이산화탄소 소화 약제의 효과 및 위험성

 

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1. 개요

 

이산화탄소는 탄소의 최종 산화물로 더 이상 연소 반응을 일으키지 않기 때문에 질소, 수증기, 아르곤, 할론 등의 불활성 기체와 함께 가스계 소화약제로 널리 이용되고 있다. 이산화탄소는 유기물의 연소에 의해 생기는 가스로 공기보다 약 1.5배 정도 무거운 기체이다. 상온에서는 기체이지만 압력을 가하면 액화되기 때문에 고압가스 용기 속에 액화시켜 보관한다. 방출 시에는 배관 내를 액상으로 흐르지만 분사 헤드에서는 기화되어 분사된다. 가장 큰 소화 효과는 질식 효과이며 약간의 냉각 효과도 있다. 이산화탄소는 사용 후에 오염의 영향이 전혀 없다는 큰 장점이 있다. 보통 유류 화재(B급 화재), 전기 화재(C급 화재)에 주로 사용되며 밀폐 상태에서 방출되는 경우는 일반 화재(A급 화재)에도 사용이 가능하다. 또한 액체 이산화탄소는 자체 증기압이 21℃에서 57.8㎏/㎠․G(-18℃에서 20.4㎏/㎠․G) 정도로 매우 높기 때문에 다른 가압원의 도움 없이 자체 압력으로도 방사가 가능하다. 이산화탄소의 일반적 성질은 무색, 무취이며 전기적으로 비전도성이고 공기보다 1.5배 정도 무거운 기체이다. 공기 중에 약 0.03vol% 존재하며 동, 식물의 호흡 및 유기물의 연소에 의해서도 발생되고 천연가스, 광천수 등에도 함유되어 있다. 이산화탄소의 임계온도는 31.35℃로 상온에 가깝기 때문에 하절기의 경우 액화 이산화탄소용기의 온도가 임계점을 넘으면 용기 내의 압력이 급격히 상승되어 위험하다. 또한 액체 이산화탄소는 압축가스와 달리 기화 팽창률이 커서 대기 중에 방출하게 되면 큰 체적의 기체 이산화탄소(액상 체적의 약 500배 정도 팽창)로 변하게 된다. 삼중점(triple point)에서는 세 가지 상이 평형이 되어 기체, 액체, 고체가 함께 공존할 수 있다. 이산화탄소는 삼중점인 5.1㎏/㎠,-56.7℃에서 기체, 액체, 드라이아이스가 공존한다. 일반적으로 고체 이산화탄소는 녹기보다는 승화가 쉽게 발생하는데 이것은 대기압이 삼중점의 압력보다 낮기 때문이다. 고체에서 기체로 변하는 승화점은 1atm에서 –78.50℃ 이고 그 이상의 온도에서는 기체로 존재한다. 액화된 이산화탄소가 대기 중으로 분출하고 분출 초기에는 일부의 이산화탄소가 급격하게 기화하여 분출하며, 이때 기화열(단열 팽창 효과)에 의해 잔류 이산화탄소는 급격하게 냉각되면서 고체인 드라이아이스로 변화된다. 드라이아이스는 압력을 저하시켜 대기압까지 이르게 하면 –79℃까지 냉각된다. 따라서 고압의 액체 이산화탄소를 노즐을 통해 대기 중에 방출하면 액체의 상당 부분은 즉각적으로 증기 상태로 변하지만 일부는 –79℃ 정도의 극히 미세한 입자로 변하여 주위 공간에 하얀 운무의 모습을 띠게 된다. 이와 같이 저온의 드라이아이스 입자가 공기 중에 떠다니면 공기 중의 수증기를 냉각시켜 하얀 운무 현상이 더욱 두드러지게 나타난다. 이산화탄소는 상온에서 기체이지만 압력을 가하면 액화되기 때문에 고압가스 용기 속에 액화시켜 보관한다. 방출 시에는 배관 내를 액상으로 흐르지만 분사헤드에서는 기화되어 분사된다. 또한 액체 이산화탄소는 자체 증기압이 21℃에서 57.8㎏/㎠.G(-18℃에서 20㎏/ ㎠.G)* 정도로 매우 높기 때문에 다른 가압원의 도움없이 자체 압력으로도 방사가 가능하다.

 

 

2. 소화 효과

 

<질식 효과>

이산화탄소의 가장 큰 소화 효과는 질식 효과이다. 질식 효과는 앞에 설명한 것처럼 대기 중의 산소 농도가 어느 정도 이하로 떨어지면 소화되는 효과로 소화에 필요한 이산화탄소의 농도는 가연물의 종류에 따라 달라진다. 일반적으로 소화를 위한 이산화탄소의 농도는 대개 34vol% 이상으로 설계되며, 이 때 산소의 농도는 14vol% 정도가 된다.

 

<냉각 효과>

냉각 효과는 유류탱크 화재에서처럼 불타는 물질에 직접 방출하는 경우에 가장 효과적으로 나타난다. 산소 농도 저하에 따른 질식 효과가 사라진 후에도 냉각된 액체(유류)는 연소에 필요한 가연성 기체를 증발시키지 못하기 때문에 재연소를 방지할 수 있다. 특히 방출되는 이산화탄소에 미세한 드라이아이스 입자가 존재하는 경우에는 냉각 효과가 한층 더 커지게 된다.

 

 

3. 적응 화재

 

이산화탄소는 연소물 주변의 산소 농도를 저하시켜서 소화하기 때문에 자체적으로 산소를 가지고 있거나, 연소 시에 공기 중의 산소를 필요로 하지 않는 가연물 이외에는 전부 사용할 수 있다. 따라서 일반 화재(A급 화재), 유류 화재(B급 화재), 전기 화재(C급 화재)에 모두 적응성이 있으나 주로 B, C급 화재에 사용되고 A급은 밀폐된 경우에 유효하다. 밀폐되지 않은 경우에는 이산화탄소가 쉽게 분산되고 가연물에 침투되기가 어렵기 때문에 효과가 아주 미약하다. 따라서 이산화탄소는 표면 화재에는 우수한 효과를 나타내나 심부 화재에 사용하는 경우에는 재발화의 위험성이 있다. 그러므로 심부 화재의 경우에는 고농도의 이산화탄소를 방출시켜 소요 농도의 분위기를 비교적 장시간 유지시켜 줌으로써 일차적인 소화는 물론 재발화의 가능성도 제거해 줄 필요가 있다. 이산화탄소는 사용 후 소화제에 의한 오손이 없기 때문에 통신기기실, 전산기기실, 변전실 등의 전기 설비, 물에 의한 오손이 걱정되는 도서관이나 미술관, 소화 활동이 곤란한 선박 등에 유용하다. 그리고 주차장 등에도 사용되나 인명에 대한 위험 때문에 무인의 기계식 주차탑 이외에는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이외에도 제4류 위험물, 특수 가연물 등에도 사용된다.

 

 

4. 사용 제한 및 위험성

 

이산화탄소 소화약제는

① 소화 후 소화약제에 의한 오손이 없고

② 한냉지에서도 동결될 염려가 없고

③ 전기 절연성이고

④ 장시간 저장해도 변화가 없고

⑤ 자체 압력으로 방출 되기 때문에 방출용 동력이 필요하지 않음

위와 같은 장점 때문에 오래 전부터 사용되어져 왔으나 다음과 같은 경우에는 사용을 제한하고 있다.

① 제5류 위험물(자기 반응성 물질)과 같이 자체적으로 산소를 가지고 있는 물질

② CO2를 분해시키는 반응성이 큰 금속(Na, K, Mg, Ti, Zr 등)과 금속수소화물(LiH, NaH, CaH2)

③ 방출시 인명 피해가 우려되는 밀폐된 지역

 

이산화탄소는 자체의 독성은 무시할만 하나 다량 발생 시 공기 중의 산소량을 저하시켜 질식의 위험이 있다. 전역 방출 방식으로 CO2 소화 설비를 작동시킬 경우 실내의 CO2 농도는 약 1분후에 20%(공기 중에 이산화탄소의 농도가 20vol%이면 산소의 농도는 16.8vol%로 떨어짐)를 초과하여 치사량에 도달한다. 따라서 방출 전에 음향경보 등에 의한 피난 경보를 발하여 인원을 대피시키고 또 방출과 동시에 출입 금지의 표시를 하여야 한다. 소화 후에도 환기 장치를 이용하여 이산화탄소를 외부로 방출시켜야 한다. 이산화탄소의 경우 독성을 나타내는 수치의 하나인 TLV(Threshold Limit Value, 평균 적인 성인 남자가 매일 8시간씩 주 5일을 연속해서 이 농도의 가스(증기)를 함유하고 있는 공기 중에서 작업을 해도 건강에는 영향이 없다고 생각되는 한계 농도)는 5000ppm으로 일산화탄소의 50ppm, 시안화수소의 10ppm, 포스겐의 0.1ppm에 비하면 자체의 유독성 보다는 상대적인 산소농도에 기인하여 위험을 초래하는 기체임을 알 수 있다.

 

 

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