연소로 인한 화재와 폭발현상이 무엇이며 구체적으로 그 특성들에 대해 살펴본 후 사고를 예방할 수 있는 대책에 대해 알아보도록 하자.
1. 연소와 화재란?
연소란 가연성 물질이 공기 중의 산소와 급격한 산화반응을 일으켜 빛과 열을 발생하는 현상이며, 연소로 인해 사람이나 재산상에 피해가 미치는 것을 화재라고 한다.
1-1 연소의 요건
연소에는 산소 공급원, 가연물, 점화원. 이 세 가지가 필요하다.
가연물이 연소하기 위해서는 공기 중에서 가연물이 연소할 수 있는 온도까지 높여주어야 한다. 예를 들어 메탄은 온도가 537도로 상승하면 발화하게 되는데 이 온도를 발화온도라고 한다. 불길의 일부분이라도 존재하면 그 주위는 금세라도 발화온도 이상이 되기 때문에 가연물 전체가 발화온도까지 올라가지 않더라도 산소의 공급이 있다면 연소는 확대된다.
물질의 연소가 산화반응이며 화학반응이어서 반응속도는 온도가 100도 상승할 때마다 약 2배가 되므로 연소와 같은 발열반응은 일단 반응이 시작되면 그 발열로 온도가 급상승하게 되고 그 때문에 반응속도가 급속도로 촉진되어 다시 온도를 상승시키는 지수곡선을 그리면서 상승한다. 이와 같이 생긴 고온은 급격한 가스팽창을 가져오고 이로 인해 파괴가 일어나는데 이것이 폭발이다.
1-2 자연발열과 자연발화
공기 중에서 연소를 일으키는 경우, 물질의 종류에 따라 연소의 성질에 차이가 있다. 자연발화는 자연발열로 인한 열이 축적되어 물질의 자연발화온도에 도달해서 연소에 이르는 현상이다. 따라서 자연발열을 일으키는 물질은 다른 점화원이 없어도 연소한다.
자연발화는 분해열, 산화열, 흡착열, 미생물 등에 의한 발화로 분류한다.
자연발화를 일으키는 물질이 대부분은 강한 환원성을 가지고 있는데 공기중의 산소를 흡수하면 산화열이 축적되어 온도 상승을 가져오고 이때 자연발화온도에 도달하여 연소를 시작한다. 그러므로 산화성 물질과 환원성 물질이 접촉하면 화재를 일으키거나 폭발을 일으킬 위험이 있다.
물질의 온도가 발화온도에 도달하여 공기 중에서 자연발화하고 연소하게 되는 것을 자연발화현상이라고 하지만, 밀폐공간 내에서 반응물질이 자연발화를 일으키면 공간 내의 압력이 급상승하여 폭발을 일으키게 된다.
자연발화를 방지하기 위해서는 통풍이나 저장법을 고려하여 열축적을 방지하여야 한다.
2. 폭발현상과 폭발한계
폭발은 급격한 비정상 연소의 일종으로 화학변화가 생겨 압력이 급격히 상승하여 폭음을 동반한 가스의 팽창 등이 일어나는 현상이다. 여기서 폭발의 전파속도가 음속을 넘는 큰 폭발을 폭굉이라고 한다. 그리고, 연소와 폭발은 연쇄적으로 발생하는 일이 많다.
폭발한계란 가연성의 가스나 분진은 공기 또는 산소와의 혼합기 중에서 어느 한정된 농도범위에서만 폭발하는데 이 농도를 폭발한계라고 한다. 농도범위 중에 최고농도를 폭발상한계, 최저농도를 폭발하한계라고 부른다.
2-1 폭발의 종류
폭발의 종류는 7가지 정도로 분류할 수 있다.
①가연성 가스, 증기의 폭발 ②분해폭발성 가스의 폭발 ③가연성 미스트의 폭발 ④가연성 분진의 폭발
⑤고체, 액체의 분해 폭발 ⑥수증기 폭발 ⑦반응 폭주
2-2 폭발현상을 일으키는 조건
폭발현상이 일어나기 위해서는 3개의 조건을 동시에 만족하여야 한다.
①가연성 가스, 증기 및 분진 등 가연물이 존재하고 있을 것
②가연물의 공기(산소)와의 혼합농도가 폭발한계 내이고 충분히 혼합되어 있을 것
③혼합물 내에 점화원이 되는 것이 존재하고 있을 것
따라서 가연성 가스, 증기 및 분진이 존재하고 있어도 그 양이 적고 폭발한계에 도달하지 않으면 설사 점화원이 있었다고 하더라도 폭발이 일어나지 않는다. 그리고, 가연물과 공기와의 혼합비율이 폭발한계에 달하였다 하더라도 점화원이 존재하지 않는다면 폭발현상은 일어나지 않는다.
3. 화재, 폭발 대책
연소가 지속되는데 필요한 가연물과 산소, 온도 중 어느 하나만 제거하면 소화가 가능하다. 소화의 방법에는 물리적인 방법과 화학적인 방법이 있고, 물리적인 소화방법에는 화재를 냉각시키거나 강풍으로 억제하는 방법, 혼합조성을 변화시키는 방법이 있으며 화학적 소화방법에는 냉각, 질식, 희석 소화방법이 있다.
폭발을 방지하기 위해서는 폭발물질이 존재하더라도 현장에 화재, 열, 충격, 마찰, 불꽃, 산화, 기타 화학반응 등의 원인 제공 인자가 없으면 폭발은 일어나지 않는다.
따라서, 위험물질을 사용, 생성할때나 그 물질의 성능에 대하여 확실한 지식을 가지고 있어야 하고, 혼합으로 인하여 그 물질이 위험상태가 되는 기회를 주지 말아야 하며 피해를 최소한으로 억제하기 위해 위험물질을 가까운 거리 내에 다량으로 쌓아두지 말아야 한다.
4. 요약 및 결론
연소로 인해 인명피해나 재산피해가 발생하는 것을 화재라고 하고 급격한 비정상 연소로 인해 가스의 팽창과 폭음을 동반하는 현상을 폭발현상이라고 한다. 연소는 산소공급원, 가연물, 점화원이 필요하고 폭발현상을 일으키는 조건은 가연물의 존재, 가연물과 공기의 적절한 혼합, 점화원이 존재해야 한다. 대책으로는 소화의 물리적, 화학적인 방법을 활용하여 화재를 진압하거나 폭발 방지를 위해 위험물질 사용 시 적절한 조치 및 예방법이 필요하다.
화재, 폭발재해를 예방하기 위해서는 여러 가지 기술적으로 해결해야 할 문제가 많으므로 과거의 사고사례들을 많이 수집하고 분류하여 자신의 사업장에 관련되는 대책을 적용하는 것이 바람직하다.