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우리가 연소범위에 대해 좀 더 알아야 하는 이유

경기 안산소방서 최기덕 | 기사입력 2021/02/23 [09:40]

우리가 연소범위에 대해 좀 더 알아야 하는 이유

경기 안산소방서 최기덕 | 입력 : 2021/02/23 [09:40]

건축물 화재가 진행되는 동안 화재실에는 종류가 다른 기체들로 구성된 혼합물의 연기층이 만들어집니다. 그리고 이 연기층에 특정한 점화원이 추가되면(혹은 자연적으로 점화원이 발생하면) 불꽃이 생겨날 겁니다.

 

왜, 그 특정한 때와 특정한 곳에서 점화가 일어날까요? 간단한 대답은 그 때에, 그곳에서 ‘완전한 화재의 삼각형’이 만들어지기 때문입니다. 이는 연료와 산소의 혼합물이 적정한 온도에 도달해 점화되면서 나타나는 현상입니다. 많은 소방관이 이 개념을 이해하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

 

이번 호에서는 이런 내용을 벨기에 소방관 Karel Lambert가 화학반응식(Reaction formula)과 그림을 통해 설명한 글1)에 제 생각을 추가해 소개하려고 합니다.

 

1. 연소한계(Flammability limits)

▲ [그림 1] 연소범위 내에서 공기와 가연성 가스의 혼합기체 점화 사진. 왼쪽은 점화 직후의 사진이고 오른쪽은 그 후의 사진입니다. 화면(flame front)은 화점으로부터 모든 방향으로 둥글게 퍼져나가고 있습니다(Photo’s: Karel Lambert).

 

연소한계나 폭발한계는 화재 행동을 완전히 이해하기 위한 중요한 개념입니다. 화재 발생 시 고체 또는 액체상태의 가연물은 열분해로 인해 기체연료가 됩니다. 이러한 열분해 가스는 주변의 다른 가스와 섞여 가연성 가스가 될 수 있습니다. 

 

가연성 가스가 충분히 형성되면 폭발 하한(LEL, Lower Explosive Limit)에 도달합니다. 폭발 하한(LEL)과 연소 하한(LFL, Lower Flammable Limit)은 같은 원리를 설명하는 두 개의 다른 용어입니다. 소방관 대부분은 복합가스 검출기에서 ‘LEL’이라는 약어를 본 적이 있을 겁니다. 그 LEL이 폭발 하한을 말하는 겁니다.

 

이 글에서는 연소 하한이라는 용어를 사용할 건데 그 이유는 제가 의도하는 뜻을 더 잘 담고 있기 때문입니다. 가연성 가스가 이 하한선을 통과하는 순간 점화될 수 있습니다. 일반적으로 가연성 가스는 하한선 바로 위의 농도에선 폭발하지 않고 기껏해야 느린 속도의 연소만 일어날 겁니다. 

 

이 글은 본질적으로 화재와 화재 가스에 관한 겁니다. 하지만 간단한 화학반응식으로 표현하기 위해 일반적인 화재 가스 대신 메탄가스를 연료로 생각하겠습니다. 화재 가스에 포함된 에너지 양은 메탄가스에 포함된 에너지 양보다 적습니다.

 

화재 가스(열분해 가스)의 양이 점차 증가하면 혼합물 내 가연성 가스의 비율이 높아집니다. 어떤 시점에서는 가연성 가스가 너무 많아 더는 혼합물을 점화시킬 수 없게 됩니다.

 

이를 폭발 상한(UEL, Upper Explosive Limit), 즉 연소 상한(UFL, Upper Flammable Limit)이라고 합니다. 이 연소범위(연소 하한과 연소 상한 사이)에 위치한 산소와 가연성 가스의 혼합물은 연소할 수 있습니다([그림 1] 참조).

 

이 연소범위 어딘가 연소반응에 이상적인 혼합농도가 있습니다. 이 이상적인 혼합농도에서 가장 격렬한 연소반응을 일으킵니다. 화재 현장에서 발생한 연기는 많은 종류의 가연성 가스로 이뤄져 있습니다만 이 글에선 메탄가스라는 하나의 가스로 연소범위의 원리를 설명하겠습니다.

 

2. 연소 반응(Combustion reaction)

▲ [그림 2] 왼쪽은 연소반응에 따른 물질들의 내부에너지 변화를 나타내고 오른쪽은 연소반응에 따른 주변 온도변화를 나타냅니다(Drawing: KiDuck Choi).


[그림 2]의 왼쪽 그림은 열역학적 관점에서 연소반응을 통한 물질들의 내부에너지(Potential Energy, 화학적 에너지)의 변화를 나타낸 그림입니다. 반응 전의 초기 반응물 에너지(E1)에 점화에너지(활성화 에너지/AE, Activation Energy)가 더해져 연소반응이 일어납니다.

 

발열반응을 통해 일정량의 에너지(Q, 연소열)를 방출하고 새로운 연소생성물들의 내부에너지(E2)는 줄어든다는 걸 표현한 그림입니다. 오른쪽 그림은 가연성 가스의 초기 온도(T1)에 점화온도(Ti, 활성화 에너지)까지 열이 더해진 후 연소반응이 일어나고 연소생성물의 온도(T2)가 연소 전보다 올라갔다는 걸 나타낸 그림입니다.   

 

3. 메탄의 연소반응식과 활성화 에너지(Reaction formula & Activation energy)

아래 화학 반응식은 메탄의 연소를 설명하고 있습니다. 메탄(CH4)은 천연가스의 학명입니다. 이 가스는 주방의 가스레인지에서 사용됩니다. 메탄은 산소(O2)와 혼합됐을 때 점화될 수 있습니다.

 

상온(20℃), 상압(1atm)에서 메탄과 산소는 기체상태입니다. 이 구체적인 반응식에는 한 개의 메탄 분자와 두 개의 산소 분자가 반응해 한 개의 이산화탄소(CO2)분자와 두 개의 물(H2O) 분자가 만들어집니다. 

 

 

그러나 이 두 가지 물질만이 연소반응의 생성물은 아닙니다. 메탄의 연소는 발열반응입니다. 따라서 메탄 연소 시 에너지가 생성(방출)됩니다.

 

메탄과 산소로 이뤄진 혼합물이 있다고 가정해보겠습니다. 이 혼합물에서 한 개의 메탄 분자에는 두 개의 산소 분자가 연소반응을 합니다. 총 1㎏의 메탄이 연소했다면 이를 통해 약 50MJ(메가줄)의 에너지가 생성됩니다. 

 

 

그러나 그 반응이 저절로 시작되진 않을 겁니다. 우리가 집에서 주방 가스레인지의 가스 밸브를 열면 메탄가스가 흘러나오기 시작하면서 공기와 혼합되겠지만 자연적으로 연소되진 않을 겁니다. 연소하기 위해선 점화장치가 필요합니다.

 

점화에너지는 특정 위치에서 온도를 상승시켜 반응을 시작할 수 있을 만큼 높은 온도를 만들어 줍니다. 연소반응 전 기체의 초기 온도가 높을수록 필요한 점화에너지는 낮아집니다. 즉 -20℃의 겨울철 실외에서 혼합물이 점화되기 위해선 20℃의 실내보다 더 많은 에너지를 필요로 할 겁니다.

 

결국 겨울철 실내보다는 실외에서 40℃를 더 가열해야 할 겁니다. 화재 진행 시 연료가 되는 화재 가스의 온도는 매우 다양한 분포를 나타내기 때문에 이 부분은 중요합니다. 화재 가스의 온도가 높아질수록 화재 가스의 점화에너지(활성화 에너지)는 덜 필요해집니다.

 

연소반응을 통해 생성되는 에너지는 반응 전 기체의 초기 온도보다 반응 생성물의 온도를 더 높입니다. 메탄에 들어있는 화학에너지가 열에너지로 전환됐기 때문입니다. 연소반응이 일어나기 전 메탄가스에 저장된 에너지가 연소반응을 통해 방출됐습니다. 방출된 에너지는 이산화탄소와 물이라는 반응 생성물과 함께 존재합니다. 

 

혼합물 어딘가에서 점화가 일어나면 열이 발생합니다. 이 열은 주변의 분자를 향해 전파되고 생성된 열은 주변 분자들에게 활성화 에너지로 작용할 겁니다. 이러한 현상은 연쇄반응을 일으켜 불꽃이 형성돼 혼합물 전체에 퍼지게 됩니다([그림 1] 참조). 

 

▲ [그림 3] 상온(20℃)에서 순수한 메탄과 산소의 연소를 나타낸 그림. 일정한 양의 활성화 에너지에 반응이 더해지면 연소반응이 시작된다. 반응생성물(이산화탄소와 물)은 최종온도(T1)까지 가열된다(Drawing: Karel Lambert).

[그림 3]의 Y축은 온도를 나타냅니다. 반응물은 파란색 메탄(CH4)과 산소(O2)로 표시됩니다. 이 경우엔 연소반응 전 온도는 20℃입니다.

 

이게 반응의 초기 온도입니다. 파란색 사각형의 크기는 두 기체 내에 저장된 에너지를 나타내고 에너지 크기는 사각형의 크기로 설명됩니다.

 

이 그림에서 X축은 에너지를 나타내는 게 아니고 반응 전후 물질의 에너지를 비교하기 위한 보조 눈금의 역할을 합니다. X축의 점선 왼쪽엔 초기 반응물이, 점선 오른쪽엔 반응 생성물이 있습니다.

 

위에서 설명한 바와 같이 일정량의 활성화 에너지를 화재 가스에 더해 주기 위해선 점화원이 필요합니다. 점화원은 (정)전기 스파크나 성냥, 가열된 표면이 될 수 있습니다. 필요한 점화에너지 양은 오렌지색 사각형의 크기로 설명할 수 있습니다.

 

초기 반응물이 특정 온도인 점화온도 Ti(Ignition temperature)에 도달할 때까지 에너지를 공급해야 합니다. 연소반응 자체는 검은 점선으로 표시됩니다. 또 반응이 일어나는 동안 엄청난 양의 에너지가 생성됩니다. 이 에너지는 반응 생성물을 가열하는 역할을 합니다.

 

[그림 3]은 이산화탄소와 물의 최종온도가 초기 반응물 온도보다 상당히 높다는 걸 보여줍니다. 반응 생성물의 온도는 그림에서 T1로 표시됩니다. 연소반응으로 생성되는 에너지는 적색 사각형 크기로 그려졌습니다. 이는 연소과정의 결과로 만들어진 열에너지입니다. 

 

실제 주방의 가스레인지에선 위 설명과 다른 일이 일어나고 있습니다. 주방에서 메탄은 순수한 산소와 연소하지 않습니다. 실제 혼합물에는 메탄과 산소 이외에 질소(N2)와 다른 미량기체도 포함돼 있습니다.

 

우리 주변 공기는 산소 21%와 질소 79%(미량기체는 생략)로 이뤄져 있습니다. 이는 공기 속 한 개의 산소 분자마다 3.76개의 질소 분자가 존재한다는 걸 의미합니다. 공기 중의 메탄 연소를 위한 화학 반응식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

▲ [그림 4] 상온(20°C)에서 공기 속의 순수한 메탄의 연소를 나타낸 그림. 녹색 사각형은 연소 반응에 참여하지 않는 질소가 가진 에너지의 크기를 나타냅니다. 점선 오른쪽 반응 생성물의 온도(T2)는 [그림 3]에서의 반응 생성물 온도(T1)보다 낮습니다. 반응 생성물의 적색 사각형과 녹색 사각형 크기의 합은 반응생성물들이 가진 열에너지를 나타냅니다(Drawing: Karel Lambert).

 

이 반응식도 달라졌습니다. 반응물에 질소가 추가됐고 반응 생성물에도 질소와 에너지가 추가됐습니다. [그림 4]는 반응 전 질소와 반응 후 질소를 두 개의 녹색 사각형으로 나타낸 겁니다. 질소는 연소가 일어나기 전에도 존재합니다.

 

연소반응에 참여하지 않더라도 Ti까지 가열될 겁니다. 우리가 혼합물을 점화시키려면(또는 다르게 표현해 혼합물을 점화온도로 가열하려면) 산소-메탄의 두 종류만 포함된 혼합물보다 더 많은 에너지를 공급해야 합니다.

 

이는 [그림 4]에 분명히 나타나 있습니다. [그림 4]의 오렌지색 사각형의 크기(활성화 에너지)가 [그림 3]의 오렌지색 사각형의 크기보다 커졌습니다. 메탄과 공기의 혼합은 메탄과 산소의 혼합보다 더 큰 에너지 발화원(활성화 에너지)을 필요로 하게 됩니다.

 

연소 결과도 달라질 겁니다. 질소는 연소반응에 참여하지 않고 반응 생성물에서 다시 발견됩니다. 반응 후에는 이산화탄소와 물, 질소의 혼합물이 형성됩니다. 생산되는 열은 이전 상황과 정확히 동일합니다.

 

즉 같은 양의 메탄이 연소하고 있습니다. 그러나 반응 후 생산된 열의 총량은 세 가지 최종 생성물들이 골고루 나눠 가질 겁니다. 질소는 대량의 열(이산화탄소와 물이 가진 열의 약 두 배 정도)을 흡수할 겁니다.

 

또 [그림 4]는 반응 후 최종온도는 T2가 T1([그림 3] 참조)보다 낮다는 걸 보여줍니다. [그림 4]의 적색 사각형과 녹색 사각형을 합한 크기는 [그림 3]의 적색 사각형 크기와 같습니다. 

 

위에서 설명한 두 반응은 모두 이상적인 혼합물을 다루고 있습니다. 현실적으로 이상적인 혼합물은 거의 존재하지 않을 겁니다. 현실에서는 연료가 너무 많거나 산소가 너무 많을 수도 있습니다. 이는 연소 반응에 또 다른 영향을 미치게 됩니다.

 

이제 두 개의 산소 대신 세 개의 산소 분자가 있다고 가정해보겠습니다. 그 반응식은 다음과 같이 예상됩니다.

 

 

연소반응 전 반응물엔 과잉 산소뿐만 아니라 과잉 질소도 있습니다. 공기 중에선 모든 한 개의 산소 분자마다 3.76개의 질소 분자가 같이 혼합해 있습니다. 그럼 세 개의 산소 분자에는 11.28개의 질소 분자가 공기 중에 같이 존재한다는 걸 의미합니다.

 

반응물이 두 개의 산소 분자일 때와는 다른 모습일 겁니다. 반응물 중에서 우린 여분의 산소 분자를 볼 수 있습니다.

 

이는 연소반응 전-후를 나타낸 그림을 다시 바꿀 겁니다. [그림 5]의 점선 왼쪽이 연소 전 반응물입니다. 파란색 사각형은 여전히 연소과정에 참여하는 물질들을 나타냅니다. 메탄과 그 양의 메탄을 태우는 데 필요한 산소가 연소과정에 참여합니다. 녹색 사각형은 질소를 나타냅니다.

 

그러나 질소의 양이 증가하면서 녹색 사각형의 크기가 더 커졌습니다. 분홍색 사각형은 과잉 산소 분자를 나타냅니다. 오렌지색 사각형의 크기가 더 커졌습니다. 결국 연소 전 반응물들은 모두 Ti로 가열돼야 한다는 걸 의미하며 연소반응에 참여하지 않는 과잉 산소도 Ti로 가열돼야 한다는 겁니다.

▲ [그림 5] 상온에서 과잉 공기에서의 메탄 연소를 나타낸 그림. 분홍색 사각형은 과잉의 산소를 나타내고 질소를 나타내는 녹색 사각형은 [그림 4]에서보다 크기가 더 커졌습니다. 또 반응 생성물의 최종온도도 [그림 4]에서 보다 낮아졌습니다. 반응 생성물의 적색, 녹색, 분홍색 사각형 크기의 합은 반응 생성물이 가진 열에너지를 나타냅니다(Drawing: Karel Lambert).

 

[그림 5]에서 적색 사각형은 연소과정의 반응 생성물들(이산화탄소와 물)을 나타냅니다. 이는 [그림 3]에 있는 것과 같습니다. 이들 외에도 반응 과정에 참여하지 않는 질소(녹색 사각형)와 산소(분홍색 사각형)가 있습니다. 연소 반응에서 생성되는 에너지의 양은 이전 상황과 동일합니다.

 

[그림 3]에서 적색 사각형의 크기는 [그림 5]에서 빨간색과 녹색, 분홍색 사각형 크기를 합한 것과 같습니다. 모든 그림을 비교해 보면 T3 < T2 < Ti의 순서고 이는 모든 반응 생성물을 더 가열해야 하므로 반응 생성물이 많아질수록 연소 후 반응 생성물 온도가 더 낮아지는 게 분명해집니다.반응 생성물 온도는 주변 가스의 점화원 역할을 합니다.

 

이는 반응 생성물이 옆에 있는 화재가스를 점화시키기 위한 활성화 에너지 역할을 한다는 걸 의미합니다. 위 그림들은 필요한 활성화 에너지(AE)가 매번 증가하고 있음을 보여줍니다. 그러나 동시에 각 그림에서의 연소 최종 생성물의 온도가 감소(T3 < T2 < Ti)하고 있음을 알 수 있습니다. 

 

이런 식으로 과잉 산소나 질소 등이 많아지면 반응 생성물들은 더 이상 주변 가연성 가스의 점화원 역할을 할 정도로 뜨거워지지 못합니다. 그럼 화염을 형성할 수도 없게 될 겁니다. 가연성 가스의 양에 비해 산소가 너무 많은 혼합물의 경우 폭발 하한 또는 연소 하한에 도달하게 됩니다.

 

[그림 4]에서 과잉의 산소 대신 과잉의 메탄을 추가하는 것도 가능해집니다. 연소 후 생성물에는 산소 대신 메탄의 과잉이 있을 겁니다. 그 옆엔 질소가 그대로 남아 있습니다. 과잉 메탄은 활성화 에너지에 의해 가열될 겁니다.

 

이 과정은 더 많은 메탄이 연소 전에 존재하기 때문에 연소가 이뤄지기 위해 더 많은 활성화 에너지가 필요하게 됩니다. 연소하지 않는 과잉 메탄은 생성되는 열에너지 일부를 흡수할 것이고 이는 연소 생성물 온도를 떨어뜨리게 됩니다.

 

어느 순간 생성되는 열에너지는 너무 많은 메탄의 온도를 올리기 위해 사용돼 더는 추가 화염을 형성시키지 못하게 될 겁니다. 그 지점은 폭발 상한 또는 연소 상한이 됩니다.

 

연소한계는 체적 백분율(volume percent)로 표현됩니다. 연소 하한(LFL)은 가연성 혼합물이 연소하지 않기 위해 얼마나 많은 공기를 연료에 첨가해야 하는지를 나타내고 연소 상한(UFL)은 혼합물이 더는 연소하지 않게 하려면 얼마나 많은 연료를 혼합물에 첨가해야 하는지를 나타냅니다.

 

메탄은 천연가스로 더 흔히 알려진 가스입니다. 연소 하한은 5%이고 연소 상한은 15%입니다. 이는 연소반응을 할 만한 충분한 천연가스를 가진 혼합물이 메탄 5~15%, 공기 95~85%(산소 19.95~17.85%, 질소 75.05~67.15%)로 구성됐다는 걸 의미합니다.

 

4. 열 안정제와 소염효과(Thermal ballast & Quenching)

앞의 여러 그림을 보시면 연소과정에 참여하지 않는 기체의 양이 점점 많아지는 걸 알 수 있습니다. 이 가스들은 무임승차(free-loader) 또는 안정제(ballast) 역할을 합니다. 반응에 기여하지 않지만 활성화 에너지와 연소 후 생성된 에너지를 흡수합니다.

 

이는 이런 기체들이 포함된 혼합물을 점화시키기 위해 더 많은 활성화 에너지가 필요하다는 걸 의미합니다. 연소 후 이런 무임승차 가스들은 생성된 에너지를 흡수해 메탄-산소의 화학양론적 연소반응보다 반응 생성물의 온도가 비교적 저온으로 나타날 겁니다.

 

이러한 효과를 ‘열 밸러스트(thermal ballast)’2)라고도 합니다. 반응에 참여하지 않는 분자는 화학적 과정에서의 안정제입니다. 그들은 완전한 연소과정을 점점 더 힘들게 하며 밸러스트 효과가 커지면 더 이상 연소가 불가능해집니다.

 

열 밸러스트는 소방관들에게 중요한 개념입니다. 위에서 언급되지 않은 안정제의 한 예는 화재 가스에 수증기를 추가하는 겁니다. 격실 화재에서 진압대원들은 내부공격을 시작할 때 뜨거운 화재 가스를 냉각할 겁니다. 이를 위해 분무주수 패턴으로 연기층에 주수하면 이 물방울들은 연기층으로부터 에너지를 빼앗아 흡수해 수증기가 형성됩니다.

 

이 수증기는 연기와 섞이고 이는 [그림 5]에서 연소 반응물과 반응 생성물에 사각형을 추가해야 함을 의미합니다. 수증기는 연소과정에 참여하지 않지만 활성화 에너지 일부를 흡수하고 연소반응에 의해 생성되는 에너지의 일부를 흡수할 겁니다. 혼합물에 수증기를 넣으면 그 혼합물은 점화하기 어려워 집니다. 

 

연소과정에 참여하지 않는 분자에 의해 흡수되는 모든 열은 그 연소과정에서 ‘잃어버린’ 열입니다. 생성된 열에너지가 어디로 향하는지 살펴보는 것도 흥미롭습니다. 화재나 연소반응(예 : 양초의 불꽃)에서는 연소가 일어나는 정확한 장소에서 에너지가 생성되고 있습니다.

 

다음으로 이 에너지는 전도와 대류, 복사를 통해 주위로 전파됩니다. 너무 많은 에너지가 연소반응 영역에서 사라지면 연소는 멈추게 됩니다. 이 효과는 촛불을 통해 연구할 수 있습니다.

 

양초는 층 확산(Laminar diffusion) 연소로 불꽃을 만들어 냅니다. 불꽃 표면에서 산소와 연료가 끊임없이 섞이고 있다는 뜻입니다. 또 불꽃의 심지 부근에서 생성되는 에너지에 의해 불꽃의 말단 부분이 ‘점화’된다는 걸 의미합니다.

 

작은 금속망을 불꽃 한가운데에 갖다 대면 불꽃이 끊어집니다. 금속망이 불꽃의 열을 흡수하고 열의 전달 방향을 바꾸기 때문입니다. 가연성 가스는 금속망을 통과해 계속 상승하지만 열은 금속망을 통과하지 못합니다.

 

금속망은 열이 전파되는 방향을 바꿔 열을 금속망 주변으로 전달해 줄 겁니다. 금속망 위쪽에는 아직도 산소와 연료가 섞여 있지만 혼합물을 점화시킬 만한 에너지는 부족해집니다. 열에너지가 연료와 전혀 다른 방향으로 전파되기 때문에 불꽃이 성장할 수 없는 이 현상을 ‘퀀칭(quenching, 냉각/소염)’이라고도 합니다.

 

구획실 화재에서 이 퀀칭효과는 몇 가지 다른 방식으로 나타납니다. 예를 들어 화재실 벽은 부분적으로 금속망의 역할을 하게 됩니다. 그러나 화재에 대한 그들의 영향은 더 복잡합니다.

 

화재 초기에는 벽이 열을 흡수하게 됩니다. 정확한 양은 이 벽의 구조적 특성에 따라 달라질 겁니다. 화재 발생 얼마 후 벽의 표면은 매우 뜨거워질 거고 열 흡수량은 감소하게 됩니다.

 

금속망과는 같지 않은 상황입니다. 금속은 매우 큰 열전도 특성을 갖지만 건축에 사용되는 재료 대부분은 이런 성질을 갖지 않기 때문입니다. 그래서 얼마 후 벽의 열 흡수형태가 변합니다.

 

구획실 화재에서 이 같은 효과가 나타나는 또 다른 방법은 진압대원들이 다수의 물방울을 화염에 주수하는 겁니다. 각각의 물방울은 일정량의 에너지를 흡수할 수 있습니다.

 

두 개의 물방울이 서로 가까이 있을 때 많은 에너지가 흡수돼 불꽃이 물방울을 통과하는 데 어려움을 겪게 됩니다. 움직이는 물방울의 안개가 양초의 불꽃을 통과하는 데 방해하는 금속망 역할을 하게 됩니다. 안개 형태의 물방울은 불꽃을 멈추게 할 만큼 화염 주변을 충분히 냉각할 수 있습니다.

 

▲ [그림 6] 주변온도가 200℃인 상태에서 메탄의 연소. 연소반응에 필요한 활성화 에너지는 상온(20℃)에서보다 더 작을 겁니다. 오렌지색 사각형은 [그림 4]에서보다 더 작습니다(Drawing: Karel Lambert).


열 밸러스트도 다른 방식으로 열을 흡수하는 작용을 합니다. [그림 4]는 공기 중 메탄의 연소를 보여줍니다. 두 기체는 모두 점화 시 상온에 있습니다. 연소반응이 시작되는 연소범위로 들어가기 위해 혼합가스를 가열할 수 있는 활성화 에너지가 필요합니다.

 

위 언급에서 메탄은 연기의 가연성을 설명하기 위해 사용됐습니다. 연기가 상온에서 발생하는 경우는 드뭅니다. 연기 온도는 화재의 열 방출률에 의해 결정됩니다. 뜨거운 연기가 치솟아 화염에서 멀어지면서 공기와 섞입니다. 이로 인해 연기는 냉각됩니다. [그림 5]도 메탄과 공기의 이상적인 연소과정을 보여줍니다.

 

[그림 6]에서는 [그림 4]와는 달리 가스와 공기의 혼합 상태의 온도는 상온보다 높은 온도인 200℃([그림 4]에서는 20℃) 입니다. [그림 4]와 [그림 6]을 비교해 보면 이제 활성화 에너지가 덜 필요하다는 걸 알 수 있습니다. 주황색 사각형의 크기가 더 작습니다. 여기에 연소 반응 후 생성물의 최종온도는 180℃ 더 높아집니다.

 

결국 메탄-산소의 연소 중에는 여전히 같은 양의 에너지가 생성되고 있는 겁니다. 연소 반응 전의 온도가 [그림 4]보다 [그림 6]의 경우가 180℃ 더 높으므로 반응 후의 온도 또한 180℃ 더 높을 겁니다. 이는 T4([그림 6])> T2([그림 4])로, T4가 [그림 6]의 Y축에서 더 높은 위치에 도달한 녹색이나 적색 사각형이 나타나는 이유입니다.

 

▲ [그림 7] 온도에 따른 메탄의 연소범위. 혼합물은 A(20℃)에서 연소범위 밖이지만 20℃에서 200℃로 가열되면 B(200℃)의 위치인 연소범위 안으로 포함되게 됩니다(Drawing: Karel Lambert).

5. 연소범위(Flammability range)

연소반응 시 높은 온도의 또 다른 중요한 점은 연소범위가 넓어진다는 겁니다. 높은 온도에서는 연소반응에 필요한 활성화 에너지의 양이 줄어들었습니다.

 

위 단락에선 연소반응 때문에 생성된 열이 다른 분자에게 충분한 활성화 에너지를 제공하지 못했기 때문에 특정 혼합물이 더는 점화할 수 없다고 설명했습니다.

 

반응 후 생성된 에너지보다 필요한 활성화 에너지가 더 크기 때문에 20℃에서 점화될 수 없는 혼합물은 200℃에서 점화될 수 있습니다.

 

생성되는 에너지양은 그대로였지만 필요한 활성화 에너지는 줄어들었습니다. 온도가 오르면 가연성 범위가 넓어진다는 건 특히 화재진압 작전 중에 중요한 요소입니다.

 

결국 진압대원들은 항상 매우 높은 온도에서 화재진압 활동을 하고 있습니다. [그림 7]은 메탄 15% 이상을 함유한 혼합물이 20℃(A 지점)에선 가연성이 없지만 혼합물이 가열되면 어느 순간 가연성이 생기게 된다는 걸 나타냅니다.

 

우린 200℃(B 지점)가 연소범위3) 안에 있지만 그 20℃(A 지점)가 연소범위 밖에 있다는 걸 분명히 알 수 있습니다. 달라진 건 주변 온도뿐입니다.

 

6. 맺음말(Closing remarks)

화재 현장에서 가연성 혼합물은 메탄과 공기로만 형성되지 않습니다. 화재 가스와 열분해 가스가 공기와 혼합돼 형성됩니다. 화재 가스는 CO2와 물 이외에 많은 다른 구성 요소로 이뤄져 있습니다. CO, HCN과 같은 다양한 다른 기체들이 함께 생성됩니다.

 

이 가스들은 각각의 연소범위와 발화 온도를 가집니다. 여기에 다량의 열분해 가스가 생산되고 연소반응에 필요한 양보다 공기가 적을수록 이런 기체들이 더 많이 생성될 겁니다(화재 성상이 훈소화재 성상 즉, 환기지배형 화재, 화재 가스가 연소 상한 이상의 과농도 상태가 됩니다). 열분해 가스는 메탄가스와는 다르게 작용하게 됩니다.

 

그래서 실제로는 위에서 설명한 것보다 상황이 훨씬 더 복잡해집니다. 그러나 메탄을 사용한 간단한 그림은 연소한계를 설명하는 데 충분할 겁니다. 이러한 연소한계는 backdraft, flashfire, smoke explosion과 같은 급속한 화재 현상을 명확히 알기 위해 매우 중요합니다. 따라서 소방관들은 연소한계를 조금 더 깊이 있게 연구해야 할 필요가 있습니다.

 


1) CFBT-BE, 12th December 2016, Karel Lambert: Flammability Limits

※ 논문 저자(Karel Lambert)와 협의 후 본 글을 소개합니다.

 

2) 열 밸러스트는 연료 혼합물에 불활성분자(예를 들어 질소, 수증기)가 추가돼 열 제거원(연소반응에서 에너지를 생성하지 않고 에너지를 흡수함)의 역할을 하는 걸 일컬으며 낮은 가연성 한계에 근접함에 따라 연소범위와 활성화 에너지를 감소시키는 상황을 말합니다.

 

3) 연소범위는 연소가 일어나는 데 필요한 가연성 가스의 농도 범위와 자력으로 화염을 전파하는 범위를 의미하나 여기서는 증기 농도 범위를 말합니다.

 

참고문헌(Bibliography)

1) CFBT-BE, 12th December 2016, Karel Lambert: Flammability Limits 

2) 물리화학 Ed. 7 / 교보문고 / Peter Atkins 외 / 안운선 / P. 978

 

경기 안산소방서_ 최기덕

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2021년 2월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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