[논문]영동지역 주요 침엽수종 및 활엽수종 생엽의 연소특성에 관한 연구

이해평; 이시영; 박영주

문제 정의

따라서 본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료 가운데 침엽수와 활엽수의 연소특성을 고찰하고자 전국에서 대형 산불이 가장 많이 발생하는 지역으로 산불 피해면적이 가장 큰 강원도 영동지 역을 대상지로 하였으며 콘칼로리 미 터와 연기밀도시험 기를 이용하여 영동지역 에서 자생하는 교목류 가운데 4가지 수종의 침엽수인 소나무(Pinus densiflora), 잣나무(Pinus koraiensis), 리기다소나무(Pinus rigida), 해송(Antipathes japonica)과 3가지 수종의 활엽수인 졸참나무(Quercus serrata), 떡신갈나무(Qumrcus dentatomongolicaa), 굴참나무(Quercus variabilis)를 실험대상으로 선정하고 생엽을 채취하여 착화특성, 화재 특성, 발연특성을 고찰함으로써 산불의 화재 위험성을 예측하기 위한 화재강도 및 동태예측에 필요한 연소 자료를 확보하고자 본 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료 가운데 침엽수 4수종과 활엽수 3수종의 착화특성 화재 특성, 발연특성을 고찰하고자 연소특성 시험을 수행하였다. 착화특성 분석을 위하여 착화시간(TT1, Time to ignition), 화염종료시간(FTT, Time to flameout)을 측정하여 분석하였으며 화재특성 분석을 위하여 총열방출량(THR, Total heat release), 열방출율(HRR, Heat release rate), 평균열방출율(Mean HRR, Mean Heat release rate), 산소소모량(Oxygen concentration) 분석을 하였으며 발연특성 분석을 위해서 총연기방출량(TSR, Total smoke release), 최대연기밀도(Max.
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 화재 강도 및 산불동태 예측을 위한 기초 데이터를 제공하기 위하여 침엽수종과 활엽수종의 생엽에 대한 연소특성 시험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 화재 강도 및 산불동태 예측을 판단하기 위한 기초 데이터를 제공하기 위하여 착화특성, 화재특성, 발연 특성 등의 연소특성을 고찰하고자 강원도 영동지역에 자생하는 주요 교목류 가운데 침엽수 4가지 수종과 활엽수 3가지 수종의 생엽을 대상으로 연소 특성 시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

and Material)?)에 의하여 측정하였으며 측정 방법으로 재료 200g을 취하여 103±2℃에서 온도를 유지흐]도록 설정한 건조기(dry oven) 내에서 24시간 이상 건조시킨 후 항량이 될 때까지 중량을 측정하여 함수율을 측정하였으며 항량 측정기준은 4 시간 간격으로 무게를 측정하였을 때 0.1%의 무게 변화가 없을 때까지로 하여 식 (1)에 의하여 산출하였으며 그 결과값은 Table 1에 제시하였다. 여기서, MC(moisture content)는 함수율]%], W는 건조 전 시료의 중량[g], Woe 완전 건조시킨 시료의 중량을 나타낸다.
산림 내 연료의 착화특성 분석을 위하여 콘 칼로리미터를 사용하여 착화시간과 화염종료시간을 측정하여 화염유지시간을 분석하였다. 착화(TTI) 후자 연소화(FTT) 되기까지의 화염유지시간은 연료가 복사열에 노출되면서 착화가 발생한 후부터 자연 소화 될 때까지의 시간을 말하며 화염유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하였다.
산불발생 시 화재특성 분석을 위하여 영국 FTT 사의 Dual Cone Calorirneter5)를 사용하여 총열 방출량, 열방출율, 평균열방출율과 산소소모량을 분석하였으며 실험조건은 Table 2에 제시하였다. 총열 방출량은 시료표면적당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출율을 주어진 시간에 대해 적분하여 누적된 값으로 구하였으며 열방출율은 시료 표면적 당 발생하는 열량의 크기로 나타내며 평균열방출율은 총열방출율을 주어진 시간에 대해 나누어진 값으로 표현된다.
연료의 선정은 강원도 영동지역에서 자생하는 교목류 가운데 침엽수종의 소나무, 잣나무, 리기다소나무, 해송나무, 활엽수종의 졸참나무, 떡신갈나무, 굴참나무를 대상으로 생엽을 채취하여 연소특성 시험에 앞서 채취한 시료들의 함수율을 측정하였다. 함수율 측정은 ASTM D2016(AmericanSociety for Testing and Material)?)에 의하여 측정하였으며 측정 방법으로 재료 200g을 취하여 103±2℃에서 온도를 유지흐]도록 설정한 건조기(dry oven) 내에서 24시간 이상 건조시킨 후 항량이 될 때까지 중량을 측정하여 함수율을 측정하였으며 항량 측정기준은 4 시간 간격으로 무게를 측정하였을 때 0.
화염유지시간을 분석하였다. 착화(TTI) 후자 연소화(FTT) 되기까지의 화염유지시간은 연료가 복사열에 노출되면서 착화가 발생한 후부터 자연 소화 될 때까지의 시간을 말하며 화염유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하였다. 실험조건은 Table 2에 제시하였다.
착화특성 분석을 위하여 착화시간(TT1, Time to ignition), 화염종료시간(FTT, Time to flameout)을 측정하여 분석하였으며 화재특성 분석을 위하여 총열방출량(THR, Total heat release), 열방출율(HRR, Heat release rate), 평균열방출율(Mean HRR, Mean Heat release rate), 산소소모량(Oxygen concentration) 분석을 하였으며 발연특성 분석을 위해서 총연기방출량(TSR, Total smoke release), 최대연기밀도(Max. Ds, Maximum Smoke density), 연기온도 (Ts, Smoke temperature)를 분석하고 연소생성물로 CO 및 CO₂ 방출농도와 잔류량 특성분석을 하였다. 결과값은 3회 반복 실험하여 측정된 값의 평균값을 사용하였다.
실험조건은 Table 3에 제시하였다. 총연기방출량, 연기온도, 연소생성물의 CO 및 CCh 방출농도 잔류량 변수의 분석을 위하여는 콘칼로리미터 시험기를 사용하였으며 실험조건은 Table 2에 제시하였다.
여기서, MC(moisture content)는 함수율]%], W는 건조 전 시료의 중량[g], Woe 완전 건조시킨 시료의 중량을 나타낸다. 함수율의 측정은 3회 측정에 대한평균값을 결과값으로 사용하였으며 생엽의 채취 시기는 7~9월 사이 맑은 날이 5일 이상 지속되는다음날 채취하여 연료로 준비하여 사용하였으며 연료의 형태는 실제 산불발생 시 연료의 형태와 동일한 조건을 적용하기 위하여 원형 상태로 사용하였다.

데이터처리

Ds, Maximum Smoke density), 연기온도 (Ts, Smoke temperature)를 분석하고 연소생성물로 CO 및 CO₂ 방출농도와 잔류량 특성분석을 하였다. 결과값은 3회 반복 실험하여 측정된 값의 평균값을 사용하였다.

이론/모형

산불발생 시 발연특성을 고찰하기 위하여 연기밀도 분석을 위하여 영국 FTT사의 연기밀도시험기° 를 사용하였으며 non flaming 방식을 적용하였다. 실험조건은 Table 3에 제시하였다.

성능/효과

1) 활엽수종은 26~29MJ/m2의 열량을 방출하였으며 수종간 차이는 없는 것으로 나타났다. 침엽수종의 총열방출량은 28~72MJ/m2의 열을 방출하는 것으로 나타났으며, 소나무와 리기다소나무가 다른 수종에 비해서 많은 열량을 방출하는 것으로 나타났다.
2) 침엽수종의 총연기방출량은 209~451m2/m2, 활엽수종은 175~2421子血2 정도인 것으로 나타났으며, 잣나무는 450m2/m2의 가장 많은 연기를 방출하는 것으로 나타났다. 침엽수종은 활엽수종보다 최대연기밀도가 높은 것으로 나타났으며, 최대연기밀도에 도달하는 시간이 짧은 것으로 나타났다.
3) 모든 수종들이 150s 부근에서 CO와 C6의방출농도가 급격히 증가하였다가 서서히 감소하였지만 소나무와 잣나무는 약간의 차이를 나타냈다. CO의 평균방출농도는 침엽수가 활엽수보다 약간 높은 것으로 나타났지만 CO의 평균방출농도는 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
나타냈다. CO의 평균방출농도는 침엽수가 활엽수보다 약간 높은 것으로 나타났지만 CO의 평균방출농도는 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
3과 4는 침엽수와 활엽수의 생엽을 대상으로 측정한 열방출율을 나타낸 것이다. Fig. 3의 침엽수종 가운데 소나무와 해송은 다른 수종과는 달리 150s 정도에서 최대의 열방출율 피크가 나타났으며, Fig. 4에 제시한 활엽수종의 경우에는 수종 간 차이가 크지 않음을 알 수 있었다.
났으며 활엽수종은 26~29MJ/m2의 열량을 방출하였으며 수종간 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. Fig.
13을 살펴보면 수종간 차이가 크지 않음을 알 수 있었다. 따라서 침엽수와 활엽수종의 C。와 CO의 방출농도는 대체로 모든 수종에서 연소 초기 150s 정도에 급격히 농도가 증가한 후 서서히 감소하는 경향으로 나타났으며 소나무는 CO와 CCh의 평균 방출농도가 높은 것으로 나타났으며 평균방출농도는 Table 6에 제시하듯이 침엽수종 CO는 0.057-0.066 kg/kg, CQ는 0.85~0.981炮kg, 활엽수종 CO는 0.049-0.054kg/kg, CO₂는 0.90 ~0.96kg/kg, 으로 나타나 침엽수는 활엽수보다 CO는 약간 높은 것으로 나타났으며 C₆는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 침엽수종이 활엽수종보다 C。의 발생량이 높게 나타난 것은 침엽수종의 경우, 완전연소보다 불완전연소가 상대적으로 많이 발생하여 CO 가 높게 측정된 것으로 사료된다.
12를 살펴보면 다음과 같다. 잣나무는 150s 정도에서 CCh의 최대방출농도가 나타났으며, 소나무는 다른 수종들과는 달리 600~ 1, 200s의 긴 구간에서 최대피크를 유지하는 것을 알 수 있었다. 활엽수의 C₆ 방출농도를 나타낸 Fig.
5 mW 헬류네온 레이저를 통과하여 측정된 연기로부터 thermocouple에 의해 온도가 측정된다. 총연기방출량은 중량 5鬼에 대하여 침엽수종은 209~ 451m2/m2, 활엽수종은 175~242m2/m2의 연기를 방출하는 것으로 나타나 수종간 많은 차이를 보였으며 잣나무가 450m2/m2의 가장 많은 연기를 방출하는 것으로 나타났으며 다른 수종은 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
결과를 제시하였다. 침엽수의 잔류물은 초기 중량의 0.40-1.80% 정도인 것으로 나타났으며 활엽수의 잔류물은 5.80-8.16% 정도인 것으로 나타났는데 수종간 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
것으로 나타났다. 침엽수종은 활엽수종보다 최대연기밀도가 높은 것으로 나타났으며, 최대연기밀도에 도달하는 시간이 짧은 것으로 나타났다.
침엽수종의 총열방출량은 28~72MJ/m2의 열을 방출하는 것으로 나타났으며, 소나무와 리기다소나무가 다른 수종에 비해서 많은 열량을 방출하는 것으로 나타났다.
2에는 활엽수 3 수종의 생엽 50g을 대상으로 시간 변화에 따라 연소로 인해 방출된 총열방출량 곡선을 나타내었다. 침엽수종의 총열방출량은 28~72MJ/m2의 열을 방출하는 것으로 나타났으며, 연소 시 산소소모량이 가장 많은 소나무는 72.4MJ/m2, 리기다소나무는 62.7 MJ/n?의 열량을 방출하여 소나무와 리기다소나무가 대체로 많은 열량을 방출하는 것으로 나타
도표를 살펴보면, 활엽수종인 굴참나무, 떡신갈나무, 졸참나무는 착화 시간과 소염시간이 기록되어 있지만 침엽수의 경우에는 착화시간과 소염시간이 기록되지 않았는데 이는 본 연구에서 사용한 콘칼로리미터의 경우 무염착화가 아닌 발염착화에 대한 시간을 측정하기 때문인 것으로 사료된다. 활엽수종 가운데 졸참나무는 27s 정도의 가장 빠른 시간에 발염착화가 일어났으며, 50s에 착화가 종료되어 23s 동안 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 침엽수종인 소나무, 잣나무, 리기다소나무, 해송의 경우, 열방출량이 활엽수보다 상대적으로 높게 나타난 것으로 볼 때, 발염착화에 대한 시간은 확인되지 않았지만 무염착화가 일어난 것으로 사료된다.

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