연소속도·발화온도 영향인자

왜 배우는가: 연소속도와 발화온도는 화재의 시작과 확산 속도를 결정하는 기본 물성이다. 실무에서는 가연물 관리와 화재 진행 예측의 근거가 되고, 기술사 시험에서는 고체 연소 메커니즘과 영향인자를 묻는 문항으로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제131회 3교시 4번, 제109회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

고체 연소속도는 단위 시간당 가연물이 소모되는 질량 또는 연소면이 후퇴하는 속도이고, 발화온도는 외부 점화원 없이 또는 있이 가연성 혼합기가 착화하는 최저 온도다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 연소속도(burning rate)
• 발화온도(ignition temperature)
• 분해연소(decomposition combustion)
• 표면연소(surface combustion)
• 열분해(pyrolysis)
• 비표면적(specific surface area)
• 자연발화(spontaneous ignition)
• 인화(piloted ignition)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 고체는 그 자체가 타는 것이 아니라 열을 받아 가연성 기체를 내고 그 기체가 공기와 섞여 탄다. 그래서 연소속도는 가연성 기체가 얼마나 빨리 만들어지고 공급되는지에 달려 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 연소속도는 연소면의 후퇴 속도(mm/s 등 길이/시간) 또는 질량 감소율(g/s)로 표시한다. 발화온도는 가연물이 착화에 필요한 활성화 에너지를 얻는 최저 온도이며, 시험으로 정한다.

분해연소는 고체가 열분해되어 생긴 가연성 기체가 공기와 혼합되어 불꽃을 내며 타는 방식이다. 목재, 종이, 플라스틱이 여기에 속한다. 표면연소는 목탄이나 코크스처럼 완전히 탄화된 물질의 표면에서 산소와 직접 반응하는 방식으로, 불꽃이 없다.

열분해는 열에 의해 고체 분자 결합이 끊어져 기체와 숯(char)을 만드는 과정이다. 이 단계가 연소속도를 좌우하는 율속 단계가 되는 경우가 많다.

고체는 연소 형태가 다양하다. 통나무는 크고 밀도가 높아 불이 잘 붙지 않고 연소속도도 느리다. 반면 종이나 대팻밥은 얇고 표면적이 커서 빠르게 탄다. 같은 물질이라도 형태에 따라 연소 거동이 크게 달라진다.

목재는 두께에 따라 다르나 대체로 250℃ 이상에서 탄다고 알려져 있다. 톱밥처럼 가늘고 알갱이 형태이면 더 낮은 온도에서도 쉽게 탄다. 또한 산소와 접촉하는 표면적이 넓을수록 발화가 쉬워진다.

3. 등장 배경과 필요성

화재 초기에는 가연물이 열을 받아 기체를 내기 시작하는 단계가 가장 중요하다. 이 단계의 속도와 착화 조건을 알아야 화재의 성장을 예측하고 소화 설비와 피난 시간을 설계할 수 있다.

로켓 추진제 연구에서 출발한 연소속도 개념은 이후 건축 화재 분야로 확장되었다. 추진제에서는 연소속도가 배기 가스 유량과 추력을 결정하므로 중요하다. 화재 분야에서는 같은 원리로 가연물이 기체를 내는 속도가 열방출속도와 화염 확산을 결정한다.

발화온도는 실내 가연물 관리와 위험물 저장 기준의 근거가 된다. 인화에 의한 발화는 보통 250~450℃ 범위에서 일어나고, 자연발화는 그보다 높은 온도에서 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서 두 발화 형태를 구분하여 측정하고 기준을 정할 필요가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

고체 가연물의 연소속도는 외부 열이 표면에 공급되어 열분해로 가연성 기체와 탄화층이 생기는 속도로 정해진다. 따라서 연소속도 영향인자는 열공급, 열분해 속도, 산소 공급의 세 축으로 나누어 설명한다. 열유속이 클수록 열분해가 빨라져 기체 발생률이 커지고, 산소가 충분할수록 기상연소와 표면 산화가 빨라진다.

단위 면적당 질량감소율과 선형 연소속도의 관계는 다음과 같다.

$\dot m'' = \rho \, v_r$

여기서 \dot m''는 단위 면적당 질량감소율(kg/㎡·s), \rho는 고체 밀도(kg/㎥), v_r은 선형 연소속도(m/s)다.

열수지로 보면 질량감소율은 순열유속에 비례한다.

$\dot m'' = \dfrac{\dot q''_{net}}{L_{eff}}$

여기서 \dot q''_{net}은 표면에 실제 흡수되는 순열유속(kW/㎡), L_{eff}은 유효 기화열(kJ/kg)이다. 순열유속이 커지면 기체 발생률이 커져 연소속도가 빨라진다.

표의 요인은 모두 열수지 식의 변수에 연결된다. 열유속과 표면적은 공급 열을 키우고, 밀도·열용량·함수율은 열이 기체 발생에 쓰이는 몫을 줄인다.

고체 연소는 다음 순서로 진행한다.

• 외부 열이 고체 표면에 공급된다.
• 표면과 내부가 가열되어 수분이 증발한다(열을 소비하는 단계).
• 열분해로 가연성 기체와 탄화층(char)이 생긴다.
• 기체가 공기와 섞여 기상연소가 일어나 화염이 생긴다.
• 화염의 복사·대류열이 다시 표면을 가열한다(되먹임).
• 탄화층은 표면에서 산소와 반응하며 무염 연소를 이어간다.

발화온도에 영향을 주는 인자는 다음과 같다.

• 열관성: 열전도도·밀도·비열이 클수록 표면온도 상승이 느려 발화가 늦다. 특히 발화 초기에 작용한다.
• 두께: 얇은 물체는 발화시간이 온도차에 비례하고, 두꺼운 물체는 온도차의 제곱에 비례한다.
• 가열 방식: 인화(piloted ignition)는 외부 점화원이 필요하고, 자연발화(auto ignition)는 내부 발열 반응으로 일어난다.
• 표면적: 분말·섬유처럼 표면적이 커지면 낮은 온도에서도 발화하기 쉽다.
• 압력과 산소: 산소 공급은 발화에 영향을 준다.

두께 조건에서 얇은 물체의 발화시간은 다음과 같이 근사한다.

$t_{ig} \propto \dfrac{\rho c l (T_{ig}-T_0)}{\dot q''}$

두꺼운 물체는 열 침투 깊이가 커지므로 다음과 같이 근사한다.

$t_{ig} \propto \dfrac{k \rho c (T_{ig}-T_0)^2}{\dot q''^2}$

여기서 T_{ig}는 발화온도(℃), T_0은 초기 온도(℃), \dot q''은 공급 열유속(kW/㎡), l은 두께(m), k는 열전도도, \rho c는 체적 열용량이다. 두 식은 비례 관계만 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

연소속도와 발화온도는 법령이 직접 수치를 정한 개념이 아니다. 수치는 시험방법과 교육 자료에 따른다. 자연발화온도는 자연발화온도 측정 시험으로 구하고, 액체의 경우 ASTM E659 절차를 쓴다. 인화점은 인화점 시험으로 정한다. 아래 표의 값은 교육 자료와 물성 자료에서 확인한 대표값이며 조건에 따라 달라진다.

답안에는 표의 수치를 쓸 때 시료 두께와 가열 조건을 함께 적는다.

6. 유형과 비교

연소속도와 발화온도는 가연물의 연소형태에 따라 결정 요인이 달라진다. 고체 가연물의 연소는 분해연소, 표면연소, 증발연소(고체의 용융 후 증발)로 나누어 비교한다. 같은 고체라도 얇은 물체와 두꺼운 물체의 발화 거동이 다르므로 그 차이도 함께 정리한다.

위 표는 화염 유무와 지배 요인이 서로 다름을 보인다. 분해연소는 열분해 속도가, 표면연소는 산소 공급이 연소속도를 정한다. 따라서 같은 목재라도 대팻밥과 통나무의 연소속도 차이는 표면적과 열분해 속도의 차이로 설명된다.