서론
인류문명의 발전에 큰 기여를 한 불은 연료가 공기 중 산소와 반응하는 일종의 화학반응이고 화 재란 원하지 않은 불로 인해 일어난 재난이다. 이 단순한 화학반응이 때로는 화성 씨랜드화재, 인천 호프집화재, 대구 지하철화재나 최근 발생한 금호 석유화학(주)와 (주)SK 화재와 같은 엄청난 재 난이 되기도 한다.
화재가 발생하는 대상은 사람의 거주공간, 상가, 다중이용시설 등의 건물 뿐만 아니라 발전소, 변 전소, 석유화학공장, 정유공장, 반도체공장 등의 산업시설, 자동차, 선박, 항공기 등의 이동수단, 터 널, 지하공간 등의 인공적 공간 및 자연 상태의 산 등으로 발화원이 있고 공기가 함께 존재하는 모든 곳에서는 항시 화재의 위험이 있다고 할 수 있다.
결국 현재 인류가 생활하는 대부분의 공간에 이 두가지가 함께 있으므로 인류는 항시 화재의 위험 에 노출된 상태로 살아갈 수 밖에 없으며 결국 안 전한 삶을 영위하기 위해서는 이 위험을 줄여야 하고 이것을 기술적으로 검토하는 것이 공학자의 역할이다.
본 고에서는 화학반응을 다루는 화학공학자의
입장에서 화재와 관련된 모델링, 성능위주 설계, 석유화학공장의 화재 등 화재소방기술의 최근 개 발동향을 소개하였다.
화재모델링
화재소방에 관한 연구로 개발된 제품이나 기술 의 신뢰성 확인방법으로는 실제상황과 같은 조건 에서 화재실험을 수행하는 것이 가장 확실하나 실 제화재에 의한 피해에 맞먹는 비용이 들기 때문에 현실적이지 않다. 이 비용을 줄이기 위해 화재규 모를 대폭 줄인 시험으로 대체하지만 이에 소요되 는 비용도 적지 않으며 화재규모를 줄인 만큼 신 뢰성도 떨어지게 된다.
이를 위한 대안으로 컴퓨터모사에 의한 화재모 델링이 많이 사용되며, 이 방법에 의한 신뢰성은 모델의 정확도에 좌우된다. 이 모델은 화재의 성 장, 연기이동, 피난, 독성, 위험평가 등을 다루며 많은 공학적 기법을 사용하여 구성된다. 예를 들 어 화재성장 모델은 반응공학(연소), 유체역학, 열 이동 등의 이론, 발화원 database, 실제 화재시험 이나 화재사례 자료 등을 이용하여 구성된다.
비록 이 화재모델들이 지금까지 개발되었거나
축적된 공학이론이나 자료를 집대성하여 이루어 진 것이라도 실제 화재현상을 재현하기에는 완벽 하지는 않다. 이것은 화재모델의 조작시 작은 입 력조건의 변화에도 화재성장 결과는 민감하게 반 응하거기 때문인데 이 모델의 신뢰성 향상노력이 공학자에게 주어진 중요한 과제중의 하나이며 이 를 위해 다음과 같은 노력이 이루어지고 있다.
보다 다양한 화재시나리오에 대한 불꽃전파와 화재성장을 예측할 수 있도록 연소, 열이동, CFD(Computational Fluid Dynamics)를 조합 한 표면불꽃 전파모델의 개발
건물내에서 일산화탄소와 같은 독성물질의 생 성과 이동을 예측하는 분석방법의 개발 CFD와 FEM(Finite Element Method)을 이 용하여 전통적인 화재시험으로 측정할 수 없는 대규모 화재의 평가기법 개발
건물내 환기시설, 천장구조를 감안한 공기흐름 모델을 개발하여 최적의 화재감지기 설치모델 의 개발
다양한 모양의 공간에서도 연기유동을 예측할 수 있도록 연소생성물과 화재진압시 사용된 물 과의 상호작용 모델의 개발
건물형태, 화재화중, 환기시설, 출입문의 수 등 을 감안한 적절 상주인원의 예측모델 개발 실제 화재사례의 계속적인 update에 의한 모델 의 개선
확률론적 모사법을 이용한 위험평가모델의 계 속적인 개선
성능위주 소방설계
성능위주 소방설계(Performance Based Fire Protection Design)란 소방대상물의 소방설비를 설계할 때 현재 적용하고 있는 소방관련 법규나 기준에 의한 설계대신에 공학적 분석에 의하여 소 방대상물의 화재상황을 예측하여 이에 알맞은 설
비를 설계하는 방법이다. 이것은 과학기술의 급속 한 발전, 경제적 환경의 변화, 다양한 삶의 형태에 따라 소방대상물이 고층화, 밀집화, 지하화, 다양화 되면서 과거의 법이나 규정을 적용이 불합리하거 나 불가능한 사례가 많이 발생하고 있고 사실상 이 다양한 모든 공간을 규정하는 것도 비효율적이다.
반면에 위의 화재모델링을 이용한 컴퓨터 모사 기법을 활용하여 소방설계를 수행할 경우 공학적 설계조건을 충족시키면서도 효율적으로 설계가 이루어질 수 있다. 성능위주의 소방설계가 활성화 되기 위해서는 설계결과의 신뢰성 향상, 기준위주 설계와의 비교연구, 발화원인 연소물질의 표준화 와 database화가 지속적으로 이루어져야 한다.
지하공간 화재예방
대구지하철 화재사고에서 알 수 있듯이 지하에 서 화재가 발생하면 피해규모가 매우 크기 때문에 지하공간의 물리적, 환경적 특수성을 감안한 화재 예방 대비책이 필요하다. 지하공간에서의 화재예 방시 화재시나리오를 바탕으로 한 공간설계, 피난 설계를 고려하고 또한 화재하중과 가연물의 발열 량 등을 고려한 경보시스템, 배연시스템, 제연시스 템이 융합된 화재위험예측 및 종합화재관리 시스 템을 개발해서 사용해야 한다.
소방장비 소방로봇
대형 위험물탱크 화재나 지하공간 화재 등에서 의 소방활동은 대단히 위험한 작업이기 때문에 자 연스럽게 소방로봇의 개발이 검토되고 있다. 로 봇의 형태는 인공지능형, 원격조작형 및 탑승형 의 3가지로 분류되는데 인공지능형 소방로봇은 인공지능으로 인간과 같이 자율적으로 활동할 수 있는 로봇이다. 이 타입의 로봇은 다양한 재해에 대응이 어렵고 인간의 뉴런구조를 이용한 디바이
스의 개발은 아직 시간이 필요할 뿐만 아니라 동 력의 확보 등 문제점이 실용화에 걸림돌로 지적되 고 있다. 따라서, 이 로봇의 실용화 예측시기는‘21 세기 후반이 되지 않을까’라고 예상되며, 기능을 한정한 특정용도의 로봇이라면 가능성이 있을 것 이란 의견이 지배적이다.
원격조작형 소방로봇은 원격조작으로 인간처럼 작업을 할 수 있는 로봇으로서, 어느 정도로 인간 에 근접하도록 할 것인가에 따라 실현가능성이나 그 시기의 예측이 달라질 수 있다. 위험물시설 화 재시 감시 TV카메라로 현장의 상황을 보면서 원 격조작으로 포소화약제를 방사한다거나 밸브를 잠그는 정도의 수준이라면 이미 실용화되어 있고 극한작업용 로봇이 이에 해당한다. 극한작업로봇 은 ‘로봇 조종자 신체 각 부위에 센서를 부착하여 조종자가 취할 동작을 모니터하여 그 동작을 그대 로 로봇이 수행하는 시스템으로 하면 인간과 같은 동작이 가능하지 않을까’라는 컨셉을 기본으로 한 것이다. 이러한 극한작업로봇 등 원격조작형 로봇 은 인공지능형이나 탑승형 로봇에 비해 소방용 로 봇으로서 대단히 중요하다.
탑승형 소방로봇은 인간이 탑승하여 조종하면 서 인간과 함께 활동할 수 있는 로봇으로서 파워 어시스트가 부착된 ‘내열방화복’에 가까운 것과
‘탑승기구’에 가까운 것 등이 있다.
내열 경량 방화복
소방활동을 할 때에 입는 방화복은 인명보호 측 면에서 신뢰성 있는 성능확보가 중요하다. 방화복 의 주요한 성능은 불연성(또는 난연성)과 단열성 인데, 중량이나 활동의 편의성, 투습성, 방열성 등 을 희생해도 좋다면 현재도 상당한 성능이 가능하 다. 결국, 방화복의 성능은 이러한 밸런스를 어떻 게 맞추어 종합적인 성능을 올릴 것인가에 달려 있다.
단열성과 열 발산성이 충분하지 않으면 방화복 내부온도가 올라가므로 소방활동을 장시간 할 수 없으며, 방수성을 요구하면 충분한 투습성이 없어 지게 되어 내부에 땀이 흘러서 체력을 빨리 소모 시킬 것이다.
가스센서 소방의류
화재, 유독가스 누설사고, 방사선 사고 발생시 소방활동의 안전확보를 위해 의복 표면에 설치한 각종 유독가스센서가 위험시 변색하거나 발광으 로 경보를 울려서 알리는 경량의 활동이 편리한 의복을 말한다. 위험지역에서 활동하고 있는 소방 대원이 위험에 직면할 때 주변의 대원이 즉시 인 지할 수 있도록 하는 것이다.
타임프리 공기호흡기
건물, 지하공간 또는 화재나 유독가스가 발생할 가능성이 높은 사고현장 등에서 사용되는 공기호 흡기는 무거워서 짐이 될 뿐 아니라 사용시간이 짧다. 최근에 이전보다 상당히 개선되긴 했지만, 용기가 압력용기로서 내압성, 경량성, 내화성, 내 구성 및 경제적인 면에서 아주 우수한 재료가 개 발되지 않고서는 성능이 일정 한계를 넘을 수가 없다. 따라서 산소가 부족한 상태에서 소방활동을 할 때 호흡중 배출하는 잔존산소와 공기 중의 희 박한 산소를 합쳐서 인간의 호흡에 필요한 양을 공급함에 따라 시간을 걱정하지 않고 사용할 수 있는 호흡기를 의미한다.
공기용기식 이외의 공기호흡기로는 화학반응으 로 산소를 발생시키는 ‘발생식’을 생각할 수 있는 데, 어느 쪽이든 시간적으로 일정한 한계가 있으 므로 그 한계를 없앤 ‘타임프리’를 과제로 해본 것 이다. 간이 다이빙용으로 수중에서 사용하는 것은 이미 실용화되어 있지만 아직 결점도 많다. 특히, 공기 중의 산소를 흡입시 존재하는 유독가스를 어
떻게 제거할 것인가 하는 점이 어려운 과제가 될 것이다.
레이저절단기
화재시 건물의 장애물을 절단, 제거하여 소방 및 구조활동을 보다 용이하게 하는 것이다. 그런 면에서 엔진카터의 등장은 획기적인 진보였지만, 보다 가볍고 취급이 간편하여 절단시간을 줄일 수 있는 절단기가 필요하다. 쇠나 바위 등 장애물을 절단할 때 칼처럼 순간적인 절단력으로 단 한 번 에 목적을 달성하는 데는 한계가 있으며, 현재의 기술로는 엔진카터처럼 회전운동에 의해, 톱처럼 왕복운동에 의한 반복적인 힘을 가해서 서서히 절 단하는 형태를 생각할 수 있다. 또 다른 형태는 어떤 물질을 분사시켜 절단하는 방법이다. 물, 모 래(미립자) 등을 초고속으로 분사시키거나 고열 의 불꽃을 내뿜어서 장애물이 달구어지게 하여 절 단하는 방법은 공업용으로는 이미 실용화되어 있 지만 회전식에 비해 설비가 큰 것이 단점이다. 레 이저 절단기는 소형, 경량, 절단소요시간, 조작용 이성 및 가격 등의 단점을 극복하는 것을 목표로 개발되고 있다.
소방대원 위치특정시스템
최근 대규모 복합용도건물과 다중이용시설이 건설됨에 따라 밀폐된 복잡한 거대공간에서 하는 소방활동의 필요성이 점점 고조되어 가고 있다.
이 때문에 미로같은 공간에서 소방활동을 해야 하 는 소방대원의 안전확보는 소방기관으로서 커다 란 관심사가 아닐 수 없다. 이와 같은 사정을 배경 으로 지하구조물 등 거대공간에서 소방활동을 하 는 경우, 개개 소방대원의 위치를 3차원적으로 특 정하여 지상 본부에서 파악할 수 있는 시스템이다.
기술적으로는 전파가 도달하는 1층인 경우에는 지금이라도 디스플레이 평면도상에 점으로 대원
의 이동상황을 모니터할 수 있다. 또한, 점 대신에 대원의 이름을 표시한다거나, 공기호흡기의 잔량, 활동경과시간, 맥박이나 호흡수 등을 표시하고 위 험선을 넘으면 표시색이 바뀌도록 하는 것이다.
소화기 소화폭탄
소화폭탄은 산불화재 진압시 헬기로 소화약제 를 살포하는 대신 소형대포를 이용하여 소화하는 것이다. 현재 사용하고 있는 분말소화약제 정도의 소화효과가 있는 것을 대포와 같은 고가의 운반수 단을 사용하는 것은 경제성이 낮지만 고성능 소화 약제가 개발된다면 헬기를 사용하는 것보다는 더 경제적일 수 있다.
할론대체 소화약제
할론은 소화효과가 뛰어나며 인체에 대한 독성 이 적고 취급이 간단하며 주위를 오염시키지도 않 으므로 비용면을 제외하고는 정말로 이상적인 소 화약제였다. 그러나 이 소화약제가 오존층 파괴물 질에 관한 몬트리올의 정서에 의해 단계적인 생산 금지를 결정, 전세계적 대체소화약제 개발 경쟁 속에 이미 HFC-23, HFC-227ea, 이너젠가스 등 이 개발되었다. 그러나 개발된 대체소화약제의 높 은 가격, 인체 위험성, 제한적인 소화대상 등의 이 유로 인해 할론 1301에 비해 소화성능이 유사하거 나 더 우수하고, 인체나 환경에 대해서도 안전한 새로운 가스계 소화약제 개발이 필요하다.
고성능 소화약제
소방대가 일반적으로 사용하는 소화약제인 물 은 가격이 저렴하고 대량으로 사용할 수 있으며, 소화성능과 인체 및 환경에 대한 안전성이 우수하 여 이상적인 소화제이다. 이러한 이상적인 소화제 인 물을 훨씬 능가하는 성능을 가진 소화약제가
개발되면 소방활동에 혁명적인 변화를 가져올 것 이다. 고성능 소화능력이란 물에 비해 10배 이상 의 소화성능을 가진 것을 말하며 이미 연구개발이 이루어지고 있다.
화학공장의 화재예방
화학공업은 기술집약적인 장치산업으로서 인류 생활에 유용한 많은 제품들을 생산하여 제공하고 있지만 공장 내에는 다양하고 복잡한 장치를 포함 하고 있을 뿐 만 아니라 가연성과 독성이 높은 화 학물질을 저장하여 사용하고 있다. 특히 공장 운 전시 고온·고압의 반응공정을 거쳐 제품을 생산 하므로 누출에 대한 잠재위험이 크며 일단 가연성 물질의 누출시에는 제어가 어렵기 때문에 화재 및 폭발로 이어질 가능성이 크다. 이러한 화학공장의 사고는 넓은 지역에 까지 영향을 주는 중대사고로 발전하기 쉬워 공장내에서 근무하고 있는 근로자 는 물론 인근 주민까지 악영향을 미칠 수도 있다.
따라서 화학공장의 화재예방을 위해서는 공정물 질의 누출방지가 무엇보다도 중요하며 이를 위해 위험성평가를 수행한다.
화학공장의 위험성이나 안정성 평가방법으로는 정성적 방법인 Check-List, Hazard지수, HAZOP (Hazard and Operability) 등과 정량적 방법인 FMA(Failure Mode Analysis), ETA(Event Tree Analysis), FTA(Fault Tree Analysis) 등
이 있다. 이 방법들은 평가의 목적과 범위에 따라 장단점을 지니고 있다.
화학공장의 위험성 평가를 원활히 하기 위한 소 프트웨어는 이미 많이 상용화되어 있지만 아직도 미흡한 점이 많으므로 지속적인 개발이 이루어져 야 한다.
결론
화재소방 제품이나 기술은 물리, 화학, 건축, 토 목, 전기, 기계, 재료 및 화학공학 등 다분야의 학 문이 복합적으로 융합되어 이루어지기 때문에 각 분야의 전문가는 모두 화재소방기술의 발전에 기 여할 수 있다. 특히 반응 열이동, 물질이동이 함께 이루어지는 화학공정을 개발하고 운전한 경험이 있는 화학공학자는 기술개발의 유사성으로 화재 소방기술개발에서도 주도적으로 참여하여 기여할 수 있는 분야가 많이 있다.
소방제품으로 고성능 소화약제, 난연제, 방독면, 난연 및 불연성 내장재, 내장재로 사용되는 고분 자를 화재감지기로도 사용할 수 있는 고온 전도성 고분자(pyro-electric polymer)나 고온에서 소리 를 발생하는 고분자(pyro-acoustic polymer), 방 열섬유, 방화섬유 등의 개발에 참여할 수 있으며 앞으로 소방분야에서 중요성이 점점 커질 것으로 예상되는 화재모델링 및 성능위주 소방설계에도 주도적으로 기여할 수 있다.
