연소의 형태는 가연물의 상태에 따라 나뉜다. 기체의 연소는 확산연소(가연성 기체와 공기가 연소하면서 섞이는 형태. 가스버너ㆍLPG 연소기)와 예혼합연소(미리 혼합된 뒤 점화되는 형태. 분젠버너의 공기구멍을 연 상태, 폭발이 이에 해당)로 갈린다. 액체는 액체 자체가 타는 것이 아니라 증발한 증기가 타므로 모두 증발연소이며, 다만 제4류 위험물 중 제3석유류ㆍ제4석유류ㆍ동식물유류처럼 비점이 높은 것은 분해된 뒤 연소하기도 한다. 고체의 연소는 네 갈래다 — ① 표면연소(고체 표면에서 화염 없이 직접 연소. 목탄ㆍ코크스ㆍ금속분), ② 분해연소(열분해로 생긴 가연성 가스가 연소. 목재ㆍ석탄ㆍ종이ㆍ플라스틱), ③ 증발연소(고체가 녹거나 승화해 생긴 증기가 연소. 황ㆍ나프탈렌ㆍ파라핀ㆍ양초), ④ 자기연소(분자 내 산소를 가져 외부 산소 없이 연소. 제5류 위험물인 니트로셀룰로오스ㆍ TNT).
02이해하기
고체 연소 네 갈래를 가르는 기준은 「타기 전에 무엇으로 바뀌는가」다. 아무것으로도 안 바뀌고 그대로 타면 표면연소, 분해되어 가스가 되면 분해연소, 녹거나 증발해 증기가 되면 증발연소, 자기 안에 산소가 있어 외부 공기가 필요 없으면 자기연소다. 시험에서는 물질명으로 물으므로 대표 물질을 짝지어 두는 것이 빠르다 — 숯은 표면, 나무는 분해, 양초는 증발, 니트로화합물은 자기연소다. 표면연소만 유일하게 화염이 없다는 점도 함께 기억할 자리다.
03핵심 포인트
기체 — 확산연소와 예혼합연소. 폭발은 예혼합연소의 극단적 형태
액체 — 액면에서 증발한 증기가 연소하는 증발연소가 기본. 액체 자체는 타지 않는다
고체 표면연소 — 목탄, 코크스, 금속분(Al, Mg), 숯. 화염 없이 표면에서 직접 산화
고체 분해연소 — 목재, 석탄, 종이, 플라스틱, 고무. 열분해로 생긴 가연성 가스가 연소
고체 증발연소 — 황, 나프탈렌, 파라핀, 양초, 왁스. 융해ㆍ승화로 생긴 증기가 연소
자기연소(내부연소) — 제5류 위험물. 니트로셀룰로오스, TNT, 피크린산. 분자 내 산소로 연소
훈소(smoldering) — 산소가 부족하거나 열이 낮아 화염 없이 서서히 진행되는 연소. 유독가스 발생이 많다
역화(backfire)와 선화(lifting) — 연소속도가 가스 분출속도보다 빠르면 역화, 느리면 선화
04한눈에 보기
확산연소
가연성 기체와 공기가 연소하면서 섞인다. 화염이 길고 연소속도가 느리며 안정적. 가스버너ㆍLPG 연소기가 예. 역화 위험이 낮다.
VS
예혼합연소
미리 혼합된 상태에서 점화된다. 화염이 짧고 연소속도가 빠르며 폭발로 이어질 수 있다. 분젠버너(공기구멍 개방)ㆍ가스폭발이 예.
더 알아보기
인화점ㆍ연소점ㆍ발화점 — 세 온도가 가리키는 다른 사건
세 온도는 이름이 비슷해 섞이기 쉬우나 가리키는 사건이 다르다. 인화점(flash point) 은 액체 표면에서 점화원을 가까이 댔을 때 순간적으로 불이 붙는 최저 온도로, 이때 발생한 증기의 농도가 연소하한계에 도달한 시점이다. 불이 붙었다가 이내 꺼진다. 연소점(fire point) 은 인화된 뒤 연소가 계속 유지되는 최저 온도로, 통상 인화점보다 5~10℃ 높다. 발화점(착화점, ignition point) 은 점화원 없이 가열만으로 스스로 발화하는 최저 온도로, 셋 중 가장 높다. 따라서 크기 순서는 발화점 > 연소점 > 인화점이다. 주의할 점은 인화점과 발화점이 비례하지 않는다는 것이다 — 인화점이 낮은 물질이 발화점도 낮으리라는 법은 없다. 실제로 이황화탄소는 인화점이 −30℃로 매우 낮으면서 발화점도 100℃로 낮지만, 휘발유는 인화점이 −43℃로 더 낮은데 발화점은 약 300℃로 훨씬 높다. 발화점은 압력이 높을수록, 산소 농도가 높을수록, 분자량이 클수록, 열전도율이 작을수록 낮아진다.
폭발의 분류 — 물리적ㆍ화학적, 그리고 BLEVE
폭발은 원인에 따라 물리적 폭발과 화학적 폭발로 나뉜다. 물리적 폭발은 화학반응 없이 압력의 급상승으로 용기가 파열되는 것으로 보일러 폭발, 수증기 폭발, 고압가스 용기 파열이 해당한다. 화학적 폭발은 화학반응을 수반하며 산화폭발(가스ㆍ분진ㆍ분무폭발), 분해폭발(아세틸렌ㆍ산화에틸렌), 중합폭발(시안화수소), 촉매폭발로 나뉜다. 특별히 자주 출제되는 것이 BLEVE(비등액체팽창증기폭발) 다 — 액화가스 저장탱크가 외부 화재로 가열되면 내부 액체의 증기압이 올라가고 동시에 탱크 강도가 떨어져 파열되며, 순간적으로 감압된 액체가 급격히 비등ㆍ팽창해 폭발한다. 그 내용물이 가연성이면 거대한 화구(fireball)를 형성하는데 이를 파이어볼이라 한다. 방지 대책은 탱크 외벽 냉각(살수설비), 탱크의 지하 매설, 단열재 시공, 안전밸브를 통한 압력 방출, 화재 시 신속한 냉각 방수다. 한편 UVCE(개방계 증기운폭발) 는 저장탱크에서 누출된 가연성 증기가 대기 중에 구름을 형성한 뒤 점화되어 폭발하는 것으로, BLEVE 와 달리 누출이 먼저 일어난다는 점이 다르다. BLEVE 는 「블레비」로도 표기한다. 화염 전파속도로도 폭발을 가른다 — 폭연(deflagration) 은 화염이 음속보다 느리게(대략 초당 0.1~10m) 전파되며 충격파를 동반하지 않지만, 폭굉(detonation) 은 음속을 넘어(대략 초당 1,000~3,500m) 전파되며 충격파를 앞세워 파괴력이 훨씬 크다. 폭연에서 폭굉으로 넘어가는 구간을 폭굉유도거리(DID)라 하며, 관경이 작을수록ㆍ압력이 높을수록ㆍ점화에너지가 클수록ㆍ관 내에 장애물이 많을수록 짧아진다. 분진폭발은 가연성 고체의 미분이 공기 중에 부유한 상태에서 점화되는 산화폭발로, 금속분ㆍ밀가루ㆍ석탄분ㆍ설탕이 대표적이다. 가스폭발보다 연소속도와 폭발압력은 낮으나 발생 에너지와 파괴력이 크고, 불완전연소로 일산화탄소가 많이 생기며, 1차 폭발의 충격으로 쌓여 있던 분진이 날아올라 2차ㆍ3차 폭발로 이어지는 것이 특징이다.
05기출 지문
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연기(smoke)는 연소과정에서 발생하는 고체ㆍ액체ㆍ기체 상태의 미립자와 화학물질의 복합체로, 공기 중에 떠다니는 특성을 가진다.
분진폭발은 먼저, 입자 표면에 마찰 등으로 열에너지가 발생하여 표면온도가 상승하여 발화된다. 그 후, 열분해로 가연성 기체가 발생해 공기와 혼합되며, 주변의 열전파로 주위 분진이 추가로 열분해되어 가연성 기체가 연쇄적으로 확산된다. 이어서, 압력이 상승하면서 폭발이 일어나고, 폭발 이후 2차ㆍ3차 폭발이 발생한다.
분진폭발의 진행 과정(발화ㆍ열분해ㆍ연쇄확산ㆍ2차폭발) 서술에서 발화 개시 원인과 순서가 실제 메커니즘과 달라 옳지 않다(정답).