자연발화
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1. 개요
자연발화는 물질이 외부 열원 없이 스스로 열을 받아 연소하는 현상을 의미한다. 이 현상은 기원전 290년경 중국에서 처음 기록되었으며, 낮은 온도에서 열을 방출하는 물질(예: 건초, 짚)이 산화, 발효 등의 과정으로 열을 축적하여 발생한다. 자연 발화는 화학적 요인, 생물학적 요인, 기타 요인에 의해 발생할 수 있으며, 석탄, 황린, 건성유에 적신 헝겊 등 특정 물질에서 더 쉽게 일어난다. 예측 및 예방을 위해서는 물질의 장기 보관을 피하고, 공기 흐름, 수분, 메탄 등을 조절해야 한다.
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| 자연발화 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 유형 | 연소 |
| 원인 | 내부 온도 증가로 인한 자가 촉매적 연소 |
| 특징 | 온도 증가의 자가 촉매적 과정 |
| 관련 현상 | 소사 (사람의 경우) |
| 추가 정보 | |
| 외부 링크 | 자연 발화에 대한 라이브 사이언스 기사 |
2. 역사
자연발화는 기원후 290년 이전 어느 시점에 철학자 창화가 작성한 서적(사물탐구록)에서 고대 중국에서 처음 인지되고 기술된 것으로 간주된다.
2. 1. 한국의 자연 발화
자연발화는 기원후 290년 이전 어느 시점에 철학자 창화가 작성한 서적(사물탐구록)에서 고대 중국에서 처음 인지되고 기술된 것으로 간주된다.3. 원인
자연발화는 상대적으로 낮은 온도의 물질(지푸라기 등)이 열을 발산하기 시작할 때 발생할 수 있다. 습기나 공기에 의한 산화, 열을 내는 세균 발효 등 여러 방법으로 발생할 수 있다. 이 열은 빠져나가지 못하여 물질의 온도가 상승하게 된다.
자연 발화는 건초, 짚, 이탄 등과 같이 비교적 낮은 발화점을 가진 물질이 열을 방출하기 시작할 때 발생할 수 있다. 이는 수분과 공기가 존재하는 환경에서의 산화 또는 열을 발생시키는 박테리아 발효 등 여러 가지 방법으로 발생할 수 있다. 이러한 물질들은 열 절연체이므로 열이 빠져나가는 것을 막아 물질의 온도가 발화점 이상으로 상승하게 한다. 산소와 같은 충분한 산화제와 연료가 존재하여 열 폭주 반응이 지속될 때 연소가 시작된다.
열 폭주는 생성되는 열의 양이 열 손실률보다 클 때 발생할 수 있다. 많은 열을 발생시키는 물질은 비교적 적은 양에서도 연소될 수 있지만, 매우 적은 열을 발생시키는 물질은 단열이 잘 되어 있거나 대량으로 보관될 때만 위험해질 수 있다. 대부분의 산화 반응은 고온에서 가속화되므로, 낮은 주변 온도에서는 안전했던 물질 더미가 더운 날씨에는 자연 발화될 수 있다.
3. 1. 화학적 요인
자연 발화는 건초, 짚, 이탄 등과 같이 비교적 낮은 발화점을 가진 물질이 열을 방출하기 시작할 때 발생할 수 있다. 이는 수분과 공기가 존재하는 환경에서의 산화 또는 열을 발생시키는 박테리아 발효 등 여러 가지 방법으로 발생할 수 있다. 이러한 물질들은 열 절연체이므로 열이 빠져나가는 것을 막아 물질의 온도가 발화점 이상으로 상승하게 한다. 산소와 같은 충분한 산화제와 연료가 존재하여 열 폭주 반응이 지속될 때 연소가 시작된다.열 폭주는 생성되는 열의 양이 열 손실률보다 클 때 발생할 수 있다. 많은 열을 발생시키는 물질은 비교적 적은 양에서도 연소될 수 있지만, 매우 적은 열을 발생시키는 물질은 단열이 잘 되어 있거나 대량으로 보관될 때만 위험해질 수 있다. 대부분의 산화 반응은 고온에서 가속화되므로, 낮은 주변 온도에서는 안전했던 물질 더미가 더운 날씨에는 자연 발화될 수 있다.
예를 들어 황린은 상온의 대기 중에서 약간의 충격만으로도 자연적으로 연소한다. 발명 당시의 성냥에는 황린이 사용되었지만, 너무 쉽게 발화되어 사고가 잇따랐다. 따라서 현재는 사용이 금지되었고, 안전한 적린을 성냥의 발화약으로 사용하고 있다. 또한, 불안정한 물질의 분해 발열은 대형 사고로 이어질 수 있다. 화학 비료의 제조, 저장 시설이 대폭발한 오파우 대폭발과 같은 예가 있다.
페인트나 잉크 중에서, 성분의 산화 중합에 의한 고화 반응을 이용하는 종류는, 헝겊 조각(산업에서는 웨스라고 부름) 등으로 닦았을 경우 헝겊 위에서 산화 중합하여 발열하고 발화하는 경우가 있다. 일반적으로 자주 사용되는 알키드 수지계 도료 등이 여기에 해당한다.[21] 소방법에서는 사용 후 웨스는 매일 현장에서 배출하는 것이 규정되어 있다.
능동적으로 산화 반응을 이용하는 것이 아니더라도, 다량의 튀김 부스러기를 한꺼번에 방치한 경우[22]나, 의류 건조기에 유분이 부착된 의류를 넣은 경우[23]에도, 기름의 산화에 의해 발화가 일어나는 경우가 있다.
석탄도 자연 발화할 수 있기 때문에, 운송[24] 및 보관에는 주의가 필요하다.
3. 2. 생물학적 요인
자연발화는 건초, 짚, 이탄 등과 같이 비교적 낮은 발화점을 가진 물질이 열을 방출하기 시작할 때 발생할 수 있다. 이는 수분과 공기가 존재하는 환경에서의 산화 또는 열을 발생시키는 박테리아 발효 등 여러 가지 방법으로 발생할 수 있다. 이러한 물질들은 열 절연체이므로 열이 빠져나가는 것을 막아 물질의 온도가 발화점 이상으로 상승하게 한다. 산소와 같은 충분한 산화제와 연료가 존재하여 열 폭주 반응이 지속될 때 연소가 시작된다. 열 폭주는 생성되는 열의 양이 열 손실률보다 클 때 발생할 수 있다. 많은 열을 발생시키는 물질은 비교적 적은 양에서도 연소될 수 있지만, 매우 적은 열을 발생시키는 물질은 단열이 잘 되어 있거나 대량으로 보관될 때만 위험해질 수 있다. 대부분의 산화 반응은 고온에서 가속화되므로, 낮은 주변 온도에서는 안전했던 물질 더미가 더운 날씨에는 자연 발화될 수 있다.음식물쓰레기, 퇴비, RDF, 목재 부스러기, 육골분 등의 유기물을 대량으로 보관하면 발효 과정에서 내부 온도가 상승하여 반응을 촉진시키고, 최종적으로는 산화 반응이 일어나 자연 발화될 수 있다. 도쿄항의 폐기물 매립지(신유메노시마(新夢の島) 등)에서는 과거에 자연 발화로 인한 화재가 발생한 적도 있다.
3. 3. 기타 요인
자연발화는 상대적으로 낮은 온도의 물질(지푸라기 등)이 열을 발산하기 시작할 때 발생할 수 있다. 습기나 공기에 의한 산화, 열을 내는 세균 발효 등 여러 방법으로 발생할 수 있다. 이 열은 빠져나가지 못하여 물질의 온도가 상승하게 된다.낙뢰는 산불 등의 원인이 되는 경우가 많다.
물을 채워 놓은 페트병, 마찬가지로 물이 담긴 금붕어 어항, 창문에 붙어 있는 투명한 흡착판 등이 볼록 렌즈 역할을 하여 태양광이 초점을 형성(수렴)한 곳의 온도가 급격히 상승하여 발화 원인이 될 수 있다. 이러한 투과광 외에도, 스테인리스 재질의 볼이 오목거울 역할을 하는 반사광으로도 발생한다. 이처럼 빛의 수렴으로 인해 발생하는 화재를 "수렴 화재"라고 한다.
- 화산 폭발
- 마찰(정전기에 의한 것을 포함)
- 분진 폭발
4. 자연 발화가 쉬운 물질
4. 1. 확인된 물질
건초[3]와 퇴비[4] 더미는 박테리아 발효[4]로 인해 발생하는 열 때문에 자연 발화될 수 있으며, 이는 열분해와 산화를 일으켜 열 폭주 반응을 일으켜 자연 발화 온도에 도달할 수 있다. 건성유[5] 또는 니스[6]에 적신 헝겊은 표면적이 넓기 때문에 빠르게 산화될 수 있으며, 적절한 조건하에서는 작은 더미라도 발화할 만큼 충분한 열을 발생시킬 수 있다.석탄[7]은 산소에 노출되면 자연적으로 발화될 수 있는데, 이는 냉각을 위한 환기가 불충분할 때 반응하여 가열되기 때문이다. 석탄의 부적절한 저장은 산소 공급이 지속될 수 있고 석탄의 산화가 열을 발생시키지만 이 열이 발산되지 않기 때문에 자연 발화의 주요 원인이다.[11] 시간이 지남에 따라 이러한 조건은 자체 발열을 유발할 수 있다. 자체 발열 경향은 석탄의 순위가 높아짐에 따라 감소한다. 갈탄은 역청탄보다, 역청탄은 무연탄보다 더 활성화된다. 신선하게 채굴된 석탄은 풍화된 석탄보다 산소를 더 빠르게 소모하며, 신선하게 채굴된 석탄은 풍화된 석탄보다 더 크게 자체 발열한다. 수증기의 존재 또한 중요할 수 있는데, 포화된 공기에서 건조된 석탄이 수분을 흡수하는 과정에서 발생하는 발열 속도는 같은 양의 건조 공기보다 10배 이상 빠를 수 있다.[12]
황철석 산화는 종종 오래된 광산 폐석에서 석탄의 자연 발화 원인이 된다. 피스타치오[8] 견과류는 대량으로 보관될 때 매우 인화성이 높고 자체 가열 및 자연 발화되기 쉽다. 극심한 열 조건에서 대형 분뇨 더미는 자연적으로 연소될 수 있다.
면과 마는 다불포화 식물성 기름(아마씨 기름, 마사지 오일)과 접촉하면 발화될 수 있다. 박테리아는 이러한 물질을 서서히 분해하여 열을 발생시킨다. 이러한 물질이 열이 빠져나갈 수 없도록 보관되면 열 축적이 분해 속도를 높이고 따라서 열 축적 속도가 증가한다. 일단 발화 온도에 도달하면 산화제(산소)가 존재하는 경우 연소가 발생한다. 면도 자연 발화의 위험이 매우 크다.[13]
나이트레이트 필름은 부적절하게 보관될 경우 극도로 인화성이 높은 상태로 변질되어 연소될 수 있다. 1937년 폭스 금고 화재는 자연 발화된 나이트레이트 필름으로 인해 발생했다.
유지종자(Oil seeds)와 유지 추출 후 잔여물은 과도하게 습하면 자체 발열한다. 일반적으로 9~14%의 수분 함량으로 저장하는 것이 적합하지만, 각 유지종자 품종별로 한계 수분 함량이 설정되어 있다. 발아에 필요한 수분량보다 약간 낮은 과도한 수분이 존재할 경우, 곰팡이의 활동이 발열의 원인이 될 가능성이 높다. 팜핵, 유채씨, 면실도 연구되었다.[15]
황린은 상온의 대기 중에서 약간의 충격만으로도 자연적으로 연소한다. 발명 당시의 성냥에는 황린이 사용되었지만, 너무 쉽게 발화되어 사고가 잇따랐다. 따라서 현재는 사용이 금지되었고, 안전한 적린을 성냥의 발화약으로 사용하고 있다.
4. 2. 주의해야 할 물질
건초는 자연 발화 연구에서 가장 광범위하게 연구된 물질 중 하나이다. 건초 제조에 사용되는 풀의 종류와 재배 지역의 차이로 인해 건초의 자체 발열 과정에 대한 통일된 이론을 확립하는 것은 매우 어렵다. 수분 함량이 25%를 초과하는 건초에서 위험한 발열이 발생할 것으로 예상된다. 화재는 대부분 저장 후 2~6주 이내에 발생하며, 그중 대다수는 4주 또는 5주째에 발생한다. 이 과정은 미생물 활동(박테리아 또는 곰팡이)으로 시작될 수 있으며, 이는 건초를 발효시켜 에탄올을 생성한다. 미생물 활동은 건초 내 산소량을 감소시킨다. 100 °C에서 젖은 건초는 마른 건초보다 두 배 많은 산소를 흡수하였다. 건초에 존재하는 복잡한 탄수화물이 더 간단한 당으로 분해되어 에탄올로 더 쉽게 발효된다는 추측이 있다.[9]갓 만들어진 참숯은 스스로 발열하여 발화될 수 있다. 이는 참숯 제조 과정에서 발생할 수 있는 열점과는 별개이다. 공기에 8일 이상 노출된 참숯은 위험하다고 간주되지 않는다. 여러 요인이 관련되어 있는데, 그 중에는 목재의 종류와 참숯 제조 온도가 포함된다.[10]
석탄의 자연 발화에 대한 광범위한 연구가 완료되었다. 자체 발열 경향은 석탄의 순위가 높아짐에 따라 감소한다. 갈탄은 역청탄보다, 역청탄은 무연탄보다 더 활성화된다. 신선하게 채굴된 석탄은 풍화된 석탄보다 산소를 더 빠르게 소모하며, 신선하게 채굴된 석탄은 풍화된 석탄보다 더 크게 자체 발열한다. 수증기의 존재 또한 중요할 수 있는데, 포화된 공기에서 건조된 석탄이 수분을 흡수하는 과정에서 발생하는 발열 속도는 같은 양의 건조 공기보다 10배 이상 빠를 수 있다.[12]
면도 자연 발화의 위험이 매우 크다.[13] 1834년 8월 24일 인도양에서 호에서 화물이 자연 발화한 사례가 눈에 띈다.
유지종자와 유지 추출 후 잔여물은 과도하게 습하면 자체 발열한다. 일반적으로 9~14%의 수분 함량으로 저장하는 것이 적합하지만, 각 유지종자 품종별로 한계 수분 함량이 설정되어 있다. 발아에 필요한 수분량보다 약간 낮은 과도한 수분이 존재할 경우, 곰팡이의 활동이 발열의 원인이 될 가능성이 높다. 이는 아마씨와 해바라기씨, 그리고 콩에서 확인되었다. 많은 유지종자는 자체 발열하는 기름을 생성한다. 팜핵, 유채씨, 면실도 연구되었다.[15] 잘못 보관하거나 버린 아마인유에 적신 헝겊은 자연 발화될 수 있다.[16]
코프라는 코코넛의 말린 흰 과육으로, 코코넛 오일을 추출하는 데 사용된다.[17] 자연 발화성 때문에 위험물로 분류된다.[18] 위험물질 4류 인화성 고체, 4.2등급 물질로 분류된다.
5. 예측 및 예방
자연 발화를 예측하고 예방하는 데는 여러 요인이 작용한다. 재료가 방치되는 시간이 길수록 자연 발화의 위험이 커진다.[20] 자연 발화를 예방하려면 재료를 장시간 보관하지 않고, 공기 흐름, 수분, 메탄 및 압력 균형을 제어해야 한다.[20] 자연 발화를 방지하는 데 사용되는 재료에는 염화물, 암모늄염, 알칼리, 불활성 기체, 콜로이드, 중합체, 에어로졸, LDH와 같은 물리적 기반 재료와 항산화제, 이온성 액체, 복합 재료와 같은 화학적 기반 재료가 있다.[20]
6. 관련 사건/사고
7. 같이 보기
참조
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2013-12-19
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塗料の自然発火にご注意ください
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天かすが自然発火
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愛知県一宮市消防本部予防課
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「衣類乾燥機」「洗濯乾燥機」をご利用の皆様へ
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日本電機工業会
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機械工学事典 : 自然発火（石炭の）
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日本機械学会
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FAQ よくある質問 : 自然発火について
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消防大学校消防研究センター
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뉴스
ゴミが自然発火 埋め立て地焼く
朝日新聞
1977-03-14
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논문
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