危険物乙4の燃焼と消火|引火点・発火点・燃焼範囲と消火剤の適応を整理

燃焼の三要素と、完全燃焼・不完全燃焼

燃焼 は、熱と光を出しながら進む激しい酸化反応です。燃焼が起こるには、可燃物・酸素供給源・点火源(熱源) の3つがそろう必要があります。これを燃焼の三要素といいます。逆に言えば、どれか1つを取り除けば燃焼は止まります。これが、後で説明する消火の考え方の出発点です。

酸素が十分にあると、炭素を含む物質は 完全燃焼 して二酸化炭素と水になります。酸素が足りないと 不完全燃焼 になり、有毒な一酸化炭素やすすが出ます。換気の悪い場所での燃焼が危険なのは、このためです。

燃えやすさを左右する条件

• 酸素と触れる面積が大きい(細かい粉や薄い物、霧状の液体ほど燃えやすい)。
• 熱伝導率が小さい(熱が逃げにくく、温度が上がりやすい)。
• 酸化されやすく、燃えたときに出る熱(発熱量)が大きい。
• 周りの酸素の濃度が高い。
• 乾燥している(水分が蒸発するのに熱が使われない)。

燃焼の種類:気体・液体・固体の燃え方

引火点・発火点・燃焼範囲

引火点と発火点の違いは、点火源が要るかどうか です。引火点は「火を近づけたら燃える」最低の液温、発火点は「火がなくても燃え出す」最低の温度です。同じ物質では、ふつう発火点のほうが引火点よりずっと高い温度になります。たとえばエタノールは、厚生労働省のモデルSDS(安全データシート)では、引火点 13℃、自然発火温度(発火点)363℃、燃焼範囲 3.3〜19% とされています。

• 引火点が低い液体ほど、低い温度でも燃える濃さの蒸気が出るので、引火の危険が大きくなります。
• 燃焼範囲の 下限値が低い ほど、少しの蒸気でも燃えます。燃焼範囲が 広い ほど、燃える濃さになる機会が多くなります。
• 蒸気が上限値より濃くても、薄くても燃えません。ただし、濃すぎる蒸気も、換気などで薄まる途中で燃焼範囲に入ります。

引火点は「液温」で判断します。たとえば引火点が13℃の液体なら、液温が20℃のときは液面付近に燃焼範囲の下限以上の蒸気があるので、火を近づけると引火します。液温が5℃なら、蒸気が下限の濃さに届かないので、火を近づけても引火しません。気温ではなく、液体そのものの温度で考えることがポイントです。

燃焼範囲の計算

蒸気の濃さ(容量%)は、「蒸気の体積 ÷(蒸気の体積+空気の体積)× 100」で求めます。分母に蒸気の体積も入れることを忘れないようにします。

1. 例題: 燃焼範囲が 2.0〜10% の液体の蒸気 4 L を、空気 96 L と混ぜた。この混合気体は燃焼するか?
2. 蒸気の濃さは 4 ÷ (4 + 96) × 100 = 4.0% です。
3. 2.0% 以上 10% 以下なので、燃焼範囲の中にあり、点火源があれば燃焼します。
4. 同じ蒸気 4 L を空気 296 L と混ぜると、4 ÷ 300 × 100 ≒ 1.3% で、下限値より薄いので燃焼しません。

自然発火と粉じん爆発

自然発火 は、外から火を近づけなくても、物質が空気中で自ら発熱し、その熱がたまって発火点に達して燃え出す現象です。発熱の原因ごとに整理すると、次のようになります。

自然発火は、熱が逃げにくい ときに起こりやすくなります。物が大量に積み重なっている、風通しが悪い、熱伝導率が小さい、周りの温度が高い、といった条件です。予防には、風通しをよくする、積み重ねない、温度の上がらない場所に置く、が基本です。第4類の動植物油類のうち乾性油が自然発火を起こしやすい理由は、第4類の品名と性質の記事で説明しています。

粉じん爆発 は、可燃性の固体の細かい粉が空気中に一定の濃さで浮かんでいるときに、点火源によって一気に燃え広がる現象です。粉は空気と触れる面積が大きいため燃えやすく、密閉に近い空間ほど被害が大きくなります。粉が浮かびにくいように掃除・湿り気の管理をし、点火源(静電気の火花など)をなくすことが対策です。

消火の4つの効果

消火は、燃焼の三要素のどれかを取り除くか、燃焼の連鎖的な反応を止めることで行います。三要素に対応する 除去・窒息・冷却 に、抑制(負触媒) を加えた4つで整理します。

水が冷却に優れているのは、比熱と蒸発熱(液体が気体になるときに吸収する熱)が大きく、燃えている物から多くの熱を奪えるからです。さらに、蒸発してできた水蒸気が周りを覆うので、窒息の効果もあります。このように、1つの消火剤が2つ以上の効果を持つことは珍しくありません。消火剤を覚えるときは、「いちばん大きな効果は何か」と「どの火災に使えないか」をセットにすると整理しやすくなります。

消火剤ごとの特徴と、油火災・電気火災への適応

火災は、木材・紙などが燃える 普通火災、引火性液体などが燃える 油火災、電気設備の 電気火災 に分けて考えます。危険物の規制に関する政令の別表第五は、消火設備ごとに、建築物その他の工作物・電気設備・第1類〜第6類の危険物のどれに適応するかを定めています。そのうち消火器について、建築物その他の工作物(普通火災)・電気設備・第4類の危険物の欄を抜き出すと、次のとおりです。

表の読み方のポイント

• 水の消火器は油火災に使えない: 第4類の危険物の多くは水より軽く水に溶けないため、水をかけると油が水に浮いて広がり、火災が大きくなるおそれがあります。
• 棒状と霧状で違う: 霧状にした水・強化液は電気設備に適応しますが、棒状のものは適応しません。棒状の水の流れは電気を伝えやすく、感電のおそれがあるためです。強化液(炭酸カリウムなどの濃い水溶液)は、霧状にすると抑制の効果も加わり、第4類の危険物にも適応します。
• 泡は電気設備に使えない: 泡は水を含むため電気を通します。油火災には、液面を覆う窒息の効果で適応します。
• 二酸化炭素・ハロゲン化物は普通火災の欄に○がない: 電気設備と油火災に適応します。二酸化炭素は狭い部屋で使うと酸素が足りなくなり、人が窒息するおそれがあるので注意が必要です。
• 粉末は薬剤で違う: りん酸塩類等の粉末は普通火災・電気火災・油火災のすべてに適応し、炭酸水素塩類等の粉末は普通火災の欄に○がありません。

なお、モデルSDSの消火剤の欄には、エタノール・メタノールなどに「水噴霧」も挙がっています。これは、その物質の火災に使える消火の方法を一般的に示したもので、政令の別表第五とは目的が違います。別表第五では、霧状の水を放射する消火器 は第4類の危険物に適応しない一方、第三種の 水噴霧消火設備 (固定式の設備)は第4類の危険物に適応するとされています。試験で法令上の適応を問われたら、別表第五の「どの消火設備か」で判断します。

燃焼と消火の理論は、第4類の危険物の性質と消火の方法を学ぶときにも、そのまま使います。品名ごとの性質は第4類の品名と性質の記事、熱や静電気の基礎は物理・化学の要点の記事で確かめてください。