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연소공학

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연소공학

연소공학

🗄️연소기초

📃연소와 연료의 개요

1)연소의 3요소

가연물(환원제), 산소공급(산화제), 점화원

2)압력의 증가에 따른 증기의 성질

  • 증가 : 현열, 엔탈피, 포화온도
  • 감소 : 증발열, 잠열

📃연료의 기본 성질

1)🥇API도

\[API= \frac{141.5}{S} – 131.5\]

(여기서, S : 비중(60[℉] / 60[℉] )

2)착화온도[℃]

  • 외부로부터 열을 받지 않아도 연소를 개시할 수 있는 최저 온도
  • 착화온도가 낮아지는 이유 : 분자구조가 복잡할수록, 산화농도 압력 발열량 반응활성도 등이 높을수록,
  • 습도, 활성에너지, 열전도율이 낮을수록

📃연료의 종류 및 특성

1)중류의 점도가 높아질수록 연소에 미치는 영향

  • 오일탱크로부터 버너까지의 이송이 곤란해진다.
  • 버너의 연소 상태가 나빠진다
  • 기름의 분무현상이 불량해진다
  • 버너화구에 유리탄소가 생긴다.

3-6

📃연소의 형태(상태)

📃연소속도

1)연소속도에 영향을 미치는 인자

연료(가연물)종류, 산화성 물질 종류, 가연물과 산화성 물질의 혼합비율, 연료의 밀도 비열(작을수록 연소속도증가), 연료의 열전고율 화염온도 연소온도 압력(크거나 높을수록 연소속도 증가)

🗄️연소계산

📃연소현상이론

1)주요 연소방정식

  • 수소 H2+0.5O2→H2O
  • 탄소 C+O2→CO2
  • 황 S+O2→SO2
  • 일산화탄소 CO+0.5O2→CO2
  • 메탄 CH4
  • 아세틸렌 C2H2
  • 에탄 C2H6
  • 프로판 C3H8+5O2 → 3CO2+4H2O
  • 부탄 C4H10
  • 옥탄 C8H18
  • 등유 C10H20
  • 탄화수소의 일반 반응식
\[ C_mH_n(m+\frac{n}{4})O_2\to mCO_2+\frac{n}{2}H_2O \]

2)발생탄소량 : 연료량 X 석유환산계수 X 탄소배출계수

  • 석유환산계수 : 에너지원별 열량을 석유환산량[TOE]으로 환산하기 위한 계수
  • TOE : 원유 1톤에 해당하는 열량 (약107[kcal]), 발열량을 1[kg]=10,000[kcal]로 환산한 값
  • 탄소배출계수 : 화석연료 소비량을 탄소량으로 변환하기 위한 연료별 단위 에너지당 탄소 함유량

3)슈테판-볼츠의 열복사 법칙

R(T)= σT⁴

R(T) : 단위면적당 열복사에너지

1-2

📃 이론 및 실제 공기량 연소가스량 2.3.1

2-3, 2-4

📃공기비

1)🥇공기비(m) 계산공식

\[m=\frac{A}{A_0}\]

A : 실제공기량 A0 : 이론공기량

\[m=\frac{CO_{2max}}{CO_2}\]
\[m=\frac{21}{21-O_2}\]
\[m=\frac{N_2}{N_2-3.76(O_2-0.5CO)}\]

📃연소방정식을 이용한 계산

1)이론 산소량(O₀)

질량계산 [kg/kg]

\[O_0=가연물질의\ 몰수 \times 산소의\ 몰수 \times 32\]

체적계산 [N㎥/Kg]

\[O_0=가연물질의\ 몰수 \times 산소의\ 몰수 \times 22.4\]

2)🥇이론 공기량(A₀)

질량계산 [kg/kg]

\[A_0=\frac{O_0}{0.232}\]

체적계산 [N㎥/Kg]

\[A_0=\frac{O_0}{0.21}\]

📃성분 조성을 이용한 계산

1)🥇이론산소량(O₀)

고체 액체연료의 이론산소량

질량계산[kg/kg]

\[O_0=32 \times \sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=32\times\{\frac{C}{12} + \frac{(H-(O/8)}{4} + \frac{S}{32}\}\]
\[=2.667 C + 8(H-\frac{O}{8}) +S\]

체적계산[N㎥/Kg]

\[O_0=22.4\times\sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=22.4\times\{\frac{C}{12} + \frac{H-\frac{O}{8}}{4} + \frac{S}{32}\}\]
\[=1.867 C + 5.6(H-\frac{O}{8}) +0.7S\]

기체연료의 이론산소량[N㎥/N㎥]

\[O_0=\sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=\{\frac{CO}{2} + \frac{H_2}{2} +\sum(m+\frac{n}{4})C_mH_n-O_2\}\]

2)이론공기량(A₀)

고체 액체연료의 이론산소량

질량계산[kg/kg]

\[A_0=\frac{이론산소량}{0.232}\]
\[=(\frac{32}{0.232})\times\sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=(\frac{32}{0.232})\times\{\frac{C}{12}+\frac{(H-(O/8))}{4}+\frac{S}{32}\}\]
\[=\frac{1}{0.232}\times\{2.667C+ 8(H-\frac{O}{8})+S\}\]

체적계산[N㎥/Kg]

\[A_0=\frac{이론산소량}{0.21}\]
\[=(\frac{22.4}{0.21}) \times \sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=(\frac{22.4}{0.21})\times\{\frac{C}{12} + \frac{(H-O/8)}{4} + \frac{S}{32}\}\]
\[=\frac{1}{0.21}\times\{1.867 C + 5.6(H-\frac{O}{8}) +0.7S\}\]

기체연료의 이론산소량[N㎥/N㎥]

\[A_0=(\frac{1}{0.21})\sum(각\ 가연원소의\ 필요산소량)\]
\[=(\frac{1}{0.21})\{\frac{CO}{2} + \frac{H_2}{2} + \sum(m+\frac{n}{4})CmHn-O_2\}\]

📃습연소가스량(습배기가스량)

1)🥇고체 액체 연료의 습연소가스량(G)

연소방정식에 의한 계산

[kg/kg]

\[G=(m-0.232)A_0+(\frac{44}{12})C+(\frac{18}{2})H+(\frac{64}{32})S+N+w\]

[kg/kg]

\[G=1+mA_0-Ash\]

[N㎥/kg]

\[G=(m-0.21)A_0+22.4\{(\frac{C}{12})+(\frac{H}{2})+(\frac{S}{32})+(\frac{N}{28})+(\frac{w}{18})\}\]

체적변화에 의한 계산

[N㎥/kg]

\[G=mA_0+22.4(\frac{O}{32}+\frac{H}{2}+\frac{N}{28}+\frac{w}{18})\]

[N㎥/kg]

\[G=mA_0+5.6H\]

(액체연료성분이 탄소와 수소만일 경우)

2)🥇기체 연료의 습연소가스량(G)

연소방정식에 의한 계산

[N㎥/N㎥]

\[G=(m-0.21)A_0+CO+H_2\]
\[+\sum(m+n/2)C_mH_n+N_2+CO_2+H_2O\]

[N㎥/kg]

\[G=(m-0.21)A_0+연료의몰수 \times 22.4 \times 연소가스의 몰수\]

체적변화에 의한 계산

[N㎥/N㎥]

\[G=1+mA_0-\frac{1}{2}CO-\frac{1}{2}H_2+Σ(\frac{n}{4}-1)C_mH_n\]

📃건연소가스량(건배기가스량)

고체 액체연료의 건연소가스량(건배기가스량 G’)

연소방정식에 의한 계산

[kg/kg]

\[G’=1+mA_0-Ash-(9H+w)\]

[N㎥/kg]

\[G’=(m-0.21)A_0+22.4(\frac{C}{12}+\frac{S}{32}+\frac{N}{28})\]

체적변화에 의한 계산

[N㎥/kg]

\[G’=mA_0+22.4(\frac{O}{32}-\frac{H}{4}+\frac{N}{28})\]

[N㎥/kg]

\[G’=mA_0-5.6H\]

(액체연료성분이 탄소와 수소만일 경우)

기체연료의 건연료 가스량(건배기가스량 G’)

연소방정식에 의한 계산

[N㎥/N㎥]

\[G’=(m-0.21)A_0+CO+H_2+\sum(m)C_mH_n+(N_2+CO_2)\]

체적변화에 의한 계산

[N㎥/N㎥]

\[G’=1+mA_0-\frac{1}{2}CO-\frac{3}{2}H_2+\sum(\frac{n}{4}+1)C_mH_n-H_2O$$G’=1+mA_0-\frac{1}{2}CO-\frac{3}{2}H_2+\sum(\frac{n}{4}+1)C_mH_n-H_2O\]

연소가스량 관련식

CO2와 연소 중의 탄소분을 알고 있을 때의 건연소가스량

\[G’=\frac{1867\times C}{CO_2}[Nm^3/kg]\]

습연소가스량과 건연소가스량의 관계식

G=G’+1.25(9H+w)

산소의 몰분율(연소가스 조성 중 산소값)

\[M=\frac{0.21(m-1)A_0}{G}\]

📃발열량

🥇고체 액체연료의 발열량

고체 액체 연료의 고위발열량

[kcal/kg]

\[H_h=8100C + 34000(H-\frac{O}{8}) + 2500S=H_L+600(9H+w)\]

[MJ/kg]

\[H_h=33.9C+144(H-\frac{O}{8})+10.5S=H_L+2.5(9H+w)\]

고체 액체연료의 저준위발열량

[kcal/kg]

\[H_L=H_h-600(9H+w)\]

[MJ/kg]

\[H_L=H_h-2.5(9H+w)\]

기체연료의 발열량

기체연료의 고위발열량

[Kcal/N㎥]

\[H_h=3.05H_2+3.035CO+9.530CH_4+14.080C_2H_2+15.280C_2H_4+\]

기체연료의 저위발열량

[Kcal/N㎥]

\[H_L=H_h-480(H_2O몰수)\]

📃연소온도(화염온도)

이론연소온도

\[T_0=\frac{H_L}{GC}+t\]

실제연소온도

\[T=\frac{H_L+Q_a+Q_f}{GC}+t\]

연소온도에 영향을 미치는 요인

공기비, 공기중의 산소농도, 연소효율, 공급공기온도, 연소시 반응물질 주위의 온도, 연료의 저위발열량 (연소온도는 공기비의 영향을 가장 많이 받는다)

📃열정산

1)입열과 출열

입열 : 연료의 보유열량, 현열, 예열, 연소열, (저위)발열량(가장크다), 공기의 현열(연소용 마른 공기의 현열, 산소의 현열, 연소용 공기 중 수분의 현열), 무화제의 현열, 장입강재의 함열량, 발열반응에 의한 반응열, 스케일의 생성열, 급수의 현열, 노 내 분입증기의 현열(보유열)등

출열: 배기가스열 또는 배기가스손실열(가장크다), 추출강재의 함열량, 스케일의 현열, 배기가스의 현열(마른배기가스의 현열, 배기가스 중 수중기의 현열) 불완전연소에 의한 손실열, 냉각수가 가져가는 열, 노체 및 연통 발산열, 노 개구부 방염갓 손실열, 노 개구부 방사손실열, 예열유체 배관의 방사열, 열풍발산열, 연소배기가스중 수중기(발생증기)의 보유열, 과잉공기에 의한 열손실, 미연소분에 의한 열손실, 발생증기 보유열, 복사 전도에 의한 열손실, 축 열손실, 유입 수증기가 다시 가져가는 열량 등

2)연소효율

연료가 보유한 화학에너지를 열에너지로 변화하는정도

연소효율 : 실제의 연소에 의한 열량을 완전연소했을 때의 열량으로 나눈 것

\[\eta_c=\frac{H_c-H_1-H_2}{H_c}\]
\[\eta_c=\frac{H_L-(L_e+L_i)}{H_L}\]

전열효율

\[\eta_r=\frac{유효열량}{실제연소열량}\times 100\%\]

가열실의 이론효율

\[E=\frac{t_r-t_i}{t_r}\]

3)보일러 효율

\[\eta_B=\frac{G_a(h_2-h_1)}{H_L\times G_f}=\frac{G_c\times 539}{H_L\times G_f}\times 100[\%]\]
\[\eta_B=\eta_e\times\eta_r=\frac{실제 연소열량}{연소의 발열량}\times\frac{유효열량}{실제 연소열량}=\frac{유효열량}{연소의 발열량}\]

🗄️연료의 분석과 시험

📃고체연료분석

📃액체연료 시험

📃기체연료 시험

🗄️연소장치

📃고체연료의 연소장치

📃액체연료의 연소장치

📃기체연료의 연소장치

📃연료의 저장 공급

🗄️통풍 환기 보염 댐퍼

📃통풍

📃환기

📃보염 댐퍼

🗄️공해 화재 연소범위 폭발

📃공해물질

📃공해물질 생성 억제방법 및 폐열회수

환열실의 전열량

\[$Q=FV\Delta t_m\]

📃공해 오염물질의 농도 측정

1)링겔만 매연농도를 이용한 매연 측정방법

📃공해 방지장치

1)건식 집진장치의 종류

중력식,

관성력식(충돌식, 반전식),

원심식(사이클론식, 멀티 사이클론형),

백필터(여과식),

진동 무화식

2)습식 집진장치의 종류

유수식,

가압수식(벤추리 스크러버, 사이클론 스크러버, 제트 스크러버, 충진탑),

회전식 등

📃화재 연소범위

1)연소범위(폭발범위, 폭발한계, 연소한계, 가연한계)

연소범위는 상한치와 하한치의 값을 가지며 각각 연소 상한계 또는 폭발 상한(UFL), 연소 하한계 또는 폭발 하한(LFL)이라고 한다

연소상한계(UFL) : 연소가능한 상한치

\[\frac{100}{UFL}=\sum\frac{V_i}{L_i}\]

연소하한계(LFL) : 연소 가능한 하한치

\[\frac{100}{LFL}=\sum\frac{V_i}{L_i}\]

2)가연성 가스의 위험도(H)

\[H=\frac{U-L}{U}\]

📃폭발

1)DID(폭광유도거리)

최초의 완만한 연소거리로부터 격렬한 폭광으로 발산할때까지의 거리이며 짧을수록 위험하다

DID가 짧아지는 요인 : 관경이 가늘수록, 관 속에 방해물이 있을수록, 압력이 높을수록, 발화원의 에너지가 클수록

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