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燃燒, Combustion / burning연소란 연료[1]와 산화제 사이에서 고온의 발열을 일으키는 산화·환원 반응으로, 쉽게 말해 산화제가 연료의 전자를 뺏어오면서 빛과 열 등의 에너지를 방출하는 현상이다. 이때 고온의 상태에서 연료와 산화제가 기체 상태로 만나면 불이 발생한다.[2] 대표적인 산화제로는 산소나 플루오린, 연료로는 수소나 탄소 등이 있다.
충분한 산화제가 공급되어 물질이 완전히 타면 완전연소, 그렇지 못하면 불완전연소라고 한다.
연소를 시작하려면 우리가 라이터로 점화를 하듯이 활성화 에너지를 공급해야 하지만, 일단 연소가 시작되면 거기서 나오는 열이 반응을 스스로 지속시킬 만큼 충분한 에너지를 제공하기 때문에 산화제나 연료가 다 떨어지지 않는 이상 계속해서 연소가 일어난다. 대표적인 현상이 산불.
2. 증발 연소
증발 연소(蒸發燃燒)는 액체 표면에서 증발하는 가연성 증기가 공기와 혼합하여 연소범위 내에서 열원에 의하여 연소하는 현상이다. 이 유형에 들어가는 가연물로 파라핀이 있는데, 이게 바로 양초다. 즉 양초는 분해 연소가 아닌 증발 연소.3. 분해 연소
분해 연소(分解燃燒)는 목재, 종이, 고무, 플라스틱 등 대부분의 고체 물질이 연소할 때 분류되는 유형이다. 고대 시대 때 나무를 비비는 기계적 에너지로 발생시키는 불이 바로 이런 것.4. 예혼합 연소
예혼합 연소(混合燃燒, premixed flame)는 가연성 혼합기류가 형성되어 있는 상태에서의 연소를 말한다. 고체나 액체처럼 열분해를 필요로 하지 않고도 가연성 증기를 형성할 수 있는 가면물, 가연성 가스와 공기가 섞인 상태(premixed mixture)에서만 가능한 연소다. 연소의 3요소중에 가연물과 산소가 존재하므로 점화원만 있으면 화염이 스스로 공간으로 전파된다.이때, 가연성 가스와 공기가 섞인 상태의 가스(premixed mixture)는 당량비(equivalence ratio, ϕ)라는 정규화된 무차원화 지표를 통해 가스터빈 및 엔진 그리고 보일러와 같은 연소를 이용한 산업분야에서 보다 효과적으로 혼합 가스의 조성을 제어를 할 수 있어 효율적인 연소 제어를 가능케하는 무차원화 지표이다. [3] 앞서 언급한 당량비의 식은 다음과 같다.
| 당량비(equivalence ratio, ϕ) [math(\displaystyle \phi = \frac{\left(n_F/n_{\mathrm{O_2}}\right)_{\rm actual}}{\left(n_F/n{\mathrm{O_2}}\right)_{\rm stoichiometric}})] |
* [math(\phi)]: 당량비(equivalence ratio)
* [math(n_F)]: 연료의 몰수
* [math(n_{\mathrm{O_2}})]: 산소의 몰수
* [math(\left(n_F/n_{\mathrm{O_2}}\right)_{\rm actual})]: 실제 연료-산소 몰비
* [math(\left(n_F/n_{\mathrm{O_2}}\right)_{\rm stoichiometric})]: 이론양론적 연료-산소 몰비
여기서 이론양론적 조건(stoichiometric condition)이란 연료와 산화제가 화학반응식에 따라 어느 한쪽도 과잉으로 남지 않도록 정확한 비율로 혼합된 조건(가장 효율적인 연소)을 의미한다.[4] 따라서, 이상적인 연소 조건의 가연성 가스와 산소의 몰비와 실제 연소가 되는 가연성 가스와 산소의 몰비를 서로 나누게되면 이를 당량비(equivalence ratio)라 뜻한다. 당량비는 1에 가까울 수록 가장 이상적인 stoichiometric(이론양론) 연소조건을 나타내며, 당량비가 1보다 작을 경우에는 이상적인 비율에서 산소가 가연성가스보다 더 많은 조건으로 lean하다고 표현한다. 반면에, 당량비가 1보다 큰 경우에는 이상적인 비율에서 연료가스가 산소가 더 많은 조건으로 rich하다고 표현한다.[5]
층류(탄화수소의 연료의 경우 0.5m/sec)에서 난류, 폭연, 폭굉으로 발전된다.[6]
이 연소는 가연성 기체에 공기 중의 산소를 미리 혼합한 뒤 발생하는 연소인데, 가연성 기체가 공기중에 누출되면 가스 폭발 사고가 일어날 수 있으므로 취급에 주의해야 한다.
5. 자기 연소
자기 연소(自己燃燒) 또는 내부 연소(內部燃燒)는 연소시에 외부의 산소가 필요없이 분자내 구성성분인 결합산소에 의해서 연소하는 것을 말한다. 다이너마이트와 같은 니트로글리세린 니트로셀룰로스가 대표적이다.6. 확산 연소
확산 연소(擴散燃燒, diffusion combustion)는 대부분의 화재가 이 연소에 해당하며 건물화재나 산림화재 등이 확산 연소에 해당된다.[7] 연소로 나오는 열복사향에 의한 고체물질의 열분해나 가연성 액체 기화의 결과로 인한 인화성 가스의 방출 때문에 발생할 수 있다.[8] 연료가스와 산소의 농도차이(픽스의 법칙[9])에 의해 예열대에서 예열이 되어 반응대로 이동하고 연소가스와 산소가 만나는 면이 연소하는 과정이다.[10]이 확산 연소를 방해하기 위해 필요한 산화제 흐름의 희석정도의 최소값을 구하는 공식이 있는데 이것을 LOI[11]라고 한다. 고분자 시료가 발화되어서 3분간 꺼지지 않고 타는 데 필요한 산소와 질소 혼합공기 중 최소한의 산소의 부피비율을 뜻한다.
| [math(\displaystyle \rm LOI = \frac{O_2(L/min)}{O_2(L/min)+N_2(L/min)} \times 100)] |
- [math(\rm O_2)]: 산소
- [math(\rm N_2)]: 질소
보통 LOI를 측정할 때는 산소와 질소의 혼합기체를 원통의 하부에 일정한 유량으로 주입시켜서, 원통의 상부 100mm 이상의 위치에 시료의 물림쇠에 수직으로 매단 시료에 불을 붙여 연소시킨다. 시료의 연소시간이 3분이상 계속되거나 시료에 불이 붙어 타고난 연소면의 길이가 50mm 이상이때 최소의 산소와 질소의 유량을 가지고 계산한다.
6.1. 종류
- 산불 또는 산불화재
- 일반 건물 화재
- 성냥불이나 양초에 의한 일반화재
- 층류확산연소: 대표적으로 촛불이나 연소기기에 의한 화재에 해당된다.
- 난류확산연소: 촛불이나 연소기기를 제외한 대부분 화재에 해당된다.
7. 표면 연소
표면 연소(表面燃燒, surface combustion) 또는 훈소(薰燒)는 다공성 가연물 층에서 일어나는 저온무염연소이다. 가장 대표적으로 목탄이나 담배, 숯 등의 연소가 표면연소에 해당된다. 보통 고체의 표면에서 증발, 직접 산소와 반응하는 현상으로 표면환경조건의 영향을 크게 받는다.불꽃이 일어나는 '불꽃연소'와는 달리 가연성 기체의 '순조로운 연쇄반응'이 일어나지 않는 상태로 일반적인 불과는 다른 상태로 분류되며 상대적으로 매우 안전하게 여겨진다.
보통 표면연소에 해당하는 연료들의 성질을 말하자면 다공성(구멍이 많은)이며 단위면적당 표면적이 넓어서 산소에 의한 표면접촉이 용이해진다. 가연물 입자는 확산과 대류에 의해 산소가 반응역역으로 전달될 수 있도록 하며 열손실율을 떨어뜨려, 낮은 열방출률에도 불구하고 열손실이 적어서 저온지속형 연소를 가능하게 한다.
화재시 표면연소의 특성상 완전연소보다 불완전연소가 되는 부분이 훨씬 많기 때문에 독성 화합물을 배출하게 된다. 화염이라는 고에너지의 장을 통과하지 않아 완전연소되는 양이 상대적으로 다른 연소 현상보다 적기 때문이다. 또한 표면연소로 발생한 화재는 화재진압이 어려운편인데, 물이 다공의 구멍보다 작기 때문에 다공성 물질의 표면장력이 촘촘하게 이루어져 있어 화원이 있는 내부로 침투하기 어렵기 때문이다. 일상에서는 담뱃불로 인해 침대에 불이 전이되거나 러그나 다른 직물에 옮겨붙어 발생할경우 일산화탄소같은 유독성 연기가 많이 발생하게 된다.
이런 표면연소를 방지하기 위해서 건축물에 적용하는 소화설비로는 정온식이나 보상식감지기를 사용하거나 RTI가 낮은 스프링클러 헤드 및 연기의 단층화를 고려하여 스프링클러 헤드[12]를 설치하기도 한다. 또 작은 화재를 유발하기 때문에 조기에 화재를 감지하는 조기감지 및 특수감지기[13]를 설치하기도 한다.
[1] 환원제라고도 한다.[2] 그래서 기체가 아닌 고체 상태인 숯은 열을 가하면 불타지 않고 하얗게 변한다.[3] 예를들어 가스터빈의 경우, 1세대 가스터빈은 확산 연소 방식을 사용하며, 2세대의 경우 예혼합 연소를 사용한다. 현재는 3세대로 수소 혼소 및 전소의 연소방식을 이용한 가스터빈 발전방식을 사용하나, 현재 대형급 가스터빈에는 역화(flashback)의 문제로 수소 전소까지는 아직 발전을 못하고 있는 상황이다.[4] 이때, 가장 효율적인 연소라 함은, 그을음(soot)와 일산화탄소(CO) 질소산화물(NOx)과 같이 유독가스가 나오지 않고 우리가 흔히 아는 연소화학방정식으로 CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 열과 같은 생성물만 나오는 이상적인 조건을 의미한다. 이러한 이론양론적 조건에서는 화염이 보통 푸른 색이며, 연소로부터 발생되는 열이 가장 많아 효율적임을 알 수가 있다.[5] 그러나 실제로 실험을 하게 되면, 당량비가 1인 경우는 lean의 조건으로 이론상 당량비가 1보다 작은 경우로 계산된다. 이는, 이론양론(stoichiometric) 조건이 아닌 실제 공기중에 존재하는 산소의 농도를 고려할 경우 기존 이론보다 상대적으로 더 많은 산소가 추가되기 때문이다. 게다가, 연소과정중에는 연쇄반응에 따라 발생되는 O 또는 OH의 라디칼(radical)에 의한 연쇄분기반응(chain branch reaction)때문이다.[6] 다만 이는 원통관에서만 해당된다. 예를들어 해양플랜트에 각종 탄화수소 계열의 연료성을 띄고 있는 dust들에 의해서 층류에서 난류로 그리고 폭연(deflagration)으로부터 결과적으로 폭굉(detonation)까지 발생해 큰 사고를 야기시킬 수 있다.[7] 이와 반대로 기체 가연물로 인한 연소로 예혼합연소가 있다. 이는 적당한 혼합비로 미리 가연성 기체를 공기와 혼합시켜 완전연소를 유도하는 연소형태로, 화재에 속하지 않는다. 예시로는 화력발전소가 있다.[8] 정확히 말하자면 연소로 인해 발생되는 화염으로부터 고체 가연물로의 열전달로 인해서 액화가 되고 기화가 되는 결과로 인해 결과적으로 인화성 가스가 방출이 되는 것이다. 이때의 3개의 열전달 메카니즘 중 복사, 대류, 전도 순으로 인화성 가스를 기화시킴에 기여한다.(비율은 대략적으로 복사열전달이 매우 지배적이며, 이는 대류의 경우 부력의 효과로 인해서 대류 경계층이 부력 경계층을 추월하지 못하기 때문이다. 전도의 경우에는, 복사와 대류로 인한 가연물로의 열전달이 완료된 상태에서 전도가 이루어지는 것으로 손실항으로 취급된다. )[9] 공기 중의 산소는 반응에 의해 소모되어 농도가 0이되는 화염쪽으로 향하는 원리[10] 반면에 예혼합연소의 경우에는 연료가스와 산소의 농도차이로 인해 반응대에서 만나 화학반응이 일어나 연소를 하는 것이 아닌, 미리 예혼합이 되어있는 연료가스와 산소가 당량비에 따라 일정 비율로 섞인 가연성 가스가 함께 예열대로 거쳐서 반응대까지 온도가 올라가며 연소하는 과정이라 연료가스와 산소의 농도조건, 질량 수, 온도 및 압력 조건 등이 동일하다면 예혼합연소가 확산 연소보다 훨씬 효율적인 것을 알 수가 있다.[11] 확산화염의 한계산소지수(Limited Oxygen Index)[12] 보통 감지기와 연동하는 개방형 헤드를 설치한다[13] CO감지기라고도 한다