연소범위에 영향을 주는 요인과 연소범위의 필요성

연소범위는 항상 일정할까?

가. 연소범위와 연소한계

이전 글에서 연소범위와 연소한계에 대해서 언급하였다. 연소범위란 연소하한계와 연소상한계의 사이를 말하는 것인데, 이 하한계와 상한계의 사이의 범위가 연소범위이다. 그리고, 연소한계를 설명하면서 연소하한계와 연소상한계를 공식으로 풀어내는 방법까지 설명하였다. 특히 가연성 기체 하나의 연소한계를 구하는 방법인 Jone’s 식과 혼합기체에서의 연소한계를 구하는 공식인 르샤틀리에(Le Chatelier) 공식도 살펴보았다.

 

연소한계를 구하는 Jone's 식

 

혼합기체의 연소한계를 구하는 르샤틀리에 공식

나. 연소범위는 상황에 따라 변한다.

연소범위를 측정할 때 상온 상압하의 조건에서 연소범위를 측정한다. 우리가 아는 연소하한계와 연소상한계는 정해진 조건에서의 측정되는 연소범위에 해당한다. 그런데 현실에서의 조건은 상황마다 달라질 수밖에 없다. 그래서 온도, 압력, 산소 농도 등에 따라 연소범위는 늘어나기도 하고 줄어들기도 한다. 연소범위에 영향을 주는 것들은 무엇이 있으며, 그 영향인자에 의해 연소범위가 어떻게 변화하는지 살펴보자.

연소범위(연소한계)에 영향을 주는 인자

가. 산소 농도

가연성 가스에 산소가 투입되면 기존의 연소범위보다 더 넓어진다. 메탄의 경우 5.0% ~ 15% 이던 연소범위가 산소가 투입되면 5.1% ~ 61%로 넓어진다. 연소상한계가 크게 확대되는 결과를 나타낸다. 가연성 가스의 농도가 짙어지더라도 반응할 수 있는 산소가 충분히 있어서 연소가 가능하게 된다는 것을 의미한다.

 

나. 압력

압력은 기체 분자간의 거리를 좁히는 효과가 있다. 분자 상호간의 거리가 짧아지면 유효충돌이 증가하게 되고 반응이 활성화된다. 그래서 연소범위가 넓어지는 결과를 발생시킨다. 연소하한계의 변화 보다는 연소상한계가 증가하여 연소범위가 넓어진다.

 

 

 

다. 온도

가연성 가스의 온도가 증가하면 분자 운동이 활발해진다. 그래서 분자 상호간의 유효충돌 횟수가 증가하는데 따라서 화염의 전파도 용이하게 된다. 온도가 상승할수록 반응속도가 증가하므로 연소범위는 확대된다. 온도가 100℃ 증가하면 연소하한계는 8% 감소하고, 연소상한계는 8% 증가한다는 법칙이 있다.

 

라. 불활성 가스

불활성 가스는 질소나 할로겐족 가스 등을 의미한다. 가연성 가스가 들어있는 용기나 배관에 불활성 가스를 투입하면 산소의 농도가 저하되므로 연소범위가 좁아진다. 연소하한계는 크게 변화하지 않지만 연소상한계는 낮아지는 효과를 얻는다. 그래서 가연성 가스의 전체적인 연소범위는 좁아진다.

 

마. 연소범위 측정 시험시 영향요소

① 용기의 크기에 따른 관벽의 열손실

연소범위 측정용기가 작아질수록 연소범위는 작아진다. 측정용기의 관벽을 통해 열손실이 일어나기 때문에 가스로의 화염 전파가 소염되기 때문이다. 화염의 열손실을 막기 위해 연소범위 측정시 5cm 이상의 시험관을 사용한다. 연소범위 시험을 위한 측정용기가 커질수록 연소범위가 넓어진다.

② 투입하는 불꽃의 에너지 크기

가연성 가스가 담긴 연소범위 측정용기에 전기 불꽃으로 자극을 주는 경우와 직접 화염을 투입하는 경우에 따라 연소범위는 달라진다. 투입하는 에너지의 크기가 클수록 연소범위는 넓어진다.

③ 화염의 전파 방향

연소범위 측정용기를 어떤 방식으로 구성했는가의 문제이다. 용기의 아래쪽에서 불꽃을 자극하여 화염이 상부로 전파되게 하는 경우가 가장 연소범위가 넓게 나온다. 반대로 용기의 상부에서 불꽃을 자극하여 화염이 아래쪽으로 전파되게 하는 경우가 가장 연소범위가 작게 나온다.

연소범위는 왜 중요한가?

가. 위험도(Degree of Hazards) 평가

메탄은 연소범위가 5% ~ 15%이고, 부탄은 연소범위가 1.8% ~ 8.4%이다. 연소범위만 보자면 연소하한계와 연소상한계의 차이에서 메탄이 10%의 차이가 발생하고, 부탄은 6.6%의 차이가 존재한다. 어떤 것이 더 위험한 가스일까? 이때 사용하는 것이 위험도이다. 가연성 가스의 위험도를 평가하는 기준이 연소범위 즉 연소한계이다. 연소하한계와 연소상한계를 비교하여 높은 수치가 나올수록 해당 가연성 가스의 위험도가 높다고 평가한다. 메탄과 부탄의 위험도를 비교해보자.

 

메탄과 부탄의 위험도 비교

위험도는 (U-L)/L이라는 공식으로 평가한다. 즉 연소상한계과 연소하한계의 차이를 연소하한계로 나눈 값이 위험도에 해당한다. 계산을 해보니 메탄은 위험도 값이 2가 나왔고, 부탄은 위험도 값이 3.67이 나왔다. 메탄보다 부탄이 더 위험한 가스라는 뜻이다.

 

나. 불활성화를 위한 조치

가연성 가스를 사용하는 곳 또는 가연성 가스가 부산물로 생성되는 곳에서는 화재 및 폭발위험성을 낮추는 것이 중요하다. 실내 또는 장치 내에서 가연성 가스의 농도를 연소하한계 이하로 유지하거나 연소상한계 이상으로 유지하면 안전성을 확보할 수 있다. 이를 위한 방법으로 산소의 농도를 낮추거나 불활성 가스를 투입하여 연소범위를 줄이는 방법을 사용한다.

연소하한계 이하로 농도를 낮추기 위해 가연성 가스 대비 공기를 더 넣어주던지 아니면 불활성 가스를 첨가하는 방식을 사용한다. 연소상한계 이상으로 농도를 높이기 위해 연료를 더 첨가하거나 공기의 유입을 방지하는 방법을 사용한다. 결국, 연소범위와 연소한계를 알려고 하는 것은 불활성화 조치를 시행하기 위한 기초 단계라 할 수 있다.

산소농도를 MOC 이하로 유지하는 것도 불활성화 조치이다.

연소하한계는 공기 중의 연료의 농도를 기준으로 보는 것이다. 이번에는 산소의 농도를 최소화하는 방법을 이야기 하고자 한다. 가연성 가스가 체류하는 공간 내의 산소 농도를 최소산소농도인 MOC(Minimum Oxygen Concentration) 이하로 산소를 낮추는 것이다. MOC는 가연성 가스가 연소를 지속하기 위해 필요한 최소한의 산소 농도를 말하는 것이다. 그러므로 가연성 가스의 농도와 상관없이 산소의 농도를 MOC 이하로 낮추면 연소는 이루어지지 않는다. 결국, 불활성화 조치를 위한 방법으로 ①연소범위에 해당되지 않도록 연료의 농도를 조절하는 방법과 ②화염의 전파가 이루어지지 않도록 최소 산소 농도(MOC)를 조절하는 방법이 있다.

 

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

끝까지 읽어 주셔서 감사 드립니다.

글 내용 중에 제가 잘못 생각하고 있는 부분이 있거나,

더 좋은 의견이 있으시면, 댓글로 저를 일깨워 주시면 감사하겠습니다.