경우 14일 이내에 그 흰쥐의 2분의 1 이상이 죽게 되는 가스의 농도를 말한다. 이하 같다)가 100만 분의 5000 이하인 것을 말한다.

 

★ 참고로 독성가스 중 제4류 위험물에 해당하는 물품이 많이 포함되어 있습니다.

 

 

⑤ 물리ㆍ화학적 특성에 따른 가스 분류 방법

물리ㆍ화학적 특성에 따른 가스 분류

 

 

 

 

4. 가연성 가스 종류별 연소(폭발) 범위 및 암기법

   연소(폭발) 범위 값은 주변 환경의 영향을 받으며 1 기압, 25℃에서의 공기 중 농도를 표준값으로 하여 아래와 같이 자료로 제시된다. 즉 연소범위를 측정할 때 상온 상압 하의 일정 조건에서 연소범위를 측정한다.

 

실제 조건과 상황에서는 값이 달라질 수밖에 없다. 그러므로 실제 환경에서는 온도압력산소 농도 등에 따라 연소범위는 늘기도, 줄기도 한다.

가연성 가스 연소(폭발) 범위 및 암기법

 

 

 

가연성 가스 연소(폭발) 범위

 

1. 연소(폭발) 범위(Range of Flammability)란 무엇인가?

  가연성 가스가 공기와 혼합되어 발화되었을 때 화염의 전파가 일어날 수 있는 농도 범위를 부피 농도(vol%)로 나타낸 것이다. 이 농도에서 가장 낮은 값을 연소 하한계(LFL), 가장 높은 값을 연소 상한계(UFL)라 한다.

연소한계곡선

 

 

 

2. 연소(폭발) 범위 연소 하한계(LFL)와 연소 상한계(UFL)

  연소범위는 범위를 나타내기 때문에 상한과 하한이 있다. 연소를 일으킬 수 있는 최저 농도를 연소 하한계, 최고농도를 연소 상한계라고 한다.

 

 

1) 연소 하한계(LFL)

   ① 공기 중에서 가장 낮은 농도에서 연소할 수 있는 부피

   ② 지연성 가스는 多 가연성 가스는 小 그 이하에서는 연소할 수 없는 한계치

   ③ 따라서 연소 하한계를 가연물의 최저용량비라 한다.

 

 

2) 연소 상한계(UFL)

   ① 공기 중에서 가장 높은 농도에서 연소할 수 있는 부피

   ② 지연성 가스는 小 가연성 가스는 多 그 이상에서는 연소할 수 없는 한계치

   ③ 따라서 연소 상한계를 가연물의 최대 용량비라 한다.

 

 

   지금까지 설명을 조금 풀어 설명하면 이렇다. 프로판의 연소범위는 2.1 ~ 9.5%이다. 수소는 4 ~ 75%의 연소범위를 갖는다. 이 말은 공기 중에서 프로판 농도가 2.1 ~ 9.5% 일 때, 수소가 4 ~75% 범위에 있을 때 연소(폭발)가 가능하다는 뜻이다. 즉 연소범위 하한이나 상한을 벗어난 범위에서는 연소(폭발)가 불가능하다.

 

여기서 프로판 2.1%와 수소 4%를 연소 하한계(lower flammability limit, LFL), 프로판 9.5%, 수소 75%를 연소 상한계(upper flammability limit, UFL)라고 한다.

 

이것을 간략히 정리하면 아래와 같다.

 

- 연소 하한계(LFL) - 물질이 연소할 수 있는 최소 농도

- 연소 상한계(UFL) - 물질이 연소할 수 있는 최대 농도

 

 

 

3. 연소(폭발) 범위 구하는 공식

   1) 르샤틀리에(Le Chatelier)의 법칙 _ 혼합가스 성분의 연소범위 구하는 공식

르샤틀리에의 법칙

 

 

 2) 존스(Jone’s)식 _ 하나의 가연성 가스 연소범위 구하는 공식

 

 

 

연소범위와 MOC(최소 산소농도) 추정

 

1. 화학양론비 (Cst Stoichiometric Concentration)

가연성 혼합기의 연소(폭발) 범위와 MOC는 실험을 통하면 확실하게 구할 수 있다. 하지만 실험 데이터가 없는 경우 연소(폭발) 범위나 MOC를 추산할 필요도 있다. 이를 위해서는 화학양론비(Stoichiometric Concentration)를 구하면 되는데 화학양론비 Cst는 다음 식과 같다.

화학양론비 수식

 

 

2. 산소 몰수 구하기

   연소 시 화학양론적으로 필요한 산소 몰수를 구하기 위해서는 이론 공기 몰수를 계산해야 한다. 에탄은 완전연소 시 필요한 산소 몰 수는 에탄 1몰 연소 시 산소는 3.5몰이 필요하다.

에탄 완전연소반응식

 

 

 

3. 화학양론비는 다음과 같이 쓸 수 있다

 

 

 

4. 존스(Jones)는 연소 하한계(LFL)와 연소 상한계(UFL)는 연료양론농도(Cst) 함수로서 다음의 관계가 있음을 발견했다.

              LFL = 0.55 Cst

             UFL = 3.5 Cst

 

 

5. 실험 데이터 부족할 때 MOC 값

   연소 반응식 중 산소의 양론 계수와 LFL의 곱으로 추산한다.

    MOC = 산소의 양론 계수(산소 몰수) x LFL(연소 하한계)

 

 

 

 

연소(폭발)에 영향을 주는 요소

 

1. 온도

   (1) 온도가 높아지면 기체 분자의 운동이 증가하므로 반응성이 활발해진다. 일반적으로 화학반응은 온도가 10°C 상승하면 반응속도가 2배로 증가되고 폭발 범위도 온도 상승에 따라 확대되는 경향이 있다. 이는 아레니우스(Arrhenius) 수식을 따른다.

아레니우스식

   (2) 온도가 높을 때 : 열의 발열 속도 > 방열 속도 → 연소범위 넓어진다.

       온도가 낮을 때 : 열의 발열 속도 < 방열 속도 → 좁아지거나 없어진다.

 

   (3) 보일 샤를 법칙에 의해 온도 상승 시 부피, 압력이 상승하여 연소범위가 넓어진다.

   (4) 실험식에 의해 100 [℃] 상승 시 연소 상, 하한계 ±8 [%] 연소범위가 넓어짐

   (5) 기체는 충분한 운동에너지를 가지고 충돌해야 반응하는데 온도가 오르면 분자 간 운동이 활발하여지고 충돌 횟수도 많아진다.

 

 

2. 압력

   (1) 압력 상승 시 연소범위가 넓어진다.(단, CO는 좁아진다.)

   (2) 하한계보다는 상한계의 영향이 크다.

   (3) 즉, 고압이 되면 연소범위가 넓어지고 1 [atm] 이하에서는 큰 변화가 없다.

   (4) 폭발은 온도, 압력, 조성의 관계에서 일어나며 발화 온도는 압력에 영향을 준다.

 

 

3. 산소농도 - 산소농도가 증가하면 연소범위가 넓어진다.

   가연성 가스에 산소농도가 증가하면 기존의 연소범위보다 더 넓어진다. 메탄의 경우 5.0 ~ 15% 이던 연소범위가 산소농도가 증가되면 5.1 ~ 61%로 연소 상한계가 크게 확대되는 것을 볼 수 있다. 가연성 가스농도가 증가하더라도 반응하는 산소가 충분하기 때문에 연소가 가능한 것이다.

 

 

4. 불활성기체 - 불활성기체가 첨가되면 연소범위가 좁아진다.

   불활성 가스로는 질소나 할로겐족 가스 등을 사용한다. 가연성 가스가 들어있는 용기나 배관에 불활성 가스를 혼입 하여 산소 농도를 감소시키면 연소범위가 좁아지게 된다. 연소 하한계는 변화가 크지 않지만 연소 상한계는 감소하는 효과를 얻게 되어 가연성 가스 전체 연소범위는 좁아지게 되는 것이다.

 

 

5. 연소(폭발) 범위를 통해 위험도 평가와 불활성화(발화와 연소방지) 대책 강구

   1) 위험도(Degree of Hazards) 평가

       메탄 연소범위 5 ~ 15%, 부탄 연소범위 1.8 ~ 8.4%이다. 메탄과 부탄의 연소 하한계와 연소 상한계 차이를 보면 10%와 6.6%이다. 메탄과 부탄 중 위험도가 높은 가스는 무엇일까? 위험도 공식에 연소(폭발) 범위를 대입해 위험도를 구해보면 결과는 아래와 같다. 즉 위험도 메탄보다 부탄이 크다는 것을 알 수 있다.

위험도 구하는 공식
메탄과 부탄의 위험도 계산 결과

 

   2) 불활성화(발화 및 연소방지)를 위한 조치

      가연성 가스를 사용하거나 부산물이 생성되는 장소에서는 발화 및 연소방지 대책을 강구하여 화배 및 폭발 위험성을 낮추는 대책이 필요하다. 불활성 가스를 혼입 시켜 산소 농도를 감소시켜 가연성 가스 농도를 연소 하한계 이하나 연소 상한계 이상으로 유지하는 것이 일반적으로 많이 사용되는 대책이다. 

 

불활성 가스를 혼입 시켜 가연성 가스 농도를 연소 하한계 낮추거나 가연성 가스 농도를 높이거나 산소 등 공기 유입을 차단하여 가연성 가스 농도를 연소 상한계 이상으로 높이는 방법을 사용한다. 즉 연소(폭발) 범위를 통해 얻은 정보를 바탕으로 불활성화(발화 및 연소방지) 조치를 시행하여 화재 및 폭발을 방지하는 데 있다고 볼 수 있다.

 

 

   3) MOC(최소 산소농도) _ 가연성 혼합기 불활성화 

      최소 산소농도 MOC(Minimum Oxygen Concentration)는 가연성 가스가 연소를 지속하기 위해 필요한 최소한의 산소 농도를 말한다. 가연성 가스 농도가 얼마든지 산소 농도를 MOC 이하로 낮추면 연소는 불가능하게 된다. 

최소산소농도(MOC) 구하는 수식

가연성 혼합기 불활성화 방법은 ①연소범위에 해당되지 않도록 연료의 농도를 조절하는 방법 ②화염 전파가 이루어지지 않도록 최소 산소 농도(MOC)를 조절하는 방법이 있다.

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