발화, 폭발 - 위험물의 연소 특성

비버리 2025. 1. 1. 08:22

발화 : 가연성 물질에 불이 붙는 현상을 발화, 착화 등으로 표현한다.

1. 발화의 조건

발화되기 위한 첫째 조건은 화학반응이 발열반응이어야 하며, 이와같은 충분한 온도에 도달하기 위해서는 화학반응이 비교적 활발하게 일어나야 하므로 외부에서 어떤 '에너지'가 가해지거나 그렇지 않으면 자체 내부에서 점차 산화나 분해 반응이 일어나서 자연히 온도가 상승하여야 한다.

2. 자연발화

외부에서 점화에너지를 부여하지 않았는데도 상온에서 물질이 공기 중 화학변화를 일으켜 오랜 시간에 걸쳐 열의 축적이 발생하여 발화하는 현상이다.

가. 자연발화의 조건

① 열의 발생

㉠ 온도 : 온도가 높으면 반응속도가 증가하여 열 발생을 촉진

㉡ 발열량 : 발열량이 클 수록 열의 축적이 큼 (단, 반응속도가 낮으면 열의 축적 감소)

㉢ 수분 : 고온 다습한 경우 자연발화 촉진 (적당한 수분은 촉매 역할)

㉣ 표면적 : 표면적이 클수록 자연발화가 용이

㉤ 촉매 : 발열반응 시 정촉매에 의해 반응이 빨라짐

② 열의 축적

㉠ 열전도도 : 분말상, 섬유상 물질들은 열전도율이 작은 공기를 다량 함유하므로 열의 축적이 용이하다.

㉡ 저장방법 : 여러겹의 중첩이나 분말상과 대량 집접물의 중심부가 표면 보다 단열성이 높아 자연발화가 쉽다.

㉢ 공기의 흐름 : 통풍이 잘 되는 장소가 열의 축적이 곤란하여 자연발화가 곤란하다.

나. 자연발화의 종류

① 완만한 온도상승을 일으키는 경우

자연발화의 원인	자연발화 형태
산화열	건성유(정어리 기름, 아마인유, 들기름 등), 반건성유 (면실유, 대두유 등)가 적셔진다공성 가연물, 원면, 석탄, 금속분, 고무조각 등
분해열	나이트셀룰로오스, 셀룰로이드류, 나이트로글리세린 등의 질산에스터류
흡착열	탄소분말 (유연탄, 목탄 등) 가연성 물질 + 촉매
증합열	아크릴로나이트릴, 스티렌, 비닐아세테이트 등의 증합반응
미생물 발열	퇴비, 먼지, 퇴적물, 곡물 등

② 비교적 온도가 발리 상승하는 경우

㉠ 발화점이 상온에 가깝고 산화열에 의해 물질 자신이 발화하는 물질 : 황린, 디메틸마그네슘, 디에틸아연, 알킬리튬,

액체 인화수소 등

㉡ 공기중의 수분을 흡수하거나 물과 접촉 시 발열 또는 발화하는 물질

ⓐ 가연성 가스를 발생시키고 자신이 발화하는 물질 : 칼륨, 나트륨, 알칼리금속류, 알루미늄분 등

ⓑ 발열하여 다른 가연성 물질을 발화시키는 물질 : 무기과산화물류, 삼산화크로뮴, 진한 황산 등

㉢ 다른 물질과 접촉 또는 혼합하면 발열하고 발화하는 물질 (혼촉발화)

ⓐ 혼합 시 즉시 발화하는 물질 : 삼산화크로뮴 + 에틸알코올, 아염소산나트륨 + 황산 + 에테르 등

ⓑ 원래 물질 보다 발화가 쉬운 물질 : 염소산칼륨 + 알루미늄, 과산화나트륨+황 등

다. 영향을 주는 인자

열의 축적, 열전도율, 퇴적방법, 공기의 유동, 발열량, 수분(습도), 촉매물질 등은 자연발화에 직접적인 영향을 끼치는 요

인들이다.

라. 예방대책

① 통풍, 환기, 저장방법 등을 고려하여 열의 축적을 방지한다.

② 저장실의 온도를 저온으로 유지한다.

③ 습도를 낮게 유지한다. (일반적으로 여름날 해만 뜨겁게 내리 쬐는 날보다 비가 오는 날 더 땀이 더 나며 더위를 느끼는

원리와 같다. 즉, 습한 경우 그 만큼 축적된 열은 잘 발산되지 않는다.)

3. 혼촉발화

가. 개요

2가지 이상의 물질을 혼합, 접촉시키는 경우 위험한 상태가 발생하는 것을 말하여, 혼촉발화가 도무 발화를 일으키는 것은 아니며 유해위험도에 해당한다. 이러한 혼촉발화 현상은 다음과 같이 분류할 수 있다.

① 혼촉 즉시 반응이 일어나 발열, 발화하거나 폭발을 일으키는 것

② 혼촉 후 일정시간이 경과하여 급격히 반응이 일어 나거나 발열, 발화하거나 폭발을 일으키는 것

③ 혼촉에 의해 폭발성 혼합물을 형성하는 것

④ 혼촉에 의해 발열, 발화하지는 않지만 원래의 물질 보다 발화가 쉬운 상태로 되는 것

나. 혼촉 위험 물질

① 산화성 물질과 환원성 물질의 혼촉 : 1류와 6류 위험물, 액체 산소나 액체 할로겐 원소 등의 강산화성 물질과 탄화수소

류, 아민류, 알코올 등과 같은 유기화합물과 금속분, 목탄, 황, 인 등과 같은 환원성 물질간의 접촉은 혼촉 위험을

갖는다.

② 산화성 염류와 강산의 혼촉 : 강산화성을 갖는 1류 위험물인 MClO2, MClO3, MClO4, MMnO4 등은 진한 황산과 접촉

하면 불안정한 아염소산, 염소산, 과염소산, 망가니즈산 혹은 Cl2O3, Cl2O5, Cl2O7, Mn2O7 등 무수물을 생성하여

더욱 강한 산화성이 되고 주위 가연물을 착화시켜 폭발하는 경우가 있다.

③ 불안정한 혼촉물질이 상호 간에 접촉하여 화학반응을 일으켜 극히 불안정한 물질을 생성하는 경우도 있다. 이것은

마찰, 충격, 가열 등에 의해 폭발의 위험이 있으며, 다음은 몇가지 예이다.

㉠ 암모니아 + 염소산칼륨 → 질산암모늄

㉡ 아세트알데하이드 + 산소 → 과초산

㉢ 암모니아 + 할로겐 원소 → 할로겐화 질소

다. 혼촉시 위험한 화학반응

혼촉 위험반응은 2종류 이상의 물질이 혼합하여 일어나는 경우이므로 화학반응, 지진, 수송, 폐기처리 중일 때 가장 위험하며, 위험한 화학반응에서는 증류, 여과 (주로 감압), 증발,

추출 조작, 결정화, 응축, 교반, 승온 조작 시 및 반응 중 누출이나 폐기 시에 혼촉 위험성이 있으므로 주의해야 한다.

라. 예방대책

① (산화제와 환원제, 가연물, 강산류), (강산과 강염기), (자연발열형 유기과산화물, 폭발성물질, 질산에스터 등) 등을

동일 실내에 저장하지 말아야 한다.

② 불확실한 물질은 물질 자체의 위험성과 혼촉발화성 등을 문헌을 통해 조사, 관리한다.

③ 사용빈도가 적은 물질은 폐기하고, 인화성 및 가연성 물질은 소분하여 저장한다.

④ 천재지변 등의 요인에 의한 전도, 추락, 파손 및 수송 중 누출, 비산 등의 조건에 주의한다.

⑤ 약품장은 불연재료로 하고 약품의 양, 소재 등을 대장을 만들어 구분, 기록관리한다.

⑥ 화학반응시 발화위험성에 철저히 대비한다.

⑦ 유별을 달리하는 위험물의 저장 및 혼합 적재 되지 않도록 주의하며 특히, 산화제인 1류, 6류 위험물과 환원제인

2류, 3류, 5류 위험물을 혼합 보관하지 않는다.

【폭발 (explosion】

1. 정의

① 돌발적으로 발생하는 소리를 동반하는 파괴나 화재를 수반하는 예기치 않은 현상

② 급격한 압력의 발생 결과로서 심한 폭음이 발생하며 파괴하거나 팽창하는 현상

③ 폭음을 수반하는 연소 또는 파열 현상

④ 화학반응에 동반하여 발생하는 급격한 압력의 상승 현상

⑤ 기체의 발생을 동반한 고속의 연소현상

⑥ 압력의 급격한 발생 또는 해방의 결과, 용기가 파괴되거나 기체가 급격하게 팽창하여 파괴작용을 수반하는 현상

2. 폭발의 종류

가. 공정에 의한 분류

① 핵폭발 : 원자핵의 분열이나 융합에 의한 폭발

② 물리적 폭발 : 물리적인 변화에 의한 폭발

ex : 용기의 파열, 탱크의 감압 파손, 폭발적인 증발 등

③ 화학적 폭발 : 화학반응에 의한 폭발

ex : 연소, 중축합, 분해, 반응 폭주 등

④ 물리 · 화학적 폭발의 병립에 의한 폭발

나. 물리적인 상태에 의한 분류

① 기상 폭발 : 폭발하는 물질이 기체 상태인 경우

② 응상 폭발 : 폭발하는 물질이 액체나 고체 상태인 경우

다. 기상폭발

가스폭발, 분무폭발, 분진폭발, 가스의 분해폭발 등으로 가연성 가스나 가연성 액체의 증기와 지연성 가스의 혼합물이 일정한 에너지에 의해 폭발하는 경우를 말한다. 기상폭발은 화학적으로 연소의 특별한 형태로 착화에너지가 필요하며, 화염의 발생을 수반한다.

① 가스폭발

㉠ 조성조건 : 연소범위 또는 폭발범위

㉡ 발화원의 존재 : 에너지 조건

ⓐ 발화온도

ⓑ 발화원 : 정전기 불꽃, 전기불꽃, 화염, 고온물질, 자연발화, 열복사, 충격, 마찰, 단열 압축

② 증기운 폭발 : 다량의 가연성 가스 또는 기화하기 쉬운 가연성 액체가 지표면에 유출되어 다량의 가연성 혼합기체를

형성하여 폭발이 일어나는 경우의 가스 폭발

③ 분무폭발 : 고압의 유압설비의 일부가 파손되어 내부의 가연성 액체가 공기 중에 분출되어 이것이 미세한 액적이 되어

무상 (霧狀)으로 공기 중에 현탁하여 존재할 때 착화에너지에 의해 폭발이 일어나는 현상

④ 박막폭굉 : 고압의 공기 또는 산소배관에 윤활유가 박막상으로 존재할 때, 비록 박막의 온도가 배관에 부착된 윤활유의

인화점 보다 낮을 지라도, 배관이 높은 에너지를 갖는 충격파에 노출되면 관벽의 윤활유가 안개화되어 폭발

하는 현상

3. 응상 폭발

가. 수증기 폭발 (증기폭발)

고온의 물질이 갖는 열이 저온의 물로 순간적으로 열을 전달하면 일시적으로 물은 과열상태가 되고 급격하게 비등하여

상변화에 따른 폭발현상이 발생한다. (액상 → 기상간 전이폭발)

나. 전선폭발

알루미늄제 전선에 한도 이상의 과도한 전류가 흘러 순식간에 전선이 과열되고 용융과 기화가 급속하게 진행되어

일어나는 폭발현상이다. (고상 → 액상 → 기상간 전이폭발)

다. 혼촉 폭발

단독으로는 안전하나 두가지 이상의 화합물이 혼합되어 있을 때 미소한 충격 등에 의해 발열분해를 일으켜 폭발하는 현상이다.

라. 기타

감압상태의 용기의 일부가 파괴되어 고압용기의 파열과 달리 외기가 급속히 유입되고, 이 때 큰 폭음과 함께 파편이 주위로 비산하며 발생하는 폭발이다.

4. 폭발의 성립 조건

① 가연성 가스, 증기 및 분진 등이 조연성 가스인 공기 또는 산소 등과 접촉, 혼합되어 있을 때

② 혼합되어 있는 가스, 증기 및 분진 등이 어떤 구획되어 있는 방이나 용기 같은 밀폐공간에 존재하고 있을 때

③ 그 혼합된 물질 (가연성 가스, 증기 및 분진 + 공기)의 일부에 점화원이 존재하고 그것이 매개가 되어 어떤 한도 이상의

에너지 (활성화에너지)를 줄 때

5. 폭발의 영향인자

가. 온도

발화온도가 낮을 수록 폭발하기 쉽다.

나. 조성 (폭발범위)

폭발범위가 넓을수록 폭발의 위험이 있다.

아세틸렌, 산화에틸렌, 하이드라진, 오존 등은 조성에 관계없이 단독으로도 조건이 형성되면 폭발할 수 있으며, 일반적

으로 가연성 가스의 폭발범위는 공기 중에서 보다 산소 중에서 더 넓어진다.

<주요 물질의 공기 중 폭발범위 (1atm, 상온기준>

가스	하한계	상한계	위험도	가스	하한계	상한계	위험도
수소	4.0	75.0	17.75	벤젠	1.4	8.0	4.71
일산화탄소	12.5	74.0	4.92	톨루엔	1.27	7.0	4.5
시안화수소	5.6	40.0	6.14	메틸알코올	6.0	36.0	5.0
메탄	5.0	15.0	2.00	에틸알코올	4.3	19.0	3.42
에탄	3.0	12.4	3.13	아세트알데하이드	4.1	57.0	12.90
프로판	2.1	9.5	3.31	에테르	1.9	48.0	24.26
부탄	1.8	8.4	3.67	아세톤	2.5	12.8	4.12
에틸렌	3.1	32.0	9.32	산화에틸렌	3.0	100.0	32.33
프로필렌	2.0	11.1	4.55	산화프로필렌	2.8	37.0	12.21
아세틸렌	2.5	81.0	31.4	염화비닐	4.0	22.0	4.5
암모니아	15.0	25.0	0.6	이황화탄소	1.0	50.0	49.0
황화수소	4.0	44.0	10	가솔린	1.2	7.6	5.33

※ 굵은 글씨의 물질은 시험에 자주 출제되어 반드시 암기가 필요함

① 폭굉범위 (폭굉한계) : 폭발범위 내에서도 특히 격렬한 폭굉을 생성하는 조성 범위

② 르 샤틀리에 (Le Chatelier)의 혼합가스 폭발범위를 구하는 식 ★★★

여기서, L : 혼합가스의 폭발 한계치

L1, L2, L3 : 각 성분의 단독 폭발 한계치 (vol%)

V1, V2, V3 : 각 성분의 체적 (vol%)

③ 위험도 (H) : 가연성 혼합가스의 연소범위에 의해 결정되는 값이다.

여기서, H : 위험도

U : 연소 상한치 (UEL)

L : 연소 하한치 (LEL)

④ 산소평형 (OB : Oxygen Balance) : 화학물질로 부터 완전연소 생성물을 만드는데 필요한 산소와 과부족량을 나타낸

지수로서 어떤 물질 100g 이 연소할 때의 산소의 과부족량을 g으로 나타낸 값이다. 0에 가까울 수록 폭발위력이 크다.

OB지수	± 0 ~ 45	± 45 ~ 90	± 90 ~ 135
폭발위험성	강	중	약
예	나이트로글리콜 : OB=0	피크로산 : OB=-45	나이트로에탄 : OB = -96

㉠ 나이트로글리콜

C2H4(ONO2)2 → 2CO2 + 2H2O + N2 에서 O2가 없으므로 OB = 0

㉡ 나이트로글리세린

4C3H5(ONO2)3 → 12CO2 + 10H2O + 6N2 + O2

100g에 대한 산소평형값을 구하면

(4×227) : 1 × 32 = 100 : OB 에서 OB = 3.52

다. 압력

가스압력이 높아질수록 발화온도는 낮아지고 폭발범위는 넓어지는 경향이 있다.

따라서 가스 압력이 높아질수록 폭발의 위험이 크다.

라. 용기의 크기와 형태

온도, 조성, 압력 등의 조건이 갖추어져 있어도 용기가 작으면 발화하지 않거나, 발화해도 화염이 전파되지 않고 도중에

꺼져 버린다.

① 소염 (quenching, 화염일주) 현상 : 발화된 화염이 전파되지 않고 도중에 꺼져 버리는 현상이다.

② 안전간극 (MESG, 최대 안전틈새, 화염일주한계, 소염거리) : 안전간극이 작은 물질일 수록 폭발하기 쉽다.

㉠ 안전간극의 정의

폭발성 혼합가스의 용기를 금속제의 좁은 간극에 의해 두 부분으로 격리한 경우 한쪽에 착화한 경우 화염이 간극을 통과하여 다른 쪽의 혼합가스에 인화가 가능한지 여부를 측정할 때 화염이 전파하지 않는 간극의 최대 허용치를 말하며 내용적이 8ℓ, 틈새길이가 25㎜인 표준용기를 사용하며 압력방폭구조에 있어서 대상가스의 폭발등급을 구분하는데 사용하며, 역화방지기 설계의 중요한 기초자료로 활용된다.

㉡ 안전간극에 따른 폭발 등급 구분

ⓐ 폭발 1등급 (안전간극 : 0.6 ㎜ 초과) : LPG, 일산화탄소, 아세톤, 에틸에테르, 암모니아 등

ⓑ 폭발 2등급 (안전간극 : 0.1 ㎜ 초과, 0.6 ㎜ 이하) : 에틸렌, 석탄가스 등

6. 연소파와 폭굉파

가. 연소파

가연성 가스와 공기를 혼합할 때 그 농도가 연소범위에 이르면 확산의 과정은 생략하고 전파속도가 매우 빠르게 되어 그 진행속도가 대체로 0.1 ~ 10 m/s 정도의 속도로 연소가 진해하게 되는데, 이 영역을 연소파라 한다.

나. 폭굉파

폭굉이란 연소속도 1,000 ~ 3,500 m/s 이상의 극렬한 폭발을 의미하며, 가연성 가스와

공기의 혼합가스가 밀폐계 내에서 연소하여 폭발하는 경우 발생한다. 그 때 발생하는 전파 속도를 폭굉파라 한다.

7. 폭굉 유도거리 (DLD) ★★★

관 내에 폭굉성 가스가 존재할 경우 최초의 완만한 연소가 격렬한 폭굉으로 발전할 때까지의 거리이다. 일반적으로 짧아지는 경우는 다음과 같다.

① 정상연소속도가 큰 혼합가스일 수록

② 관속에 방해물이 있거나 관 지름이 가늘수록

③ 압력이 높을 수록

④ 점화원의 에너지가 강할 수록

8. 방폭구조 (폭발을 방지하는 구조)

가. 압력 방폭구조

용기내에 질소 등의 보호용 가스를 충전하여 외부에서 폭발성 가스가 침입하지 못하도록 한 구조

나. 유입방폭구조

전기불꽃, 아크 또는 고온이 발생하는 부분을 기름속에 넣어 폭발성 가스에 의해 인화가 되지 않도록 한 구조

다. 안전증방폭구조

기기의 정상운전 중에 폭발성 가스에 의해 점화원이 될 수 있는 전기 불꽃 또는 고온이 되어서는 안될 부분에 기계적, 전기적으로 특히 안전도를 증가시킨 구조

라. 본질안전 방폭구조

폭발성 가스가 단선, 단락, 지락 등에 의해 발생하는 전기불꽃, 아크 또는 고온에 의하여 점화되지 않는 것이 확인된 구조

마. 내압 방폭구조

대상 폭방성 가스에 대해서 점화능력을 가진 전기불꽃 또는 고온부위에 있어서도 기기 내부에서 폭발성 가스의 폭발이 발생하여도 기기가 그 폭발압력에 견디고 또한 기기 주위의 폭발성 가스에 인화 · 파급하지 않도록 되어 있는 구조를 말한다.

9. 정전기

두 물체를 마찰시키면 그 물체는 전기를 띠게 되는데 이것을 마찰전기라고도 하며, 이때 발생하는 전기를 정전기 (靜電氣 : Static electricity)라 한다.

가. 정전기의 발생요인

① 물질의 특성 : 정전기의 발생은 접촉, 분리되는 두 물질의 상호작용에 의해 결정되는데, 이것은 대전 서열에서 두 물질

이 가까운 위치에 있으면 정전기의 발생량이 적고 반대로 먼 위치에 있으면 발생량이 증가하게 된다.

② 물질의 표면상태 : 물질의 표면이 깨끗하면 정전기 발생이 적어지고 표면이 기름과 같은 부도체에 의해 오면되면 산화,

부식에 의해 정전기 발생이 많아진다.

③ 접촉면과 압력 : 일반적으로 접촉면이 클수록, 접촉압력이 증가할 수록 정전기의 발생량도 증가한다.

④ 분리속도 : 분리속도가 빠를수록, 전하의 완화시간이 길면 전하분리에 주는 에너지도 커져서 발생량이 증가한다.

나. 정전기 대전의 종류

① 마찰대전 : 두 물체의 마찰에 의하여 발생하는 현상

② 유동대전 : 부도체인 액체류를 파이프 등으로 수송할 때 발생하는 현상

③ 분출대전 : 분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 분출구에서 분출할 때 발생하는 현상

④ 박리대전 : 상호 밀착해 있는 물체가 벗겨질 때 발생하는 현상

⑤ 충돌대전 : 분체에 의한 입자끼리 또는 입자와 고체 표면과의 충돌에 의하여 발생하는 현상

⑥ 유도대전 : 대전 물체의 부근에 전열된 도체가 있을 때 정전유도를 받아 전하의 분포가 불균일하게 되어 대전되는 현상

⑦ 파괴대전 : 고체나 분체와 같은 물질이 파손시 전하분리로 부터 발생된 현상

⑧ 교반대전 및 침강대전 : 액체의 교반 또는 수송시 액체 상호간에 마찰접촉 또는 고체와 액체 사이에서 발생되는 현상

다. 정전기로 인한 재해의 원인

비전도성 물질의 유동, 분출, 마찰, 전기 부도체 유체의 흐름, 인체의 운동 등이 있다.

① 정전기 재해의 종류

㉠ 생산 재해

㉡ 전기 충격 : 정전기가 대전되어 있는 인체 혹은 대전 물체로 부터 인체로 방전이 일어나면 인체에 전류가 흘러 전격

재해가 발생한다.

㉢ 화재 및 폭발 : 정전기 방전이 점화원이 되어 가연성 물질이 공기와 혼합되어 폭발성 혼합가스를 생성할 때 착화되어

연소(화재)와 폭발

② 정전기의 예방대책

㉠ 접지를 한다.

㉡ 공기중의 상대습도를 70% 이상으로 한다.

㉢ 유속을 1 m/s 이하로 유지한다.

㉣ 공기를 이온화시킨다.

㉤ 제진기를 설치한다.

라. 정전기 방전

정전기의 방전에 의해 가연성 증기나 기체 또는 분진을 점화시킬 수 있다.

여기서, E : 정전기에너지

C : 정전용량 (F)

V : 전압 (V)

Q : 전하량 (C)

Q = CV

마. 방전

전지나 축전기 따위의 전기를 띤 물체에서 전기가 밖으로 흘러 나오는 현상

① 기체방전 : 본래 중성인 기체 분자가 특정한 상황에서 이온화되어 방전하는 현상

② 진공방전 : 진공상태의 유리관 속에 있는 두 개의 전극 사이에 높은 전압을 흐르게 하였을 때 일어나는 방전

③ 글로 방전 : 전압을 가하면 전류가 흐름에 따라 글로(희미한 빛)가 발생하는 현상

④ 아크방전 : 기체방전이 절정에 달하여 전극 재료의 일부가 증발하여 기체가 된 상태

⑤ 코로나 방전 : 기체방전의 한 형태로서 불꽃방전이 일어나기 전에 대전체 표면의 전기장이 큰 곳이 부분적으로 절연,

파괴되어 발생하는 발광방전이며 빛은 약함

⑥ 불꽃방전 : 기체 방전에서 전극 간의 절연이 완전히 파괴되어 강한 불꽃을 내면서 방전하는 현상

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