연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.1(연소의 3요소)

연소(Combustion) 정의 및 개념 Part.1

연소현상의 자세한 성질은 아직도 발견되지 않은 부분이 많다. 그 이유는 연소라는 현상이 많은 기초 현상의 조합으로 만들어진 것이며, 연료의 종류나 연소 방법에 의해서도 그 연소과정을 지배하는 인자가 다르기 때문이다. 연소의 기본적인 형태는 단독 형태가 아닌 복합적으로 공존하는 경우가 많다.

 

연소란 발열을 수반하는 화학반응으로 이로 인해 발생한 열에너지나 활성화된 화학물질에 의해 반응이 자발적으로 지속되는 현상이며, 산업에서 연소의 개념은 가연성 물질이 공기 중의 산소와 반응하여 빛과 열을 발생하는 산화반응을 말한다. 그 외에 분자의 분해 반응(decomposition reaction 또는 dissociation reaction), 분자내부에서 반응이 진행되어 열에너지를 발생시키는 발열 분해 반응, 수소-브롬간의 산화환원 등 특수한 연소반응도 연소에 포함된다.

 

연소삼각형

연소가 제대로 이루어지기 위해서는 3가지 요소가 모두 포함되어야 한다. 3가지 요소란 가연물, 산소 공급원, 점화원으로 볼 수 있고, 연소가 연속적으로 진행될 수 있도록 하는 “연쇄반응”을 포함하면 연소의 4요소로 볼 수 있다. 따라서 하나의 변이라도 없으면 삼각형이 되지 않는 것처럼, 연소도 어느 하나의 요소라도 없다면 연소는 중단된다. 이런 연소의 특성은 화재가 발생할 경우 소화하는데 유용하게 이용된다.

 

예를 들면, 화재 발생 시 CO2소화설비나, 포소화설비 등이 작동할 경우 연소의 3요소 중 산소 공급원을 차단하는 질식소화 효과를 볼 수 있으며, 물을 뿌리는 것은 연소되는 물질의 온도를 더 낮게 만들어 냉각소화 겸 질식소화를 가능하게 한다.

 

Fig.1 연소의 3요소, 하나의 요소라도 없다면 연소는 발생하지 않는다.

연소의 3요소 특성

연소의 3가지 요소 중 각각의 특성을 보면 다음과 같다.

 

첫 번째, 가연물이란 연소하기 쉬운 물질을 말하며, 일상에서는 주로 연료를 생각하면 되겠다. 가연물로서의 조건은 다음과 같다.

1) 발열량이 클 것

2) 열전도율이 작을 것

3) 산소와 친화력이 좋을 것(산화되기 쉬울 것)

4) 표면적이 넓을 것

5) 활성화 에너지가 낮을 것

6) 수분함량이 낮을 것(건조도가 높을 것)

 

두 번째, 산소 공급원은 연소를 도와주거나 촉진시켜주는 조연성 물질로 공기, 자기 연소성 물질, 산화제(염소산 염류, 과산화물, 니트로글리세린, 니트로 셀룰로오스, 피크린산 등) 등이 있다. 따라서 연소되는 가연물 주위에 산소 공급원이 많을수록 연소는 더욱 강렬하게 진행된다.

예외적인 예로는 지르코늄 분말이 있다. 지르코늄 분말은 산소 공급원 없이 이산화탄소(CO2) 내에서 점화하는데, 이처럼 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등 산소 공급원이 없는 경우에도 연소하는 경우가 있다.

 

세 번째, 점화원은 가연물에 활성화 에너지를 주는 것으로 점화원의 종류에는 전기불꽃, 정전기, 단열 압축, 마찰 및 충격 불꽃 등이 있다. 산업안전 분야에서는 연소의 3요소 중 점화원 관리가 필수적인 분야이다. 산업 현장에서 사용하는 원재료가 가연물인 경우, 공기 중 산소를 제거하지 못하기 때문에 3요소 중 제거할 수 있는 것은 점화원 하나뿐이기 때문이다.

 

2020년 4월 29일 경기도 이천에서 발생한 물류센터 화재도 환기가 제대로 이루어지지 않는 지하에서 작업을 하며 발생한 화재로 추정된다. 우레탄 폼 작업을 하여 인화성 증기(가연물)가 작업장 내부에 차있는 동안 화기작업을 함으로 인해 점화원(용접 불꽃 또는 담배 등의 나화)에 의해 화재가 발생했을 것이다. 이와 같이 작은 불꽃 하나로 인해 화재 또는 폭발이 발생할 수 있으므로 점화원 관리는 매우 필수적이다.