소방학개론 (3)

김수영․김은경｜박문각남부행정고시학원

제1편 소방공학론 : 2. 연소론

<제 2장 연소형태 및 폭발>

제 1절 불꽃연소와 작열연소

[1] 불꽃연소 (발염연소)

: 불티 없이 불꽃만 내는 것으로 기체 또는 증기상 가연물의 연소방식이며, 이러한 양상을 보이는 화재를 표면화재라고 한다.

[2] 작열연소 (무염연소)

: 불꽃 없이 불티만 존재하는 것으로 숯(목탄), 코크스, 활성탄, 금속분 등의 연소방식을 작열연소 또는 표면연소라고 하며, 이러한 양상을 보이는 화재를 심부화재라고 한다.

구 분	불꽃연소(발염연소)	표면연소(무염연소)
단위발열량	크다.	작다.
연소속도	빠르다.	느리다.
연소의 요소	가연물･열･산소･연쇄반응	가연물･열･산소

[3] 가연물의 연소방식

1. 기체의 연소

1) 확산연소 : H2 등 가연성가스가 공기 중에 순차적으로 확산되면서 연소

2) 예혼합연소 : 가연성가스와 공기를 미리 연소범위 내로 혼합시켜 연소

2. 액체의 연소

1) 증발연소 (액면연소) : 경질유의 연소방식으로 증발된 가연성증기가 연소

2) 등심연소 (심지연소) : 연료를 심지로 빨아올려 연소

3) 분해연소 : 중질유의 연소방식으로 열분해된 가연성증기가 연소

4) 분무연소 (액적연소) : 연료를 무화(液滴化)시켜 연소

3. 고체의 연소

1) 표면연소(직접연소) : 목탄(숯), 코크스, 금속분, 활성탄 등의 연소형태

2) 증발연소

① 용융성 고체 : 고체파라핀(양초) 등의 연소

② 승화성 고체 : 나프탈렌, 유황, 요오드, 장뇌 등의 연소

3) 분해연소 : 목재, 종이, 플라스틱류 등의 열분해 된 가연성증기가 연소

4) 자기연소(내부연소) : 제5류 위험물 등의 연소형태

제 2절 폭발 및 폭굉

[1] 폭발

1. process에 의한 분류

1) 물리적 폭발 : 단순한 과압 또는 감압에 의한 폭발(보일러나 압력용기의 폭발, 응상폭발 등)

2) 화학적 폭발 : 화학적 변화를 동반하는 폭발

① 산화폭발 : 가연성가스나 증기ㆍ분진 등의 급격한 연소폭발

② 분해폭발 : 아세틸렌(C2H2), 산화에틸렌(C2H4O), 5류위험물 등

※ C2H2는 압축을 하면 분해폭발을 일으키므로 아세톤이나 D.M.F에 용해시켜 저장한다.

③ 중합폭발 : 시안화수소(HCN), 산화에틸렌 등

④ 화합폭발 : C2H2, 아세트알데히드(CH3CHO), 산화프로필렌(C3H6O) 등이 Cu, Mg, Ag, Hg 등과 화합반응의 결과로 폭발

2. 원인물질의 상태에 따른 분류

1) 기상폭발

① 가스폭발

㉮ 증기운폭발(UVCE) : 비중이 공기보다 큰 액화가스나 인화성액체가 누설시 발생

㉯ 비등액체팽창증기폭발(BLEVE) : 과열상태의 탱크 내부에 있던 액화가스가 분출ㆍ기화되면서 착화되었을 때 폭발하는 현상

② 분진폭발

㉮ 폭발범위- 하한계 : 25~45[㎎/ℓ], 상한계 : 80[㎎/ℓ]

㉯ 착화에너지 : 10-3 ~ 10-2 [J]

㉰ 분진폭발하기 쉬운 최적입도분포 : 1~100㎛

㉱ 분진폭발의 특징

㉠ 가스폭발에 비해 연소속도나 폭발압력은 작은 편이나 연소시간이 길어 발생에너지가 크다.

㉡ 발생에너지가 크기 때문에 역학적 파괴효과는 가스폭발보다 크게 나타난다.

㉢ 고온지속시간이 길어져 탄화심도 및 화상 위험성 증대

㉣ 최초의 분진폭발이 주위의 분진을 날려 2차, 3차의 폭발로 이어지기 쉽다.

㉤ 가스에 비해 불완전연소를 일으키기 쉬워 일산화탄소에 의한 중독의 위험성이 있다.

㉲ 분진폭발을 일으키지 않는 물질

㉠ 생석회(CaO), 소석회[Ca(OH)2], 석회석(CaCO3), 시멘트가루

㉡ 대리석, 유리, NaOH(가성소다), Al2O3(산화알루미늄) 등

③ 분무폭발 : 분무상 액적입자의 급격한 연소폭발

④ 분해연소성 기체의 분해폭발(아세틸렌 등)

2) 응상폭발 : 액상이나 고상의 상전이 폭발

① 수증기폭발 : 급가열에 따른 비등폭발

② 증기폭발 : 급감압에 따른 비등폭발

[3] 폭연과 폭굉

1. 폭연(Deflagration)

1) 화염전파속도가 음속보다 느린 것을 말한다.

2) 정상적인 화염전파속도 : 0.1 ~ 10 m/s

3) 밀폐용기속의 초기 폭발압력 : 7 ~ 8 kg/cm2

2. 폭굉(Detonation)

1) 화염전파속도가 음속보다 빠른 것(초음속)을 말한다.

2) 충격파에 의해 유지되는 화학반응으로, 파면선단에 충격파가 진행된다.

3) 폭굉시 충격파의 전파속도 : 1,000~ 3,500 m/s 정도이며, 이때의 압력은 약 1,000 kg/cm2 정도가 된다.

제 3절 방폭

[1] 방폭구조의 종류

1. 내압(耐壓) 방폭구조 : 전폐구조로써 용기가 내부의 폭발압력에 견디는 구조

2. 압력(壓力) 방폭구조 : 용기 내부에 불연성가스 등을 압입한 구조

3. 유입(油入) 방폭구조 : 특정부위를 절연유 속에 넣은 구조

4. 안전증(安全增) 방폭구조 : 특정부위의 안전도를 증가시킨 구조

5. 본질안전(本質安全) 방폭구조 : 제작단계에서부터 점화시험 등으로 확인된 구조

제 1편 소방공학론 : 2. 연소론

<제 3장 연소생성물의 종류와 그 유해성>

제 1절 연소생성물

1. 연소가스(fire gases) : 인체에 가장 큰 피해를 준다.

2. 화염(flame) : 불꽃

3. 열(heat)

4. 연기(smoke) : 소방ㆍ피난 활동 시 가장 큰 장애요인으로 작용한다.

제 2절 연소가스

1. 연소가스의 독성

1) 독성가스 : 허용농도가 200ppm 이하인 가스

2) 1% = 10,000ppm

2. 연소가스의 종류

연소가스	연소물질 및 특징	허용농도
일산화탄소(CO)	연소가스 중 인체에 가장 큰 피해를 주는 독성가스로서, 산소운반물질인 헤모글로빈과 결합하여 질식사를 유발시킨다.	50ppm
이산화탄소(CO2)	화재시 다량 발생하여 산소농도를 감소시킴으로써 호흡속도를 빠르게 한다.	5,000
포스겐(COCl2)	염소(Cl)를 포함한 물질의 연소 또는 사염화탄소(CCl4)를 방사할 때 발생되는 맹독성가스	0.1
염화수소(HCl)	폴리염화비닐(PVC) 등이 연소시에 발생되며 금속에 대한 부식성이 크다.	5
시안화수소(HCN)	청산(靑酸)가스라고도 하며, 우레탄 또는 모(毛)나 견(絹)이 연소시에 발생된다.	10
암모니아(NH3)	멜라민, 나일론 등이 연소시에 발생되며, 냉동기의 냉매로도 사용된다.	25
황화수소(H2S)	고무, 동물의 털 등이 연소할 때 발생하는 것으로 계란이 썩는 냄새가 나기 때문에 도시가스의 부취제로 사용된다.	10
이산화황(SO2)	아황산가스라고도 하며, 산성비를 유발시킨다.	5
아크로레인 (CH2CHCHO)	석유화학제품 및 유지류 또는 목재 등이 연소할 때 발생하는 것으로 일반적인 화재에서 발생되는 경우는 극히 드물다.	0.1

제 3절 화 염

벽면을 따라 올라간 화염의 길이는 실(room) 중앙에서 보다 길어진다.

제 4절 열(熱)

1. 열이 인체에 미치는 영향

1) 화상은 그 깊이에 따라 1도 화상(홍반성), 2도 화상(수포성), 3도 화상(괴사성)으로 구분한다.

2) 145℃가 넘는 고온에 노출된 사람은 살아남기 어렵다.

2. 온도와 열에너지

물질을 구성하고 있는 분자의 운동에너지의 크기를 나타내는 척도를 온도(temperature)라고 한다.

3. 열전달

1) 전도(傳導)

① 고체 또는 정지유체에서 고온물질의 직접접촉에 의한 열전달

② 분자의 진동운동이나 자유전자의 이동에 의해 열이 전달

③ 건축재료의 열전도율 : 금속 > 대리석 > 목재 > 단열재

④ 물질의 열전도율

재료명	열전도율 (kcal/mhr℃)	재료명	열전도율 (kcal/mhr℃)
동	333	목재	0.15
대리석	1.35	유리면	0.04
물	0.52	공기	0.02

2) 대류(對流)

① 유체의 혼합작용. 즉, 유체입자의 직접이동에 의한 열전달

② 온도차에 따른 밀도차에 의해 열이 전달

3) 복사(輻射)

① 열입자가 공간에서 매질 없이 전자기파 형태로 전달되는 것으로 복사에너지는 스테판 - 볼쯔만의 법칙에 따른다.

② 복사열량 [eqn: Q[kcal/hr]```=`` sigma ` TIMES `A` TIMES `F`` TIMES `(T _{1} ` _{} ^{4} -T _{2} ` _{} ^{4} )`]

③ 복사에너지(Q)는 물질표면의 절대온도(T)의 4승에 비례한다.

④ 모든 물체는 외부로부터 복사에너지를 받았을 때 반사, 흡수, 투과가 동시에 일어나며 그 합은 1이다.

제 5절 연기

1. 연기의 특징

1) 연기란 연소생성물 중 입자의 크기가 약 0.01~1[eqn: mu m] 정도의 것으로 눈에 보이는 것을 말한다.

2) 물질 내에 탄소성분이 많을수록 연기의 색이 짙어지고 그을음이 많이 발생한다.

3) 건축물의 화재초기에는 다량의 백색연기가 발생한다.

4) 고온의 연기는 복도나 통로 등의 천장을 따라 이동한다.

2. 연기의 유해성

1) 시각적 영향

2) 생리적 영향

3) 심리적 영향

3. 연기농도의 측정법

1) 입자농도법

2) 중량농도법

3) 감광계수법 : 광학적 농도측정법으로 투과율법이라고도 한다.

감광계수(m-1)	가시거리(m)	상 황
0.1	20~30	건물 내 미숙지자의 피난한계 농도
0.3	5	건물 내 숙지자의 피난한계 농도
0.5	3	어둠침침함을 느낄 정도의 농도
1	1~2	거의 앞이 보이지 않을 정도의 농도

4. 건물 내의 연기유동

1) 연기의 유동속도

① 실내에서 수평방향 이동속도 : 약 0.5~1[m/sec]

② 실내에서 수직방향 이동속도 : 약 2~3[m/sec]

③ 계단에서 수직방향 이동속도 : 약 3~5[m/sec]

2) 고층건축물에서 연기유동의 주요인

① 온도상승에 따른 연소가스(연기)의 팽창

② 굴뚝효과

③ 바람효과

④ 건물 내의 기계적인 공기유동

5. 연기유동의 효과

1) 굴뚝효과(Stact effect) : 공기와 연기의 밀도차와 굴뚝높이로 구성되는 통풍력으로 인한 연기의 유동효과

2) 바람효과(Wind effect) : 풍속에 의한 기압차나 roof monitor에 의한 흡인효과

3) 중성대(neutral zone)

① 중성대는 건물의 내압과 외압이 동일한 위치이며, 그곳에서는 공기유동이 일어나지 않는다.

② 중성대의 하부에서는 외부공기가 유입되고 상부에서는 실내공기가 밖으로 빠져나간다.

③ 중성대의 위치는 개구부의 중앙보다 약간 아래쪽에 형성되며, 건축물 내외의 온도차가 클수록 낮아진다.

④ 소방활동 시 건물 내의 진입로 선정은 중성대 아래쪽으로 한다.

제 1편 소방공학론 : 2. 연소론

<제 4장 화재특성>

제 1절 화 재

[1] 화재의 정의

사람의 의도에 반(反)하거나 고의에 의해 발생하는 연소현상으로 소화시설 등을 사용하여 소화할 필요가 있는 것 또는 화학적인 폭발현상

[2] 화재의 분류

1. 화재의 종류

구 분	종 류	색표시	적 요
A 급	일반화재	백 색	목재, 섬유, 종이, 플라스틱 등의 화재
B 급	유류화재	황 색	4류 위험물이나 페인트 등 액체가연물의 화재
C 급	전기화재	청 색	전류가 흐르고 있는 전기설비에 불이 난 경우의 화재
D 급	금속화재	무 색	나트륨, 칼륨, 마그네슘 같은 가연성금속의 화재
E 급	가스화재	황 색	가연성가스의 화재

2. 화재소실정도에 따른 구분

1) 전소화재 : 건물의 70% 이상 소실 또는 70% 미만이라도 재사용이 불가능한 것

2) 반소화재 : 건물의 30% 이상 70% 미만이 소실된 것

3) 부분소화재 : 전소, 반소화재에 해당되지 아니하는 것

3. 화재의 일반적 특징 : 확대성(성장성), 우발성(돌발성), 불안정성(비정형성)

제 2절 화재분석 및 예방

[1] 연도별 상황 : 경제사회가 발전할수록 화재발생빈도나 규모 및 그 피해액은 증가하고 있다.

[2] 장소별 현황 : 장소별 화재발생건수는 비주거, 주거(주택･아파트 등), 차량, 임야의 순으로 많이 발생한다.

[3] 발화요인별 현황 : 부주의, 전기적요인의 순으로 가장 많이 발생한다. 전기원인을 세분화하면 합선(단락)에 의한 화재가 가장 많은 것으로 나타나고 있다.

[4] 계절별 상황 : 겨울철, 월별로는 1월 또는 2월에 화재가 가장 많이 발생한다.

[5] 화재별 특징

1. 가스화재

1) 고압가스의 분류

① 가스의 저장상태에 따른 분류 : 압축가스, 액화가스, 용해가스(C2H2)

② 연소성에 따른 분류 : 가연성가스, 불연성가스, 조연성가스

③ 독성에 따른 분류 : 독성가스, 비독성가스

2) 고압가스 저장용기

① 고압가스 저장용기실의 온도는 40℃ 이하이어야 한다.

② 용기의 색표시

가스종류	몸체도색
	공업용	의료용
산 소	녹색	백색
수 소	주황색	-
액화탄산가스	청색	회색
아세틸렌	황색	-
암모니아	백색	-

3) 연료가스의 종류와 특성

① LPG

㉮ 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이 주성분이며 공기보다 무겁다.

㉯ 가스누설탐지부는 바닥면으로부터 30cm 이내에 설치한다.

② LNG, 도시가스

㉮ 메탄(CH4)이 주성분이며 공기보다 가볍다.

㉯ 임계온도가 -82.1℃로 상온에서는 액화되지 않는다.

㉰ 가스누설탐지부는 천장면으로부터 30cm 이내에 설치한다.

㉱ 도시가스는 무색·무취하여 부취제(H2S)를 첨가하여 사용한다.

4) 가스가 누설되었을 때 예방요령 : 환기를 위한 배기팬(fan)이나 전기기계기구는 사용하지 않는다.

5) 연소의 이상 현상

① 역화(Back fire) : 가스의 분출속도보다 연소속도가 클 때 불꽃이 연소기 내부로 전파되는 현상

② 선화(Lifting) : 가스의 분출속도가 연소속도보다 클 때 불꽃이 노즐에서 떨어져 연소하는 현상

③ 블로우 오프(Blow-off) : 촛불이나 유전화재 시 강한 바람에 의해 화염이 꺼지는 현상

2. 유류화재의 이상 현상 등

1) 보일오버(Boil over) : 유류탱크의 (장시간) 화재시 탱크바닥의 물이 비등하여 기름과 함께 Over flow되는 현상으로 발생조건은 다음과 같다.

① 열파가 형성되기 쉬울 것 (분해연소하는 고비점 중질유)

② 탱크하부에는 물이나 에멀젼 등이 존재할 것

2) 푸로스오버(Froth over) : 물이 뜨거운 기름 아래에서 끊을 때 화재를 수반하지 않고 Over flow되는 현상

3) 슬롭오버(Slop over) : 물이 뜨거운 기름표면에 들어갈 때 기름과 함께 Over flow되는 현상

3. 산불의 형태 : 지표화(地表火), 수간화(樹幹火), 수관화(樹冠火), 지중화(地中火)