연소공학 솔루션

연소 공학

연소 공학 1

연소_개요

• 열의 발생을 수반하는 화학반응– 연료 또는 가연성 물질이 산화– 에너지가 빛, 불꽃이나 화염의 형태로 발산

• 조연성 물질– 가연성물질의 연소를 가능하게 하는 물질

– 산소 외에 불소, 염소, 질소산화물

• 단순 산화 반응– 반응이 완만– 발열을 수반해도 열 발산이 발열보다 빨라서 온도

상승이 거의 없음– 빛도 수반하지 않음

연소 공학 2

연소_개요

• 연소의 조건– 장상적인 연소 현상은 연소 3 요소인 가연물,

산화제, 활성화 에너지가 주어져야 이루어진다

– 가연성물질과 산화제가 적당한 비율, 농도로 혼합

– 주위 온도가 연소반응을 유지할 수 있도록충분히 높아야 지속적인 연소를 유지

– 기체의 분해 연소인 경우 온도뿐만 아니라압력도 착화하기 위한 중요한 변수

연소 공학 3

연소_개요

1.1 상태방정식– 기체의 압력, 온도 체적들 사이의 관계를

나타내는 방정식

– 이상기체 상태 방정식• 기체분자 사이의 힘을 무시

• 기체분자의 체적을 무시

uPV NR T= /uR R MW=

PV mRT= MW =가스 분자량

8315 /uR J kmol k= −

P RTρ=Pv RT=

연소 공학 4

연소_개요

1.2 열역학적 상태 방정식

– 온도와 압력 등의 열역학적 상태량과 에너지와의 관계.

– 내부에너지와 엔탈피• 압력과 온도와 연관시켜 표현하고 미분하면

v T

u udu dT dvT v∂ ∂⎡ ⎤ ⎡ ⎤= +⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂ ∂⎣ ⎦ ⎣ ⎦

p T

h hdh dT dPT P∂ ∂⎡ ⎤ ⎡ ⎤= +⎢ ⎥ ⎢ ⎥∂ ∂⎣ ⎦ ⎣ ⎦

vv

uCT∂⎡ ⎤≡ ⎢ ⎥∂⎣ ⎦

pp

hCT∂⎡ ⎤≡ ⎢ ⎥∂⎣ ⎦

연소 공학 5

연소_개요

• 이상기체의 경우

– 내부에너지 : 온도만의 함수

– 엔탈피 : 온도만의 함수

– 그러므로

0T

uv∂⎡ ⎤ =⎢ ⎥∂⎣ ⎦

0T

hP∂⎡ ⎤ =⎢ ⎥∂⎣ ⎦

( )ref

T

ref vTu T u C dT− = ∫( )

ref

T

ref pTh T h C dT− = ∫

연소 공학 6

연소_개요

1.3 증발 잠열

(Latent Heat of Vaporization)

– 연소 과정에서 액상의 연료는 연소되기 전에 미리 증발되어 기체 상태가 되어야 한다.

– 증발 잠열은 정압 과정을 통해서 주어진 온도에서 액체의 단위질량이 완전히 증발하는데 필요한 열량으로 정의된다.

( ) ( ) ( ), , ,fg vapor liquidh T P h T P h T P≡ −

연소 공학 7

연소_개요

1.4 열역학 제 1 법칙

– 에너지 보존의 법칙으로 밀폐 시스템에 대해서 다음과 같이 표현된다.

: 경로함수, 시스템 경계에서만 발생

1 2 1 2 1 2Q W E −− = Δ

1 2Q1 2W

1 2E −Δ 2 1( ) : , , E E− 내부 운동 포텐셜에너지의합

21( )2

E m u v g z= + +

연소 공학 8

연소_개요

1.5 연소 반응– 연소 준비기간

• 모든 연료는 연소 전 용융, 증발, 열분해 과정

– 연소반응• 준비기간 후에 기상반응/표면반응 혹은 그 양자 모두에 의

해 진행

• 실제 연소반응은 매우 복잡– 수십에서 수백의 반응이 병행 또는 순차로 발생

• 그러나 화학반응은 유동, 혼합, 열전도, 확산 등의 현상에비하면 매우 빠른 것이 일반적

– 대략적인 성질만 알면 반응 기구를 상세히 알지 못해도 연소현상을 논의 가능

연소 공학 9

연소_개요- 기상반응(반응기구)

• 반응의 기구– 수소, 탄소

(Graphite), 메탄 등이 완전 연소할 때의반응식은 다음과 같이 총괄반응식으로표현된다.

– 실제로는 중간 과정에서 수십 수백 반응을 거처 최종 과정에도달한 것이다.

2 2 21/ 2H O H O+ =

2 2C O CO+ =

4 2 2 22 2CH O CO H O+ = +

연소 공학 10

연소_개요- 기상반응 (반응기구)

• 반응 과정• 열해리 : 2000K이상에서 급격히 발생

가스 온도 감소

• 화학평형 ; 가스 조성이 일정치에 근접

– OH+H2 → H2O+H [연쇄이동반응]

– H+02 → OH+O [연쇄분지반응]

– O+H2 → OH+H [연쇄분지반응]

– H+02+M → HO2+M [기상정지반응]

– H, 0, OH → 안정분자 [표면정지반응]

2 2 21/ 2H O H O+ =

연소 공학 11

연소_개요- 기상반응 (반응기구)

• 연쇄개시반응– 연쇄반응이 시작되기 위해서 안정분자로부터 연쇄

담체를 창조하는 반응

2 2 2H O HO H+ → +

2 2 2 2H O H O+ →

2 2 2H O H O O→ +

2 2 2H O OH→

연소 공학 12

연소_개요- 기상반응 (반응속도)

• 반응 속도

– 반응에는 단 분자 반응, 2 분자 반응, 3 분자반응이 있고, 이들의 반응식은 다음과 같다.

단 분자 반응

2 분자 반응

3 분자 반응

A B→ +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

A B C+ → +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

A B C D+ + → +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅

연소 공학 13


• 반응속도(생성물의 몰 농도의 증가율)

단 분자 반응속도

2 분자 반응속도

3 분자 반응속도

비례상수 k l, k2 , k3는 반응속도 상수

• 압력에 무관하며 온도만의 함수이다

1[ ] [ ]d B k Adt

=

2[ ] [ ][ ]d C k A Bdt

=

3[ ] [ ][ ][ ]d D k A B Cdt

=

연소 공학 14


• 반응속도 상수– 절대온도 T의 지수함수인 Arrhenius 함수

f : 빈도인자

E : 활성화 에너지 [J/mol]

R : 일반가스 상수 [= 8.3l4J/(mol-K)]

n : 상수로서 -2~2 의 범위에서 0.5 간격의 값

exp( )n Ek fTRT

= −

연소 공학 15

연소_개요- 표면반응 (반응기구)

– 표면반응은 Char 즉 고정탄소의 산화반응이다.

– 표면 부근에는 공기중의O2, N2, H2O 와 연소에 의해서 생성된 CO, CO2

– 열해리 및 반응 도중에 생긴 산소원자 (0) 가 존재한다

– 그 중에 O2, 0, CO2, H2O 는 다음과 같은 반응을 하여 탄소를 산화시킨다.

C + 02 → CO2

C + 1/2 O2 → CO

C + O → CO

C + CO2 → 2CO

C + H2O → CO + H2

연소 공학 16

연소_개요- 표면반응 (반응기구)

– 표면반응에서 생긴 생성물 중에서 CO2 의일부는 다시 표면반응에 참여하지만,

– CO 와 H2 는 표면에서 이탈하여 확산하면서기상반응에 의해 CO2 와 H2O로 산화된다

• CO + 1/2 O2 →CO2

• H2 + 1/2 O2 → H2O

• CO + H2O → CO2 + H2

연소 공학 17

연소_개요- 표면반응 (반응속도)

– 표면반응속도• 단위 표면적당의 탄소의 소비율로 나타냄

– 표면부근에 산소가 충분히 존재하는 경우

• : 괄호속 분자의 탄소 표면에서의 분압 [Pa],

• : 표면반응 속도상수 [kg/(m3. s Pa)]

2( )c s sm k p O=&

spsk

연소 공학 18

연소_개요- 표면반응 (반응속도)

– 산소가 거의 존재하지 않고 CO2 에 의한 산화가 일어나는 경우

– 표면반응 속도상수

• Ts : 표면 온도

• R : 일반 가스상수 [8.314 J/(mol-K)]

• Fs : 빈도인자

• Es : 활성화 에너지

2( )c s sm k p CO=&

exp( )ss s

s

Ek FRT

= −

연소 공학 19

연소형태_확산화염

– 연료와 연소용 공기를 별개로 공급

– 연료류와 공기류의 경계에서 확산과 혼합

– 연소가능한 혼합비가 형성된 곳부터 연소를 시작

– 연소형태는 연소 위치에따라 다름(비균일 연소)

– 화염면은 형성되나 화염은 전파하지 않음

연소 공학 20

연소형태_확산화염

– 화염 전파가 없어 안전하고 사용이 용이

– 혼합에 걸리는 시간과 거리가 필요• 화염이 길게 늘어나는 단점

– 부분 예혼합 연소• 확산 연소의 단점을 극복하는 연소법

• 연료를 직접 공급하는 대신에 과농 가연한계 부근의 농후한 혼합기체를 만들어 공급

연소 공학 21

연소 형태_예혼합화염

– 연료/공기를 미리 혼합하여 연소기에서연소

– 연소기 내부에서 연료/공기 혼합비가 변하지 않고 균일하게연소(균일연소).

– 고온의 반응면(화염면)이 형성되어 스스로 화염 전파

연소 공학 22


• 화염 전파– 혼합비가 너무 높거나 낮아도 발생 않음

– 가연 농도범위• 화염이 전파되는 혼합비의 범위

• 온도와 압력 또는 화염이 전파하는 방향에 의해서도 변함

• 희박 가연한계 농도(LFL) : 혼합비의 하한

• 과농 가연한계 농도(UFL) : 혼합비의 상한

연소 공학 23


연소 공학 24

연소 형태_훈소_자연발화

• 훈소(Smoldering)– 공기중에 존재하는 산소와 고체 표면간에

발생하는 상대적으로 느린 연소 과정

– 연료의 표면에서 반응이 일어나고 산소는표면으로 확산

– 표면에서는 작열(growing)과 탄환(charring) 현상이 일어난다.

• 자연발화– 공기 중에 노출된 연료가 서서히 산화반응

이 일어나는 연소과정

연소 공학 25

연소형태_층류/난류 연소

• 층류 연소(Laminar Combustion)– 기체의 흐름이 층류

– 유동마찰, 열 및 물질의 이동과 같은 혼합 현상이미시적인 분자 레벨에서 발생

– 형성되는 화염을 층류화염(Laminar Flame)

• 난류 연소– 기체의 흐름이 난류

– 거시적인 교란, 소용돌이에 의해 규모가 크고 빠른속도로 혼합 발생.

– 형성되는 화염을 난류화염(Turbulent Flame)

연소 공학 26

연소형태_층류/난류 연소

•분류 속도에 따른 분류 확산화염의 형태

연소 공학 27

이론 공기량 계산

• 연료 중 연소에 의해 다량의 열을 발생하는 성분원소는 수소(H2), 탄소(C), 황(S)

[kg/kg] [mN3/kg] [kg/kg] [mN

3/kg] [kg/kg] [mN3/kg]

C 12.011 C+O2=CO2 32.76 32.76 2.66 1.87 11.48 8.89 3.66 1.37

H 1.008H+ ¼O2

=H2O14l.8 120 7.94 5.56 34.21 26.48 8.94 11.12

S 32.06 S+O2=SO2 9.26 9.25 1.00 0.7 4.31 3.33 2.00 0.7

O 16.00 O- ½O2=O 0 0 -1.00 -0.7 -4.31 -3.33 0 0

N 14.006 N= 1/2N2 0 0 0 0 0 0 1.00 0.8

* 고 · 저발열량은 연료원소가 기준 물질의 상태로 되어 있는 것으로 가정하여 산출하였음

연소생성물량고발열량

[MJ/kg]

저발열량

[MJ/kg]

필요산소량 필요공기량

표 2.1 연료구성원소의 완전연소표

원소완전연소반

응원자량

연소 공학 28


• 연료에 포함된 산소– 다른 원소의 연소에 사용됨으로써 필요 산

소량과 공기량을 감소

– 필요산소량과 필요 공기량을 (-)로

• 질소

– 일반적 연소에는 관여하지 않고 그대로 생성물로 배출

연소 공학 29


성분명 산소 질소 탄산가스 아르곤 수소

분자식 O2 N2 CO2 Ar H2

분자량 31.998 28.012 44.009 38.948 1.008

질량분율[wt%] 23.2 75.47 0.046 1.28 0.001

체적 분율[vol%] 20.95 78.09 0.03 0.93 0.01

몰 분율 0.2095 0.7905

몰 비 1 3.773

표 2.2 표준건조공기의 조성 ( 평균분자량 = 28.97)

주 ) 이외에 네온 , 헬륨 , 크립톤 , 크세논이 포함되어

있으나 함유율은 0.001% 이하임

대기질소 기준

연소 공학 30


• c, h, s, o, n, a– 연료에 포함된 탄소, 수소, 연소성 황, 산소, 질소,

회분의 질량분율[㎏/㎏]

• 1 ㎏의 연료가 완전 연소하는 데에 필요한 질량과 체적기준 이론산소량

0

0

2.66 7.94

1.87 5. 6

(

5

)

( ) 3N

[kg/kg] [m /kg]

O c h s o

O c h s o

= + + −

= + + −

연소 공학 31


• 1.87 ?– 탄소 1 k㏖(12.01㎏)을 연소시키는데 산소 1 k㏖

(31.998 ㎏) 소요• 31.998/12.01=2.66427…..

• 산소 2.66 ㎏=2.66427/31.998 x 22.4 =1.8651…

• 5.56 ?– 수소 1 k㏖(2.016㎏) 을 연소시키는데 산소 1/2 k㏖

(15.999 ㎏) 소요• 15.999/2.016=7.936011….

• 산소 7.36 ㎏= 7.936/31.998 x 22.4 =5.5554….

연소 공학 32

이론 공기량 계산_탄소

3

3

3

31.998 22.412.011 12.01131.998 1 22.4 112.011 0.232 12.011 0.209544.009 22.43.6612.011 12.011

31.998 0.7612

2.66 1.87

11.48 8.89

1

.01

.8

1

7

:

:

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞× = × =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

×

산소량

공기량:

생성량:

연소가스량 38 22.4 0.79053.66 1.870.232 12.011 0

12.48.209

8 95

.8kg kg Nm kg⎛ ⎞+ = × + =⎜ ⎟⎝ ⎠

O2 N2 CO2 N2

12.011 31.99 106.25 44.009 106.25

2.66 8.83 3.67 8.83kg

12.01 22.4 84.3 22.4 84.3

1.87 7.02 1.87 7.02 용량단위

(mN3) 1.00

8.89mN3/kg 8.89mN

3/kg

중량단위

(kg) 1.0011.48kg/kg 12. 48kg/kg

탄소소요 공기 연소 가스

연소 공학 33

이론 공기량 계산_수소

3

3

3

15.998 11.22.016 2.01615.998 1 11.2 12.016 0.232 2.016 0.2095

18.014 22

7.94 5.6

34.2 26.

.42.016 2.016

15.998 0.768 8.2.016 0

7

8.94 11

.23

2

2

.

:

:

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞× = × =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

× +

산소량

공기량:

생성량:

연소가스량 311.2 0.790594 11.22.016 0

35.2095

.2 32.3kg kg Nm kg⎛ ⎞= × + =⎜ ⎟⎝ ⎠

O2 N2 H2O N2

2.016 15.99 53.12 18.005 53.12

7.94 26.34 8.94 26.34

2.016 11.2 42.1 22.4 42.1

5.6 21.05 11.2 21.05 용량단위

(mN3) 1.00

26.7mN3/kg 32.3mN

3/kg

중량단위

(kg) 1.0034.23kg/kg 35.23kg/kg

수소소요 공기 연소 가스

연소 공학 34

이론 공기량 계산_황

3

3

3

31.998 22.432.06 32.0631.998 1 22.4 132.06 0.232 32.06 0.209564.05 22.432.06 32.06

31.998 0.76832.06 0.2

0.99 0.70

4.30 3.31

1.99 0.7

13

0

.2

:

:

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

kg kg Nm kg

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞× = × =⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= =⎜ ⎟⎝ ⎠

× +

산소량

공기량:

생성량:

연소가스량 322.4 0.790532.06 0

99 5.30 0.70 3.31.2095

kg kg Nm kg⎛ ⎞= × + =⎜ ⎟⎝ ⎠

O2 N2 SO2 N2

32.06 31.99 106.25 64.05 106.25

0.99 3.31 1.99 3.31

32.06 22.4 84.3 22.4 84.3

0.7 2.63 0.7 2.63 용량단위

(mN3) 1.00

3.33mN3/kg 3.33mN

3/kg

중량단위

(kg) 1.004.30kg/kg 5.30kg/kg

황소요 공기 연소 가스

연소 공학 35


• 표준 건조공기중의 산소– 질량 분율 : 0.232[㎏/㎏]

– 체적 분율 : 0.210[m3/m3]

• 1 ㎏의 연료가 완전 연소하는 데에 필요한 질량과 체적 기준 이론 공기량

0 0

0 0

0.232 11.48 34.23 4.30( )

0.210 8.89 26.7 3.31( ) 3N

[kg/kg] [m /kg]

A O c h s o

A O c h s o

= = + + −

= = + + −

연소 공학 36


연 료 연소 반응

이론산소량

O。

[mN3/mN

3]

이론공기량

A。

[mN3/mN

3]

이론습연소

가스체적

[mN3/mN

3]

이론건연소

가스체적

[mN3/mN

3]

고발열량

Hh

[MJ/mN3]

저발열량

Hl

[MJ/mN3]

수소 H2+½O2 = H2O 0.5 2.38 2.88 1.88 12.75 10.79

일산화탄소 CO+½O2 = CO2 0.5 2.38 2.88 2.88 12.63 12.63

메탄 CH4+2O2 = CO2+2H2O 2.0 9.52 10.53 8.52 39.72 35.79

아세틸렌 C2H2+ 5/2O2=2CO2+H2O 2.5 11.91 12.41 11.44 58.00 56.04

에틸렌 C2H4+3O2=2CO2+2H2O 3.0 14.29 15.29 13.29 62.95 59.03

에탄 C2H6+7/2O2=2CO2+3H2O 3.5 16.67 18.17 15.17 69.64 63.76

프로필렌 C3H6+9/2O2=3CO2+3H2O 4.5 21.44 22.94 19.94 91.82 85.93

프로판 C3H8+5O2=3CO2+4H2O 5.0 23.82 25.82 21.82 99.00 91.15

I-부틸렌 C4H10+6O2=4CO2+4H2O 6.0 28.59 30.59 26.59 121.3 113.4

n-부탄 C4H10+13/2O2=4CO2+5H2O 6.5 30.97 33.47 28.47 128.4 118.5

벤젠 C6H6+15/2O2=6CO2+3H2O 7.5 35.73 37.23 34.23 147.3 141.4

탄화수소CmHn+(m+n/4)O2

= mCO2+(n/2)H2Om+n/4 4.76(m+n/4) 4.76+1.44n 4.76+0.94n - -

산소 O2-O2=0 -1.0 -4.75 -3.76 -3.76 0 0

질소 N2=N2 0 0 1 1 0 0

수증기 H2O=H2O 0 0 1 1 0 -1.96

표 2.3 순수가스의 완전연소표

연소 공학 37


예제CmHn의 분자구조를 갖는 탄화수소의 연소에서 질량

기준 이론산소량 O0와 이론 공기량 A0를 구하라

풀이표 2에서 c= 12.01m/(12.01m + 1.01n),

h = 1.01n/(12.01m + 1.01n), s=o=n=a=0이므로

이론산소량 O0은

O0= (2.66×12.01m + 7.94×1.01n) / (12.01m + 1.01n) =8.00(4m+n) / (12.01m + 1.01n) [㎏/㎏]

이론 공기량 A0은

A0= O0/0.232= 34.5(4m +n) / (12.01m + 1.01n) [㎏/㎏]

연소 공학 38


다른 풀이 : 원소의 균형(질량 보존 이용)

( )3.773 3.773

22

, ,4 2

m n 2 2 2 2 2

C H O N C

O H O N

a b c a

b mca b

c nn na m b m c

+ + ++ →

=

= +

=

= + = =

탄소 균형:

산소 균형:

수소 균형:

따라서 이 므로 이를 대입하면

연소 공학 39


( )

( ) ( ) ( ) [ ]

3.773 3.7734 2 4

12 1.01

32 12 1.01 8.00 4 12.01 1.014

32 3.77

)

3 24

m n 2 2 2 2 2

C H O N C

H O

O

N

o

o

n n nm m m

m n

nO m m n m n m n

nA m

⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ → +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

+

⎡ ⎤⎛ ⎞= + × + = + +⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣

+ + + +

=

⎦

⎛ ⎞= + × + ×⎜ ⎟⎝ ⎠

질량 기준연료1kg 당 이론산소량은(연료의무게

kg kg

질량 기준연료 1kg 당 이론공기량은

( ) ( )

( ) ( ) [ ]

8.016 12 1.01

34.6 4 12.01 1.01

m n

m n m n

⎡ ⎤ +⎢ ⎥⎣ ⎦= + + kg kg

• 연료의 성분과 조성을 알고 있는 경우– 일반적 화학 방정식으로 계산하는 것이 더 편리

연소 공학 40


• 기체연료의 경우, 원소의 질량분율 c, h, s, o, n, a 보다 연료가스 중의 각 성분가스의 체적분율 {H2}, {CO}, {CH4} [㎥N /㎥N] 등을 사용하면 더 편리– (체적 분율=몰 분율)이므로

0

0 0 / 0.210 .522 4 2

2 4

2

0.5{H } 0.5{CO} 2.0{CH } {O }2.38{H } 2.38{CO} 9 {CH }

4.76{O }

OA O

= + + + ⋅ ⋅ ⋅ −= = + ++ ⋅ ⋅ ⋅ −

연소 공학 41


• 연료분석 데이터가 주어지지 않고 체적 당 고발열량(Hh) 혹은 저발열량(Hl) [MJ/㎥N]만을알고 있는 경우

• 기체연료의 이론 공기량 A0를 대략 계산하는경험식

0

0

0.228 0.19

0.263 0.32

3 3N N3 3N N

[m /m ] [m /m ]

h

l

A H

A H

= −

= −

연소 공학 42


• 액체 및 고체 연료에 대해 고발열량(Hh) 혹은저발열량(Hl) [MJ/㎥N]으로 A0를 구하는 법

0

0

0

0

0.248 0.02

0.248 0.27

0.256 0.20

0.260 0.09

3N

3N

3N

3N

[m /kg]

[m /kg]

[m /kg]

[m /kg]

l

l

h

l

A H

A H

A H

A H

⎡ ⎤⎣ ⎦⎡ ⎤⎣ ⎦⎡ ⎤⎣ ⎦

= −

= −

= −

= −

액체연료

목재

석탄

연소 공학 43


[예제]도시가스의 조성 H2 27%, CO 4%, CH4 39%, CO2

4%, N2 23%, O2 3%.

이 도시가스를 연소하기 위한 체적 기준의 이론산소량 O0와 이론 공기량 A0?

[풀이]CO2, N2는 연소에 관여하지 않으므로 이론산소량 O0은

O0=.5{.27}+.5{.04}+2.0{.39}-{.03}=0.905[㎥N/㎥N]

이론 공기량 A。

A0=O0/0.210=4.31 [㎥N/㎥N]

연소 공학 44


• 다른 풀이

( )27 4 39 3 3.7733.773

4 39

3 22

27 39 290.5, 43, 105

2 4 2 2 2

2 2 2

H CO CH O O NCO

O N

H

ab c a

bca b

ca b c

+ + + + +

→ + +

= +

+ + = +

= + ×

= = =

탄소 균형:

산소 균형:

수소 균형:

따라서

연소 공학 45


( )

( )

90.5, 43, 10527 4 39 3 90.5 3.773

43 105 3.773 90.5

27 4 39 3 4 23 100

90.5 100 0.905

90.5 4.773 100 4.

)

31

2 4 2 2 2

2 2 2

H CO CH O O NCO H

O

N

o

o

a b c

O

A

= = =

+ + + + +

→ + + ×

+ + + + + =

= =

=

=

⎡ ⎤⎣ ⎦

⎡ ⎤⎣× == ⎦

3N

3 3N N

3N

3 3N N

연료 1m 당 이론 산소량은

(연료의체적

m m

연료 1m 당 이론 공기량은

m m

연소 공학 46

혼합기체의 표시

• 공기와 연료의 혼합기체 표시법– 공연비(A/F:Air Fuel Ratio)

• 공기와 연료의 공급 질량 비

– 연공비(F/A) :공연비의 역수

– 당량비(φ)• 일정량의 공기에 대해서 이론 공연비의 몇 배의

연료가 공급 되는가를 나타내는 양

• φ=(F/A)/(F/A)0

• φ>1 : 과농, φ<1 : 희박

– 공기비(공기 과잉율) : 1/φ

연소 공학 47


[예제]

옥탄(C8H18)을 공기 중에서 완전 연소시킬 경우 이론공연비 (A/F)0

[풀이]표 2.3에서 탄화수소의 완전 연소반응식

CmHn + (m + n/4)O2 =mCO2 + (n/2)H20

공기 중에서 반응할 경우 산소는 21%, 연소에 관계되는 질소 대산소의 비는 3.76 : 1. 따라서 위 반응식을 다시 쓰면

C8H18 + 12 .5O2 + 3.76 × 12.5N2

→ 8CO2 + 9H20 + 3.76 × 12.5N2

연소 공학 48


따라서 연료 1㎏ mol 연소하는데 공기는 12.5+3.76 ×12.5=59.5㎏ mol이 필요함

공기의 분자량은 29㎏/㎏ mol이므로, 공기와 연료의 질량 비인이론공연비 (A/F)0는

이론공연비

029.0 59.5 15 1

12.01 8 1.01 18kg air kg fuel

(A/F) .×= =

× + ×

연소 공학 49


• 다른 풀이

( )3.773 3.773

8

22 1812.5, 8, 9

8 18 2 2 2 2 2

C

H O N

CO H O N

a b c a

bca b

ca b c

+ →

=

=

+ +

+

=

= = =

+

탄소 균형:

산소 균형:

수소 균형:

따라서 이 므로 이를 대입하면

연소 공학 50


( )

( )[ ]

12.5, 8, 912.5 3.773

8 9 3.773 12.58 12.01 18 1.01 114.26

12.5 32 28.16 3.773 114.26

1728.1 114.26 15.12

8 18 2 2

2 2 2

C H O NCO H

O

N

o

a b c

A

= = =

→ ×

= × + × =

= × + ×⎡

+ +

+

⎤⎣ ⎦= =

+

연료의무게

질량 기준 연료 1kg 당 이론 공기량은

kg kg

연소 공학 51

연소 열화학

( )

( )( )( )

90.5, 43, 10527 4 39 3 90.5 3.773

43 105 3.773 90.5

27 4 39 3 4 23 22.4 2240

105 285.84 43 393.53 4 110.53 39 74.87 2240

19.4

)

5

2 4 2 2 2

2 2 2

H CO CH O O NC

N

H

O O

h

a b c

H

MJ

=

= = =

+ + + + +

→ + + ×

+ + + + + × =

= × + × − × − ×

=

3N

3

N

3N

N

3

m

m

연료 1m 당 고발열량은

(연료의체적

연료 1m 당 저발열량

( )( )

105 241.83 43 393.53 4 110.53 39 74.87 2240

17.38 lH

MJ

= × + × − × − ×

= 3Nm

은

연소 공학 52

연소가스의 계산

• 1㎏의 연료가 연소– 습 연소 가스질량 : 발생 연소가스 질량 Gw[㎏/㎏]

– 습 연소 가스체적 : 체적 Vw [㎥N /㎏]

– 건 연소 가스질량 : 수증기를 제외한 질량 Gd

– 건 연소 가스체적 : Vd

– 이론 당량비로 연소시켰을 때 각각의 값• Gw0, Vw0, Gd0, Vd0로 표시

– 이론 습 연소 가스질량, 이론 습 연소 가스체적 등으로 부름

연소 공학 53


• 실제로 동력이나 전열에 관여하는 것은습 연소 가스– 연소가스의 분석은 보통 수증기를 제거하고

나서 분석• 건 연소 가스량을 고려해야 할 필요

– 이론 습 연소 가스 질량과 습 연소 가스 질량은 반응 전후의 질량보존법칙으로 구함

연소 공학 54


• 반응전후의 질량은 보존– 연료+공기(반응 전) = 연소가스(반응 후)

– 연료 1 kg에 대해

0 0

0

1 1 11.48 34.21 4.31( )1 11 [11.48 34.21 4.31( )]

[kg/kg]

[kg/kg]

w

w

G A c h s oG A A

c h s oα

α

= + = + + + −= + = += + + + −

연소 공학 55


• 기체 연료인 경우– 공기에 대한 연료 비중 γg 사용

0 0

0 0

0

/ 0.210 .52

1

1 [ .52 ]

1 1

1 [ .52

2 43 3

2 N N

32 4 2 N

2 4

2.38{H } 2.38{CO} 9 {CH } 4.76{O } [m m ]

2.38{H } 2.38{CO} 9 {CH } 4.76{O } [kg m ]

2.38{H } 2.38{CO} 9 {CH } 4.76{O

w g

g

w g g

A O

G A

G A A

γ

γ

γ α γ

α

= = + +

+ ⋅ ⋅ ⋅ −= +

= + + + + ⋅ ⋅ ⋅ −

= + = +

= + + + + ⋅ ⋅ ⋅ − ] 32 N} [kg m ]gγ

연소 공학 56


• 이론 건 연소 가스 질량과 건 연소 가스 질량– 습 연소 가스질량에서 수증기 발생량 Gs를 제함

– Gs =8.94h+w, w: 연료에 기 포함된 물의 질량분율

0 0 (8.94 )1 11.48 25.3 4.31( )

(8.94 )1 8.94 [11.48 34.21 4.31( )]

[kg/kg]

[kg/kg]

d w

d w

G G h wc h s o w

G G h wh w c h s oα

= − += + + + − −

= − += − − + + + −

연소 공학 57


• [예제]– 프로판(C3H8)이 공기비 2로 완전 연소 할 때 연소

가스량과 연소 가스의 질량 분율

• [풀이]– 연료 중 탄소와 수소의 질량 분율 c, h

12.01 3 0.91712.01 3 1.01 8

1.01 8 0.18312.01 3 1.01 8

c

h

×= =

× + ××

= =× + ×

연소 공학 58


습 연소가스질량 Gw, 건 연소가스질량 Gd

Gw = 1+2[11.48×0.917 + 34.21 × 0.183] = 32.28 [㎏/㎏]

Gd = Gw –(8.94h + w)

=32.28 – (8.94×0.183 +0)= 30.54 [㎏/㎏]

프로판의 이론 연소 방정식

3 8 2 2 2 2 2C H 5(O 3.76N ) 3CO 4H 0 5 3.76N+ + → + + ×

공기비 2에서 프로판의 연소 방정식

3 8 2 2 2 2 2 2C H 5(O 3.76N ) 2 3CO 4H 0 5O 5 3.76 2N+ + × → + + + × ×

연소 공학 59


• 다른 풀이– 이론 혼합비의 경우

( ) ( )

( )

( ) ( )

3 8 44

2 16

17.01 , 15.3744 44

3 8 2 2 2 2 2C H 5(O 3.76N ) 3CO 4H O 5 3.76N

kg kg

+ + → + + ×

× + =

× × + × ×

× × ×

= =

연료의질량

12

이론 습 연소 가스 질량

3 12+32 +4 +5 3.76 28=748.4

이론 건 연소 가스 질량

3 12+32 +5 3.76 28=676.4

연료 1kg당 습/건 연소가스 질량

748.4 676.4kg kg

연소 공학 60


• 다른 풀이– 공기비 2인 경우

( ) ( )

( )

3 8 44

2 16

3 8 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2

C H 5(O 3.76N )+5(O 3.76N )3CO 4H O 5 3.76N 5(O 3.76N )3CO 4H O 5O +10 3.76N

+ + +→ + + × + +→ + + + ×

× + =

× × + × × ×

× × × ×

연료의질량

12

이론 습 연소 가스 질량

3 12+32 +4 +5 32+10 3.76 28=1416.8

이론 건 연소 가스 질량

3 12+32 +5 32+10 3.76 28=1344.8

연료 1k

( ) ( )32.2 , 30.5644 44

kg kg= =

g당 습/건 연소가스 질량

1416.8 676.4kg kg

연소 공학 61


• 습연소가스체적 Vw와 건연소가스체적 Vd

– 연소 가스의 체적은 불완전 연소에 의한 일산화탄소의 발생을 고려

• 일산화탄소 발생비율 ξ(m3/m3)

– 연료에 포함된 탄소 중 불완전 연소 분의 비율

2COCOCO+

=ξ

연소 공학 62


• 연료(C, H, S)를 공기비 a(>1)로 연소시킨 경우

– 연료에 포함된 C, H, S 성분 만큼 CO2, H2O, SO2가 생성

– 0.210(α-1)A0의 산소는 이용 안되고 잔류

– 불완전 연소 발생 시• 탄소 중의 ξ비율만큼 CO로 전환

• CO와 CO2의 총부피는 일정

• CO의 1/2체적의 산소가 더 남게 됨

연소 공학 63


• 질소는 반응에 참가하지 않음

• 연소 가스 중 질소

– 연료 중에 포함된 질소가 가스화 된 것

– 연소공기 중의 질소의 합계량

– 산소 이외의 공기 성분(체적분율 0.790)은전부 질소로 취급

• 연료 중에 이미 포함된 수분 w는 증발하여 수증기에 더해짐

연소 공학 64

연소 가스의 계산

성분명 분자식 연료 1 kg 당 발생량(mN3)

이산화탄소 CO2(22.41/12.01)c(1-ξ)=1.87c(1- ξ)

일산화탄소 CO (22.41/12.01)cξ=1.87cξ

수 증 기 H2O(22.41/2.016)h+ (22.41/18.02)w

=11.12h+1.24w

질 소 N2

0.790αA0+ (22.41/28.02)n

= 0.790αA0+0.80n

산 소 O2

0.210(α-1)A0+1/2 (22.41/12.01)cξ= 0.210(α-1)A0+0.93cξ

이 산 화 황 SO2 (22.41/32.06)s=0.70s

연소 가스 성분의 발생량

연소 공학 65


• 습 연소 가스 체적

0( 0.210) (1.87 0.93 ) 11.12

0.80 0.70 1.24( 0.210)[8.89 26.5 3.33( )]1.87 0.93 ) 11.12 0.80 0.70 1.24

3N

3N

[m /kg] ( [m /kg]

wV A c h

n s wc h s o

c h n s w

α ξ

α

ξ

= − + + +

+ + += − + + −

+ + + + + +

• 건 연소 가스 체적

( 0.210)[8.89 26.5 3.33( )]

1.87 0.93 ) 0.80 0.70 3N ( [m /kg]

dV c h s o

c n s

α

ξ

= − + + −

+ + + +

연소 공학 66


• 이론 습 연소 가스 체적(α=1, ξ=0)

0 8.89 32.1 0.80

2.63 3.33 1.24 3N [m /kg]

wV c h n

o s w

= + +

− + +

8.89 20.9 0.80

2 63 3 33 3N [m /kg]

dV c h n

. o . s

= + +

− +

• 이론 습 연소 가스 체적

연소 공학 67


[예제]

프로판 (C3H8)을 공기비 1.2로 연소

불완전 연소하여 연소 가스 중에 일산화탄소와 이산화탄소가 같은 양으로 생성

프로판 1kg당 발생하는 연소가스체적?

[풀이]

앞의 예제에서 프로판 중의 탄소와 수소의 질량분율은 c= 0.817과 h= 0.183

연소 공학 68


CO와 CO2가 같은 양으로 생성되므로 ξ= 0.5

습 연소 가스체적 Vw를 구하면

Vw = (1.2-0.210) [8.89×0.817+26.5×0.183]+(1.87+0.93 ×0.5)×0.817+11.12 ×0.183

=15.90[㎥N/kg]

건 연소 가스체적 Vd

Vd= (1.2-0.210)[8.89×O.817+ 6.5×0.183] +(1.87 + 0.93 × 0.5)×0.817

=13.87[㎥N/kg]

연소 공학 69


• 다른 풀이

10 2 2 4 2 1.751.5 1.5 1.75

3 8 2 2 2 2

2 2 2 2

2 2 2 2

C H 5(O 3.76N )+0.2 5(O 3.76N )CO CO 4H O 6 3.76N O

CO CO 4H O O +6 3.76N

a a b

a a b b

+ + × +→ + + + × +

⇒

+ = + + + ⇒ =+ + + ×

탄소 균형에서

2a=3 a=1.5

산소 균형에서

연소 공학 70


( )

( )

1.5 1.5 1.75

3 8 44

1.5 1.5 4 1.75 6 3.76 22.4 701.344 )

1.5 1.5 1.75 6 3.76 22.4 611.744 )

701.344

2 2 2 2CO CO 4H O O +6 3.76N

+ + + ×

× + =

+ + + + × × =

+ + + × × =

3N

3N

연료의질량

12

연료 1 kmol 당 이론 습 연소 가스 체적

(m

연료 1 kmol 당 이론 건 연소 가스 체적

(m

연료 1kg당 습/건 연소가스 체적

( ) ( )611.74415.93 , 13.9044 44

kg kg= =3 3N Nm m

연소 공학 71

발열량_연소 열화학

• 생성 엔탈피(생성 열)

– 반응물질과 생성물질의 엔탈피 변화 관계

– 생성열(heat of formation)이라고도 함

– 화합물의 구성 원소로부터 화합물로 형성될때 발생 또는 흡수하는 열의 양

• 발열반응은 (-)의 값, 흡열반응은 (+)

– ΔH0f (kJ/mol)로 표시

– 표준상태에서의 발열량 ΔHo를 구하는데 사용

연소 공학 72


• 생성 엔탈피(생성열)

– 원소로부터 1mol의 물질이 표준압력 1atm과 표준온도 298.15K(25℃)에서 생성될 때의 엔탈피 변화

– 원소 물질인 C, H2, 02 등은 생성 엔탈피가없음

– 반응이 증기상태/액체상태에 따라 다른 값

– 엔탈피를 그 물질의 질량으로 나눈 값을 비엔탈피 ΔHf(kJ/㎏)

연소 공학 73


• 표준 상태– 일정 대기압과 온도에 있는 상태(o로 표시)

– 모든 열역학적 계산은 초기와 말기상태 사이에 대해 행해짐(경로와 무관)

• 모든 열역학 상태에 대한 기준상태(datum state) 선택이필요

• 수 많은 기준상태가 사용

• 대부분의 기준은 298.15°K(25℃)과 1기압

• 준거(reference) 상태의 원소는 기준 온도에서 임의로 0 엔탈피로 둠

• 준거(reference) 상태의 원소는 인정된 표준 상태

연소 공학 74


• 생성 엔탈피– 공통적으로 발생하는 화학종에

대해서는 온도의 함수로서 표로 주어짐.

– JANAF Table• 무기화합물에 대한 기본적 준

거

– 표에 포함된 내용• 정압에서 몰 당 비열, 표준 엔

트로피, 표준 Gibbs 자유 에너지, 표준 엔탈피, 생성 엔탈피, Gibbs 생성 자유에너지, 원소로부터 각 화합물의 생성에대한 평형상수(log10 으로)

종류 상태 MJ/kmol

산소(O2) 기체 0

질소(N2) 기체 0

수소(H2) 기체 0

탄소(C) 기체 0

이산화탄소(CO2) 기체 -393.52

물(H2O) 기체 -241.83

물(H2O) 액체 -285.84

일산화탄소(CO) 기체 -110.54

메탄(CH4) 기체 -74.87

프로판(C3H8) 기체 -103.85

메탄올(CH3OH) 기체 -201.17

메탄올(CH3OH) 액체 -238.58

에탄올(C2H5OH) 기체 -234.60

에탄올(C2H5OH) 액체 -277.00

벤젠(C6H6) 액체 -49.00

옥탄(C8H18) 기체 -208.45

옥탄(C8H18) 액체 -249.35

세탄(C16H34) 액체 -454.50

생성표준 엔탈피(298.15K(25℃) 그리고 1 atm에서)

연소 공학 75


• 표준 상태에서 주어진 연소반응에 대한 생성물, 반응물의 생성 엔탈피– 연소 반응 시 여러 종의 분자(화합물)이 존재하므로

,

,

: ( )

o oP i f i

products

o oR i f i

reacants

i

H n h

H n h

n

= Δ

= Δ

∑

∑

%

%

생성물의생성엔탈피

반응물의생성엔탈피

각 분자 화합물 의몰 수

연소 공학 76


• 생성 엔탈피를 이용한 발열량의 계산

( )

( ) ( )

0 0,

, ,

1,

1 0 0, 0 1

1

T

T P

o oi f i i f i

products reacants

o oP R

T P

R R T P P P

H H

n h n h

H H

CV H

H H H H H

Δ = Δ

= Δ − Δ

= −

= Δ

= − − + Δ − −

∑ ∑% %

표준 상태의발열량

어떤온도 에서의발열량

연소 공학 77


Temperature(T)

Enth

alp

y, H

Enthalpy of Product, HP

Enthalpy of Reactant, HR

Isothermal(등온)

0R

0P

1R

1P

T0 T1

1,

1 1

T P

R P

HH H

−Δ

= −1

0

1 0

,

R R

Tp RT

H H

C dT

−

= ∫

0 , ,o o

i f i i f iproducts reacants

H n h n h⎛ ⎞−Δ = − Δ − Δ⎜ ⎟

⎝ ⎠∑ ∑% % 1

01 0 ,

TP P p PT

H H C dT− = ∫

cQ

hQ

연소 공학 78


[예제]298.15K에서 메탄과 산소 이론 혼합비에서 생성물과 반응

물의 엔탈피와 반응 엔탈피 증가와 내부에너지 증가를 계산하라.

[풀이]이론 반응 : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

표에서 생성 엔탈피를 찿으면

CH4 :-74.87, O2 :0, CO2 :-393.52, 물(액체): -285.84,

물(수증기) :-241.83

물이 기체(수증기)로 생성된 경우 :

H0p= -393.52+2(-241.83)=-877.18 MJ/k㏖

H0R= -74.87 MJ/k㏖

연소 공학 79


∆(H) 0R= -877.18+74.87 = -802.31 MJ/k㏖

물(액체) 에 대해:

H0p= -393.52+2(-285.84)=-965.20 MJ/k㏖ C

H0R= -74.87 MJ/k㏖ CH4

∆(H) 0R= -965.20+74.87 = -890.33 MJ/k㏖

연소 공학 80


∆(U) 0R : 수증기에서 반응물과 생성물의 몰 수는같으므로

∆(U)0v = ∆(H) 0R = -802.3 MJ/k㏖ CH4

물에 대해:

∆(U)0v= -890.33-8.3143x10-3(1-3)298.15

MJ/k㏖ CH4

= -885.4 MJ/k㏖ CH4

혼합기에서의 질소와 이론량을 초과하는 산소의존재는 이들 계산에 아무런 영향도 주지 않음

(1-3)? : pv=RT, h=u+pv=u+RT,

(np-nr)RT= 8.3143x10-3(1-3)298.15

연소 공학 81


• 연료가 산소와 만나 완전 연소한 후 처음의 온도까지 냉각될 때에 단위 질량 당(또는 몰 당) 발생 하는 열량

• 고위발열량(HCV, 총발열량) Hh

– 연소반응으로 생성된 물이 응축하여 액상으로 존재할 때

• 저위발열량(LCV, 참 발열량) Hl

– 연소반응으로 생성된 물이 증기상태로 존재할 때

– 수증기의 증발 잠열은 이용이 안되므로 주로 이를사용

연소 공학 82


• HCV - LCV = y (hfg), hfg=r– y : 연료의 단위량 당 물의 질량

– hfg : 해당 온도에서 물의 증발 엔탈피(44.01MJ/kmol=44010/(2.016+15.99) kJ/ kg ≒2442 kJ/kg ≒44.01/22.4=1.96 MJ/m3)

기체 H2O -241.83

액체 H2O -285.84

44.01

물의 생성열(298.15K(25℃), 1 atm) MJ/kmol

물

기체-액체

연소 공학 83


• 물의 경우– HCV - LCV = ( 9hX 2440 ) (kJ/kg)

– H2 + 1/2 O2 → H2O

1(2)kg 8(16)kg 9(18)kg

연소 공학 84


비점

[kJ/mol] [MJ/kg] [kJ/mol] [MJ/kg] [kJ/mol] [MJ/kg] [℃]

수소 H2 기체 0 0 285.8 141.8 241.8 120.0 -252.7

그레파이트 C 고체 0 0 393.5 32.76 393.5 32.76

황 S " 0 0 296.8 9.259 296.8 9.259

일산화탄소 CO 기체 -110.53 -3.946 283.0 10.10 283.0 10.10 -191.5

메탄 CH4 " -74.87 -4.677 890.3 55.50 802.3 50.01 -161.5

에탄 C2H6 " -84.0 2.794 1561 51.90 1429 47.51 -89.0

프로판 C3H8 " -104.5 -2.370 2219 50.33 2043 46.34 -42.1

" -126.5 -2.176 2877 49.49 2657 45.71

액체 -147.5 -2.538 2856 49.13 2636 45.35

기체 -146.5 2.303 3536 49.01 3272 45.35

액체 -173.2 -2.401 3509 48.64 3245 44.98

기체 -167.1 -1.939 4195 48.68 3887 45.10

액체 -198.6 -2.305 4163 48.31 3855 44.74

기체 -208.5 -1.325 5512 48.25 5116 44.79

액체 250.0 -2.189 5471 47.89 5075 44.42

기체 -374.8 -1.655 10781 47.61 10033 44.30

액체 -456.1 -2.014 10699 47.25 9951 43.95

프로필렌 C3H6 " 20.2 0.480 20.58 48.91 1926 45.78 -47.0

아세틸렌 C2H2 " 226.73 8.708 1300 49.91 1256 48.22 83.6

" 82.9 1.061 3302 42.27 3170 40.58

액체 49.0 0.627 3268 41.83 3136 40.14

기체 -201.6 -6.292 763.6 23.83 675.6 21.08

액체 -239.1 -7.462 726.1 22.66 638.1 19.91

기체 -234.8 -5.097 1410 30.60 1278 27.74

액체 -277.1 -6.015 1367 29.68 1235 26.82

n-부탄

n-펜탄

-0.5

36.1

286.3

80.1

n-헥산

n-옥탄

68.7

125.7

메탄올

에탄올

n-세탄

벤젠

표 2.4 주요 연료의 발열량 및 표준생성열 (0.1MPa, 25 ℃ )

표준생성열 고발열량 저발열량 연료명 분자식 상태

78.3

64.7

C4H10

C5H12

C6H14

C8H18

C16H34

C6H6

CH4O

C2H6O

연소 공학 85


• 액체 및 고체 연료의 경우– 복잡한 분자•결정구조의 여러 성분들의 혼

합물

– 연료 구성원소의 발열량을 이용하여 c, h, s, o의 값으로부터 발열량을 계산할 수 없음

– 열량계에 의한 실측

– Dulong의 식(0.4MJ/㎏ 정도의 오차)

연소 공학 86


33.8 144.3( 7.94) 9.42 ]2.44 2.44(8.94 )

33.8 122.5 18.2 9.42 2.44 ]

[MJ/kg

[MJ/kg

h

l h s h

H c h o sH H V H h w

c h o s w

= − − += − = − += + − + −

W : 연료에 이미 포함된 수분의 양w 포함 : 함수 시료 기준 발열량

w 제외 : 무수 시료 기준 발열량

(h-o/7.94) : 유효 수소

연소 공학 87


• 혼합연료의 발열량– 기체 연료의 경우 성분가스의 발열량 값을 이용하

여 합산

]1.96

]

2 43N

23

4 2 N

12.75{H } 12.63{CO} 39.72{CH } [MJ/m

12.75{H } 12.63 {CO} 39.72{CH } 1.96{H O} [MJ/m

h

l h s

H

H H G

= + +

+ ⋅ ⋅= − = +

+ + ⋅ ⋅ −

연소 공학 88

연소 온도

• 이론연소온도(단열연소온도)– 연소과정에서 가연물질이 이론공기비로 완전연소

되고, 열손실이 전혀 없다고 가정 할 경우 연소실내 가스온도

– 열평형 방정식으로 부터

• : 연료의 저발열량( )• G : 이론습연소가스량( )• : 연소가스의 평균 정압 비열( )• : 연소온도( )• : 연소공기 및 연료 공급 온도( )

1( )l p cH G C t t= × −

lH

pCct1t

/kcal kg3 /m kg

3/kcal mo C

o C

1l

cp

Ht tG C

= +×

연소 공학 89

연소 온도

• 실제 연소온도– 열손실 및 연소효율 그리고 연료 및 연소용 공기의 현열 고려

• : 연소 효율• : 실제습연소가스량 ( )• : 전도, 대류, 복사에 의한 열손실 ( )• Q : 연료 및 연소공기의 현열

• : 예열된 공기 온도 : 예열된 연료 온도• ; 공기의 정압비열 : 연료의 정압 비열

01

lc

w p

H Q Qt tG Cη − +

= +×

1 1( ) ( )a pa a pf fQ m C t t C t t= − + −

at ftpaC

pfC

ηwG

0Q

3 /m kg/kcal kg

연소 공학 90

연소 생성물_ 일산화탄소(C0)

– 화재시에 연소반응에 의해 발생되는 탄소입자, 일산화탄소, 이산화탄소, 기타 가스를대량 흡입하여 행동불능 상태가 되어 사망하는 경우도 발생한다.

1) 일산화탄소(C0)– 일산화탄소는 산소보다 헤모글로빈에 대한

친화력이 200배나 높아 산소가 결핍이 되어질식 상태 발생.

– 정신적인 능력면에서 환경에 대한 적응성과판단력의 감퇴를 초래

연소 공학 91

연소 생성물_ 이산화탄소가스(CO2)

2) 이산화탄소가스(CO2)

– 화재시 대량으로 발생함으로써 공기 중의산소부족에 따른 질식효과를 보여주기 때문에 인명을 죽음에 이르게 할 수가 있다.

– 실제 화재시에는 이산화탄소의 농도증가에따라 호홉속도가 빨라짐으로써 함께 존재하는 유독성 가스의 홉입률이 증가하기 때문에 위험은 더욱 가속화된다.

연소 공학 92

연소 생성물_ 이산화탄소가스(CO2)

• 이산화탄소의 농도가 2%(체적농도)– 호홉심도는 1.5 배 정도 증가

• 3%의 농도– 호홉심도 는 약 2 배정도 증가

• 5%의 농도– 호홉이 과중해지고 사람에 따라서는 심한 고통을 느낌

– 남자 의 경우 약 1 시간 정도 견딜 수 있다.

• 9%의 농도– 모든 사람이 10 분 이내에 의식을 잃게 된다

• 20%의 농도– 인사불성이 된 사람은 신속히 조치하지 않는 한 약 20~30 분

이내에 사망하게 된다.

– 특별한 전문의학적 조치가 필요한 한계농도

연소 공학 93

연소 생성물_ 황화수소가스 (H2S)

3) 황화수소가스 (H2S)– 고무, 동물의 털, 가죽 및 고기 등과 같은 물질에는

유황성분이 포함되어 있어, 화재 시에는 이들의 불완전연소로 인해 황화수소가 발생한다.

– 약 0.02% 이상의 농도• 썩은 달걀에서 나는 것과 같은 냄새가 나나 후각이 바로

마비되므로 즉시 적절한 방호조치를 취할 필요가 있음

– 약 0.04% 농도의 황화수소• 30 분 이상 호흡하면 위험

– 약 0.08% 농도의 황화수소• 치명적인 위험상태에 빠질 수가 있다.

연소 공학 94

연소 생성물_ 아왕산가스 (SO2)

4) 아왕산가스 (SO2)

– 황화수소의 경우와 달리 유황이 완전히 산화될 때 생성된다.

– 눈 및 호흡기 등의 점막을 상하게 하기 때문에 약 0.05%의 농도에 단시간 노출되어도위험하다.

– 유황을 저장 또는 취급하는 산업시설의 화재시에는 대량 발생할 수 있으므로 주의를요한다

연소 공학 95

연소 생성물_암모니아가스(NH3)

5) 암모니아가스(NH3)

– 눈, 코, 인후 및 폐에 매우 자극성이 큰 유독성 가스

– 사람들이 본능적으로 피하고자 할 정도로역한 냄새가 난다.

– 0.25~0.65%의 농도• 30 분 정도 노출되면 대개 사망하기 쉽다

• 생체의 내부조직에 심한 손상을 준다

연소 공학 96

연소 생성물_시안화수소가스(HCN)

6) 시안화수소가스(HCN)

– 맹독성의 유독가스로서 대체로 0.3% 이상의 농도에서는 거의 즉사한다.

– 주로 질소 함유물로 제조되는 수지류, 모직물 및 견직물이 불완전 연소되어 발생하는경우가 많다.

– 목재나 종이류가 탈 때는 공기중의 질소가탄소와 결합하면서 생성

– 대부분의 화재에서는 발생량이 매우 적다.

연소 공학 97

연소 생성물_ 염화수소가스(HCl)

7) 염화수소가스(HCl) – PVC와 같이 염소가 함유된 수지류가 탈 때 생성

– 자극성의 물질로서 사람들이 싫어하는 냄새

– 약 1.500ppm의 농도에서 호흡하면 불과 몇 분 내에 치명적인 위험을 받을 수가 있다.

– 금속에 대해 강한 부식성이 있어 콘크리트건물의철골이 때로는 손상되기도 한다.

– PVC는 전선의 절연재 및 배관재료 등으로 널리 사용되기 때문에 대부분의 건물 화재시 소방관을 애먹이는 연소가스의 하나이다.

연소 공학 98

연소 생성물_이산화질소가스(NO2)

8) 이산화질소가스(NO2)– 흡입하면 인후의 감각신경이 마비되어 그 존재여부

를 깨닫지 못함• 200~700ppm 정도의 농도에 잠시 노출되기만 해도 인체

에 치명적이다.

– 그다지 심하게 노출되지 않는 경우• 독성의 효과가 대개 8 시간쯤 전후에 나타남

• 대개는 회복이 어렵고 폐렴 등의 병발증이 유발

– 질산셀룰로이즈가 연소 또는 분해될 때 생성

– 질산암모늄 (NH4NO3)과 같은 질산염 계통의 무기물질이 포함된 화재에서 발견

– 질산이 금속이나 가연물과 접촉하면 발생

연소 공학 99

연소 생성물_ 아크로린 (CH2CHCH0)

9) 아크로린 (CH2CHCH0)

– 석유제품 및 유지류 등이 탈 때 생성

– 너무도 자극성이 크고 맹독이어서 1ppm 정도의 농도만 되어도 견딜 수 없다

– 1Oppm 이상의 농도에서는 거의 즉사

– 일상적인 화재에서 발생되는 경우가 드물다.

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