가연성 증기의 연소범위와 연소한계에 대하여

가연성 증기는 연소범위가 존재한다. 공기 중에 가연성 증기가 체적 백분율로 몇 % 정도 포함되어 있을 때 연소가 이루어지는가를 알 수 있는 범위이다. 그리고 연소범위의 하한과 상한이 존재하는데 이를 연소하한계 및 연소상한계라고 부른다. 연소범위와 연소한계를 구분하고 내용에 대해 좀 더 자세하게 알아보자.

연소범위(Flammability Range)란 무엇인가?

메탄의 연소범위는 5.0% ~ 15%이다. 이것이 무슨 뜻일까? 공기 중에 메탄이 5% 이상 형성되면 연소가 가능하다는 뜻이다. 그러나 메탄의 농도가 15% 이상이 되면 점화원을 만나도 연소하지 않는다는 것을 의미한다. 즉, 연소범위는 가연성 증기가 공기와 혼합하여 연소를 일으킬 수 있는 범위를 말한다. 여기서의 농도 5% 또는 10%는 공기 중 가연성 증기가 차지하는 농도를 말하는 것이다. 상황에 따라 연소범위와 폭발범위를 혼용하여 사용하기도 한다.

 

온도에 따른 연소한계의 변화 곡선

연소한계(Flammability Limit)는 두 가지가 있다.

가. 연소하한계(LFL, Lower Flammability Limit)

위에서 메탄의 연소범위는 5.0% ~ 15%라고 하였다. 공기 중에 메탄이 5% 이상만 누출되면 연소가 가능하다고 하였다. 이때의 5%를 연소하한계(LFL)라고 부른다. 공기 중에 메탄이 최소 5% 이상은 존재해야 연소가 가능하다 또는 메탄의 농도가 5% 미만인 경우에는 연소가 일어나지 않는다는 의미이다.

 

나. 연소상한계(UFL, Upper Flammability Limit)

공기 중에 메탄이 15%까지 존재하는 경우에는 연소가 가능한데, 메탄의 농도가 그 이상이 되면 연소가 되지 않는다. 가연성 증기가 많다고 무조건 연소가 잘 되는 것이 아니라는 것이다. 산소와 가연성 증기가 적당한 비율을 이루었을 때 연소가 진행되는 것이다. 그래서 최고 농도인 15%를 연소상한계(UFL)라고 부른다.

 

 

이미 알려져 있는 연소범위

가. 인터넷을 검색하면 살펴볼 수 있는 것들

가연성 가스나 위험물의 유증기에 대해 이미 실험을 통해 연소범위가 알려져 있는 경우가 많다. 인터넷으로 검색하면 얻을 수 있는 가연성 가스의 연소범위를 살펴보면 다음 표와 같다.

 

대표적인 가연성 가스의 연소한계

나. 연소범위 표를 살펴보면

탄화수소계 대표 물질인 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 살펴보면 탄소 수가 늘어날수록 연소하한계 및 연소상한계가 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 연소범위도 좁아지는 것을 의미한다.

알려져 있는 가연성 가스 중에서는 연소범위가 가장 넓은 것은 아세틸렌(C2H2)이다. 아세틸렌의 연소범위는 2.5% ~ 82%로 존재 자체가 위험성을 내포하고 있는 것이다. 그리고 아세틸렌만큼 위험한 가연성 가스로는 수소(H2)가 4.0% ~ 75%에 해당한다.

연소범위가 넓다는 것은 무슨 의미인가?

가. 연소범위가 넓다는 것은

연소범위가 넓다는 의미는 연소한계가 서로 멀리 떨어져 있다는 것을 말한다. 연소하한계(LFL)는 낮고 연소상한계(UFL)는 높게 형성되어 있다는 것이다. 연소하한계가 낮으면 해당 가연성 가스가 공기 중에 노출 되었을 때 연소할 위험성이 크다는 것을 의미한다. 물론 연소하한계를 갓 지난 시점의 농도에서 점화원이 존재한다고 해서 연소가 확연하게 이루어지는 것은 아니다. 때로는 불꽃이 발생하는 정도일 수도 있다.

 

나. 연소범위가 왜 중요할까?

연소상한계가 높다는 것은 저장탱크에 공기가 조금만 침입해도 연소범위가 형성되어 점화원만 있으면 연소 또는 폭발할 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로 연소범위가 넓을수록 위험성이 커진다고 할 수 있다. 연소범위를 확인해 보아야 하는 중요한 이유는 해당 가연성 가스의 위험성을 파악하고, 그에 맞게 방폭이나 소방시설 등의 안전시설과 불활성화 조치를 취해야 하는 필요성 때문이다. 또한, 연소하한계는 최소산소농도인 MOC에 직접적으로 적용되기 때문이다.

 

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