화재의 발생원인과 유형

화학물질 사고에 의한 피해는 화재, 폭발, 누출이라는 3 가지 형태의 노출에 의해 생긴다. 금번은 화재의 발생원인과 유형에 대하여 공유하고자 한다.

 

 

 

화재의 발생원인과 유형

화재는 제어되지 않은 연소과정에서 방출된 빛과 에너지에 의해 피해를 입는 것으로 정의된다. 즉 쉽게 말하면 불이 났을 때 생기는 열에 의한 재해를 말한다. 따라서 화재에 의한 영향범위를 나타낼 때는 복사열 단위(kW/㎡)를 사용한다. 

 

 

연소의 3 요소

화재는 산화제, 연료, 점화원이라는 “연소의 3 요소”가 모두 있어야만 일어난다.

연소의 3 요소에 대한 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/3

연소의 3(4)요소 및 소화의 원리

 

 

https://sec-9070.tistory.com/1426

화재·폭발 사고 개요

 

 

연소특성

연소를 위해서는 물질의 발화온도, 인화점, 연소점, 연소 상한선, 연소 하한선 등 다양한 연소특성들이 복합적으로 작용한다.

다음 그림 1은 온도 변화에 따른 가연성 증기의 농도 변화를 표현한 것으로 연소특성 간의 관계를 보여주는 것이다. 

<그림 1> 다양한 연소 특성간의 관계도

1. 가연성 가스의 농도

가연성 가스의 농도가 연소하한선 보다 낮거나 연소상한선 보다 높게 되면 연소는 일어나지 않게 된다. 인화점은 액체의 표면에서 발생한 증기 농도가 공기 중에서 연소하한농도가 되는 가장 낮은 액체 온도이다. 따라서 이론상으로는 연소하한선은 포화증기압 곡선에서 인화점과 만나게 된다. 그러나 인화점은 오직 순간적인 화염발생이 되는 온도를 의미하므로, 연속적인 화염이 생기기 위해서는 인화점보다 높은 온도가 요구된다.

2. 산소농도

연소하한선은 공기 중의 연료를 기준으로 한다. 그러나 연료는 연소의 3요소 중 하나이므로 다른 요소인 산소의 역할도 중요하다. 화염이 발생하여 전파되기 위해서는 최소한의 산소농도가 필요하다. 이러한 산소농도를 한계산소농도라고 하며, 공기와 연료로 된 혼합기체에 대한 산소의 %로 계산한다. 한계산소농도가 중요한 이유는 화재와 폭발이 발생하였을 때 존재하는 연료의 농도에 상관없이 한계산소농도 이하로 산소농도를 제어함으로써 화재와 폭발의 확산을 막을 수 있기 때문이다.

 

 

3. 점화원

화재가 발생할 수 있는 세 번째 요인은 점화원이다.

발화원은 크게 기계적 발화원, 전기적 발화원, 열적 발화원, 자연발화 네 가지로 구분된다.

- 기계적 발화원에는 충격이나, 마찰, 단열압축 등이 포함된다. 이중 단열압축은 증기가 발화온도를 초과하는 단열온도로 압축되면 점화되는 현상으로써, 화학공정에 많은 압축기에서 냉각기가 고장 날 경우 화재를 일으키는 원인이 된다. 따라서 압축공정이 포함된 공정에서는 단열압축에 의한 화재에 대해 안전장치를 반드시 갖추어야 한다. 

- 전기적 발화원은 모터배선이나 스파크 등 전기적인 실수와 정전기가 포함된다.

- 열적 발화원에는 고열표면, 용융물, 용접불꽃, 조명기구 등이 해당된다. 인화성 증기는 주변의 에너지로부터 자발적으로 발화하는 온도인 발화온도를 가진다. 발화온도는 증기의 농도, 부피, 계의 압력, 촉매 물질의 종류, 발화 지연 시간 등의 함수이다. 가연물의 농도가 크거나 작을 때, 압력이 감소할 때는 발화온도가 높아진다. 반면에 부피가 크거나 산소 농도가 증가하면 발화온도는 감소하게 된다.

- 자연발화는 발생한 에너지가 감소되지 않고 열로 축적된 다음 주변 환경이 발화온도에 도달하게 되면 스스로 점화를 일으키는 반응이다. 주로 휘발성이 낮은 액체에서 자주 발생하는데, 휘발성이 큰 액체는 증발 과정에서 증발열을 빼앗김으로써 스스로 냉각되어 자연발화가 덜 일어나기 때문이다.

 

 

화재사고의 특성 및 원인

화재사고의 경우에는 복사열에 의해 사람과 시설물에 모두 영향을 미친다. 그러나 화재는 사고의 가능성이 폭발이나 누출에 비해 높지만 영향 범위나 경제적인 손실의 규모는 상대적으로 작다. 다만 화재는 대부분 폭발을 동반하게 되므로 폭발에 의한 영향까지 같이 고려해야 할 경우가 많다.

화학공장에서 발생하는 화재는 대부분이 대규모의 개방계 탄화수소 화재이므로 일반화재와는 달리 확산속도가 매우 빠르다.

대부분 화재의 원인은 밀폐계 공정에서 유체 누설이 일어나거나, 엎지름이다.

누출은 다음 그림과 같이 주로 용기, 배관, 펌프 등의 사고의 경우에는 대규모 누설이 일어나기 쉬우며, 플랜지, 샘플링 또는 드레인 출구, 기타 소구경 연결부에서는 소규모의 누설이 일어나기 쉽다.

<그림 2> 유체 누설 부위 예

 

 

화재발생의 과정 및 화재유형

압력용기에서 방출이 일어나면 화재가 발생하는데 누출 형태에 따라 즉시발화와 지연발화로 구분된다.

화재발생의 과정은 그림 3에 정리하였다.

<그림 3> 발화의 과정

 

즉시발화는 비등액체팽창증기폭발(BLEVE)과 연계되어 화구(Fire ball)가 형성되는 것과 작은 구멍에서 고압으로 분출되어 고압분출화재 (Jet fire)를 유발할 경우를 말한다.

지연발화는 방출 즉시 발화되지 않고 약간의 시간적인 간격이 있는 현상이다. 이 경우 누출된 물질을 방출헤더에서 포집할 수 있으면 플레어(flare)에서 태워버릴 수 있다. 그러나 포집되지 않고 방출된 물질이 증발되거나, 주변에 축적 또는 확산되면 증기운 화재(Flash fire, Vapor cloud fire)나 액면화재(Pool fire)가 일어나게 된다. 증기운 화재가 일어나기 전에는 누출된 후 발화하기 전까지 일정 기간 동안 증기운으로 성장하는 과정을 거치게 된다. 액면화재는 누출되어 고여 있는 액체에서 연료증기가 연소하한선을 넘게 되면 발생한다.

 

 

화재발생의 과정에 따른 화재유형은 표 1과 같다.

 

<표 1> 화재의 유형

유형	정의	이미지 출처: https://pse-safety.com/en
액면 화재 (Pool fire)	액체(액화가스 포함)의 인화성 물질이 누출되어 주변 바닥에 고여 있는 상태에서 액체가 기화하여 발화원에 의해 점화된 현상
고압분출 화재 (Jet fire)	배관, 저장탱크 등에서 연속적으로 누출되는 고압의 인화성 물질이 누출원 근처의 발화원에 의하여 점화되는 현상. 연속적인 복사열이 발생함
화구 (Fire ball)	LPG나 액화가스류 화재에서 흔히 발생하며, 비등액체 팽창증기폭발(BLEVE)에 의하여 공중에 공 모양의 화염 덩어리가 생성되는 현상
증기운 화재 (Flash fire, Vapor cloud fire)	누출된 인화성 물질이 공기 중으로 확산되어 구름형태로 떠다니다가 물질의 폭발하한계 이하로 희석되기 전에 발화원을 만나면서 화재가 발생하는 현상

 

Reference : 화학세계 2015. 09(윤준헌 화학사고의 유형과 자주 발생하는 사고형태)