[2. 연소공학] 01 연소이론

01 연소의 정의

1. 가연물의 조건

① 화학적으로 활성이 강할 것

② 활성화 에너지가 작을 것

③ 표면적이 클 것 (기> 액 > 고)

④ 열전도도가 적을 것( 고> 액> 기)

 

2. 완전연소와 불완전연소

완전연소 : 연료를 산소 공급해 연소시켰을 때 반응 물질들이 더 이상 산화되지 않는 물질로 되어있을때

불완전연소 : 연료가 연소할때 산소의 공급이 부족하거나 온도가 낮아지면 그을음이나 일산화탄소가 생성되면서 연료가 완전히 연소되지 못하는 현상으로 자동차 배기가스의 그을음이나 일산화탄소, 탄화수소 등이 배출 될 수 있다. 

 

※ 매연 발생의 원인(불완전 연소인 경우)

연소실의 체적이 적을때 , 통풍력이 부족할 때, 무리하게 연소시킬 때

 

02 고체연료의 종류와 특징

고체연료의 탄소이고 그 밖에 회분과 수분을 함유하며 액체 연료에 비해 수소함량은 적고 산소함량은 큰 편

고체연료
장점	○ 연소성이 늦어 특수용도에 사용 ○ 저장, 운반 시에 노천야적이 가능 ○ 인화, 폭발의 위험성이 적다 ○ 연소 장치가 간단  ○ 가격이 저렴
단점	○ 연소시 매연 발생이 심하고 회분이 많음 ○ 부하 변동에 적응성이 좋지 않음 ○ 운반 및 취급이 불편하고 점화, 소화가 어려움 ○ 사용 전 걵조 및 분쇄 등의 전처리가 필요함 ○ 파이프 수송이 불가능

1. 고체연료의 분석방법

휘발분, 회분, 수분, 고정탄소를 100%를 가정하고 연료비를 산출함. 

연료비 = 고정탄소 / 휘발분 (연료비 산출결과 1이하 : 갈탄, 1-7 : 역청탄, 7-12 : 무연탄)

 

2.  석탄

석탄의 탄화도가 증가함에 따라 증가하는 것 : 고정탄소, 착화온도, 발열량, 연료비

석탄의 탄화도가 증가함에 따라 감소하는 것 : 수분 및 휘발분(매연발생율), 비열, 산소량

 

3.  석탄의 물리적 성질

1) 착화온도

- 석탄의 탄화도가 증가할 수록 휘발분이 적고 고정탄소량이 많아져 착화온도는 높아짐

- 탄화수소의 분자량이 클수록 착화온도는 낮아짐

- 분자구조가 복잡할수록 착화온도는 낮아짐

2) 회분(Ash)

- 이산화규소가 가장 많이 함유

3) 휘발분

- 휘발분이 많으면 착화성은 좋지만 긴 불꽃을 내며 매연발생의 원인이 됨 

4) 코크스

- 휘발분이 거의 함유되어 있지 않아 매연이 발생하지 않음. 

5) 기타 고체연료

갈탄, 아탄, 이탄, 역청(비츄멘)

 

3. 액체연료의 종류와 특징

액체연료의 대부분은 석유류이며 여기에는 가솔린, 등유, 경유, 중유 등이 있음

액체연료
장점	○ 발열량이 높고 품질이 일정하며 효율이 높음 ○ 저장 운반이 용이하고 계량, 기록이 간편함 ○ 회분이 거의 없어 재의 처리를 하지 않아도 됨 ○ 점화, 소화 및 연소조절이 용이함
단점	○ 연소 온도가 높아 국부적인 과열을 일으키기 쉽다 ○ 인화 및 역화의 위험이 큼 ○ 소음 발생이 심하다 ○ 가격이 비싸다 ○ 재 속의 금속산화물에 의한 장애가 발생할 수 있다

1. 석유의 화학적 성질

1) 옥탄가

- 가솔린의 안티 노킹성을 표시하는 하나의 척도 

- N-paraffine에는 탄소수가 증가할수록 옥탄가가 저하하여  C₇에서 옥탄가는 0

- Iso-Paraffine에서는 Methyl 측쇄가 많을수록, 특히 중앙부에 집중할수록 옥탄가는 증가함

2) 세탄가

- 디젤의 안티 노킹성을 표시하는 척도

 

2. 액체연료의 종류와 성상

- 가솔린, 등유 및 경유는 비등점과 인화점이 낮고 분무화가 잘되어 연소에 큰 문제가 없음

- 중유는 비등점과 인화점이 높아 완전연소가 어려울 뿐 아니라 황함량이 높아 대기오염문제를 수반함. 

 

3. 탄소, 수소와 그을음 발생

- C/H 비가 클수록 이론공연비가 감소함

- C/H비 가 크면 비교적 비점이 높은(중유) 연료는 매연이 발생되기 쉬움 

- 액체연료의 C/H비 : 중유 > 경유 > 등유 > 휘발유

- 기체연료의 C/H비 : 올레핀계 > 나프탄계 > 아세틸렌 > 프뢰필렌 > 프로판 > 메탄

- C/H비가 클수록 매연발생이 심함

 

※ 그을음 발생원인

① 연료 중의 C/H비가 클수록 발생하기 쉬움

② 탈수소, 중합 및 고리화합물 등과 같이 반응이 일어나기 쉬운 탄화수소일수록 매연이 잘 발생함

③ 방향족 생성반응이 일어나기 쉬운 탄화수소 일수록 발생하기 쉬움

④ -C-C-(사슬모양)의 탄소결합을 절단하기보다는 탈수소가 쉬운쪽이 매연이 생기기 쉬움

⑤ 매연의 발생빈도 순서는 천연가스(CH₄) < LPG < 제조가스 < 석탄가스 < 코크스 순서로 증가함

⑥ 분해나 산화하기 쉬운 탄화수소는 매연발생이 적다. (어려운 탄화수소는 매연발생이 크다)

 

4. 저온부식 방지대책

① 과잉공기를 줄여서 연소함 

② 연소가스 온도를 산노점 온도보다 높게 유지

③ 예열공기를 사용하거나 보온시공을 함

④ 저온부식이 일어날 수 있는 금속표면을 내식재료로 피복함

⑤ 연료를 전처리하여 유황분을 제거

⑥ 유황분이 적은 연료를 사용

 

4. 기체연료의 종류와 특징

기체연료는 유전 및 탄전지대에서 생산되는 천연가스, 증질유 및 석탄을 건류하여 만드는 인공가스와 제철과정에서 생성되는 부생가스 등이 있음

기체연료
장점	○ 적은 과잉공기(10~20%)로 완전연소가 가능 ○ 연료의 예열이 쉽고 저질연료로 고온을 얻을 수 있어 전열효율을 높임 ○ 회분이나 황성분이 거의 없어 매연이나 SO₂ 발생량이 거의 없음 ○ 부하의 변동범위가 넓고 연소의 조절이 용이하며 점화 및 소화가 간단함
단점	○ 저장 및 수송이 곤란하고 시설비가 많이 듬 ○ 공기와 혼합하여 점화할 때 누설에 의한 역화 · 폭발 등의 위험이 큼 ○ 배관공사비 등의 설비비가 많이 들고 가격이 비쌈

1. LNG와 LPG

1) 천연가스

- 메탄(CH₄)이 주성분이며 대부분 건성가스로 구성

- 옥탄가가 높아 자동차연료로도 사용하며 질소성분이 거의 없음

① 액화천연가스(LNG)

대부분이 메탄이고 그 외에는 엔탄, 프로판, 부탄 등으로 구성

공기보다 가벼워 건물의 천장에 모이는 경향이 있음

② 액화석유가스(LPG) 

LPG는 탄소수가 3-4개인 프로판(C₃H₈), 프로필렌(C₃H₆), 부탄(C₄H₁₀), 부틸렌(C₄H₈)을 주성분으로 함

발열량이 높고 증기압이 낮으며 유황분이 적고 유독성분이 없음

사용에 편리한 기체연료의 특징과 수송 및 저장에 편리한 액체연료의 특징을 겸비함

 

2. 기타 기체연료의 종류

① 코크스(석탄)가스 (발열량 5000kcal/S㎥) : 석탄을 고온(1000-1200℃)에서 건류시켜 코크스를 제조할 때 발생하는 기체연료, 도시가스나 제철용에 사용

② 발생로 가스 (발열량 1480kcal/S㎥) : 코크스나 석탄, 목재 등을 적열상태로 가열, 다량의 질소를 포함

③ 수성가스 (발열량 2650kcal/S㎥) : 고온으로 가열된 무연탄이나 코크스 등에 수증기를 반응시켜 얻은 기체연료, 원료가스 제조용으로 사용

④ 고로가스 (발열량 900kcal/S㎥) : 코크스를 용광로(고로)에 넣어 선철을 제조할때 발생하는 기체연료, 보일러나 제철용으로 사용

⑤ 오일가스 (발열량 5010kcal/S㎥) : 석유류를 열분해, 접촉분해 및 부분 연소시켜 만드는 기체연료, 주로 나프타를 사용

 

5. 각종 연료의 연소상태

종류	특징	예
표면연소	표면이 빨갛게 빛을 내면서 연소되는 형태로 휘발성분이 없는 고체연료의 연소형태	코크스, 목탄
분해연소	열분해에 의해 가연성가스가 생성되고 이것이 긴 화염을 발생시키면서 연소	목재, 석탄, 타르
증발연소	증발하기 쉬운 액체연료가 화염으로부터 열을 받으면 가연성 증기가 발생하여 연소	휘발유, 등유, 알코올, 벤젠
확산연소	공기와 혼합하여 확산연소	LNG,LPG
자기연소 (내부연소)	산소 공급 없이 물질의 분자 자체에 함유하고 있는 산소를 이용하여 연소	니트로글리세린
그을림 연소	불꽃을 동반하지 않는 열분해와 표면연소의 복합형태의 연소	숯불