훈소와 불꽃화재 (Smoldering vs. Flaming Combustion)

지난번 훈소의 개요에 대한 글에 이어

이번에는 훈소와 불꽃화재에 대하여 알아보고자 합니다.

 

아래의 내용은 SFPE Handbook(5th edition)의 훈소에 나온 내용을 번역한 것 입니다.

 

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훈소와 불꽃화재 (Smoldering vs. Flaming Combustion)

 

모든 연소 과정의 핵심은 열과 연소에 따른 기체와 고체를 방출하는 전체적인 발열 반응입니다.

훈소가 우세한지 아니면 불꽃연소가 우세한지는 어떤 화학물질 종류(chemical species)가 산화되는지에 따라 결정됩니다. 산화가 고체상에서 발생하면 훈소가 우세하고, 산화가 기체상에서 발생하면 불꽃연소이 우세합니다..

Whether smoldering or flaming will be the dominant mode is dictated by which chemical species is oxidized. If the oxidation takes place in the solid phase, smouldering is dominant; if the oxidation takes place in the gas phase then flaming dominates

 

일반적으로 고체 연료의 연소는 수많은 기본 화학 반응을 포함하지만, 가장 간단한 형태로 고체연료의 연소를 열분해(식 19.1)와 산화(수학식 19.2a 또는 19.2b)의 두가지 화학식으로 표시할 수 있습니다.

 

 

열분해 : 연료(고체) + 열 → 열분해(기체) + 숯(고체) + 재(고체)           -----------------(19.1)

불균일 산화 : 숯(고체) + 산소(기체)  → 열 + CO2 + 물 + 다른 가스 + 재(고체)  -----(19.2)

기상의 산화 : 열분해물(기체) + 산소(기체)  → 열 + CO2 + 물 + 다른 가스 -----------(19.3)

 

열분해(19.1식)의 경우 기체 및 고체 생성물을 생성합니다. 이들 중, 숯(Char)과 열분해물(pyrolysate)과 이후 연속해서 산화가 되기 쉽습니다. 이 두가지에 대한 산화는 아래와 같습니다.

숯의 산화(식 19.2a)는 고체와 기체를 포함하는 불균일 반응으로, 숯에서 열분해에 따라 발생되며 훈소 연소로 진행됩니다.

열분해물(식 19.2b)의 산화는 공기 중에 떠 있으며 기체상에서 발생하며, 이는 균질 반응(기체종만 포함)이며 불꽃 연소로 이어집니다.

 

숯은 높은 표면 대 부피비(high surface-to-volume ratio)와 높은 반응열을 탄소가 풍부한 다공성 물질입니다. 산소의 침투는 산화 과정을 촉매할 수 있는 금속 및 광물 불순물에 의해 촉진됩니다.

 

다른 중요한 고체 종류는 재이며, 재는 연소 후 반응성이 남아있지 않는 대부분이 무기질로 이루어진 잔류물입니다.

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위의 글은 SFPE Handbook의 훈소 Chapter내의  훈소와 불꽃화재 항의 내용 번역한 것입니다.

(번역이 매끄럽지 않더라도 너그러이 양해 부탁드립니다.)

 

 

간략하게 제 기준에 따라 정리하면 다음과 같습니다.

● 훈소와 불꽃화재는 산화가 어떠한 상태에서 진행되는지에 따라 결정됨.

● 훈소는 고체의 상에서 산화 / 불꽃화재는 기체의 상에서 산화

● 고체화재에서의 연소의 시작은 열분해이며, 열분해 생성물이 고체(숯)이 많은 경우 훈소가 지배적이며 열분해 생성물 중 가연성가스(기체)가 많은 경우 불꽃화재

 

주로 보시는 교재들에는 훈소와 불꽃화재가 각각 다른 항목에 기술되어 있다보니 

각각 다른 상태에서 진행되는 것으로 오해할 수 있습니다. (제가 공부할 때 그랬습니다....)

 

하지만 너무 어렵게 생각하지 마시고

고체의 화재 또는 연소에서 연료인 고체부분은 훈소, 고체 위의 불꽃은 불꽃화재가 동시에 진행이 됨만 이해하시면 됩니다.

 

즉 직관적으로 머리에 떠오르는 아래의 목재의 연소 진행단계로 이해하시면 좋을 것 같습니다.

1. 목재의 열분해

    : 목재가 열분해 되어 고체 부분은 탄화 즉 숯이 되고, 가연성 기체가 동시에 생성

      생성된 가연성 기체는 양이 충분하지 못해 불꽃생성은 안됨.

      초기에 수분이 많은 목재의 경우 수분 증발으로 수증기 발생.

2. 불꽃을 내는 목재

    : 열분해 생성물 중 가연성 기체가 충분할 경우 고체 상부에서 불꽃 발생.

      물론 동시에 훈소는 계속진행되어 목재는 숯이 되며, 숯은 재가 되는 반응이 지속됨.

3. 숯에서의 연소

    : 고기를 구울 때 많이 접하는 숯은 가연성 기체가 많이 나오지 않는 상태의 훈소가 지배적인 단계입니다.

      고기집에서 처음 숯이 나올때 숯 위로 약간의 불꽃이 보인다면, 아직 가연성 기체가 생성되는 숯이며

      약간 시간이 지나면 오직 훈소과정이 지속적으로 진행되며 많은 책에서 언급하는 작열연소.

 

다음 훈소에 관한 글은 SFPE의 훈소의 특징에 대해서 정리해보겠습니다.