화재, 폭발 개요

연소의 정의

가연성 물질 + 산화제(산소) -> 반응 생성물 (빛, 열)

• 연소란, 기체, 액체, 고체 물질이 산소와 결합하여 빛과 열을 수반하는 산화반응
• 연소의 화학반응은 원계에서 생성계로 물질의 변화로서 원계에 일정한 활성화 에너지가 주어져서 활성 상태에 달하면 안정한 상태가 되기 위하여 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 에너지를 방출하면서 이동
• 연소가 계속되기 위해서는 활성화 에너지를 받아 발화하고 나서 이 때 생기는 연소열에 의해 미 반응부분의 활성화가 계속 일어나는 연쇄반응이 필요

 

화재, 폭발의 정의

• 화재(Fire) : 통제를 벗어난 연소 확대현장으로 일정한 원인이 있어 발생하는 경우도 있으나, 빈도상 불을 취급함에 따라 취급 부주의로 물체의 연소에 의해서 신체 또는 물적 재산에 피해를 발생시키거나 파급할 우려가 있는 것으며, 많은 사람들에게 현자헌 불안을 발생 시킬 수 있는 현장
• 폭발(Explosion) : 물질이 급격한 화학적 변화 또는 물리적 변화를 일으켜 부피가 몹시 커져 폭발음이나 파괴 작용이 따르는 현상

 

연소의 3요소

• 가연성물질
• 공기 중의 산소
• 점화원

가연성 물질

• 고체 : 목재, 연탄, 섬유, 종이, 고무, 플라스틱, 금속분말 등
• 액체 : 가솔린, 등유, 경유, 아세톤, 톨루엔, 메탄올 등
• 기체 : 메탄, 프로판, 부탄, 수소, 아세틸렌, 일산화탄소 등

 

점화원 (1)

• 직접화염 : 용접 및 용단 화염, 화로, 성냥 등
• 고온표면 : 전열, 고온액체, 증기 등으로 가열된 표면
• 복사열 : 발열체에 의한 복상열, 태양 등

 

점화원 (2)

• 마찰 및 충격 : 동력설비, 수공구, 금속 부착 신발 등
• 전기불꽃 : 전기스위치 개폐시, 배선단락, 조명등 파손
• 정전기 : 두가지 다른 물질이 접촉 또는 마찰시 발생

 

인화점과 발화점

– 인화점 (Flash Point / Temperature)

인화성물질 – 표면 증발 – 연소범위 혼합물

점화원을 가까이 했을 경우 인화되는 가장 낮은 온도

즉, 불이 불을 수 있는 가장 낮은 온도

– 발화점(Ignition Point / Temperature)

인화성물질 – 계속 가열 – 일정 온도 이상 도달

점화원이 없어도 불이 붙음

즉, 점화원 없이 스스로 불이 붙는 최저 온도 (= 자연발화온도)

* 연소점: 인화점에서 불이 붙은 후 연소가 5초 이상 될 수 있는 최저 온도

물질별 인화점과 발화점

물질명	인화점(℃)	발화점(℃)	물질명	인화점(℃)	발화점(℃)
수소	Gas	579	아세톤	-17.8	538
메탄	-188	538	벤젠	-11.1	562
에탄	-141	515	M.E.K	-4.4	516
부탄	-60	405	톨루엔	4.4	536
프로필렌	-108	497	메틸알콜	12.2	464
산화에틸렌	-28.9	426.7	에틸알콜	12.8	423
펜탄	-49	260	등유	40~60	260
가솔린	-43	280	경유	50~70	257

연소(폭발) 범위

UFL/LFL (연소 상/하한계) : Upper/Lower Flammable Limit

UEL/LEL (폭발 상/하한계) : Upper/Lower Explosive Limit

위험물질의 폭발범위

물질명	연소범위(공기내의 부피%)	UFL-LFL
산화에틸렌	3.6 – 100	96.4
디보란	1 – 99	98
아세틸렌	2.5 – 80	77.5
수소	4.1 – 74	69.9
트리클로로에틸렌	12 – 40	28
일산화탄소	12.5 – 74	61.5
메틸클롤로포름	6.8 – 10.5	3.7
카본디설파이드	1.25 – 44	42.8
황화수소	4.3 – 45.5	41.2
암모니아	15 – 28	13
에틸알콜	3.3 – 19	15.7
아세톤	2.5 – 13	10.5
메탄	5.3 – 14	8.7
에탄	3.2 – 12.5	9.3
프로판	2.4 – 9.5	7.1
부탄	1.8 – 8.4	6.6
펜탄	1.4 – 7.8	6.4
벤젠	1.4 – 6.7	5.3
톨루엔	1.3 – 6.7	5.4
가솔린	1.4 – 6.2	4.8

폭발범위에 영향을 주는 요소

• 산소 (Oxygen) : 산소가 증가하게 되면 폭발 하한계 영향은 거의 없으나, 폭발 상한계는 크게 증가하여 전체적인 폭발범위는 넓어짐 (*수소 폭발범위 예시 : 공기중 4.0-74.2%, 산소중 4.0-94.0%)
• 불활성 가서 (Inert Gas) : 질소, 탄산가스 등과 같은 불활성가스를 첨가하면 폭발하한계는 약간 상승하고, 상한계가 크게 낮아져 전체적인 폭발범위가 좁아짐  (*가솔린 폭발범위 예시: 공기중 1.4~7.6%, 질소첨가 1.5~3.0%)

폭발범위에 영향을 주는 요소

• 압력(Pressure) : 압력이 높아지면 폭발 하한계는 거의 영향을 받지 않으나, 상한계는 현저히 증가하여 전체적인 폭발범위는 넓어짐   (*압력변화에 의한 폭발상한 계산식, UFLp = UFL + 20.6(logP + 1)
• 온도(Temperature) : 온도 상승시 폭발 하한계는 감소하고, 상한계는 증가하여, 양방향으로 넓어지면서 전체적인 폭발범위가 증가함 (*온도 100℃ 상승시 하한계 8% 감소, 상한계 8% 증가)

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폭발범위에 영향을 주는 요소

인사(Facter)	폭발범위	하한계(LFL)	상한계(UFL)
산소	증가	거의 불변	크게 높아짐
불활성가스	감소	약간 낮아짐	크게 낮아짐
압력	증가	거의 불변	현격히 높아짐
온도	증가	낮아짐	높아짐

폭발의 분류

급격한 화학반응이나 기계적 팽창으로 급격하게 이동하는 압력파 또는 충격파가 만들어 내는 현사으로,

– 과충전에 의한 용기파열과 같은 물리적 폭발

– 급격한 화학반응에 의한 화학적 폭발

구분	특징	예시
산화폭발	비정상적인 연소 시 가연성 물질이 공기와의 혼합, 화합으로 산화반응을 일으킴	가연성가스, 증기, 미스트와 공기와의 혼합, 밀폐 공간 내부에 가연성가스 체류 시 등
분해폭발	자기분해성 물질의 분해	산화에틸렌, 아세틸렌의 분해 반응, 디아조 화합물의 분해열 등
중합폭발	발열종합반응 시 온도조절(냉각 등) 실패로 인한 급격한 압력 상승, 2차로 증기운 폭발을 일으킴	촉매 이상으로 인한 이상반응, 냉각설비 고장으로 인한 온도 조절 실패 등
가스폭발	메탄, 수소, 아세틸렌 등의  가연성 가스  가솔린, 알코올 등 인화성 액체의 증기	공기와의 혼합 상태에서 점화원으로 인한 산화반응 용기 등 밀폐 공간에서는 분해, 중합반응
증기폭발	고압 포화약, 액체의 급속 가열 극저온 액화가스의 수면 유출 등	물리적 폭발로서 급속한 기화현상에 의한 체적팽창 보일러 등 고압포화수의 급격한 방출 물 등에 고온의 용융금속 등이 대량 유입
미스트폭발	윤활유, 기계유 등 가연성 액체	가연성 액체가 안개상태로 공기 중에 누출되어 가스, 공기와의 부유 상태 혼합물을 형성하여 폭발
고체폭발	화약류, 유기 과산화물, 유기 발포제 등	위험물질 자체에 갖고 있는 산소와 산화반응으로 폭발
분진폭발	금속분, 농산물, 석탄, 유황, 합성수지 및 섬유 등 가연성 분진	공기 중 부유분진이 폭발 하한계 이상의 농도로 유지 될 때 점화원에 의한 폭발

폭발시 충격파의 전파 속도

• 음속을 초과하지 않는 경우 폭연 (Explosive burning, Deflagation)
• 음속을 초과한 경우 폭굉 (Detonation)

 

• 폭굉

– 큰 파괴력을 지니는 압축파의 형태

– 좁고 긴 배관에서 발생하기 쉬움

– 이러한 폭굉은 모든 가스에서 나타나는 것이 아니고 특정한 조건에 의하여 발생되는데 음속 이하의 반응속도에서도 큰 파괴력을 나타낼 수 있음

비등액체 팽창증기 폭발

(BLEVE : Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)

• 비점(끓는 점) 이상, 고압으로 유지되는 액체가 들어있는 탱크가 파열될 때 발생
• 용기 파열시 탱크 내용물 상당 부분이 폭발적으로 증발
• 액체가 가연성이고, 화재로 인해 폭발이 되면 탱크가 파열될 때 점화 – BLEVE 발생 – Fire Ball 현장 발생
• 화재에 기인한 것이 아닐 때에는 증기운이 형성 – 증기운 폭발 (VCE) 발생

BLEVE 발생단계

1. 액체가 들어있는 탱크 주위에서 화재 발생
2. 화재의 열에 의해 탱크의 벽 가열
3. 액위 이하의 벽은 액에 의해 냉각되나 온도는 계속 상승, 탱크 내 압력증가
4. 화염이 열을 감소시킬 액이 없고 증기만 존재하는 탱크 천장에 도달
5. 화염에 접촉하는 부위의 금속온도가 상승하여 구조적 강도를 상실
6. 탱크는 파열되고 내용물은 폭발적으로 증발

 

비등액체 팽창증기 폭발(BLEVE) 예방대책

• 내화구조
• 방유제의 경사화
• 물 분무설비
• 비상차단장치
• 내부 위험물의 출하 설비
• 감압장치
• 훈련

 

증기운 폭발 (VCE: Vapor Cloud Explosion)

• 화학공정 산업에서 가장 위험하고 파괴적인 폭발
• 증기운 폭발의 발생단계

1. 다량의 가연성 증기가 급격하게 방출 (*일반적으로 과열로 압축된 액체의 용기가 파열될 때 발생)
2. 플랜트에서 증기가 분산되어 공기와 혼합
3. 증기운의 점화

 

증기운 폭발 (VCE: Vapor Cloud Explosion)

• VCE 특성화 변수

1. 방출된 물질의 양
2. 증발된 물질의 분율
3. 증기운의 점화 확률
4. 발화되기 전 증기운이 움직인 거리
5. 증기운이 점화되기까지 지연시간
6. 폭발의 확률
7. 물질이 폭발할 수 있는 한계량 이상 존재
8. 폭발효율
9. 방출에 관련한 점화원의 위치

 

BLEVE와 VCE 비교

구분	BLEVE	VCE
정의	과열(비등)액체 증기폭발	자유공간 증기운 폭발
폭발분류	물리적 폭발	화학적 폭발
계	밀폐계	개방계
폭발효율	20~50%	10~20%
예방대책	– 방액제 내부 기초를 경사지게 설치 – 고정식 살수설비 설치 – 용기의 내압강도 유지 – 용기의 외력에 의한 파괴방지 – 용기외부에 단열시공	– 위험물질의 누출을 방지 – 취급시 재고량을 낮게 유지 – 누설을 검지하는 검지기, 분석기 설치 – 누설 검지시 자동으로 차단하는 자동차단, 밸브설치