危険物の物理・化学:危険物管理の基礎知識(安全な取り扱いのために)4

危険物管理の基礎知識

更新日:2022年8月30日(初回投稿)
著者:日本大学 理工学部 機械工学科 准教授 飯島 晃良

前回は、危険物の保安管理に関する具体的な事項を紹介しました。危険物の取り扱いにおいて、火災の予防は最重要事項です。そのために、燃焼と消火の基本を理解しておくことが大切です。燃焼の3要素が全て揃(そろ)うと、燃焼が起こります。言い換えれば、燃焼の3要素の1つでも欠ければ、燃焼は起こりません。つまり、消火できます。今回は、燃焼の基礎と消火法について解説します。

1. 燃焼の基礎と消火原理

燃焼とは、発熱と光を伴う急激な酸化反応です。燃焼が起こるためには、燃焼の3要素が全て揃う必要があります。

燃焼の3要素

  • 1:可燃物~ガソリン、灯油、アルコール、木材など~
  • 2:酸化剤~空気(酸素O2)、酸化性固体(第1類)、酸化性液体(第6類)など~
  • 3:熱源(点火源)~加熱、火種、電気火花、圧縮など(局所または全体に対して、燃焼が起こり得る十分な高温状態が形成されるもの)~

燃焼は、可燃物、酸化剤、熱源(点火源)3要素全てが揃った場合に起こるため、燃焼の3要素のいずれか1つを排除できれば、消火できます。これは、消火の基本的な考え方です。

消火方法は、燃焼の3要素のうちどの要素を排除するかによって、除去消火、窒息消火、冷却消火、抑制(負触媒)消火の4つに分類できます(図1)。

図1:燃焼と消火の関係(引用:飯島晃良、らくらく突破甲種危険物取扱者合格テキスト+問題集(第2版)、技術評論社、2022年、P.242)
図1:燃焼と消火の関係(引用:飯島晃良、らくらく突破甲種危険物取扱者合格テキスト+問題集(第2版)、技術評論社、2022年、P.242)

1:除去消火

除去消火とは、可燃物そのものを除去する消火法です。可燃物が燃焼している場合、可燃物自体の供給源を絶ってしまえば、消火できます。以下に、除去消火の例を挙げます。

  • 森林火災が広がらないように、延焼する恐れがある領域の樹木を伐採する。(図2
  • ろうそくに風を吹きかけて消す(ろうそくの芯から蒸発し形成される可燃性ガスを吹き飛ばして(除去して)、可燃性の混合気の発生を防ぐ)。
  • ガスパイプラインの損傷からガスが漏洩(えい)し火災が発生したため、ガスを供給する元栓を閉じてガスの供給を遮断する。

図2:森林火災の鎮火後の様子、延焼を防ぐため樹木を伐採したと考えられる痕跡が残る(写真撮影:2022年8月アメリカ・カリフォルニア州、ヨセミテ国立公園付近)
図2:森林火災の鎮火後の様子、延焼を防ぐため樹木を伐採したと考えられる痕跡が残る(写真撮影:2022年8月アメリカ・カリフォルニア州、ヨセミテ国立公園付近)

2:窒息消火

窒息消火とは、酸化剤の供給を遮断する消火法です。可燃物は酸化剤がないと燃焼しないため、酸化剤の供給を遮断すれば消火できます。以下に、窒息消火の例を挙げます。

  • ガソリンが空気中で燃焼したため、二酸化炭素消火剤で火炎を覆って消火する。
  • アルコールに引火したため、濡れた布巾(ふきん)を被(かぶ)せて消火する。
  • フライパンから炎が上がったため、ふたをして消火する。
  • 金属粉が燃焼をしたため、乾燥した砂で覆って消火する。

3:冷却消火

冷却消火とは、冷却して点火源から熱を奪う消火法です。例えば、木造家屋で火災が発生した場合、木材が炎を上げて燃焼します。このとき、木材は加熱によって内部から可燃性ガスを放出し、それが周囲の空気と混合して燃焼しています。そのため、木材からガスが分解しないよう冷却することで、可燃性ガスの放出が抑えられ、消火できます。以下に、冷却消火の例を挙げます。

  • たき火に水をかけて消火する。

4:抑制(負触媒)消火

抑制消火とは、燃焼が継続できなくなるように化学反応を抑制する消化法です。化学反応を起こす際の、必要最低限のエネルギーを活性化エネルギーと呼びます。触媒は、この活性化エネルギーを低下させることで、化学反応の進行速度を高める役割を持っています。一方、抑制消火は、触媒の働きによる化学反応の進行速度を抑えて負の触媒効果を利用するため、負触媒消火とも呼ばれます。抑制(負触媒)消火は、化学反応を抑制することで、結果的に熱の供給を絶つものと考えることができます。燃焼の3要素に対して抑制消火を加えたものを、消火の4要素と呼ぶ場合もあります。

製造所等では、危険物取扱者の立ち会いの下で、危険物取扱者ではない人も作業をしています。つまり、あらゆる人が安全に作業を行える体制が求められます。このような環境で火災を予防するためには、作業に携わる全員が正しい理解のもと、日ごろの作業に適切な方法で従事する必要があります。そのため、製造所等で危険物取扱作業に従事する全ての人が守るべき決まり事として、前回説明した予防規程を定めることも必要です。

2. 燃焼の形態

ものがどのように燃えるのか? その形態を知っておくことは、火災の予防並びに火災時の適切な消火に対して有効です。ここでは、ものが燃焼する形態について、主な燃焼の仕方、予混合燃焼と拡散燃焼、完全燃焼と不完全燃焼の3つに分類し、実例をもとに説明します。

1:主な燃焼の仕方

燃焼の仕方には、蒸発燃焼、分解燃焼、表面燃焼、無炎燃焼、粉じん爆発など、さまざまな形態があります。そのうち図3には、蒸発燃焼、分解燃焼、表面燃焼の3つを示します。

図3:蒸発燃焼、分解燃焼、表面燃焼(引用:飯島晃良、ポイントチェックで最速合格乙4類危険物試験、オーム社、2016年、P.128)
図3:蒸発燃焼、分解燃焼、表面燃焼(引用:飯島晃良、ポイントチェックで最速合格乙4類危険物試験、オーム社、2016年、P.128)

・蒸発燃焼

蒸発燃焼とは、液体や固体から蒸発(昇華を含む)して生じた可燃性気体が周囲の空気と混合し、可燃性混合気を形成して燃焼することをいいます。蒸発燃焼は、気体になった可燃物が空気と混合して燃焼するため、可燃性蒸気の発生や空気との混合を抑制することが重要です。

  • 例1:ガソリン、アルコール、灯油など第4類危険物の空気中における燃焼
  • 例2:硫黄、ナフタリンなど固体の昇華による燃焼

・分解燃焼

分解燃焼とは、加熱された可燃物から、分解して発生した可燃性ガスが燃焼することをいいます。

例:木材、石炭、プラスチック、紙などの燃焼

木材や石炭は加熱されると、内部から可燃性のガスを放出します。それが周囲の空気(酸素)と混合して燃焼します。よって、可燃物の燃焼を抑制するには、分解温度以下に冷却することが重要です。なお、同様に分解燃焼するニトロセルロース(第5類)、セルロイド(第5類)の場合は、自身の内部に含まれる酸素を用いて自己で燃焼します。このような燃焼形態を自己燃焼(内部燃焼)と呼びます。

・表面燃焼

表面燃焼とは、可燃物の表面が周囲の酸素と反応して燃焼することをいいます。

例:木炭、コークス、金属粉の燃焼

木材は、はじめは分解燃焼し、やがて内部から発生する可燃性ガスが全て燃焼すると、炭(木炭)になります。木炭は炭素Cであり、酸化して二酸化炭素CO2になります。このとき、酸素と接触する表面部分から燃焼が進行していきます。

・無炎燃焼

無炎燃焼とは、燃焼時に火炎の発生を伴わない燃焼のことをいいます。一般に、固体が酸素不足で燃焼している際に起こります。多量の煙と、一酸化炭素の発生を伴う恐れがあります。また、十分な酸素が供給されると、炎を伴う有炎燃焼に移行する場合があります。一見すると消火したように見えるものが再燃焼するという意味で、十分な注意が必要です。

・粉じん爆発

粉じん爆発とは、可燃性の粉末や、固体の微粒子が空気中に充満している際、ある条件下で何らかの火種により着火し、爆発的な燃焼を起こすことをいいます。表1に粉じん爆発が起こりやすい条件をまとめます。

表1:粉じん爆発が起きやすい条件(引用:飯島晃良、らくらく突破甲種危険物取扱者合格テキスト+問題集(第2版)、技術評論社、2022年、P.245)
粒子のサイズ 細かい方が起きやすい
粉じんの濃度 粉じんの爆発が起こる一定の濃度範囲が存在する
空気と粉じんの混合状態 よく混ざっているときに起きやすい

2:予混合燃焼と拡散燃焼

予混合燃焼と拡散燃焼について図4に示します。

図4:予混合燃焼と拡散燃焼(引用:飯島晃良、ポイントチェックで最速合格乙4類危険物試験、オーム社、2016年、P.129)
図4:予混合燃焼と拡散燃焼(引用:飯島晃良、ポイントチェックで最速合格乙4類危険物試験、オーム社、2016年、P.129)

・予混合燃焼

予混合燃焼とは、可燃性ガスと酸化剤とが、あらかじめ混合した状態(予混合状態)で燃焼することをいいます。予混合燃焼は、ガソリンエンジンの燃焼や、漏洩して充満したガスによるガス爆発現象などが該当します。一度火がつくと、途中で燃焼を止めることが困難です。

・拡散燃焼

拡散燃焼とは、可燃性ガスと酸化剤が別々に供給され、混合しながら燃焼することをいいます。ろうそくやアルコールランプの炎、ディーゼルエンジンの燃焼などが該当します。

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3. 危険物の燃焼特性

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4. 火災の種類と消火法

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