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방재영역/연소공학

20. 자연발화와 열면발화

by Danny' 2020. 6. 15.
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자연발화와 열면발화

 

1. 개요

1.1 자연발화

  • 물질이 공기 중에서 발화온도보다 훨씬 낮은 온도에서 자연히 발열하고 그 열이 장기간 축적되어 발화점에 도달하여 나중에 연소에 이르는 현상
  • 자연발화는 물질이 자동발화온도(AIT)에 도달할 수 있도록 충분한 열이 축적되게 하는 상황에서 발생된다

1.2 열면발화

  • 열면발화는 가연성 혼합기체가 고온의 고체 표면(열면)에(열면) 접촉하면 발화가 일어 난다
  • 발화구조는 접촉면을 통해서 열이 혼합기체에 전달되어 온도가 상승하고 그 근방에서 자연발화가 일어난다

2. 발화의 기본적인 차이

열면발화와 자연발화의 가장 기본적인 차이는 가열의 조건, 결국 열원과 혼합기체의 배치이다

 

2.1 자연발화

  • 열원은 혼합기체를 둘러싸고, 화학반응은 그 내부에서 균일한 형태로 일어난다

2.2 열면발화

  • 국부적인 열원으로 대개의 경우 가열은 한 변에서 행하여 짐으로써 반대 측은 방열면으로 된다

3. 자연발화

  • 물질이 공기 중에서 발화온도보다 훨씬 낮은 온도에서 자연히 발열하고 그 열이 장기간 축적되어 발화점에 도달하여 나중에 연소에 이르는 현상
  • 인위적으로 가열하지 않고 상온 상태에서 물질이 공기 중에서 자연산화 또는 자연 분해하여 발생된 열에 의하여 반응이 점진적으로 촉진되어 열을 축적함으로써 발화점에 도달하여 부분적으로 발화되는 현상
  • 발생한 에너지가 그 계에서 제거되지 않고 열로 축적되어 발화온도에 도달하게 됨으로써 스스로 발화하면서 열을 방출하는 느린 산화공정
  • 비교적 휘발성이 낮은 액체가 특히 자연발화 현상을 일으키기 쉬우며, 휘발성이 큰 액체는 증발될 때 증발열을 빼앗겨 스스로 냉각되기 때문에 자연발화가 덜 일어난다
  • 자연발화 원인은 산화 열, 분해 열, 흡착 열, 중합 열, 발효 열 등이 있다

4. 열면에 의한 발화

열면발화는 가연성 혼합기체가 고온의 고체 표면(열면)에(열면) 접촉하면 발화가 일어 난다. 발화구조는 접촉면을 통해서 열이 혼합기체에 전달되어 온도가 상승하고 그 근방에서 자연발화가 일어난다

4.1 혼합 기체 내의 온도 분포 및 화학반응

  • 온도분포 : 표면에서 멀어짐에 따라 급격히 저하되고
  • 화학반응 : 열변에 가까운 위치에서 활발하게 된다. 또한 반대 측면으로의 방열이 크기 때문에 발화에 필요한 열원의 온도는 높아지게 된다

4.2 열면발화온도

  • 열면이 작을수록 방열과의 균형을 위해 열면발화온도는 자연발화 온도보다 훨씬 높게 된다
  • 가솔린-공기 혼합기체나 프로판-공기 혼합기체가 850 ℃ 가량 되는 담뱃불로도 발화가 안되는 것은 담배라는 착화원의 열면이 작기 때문이다
  • 열원의 면적이 증대하면 열면발화온도는 점점 낮아지게 되고, 열원이 혼합기 체를 둘러싼 형태가 되었을 때 가장 낮은 자연발화 온도에 이른다

가연성 혼합기체가 흐르고 있는 경우에는 열면발화온도는 유속 증가에 따라 상승하게 되는데 이는 혼합기체와 열면사이의 열교환이 나쁘기 때문이며 일반적으로 열면발화는 유속이 느련 정체 영역에서 일어나기 쉽다


5. 결론

5.1자연발화의 영향 요소

  • 열 축적 : 열 축적이 용이할수록 자연발화가 되기 쉽다
  • 열전도율 : 열전도율이 작을수록 자연발화가 쉽다
  • 퇴적 방법 : 열 축적이 용이하게 가연물이 적재되어 있으면 자연발화가 쉽다
  • 공기유통 : 공기의 유통이 안 될수록 열 축적이 용이하여 자연발화가 되기 쉽다
  • 발열량 : 발열량이 큰 물질의 경우 자연발화가 쉽다
  • 수분 : 수분은 촉매작용을 할 수 있다

5.2 열면발화의 영향 요소

  • 열면 크기가 작을수록 열면발화온도는 높아진다
  • 혼합기체 유속이 클수록 열면발화온도는 높아진다

 

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