연료 및 연소 관리

1. 연료및 연소 관리 에 너 지 관 리 공 단

2. 목 차 제1장 연료의 종류 및 특성 1. 연료의 종류 2. 연료의 물리적 특성 3. 연료의 연소현상 제2장 연소계산 및 연소장치 1.연소계산 2.연소특성 3.연소장치

3. 제1장 연료의 종류 및 특성 1. 연료의 종류 1.1 연료의 정의 연료란 공기 중의 산소와 반응하여 연소 되면서 열을 발생하는 물질을 말한다. 현재 사용하고 있는 연료는 산지 생산된 것을 그대로 사용하는 경우는 드물며 보통은 유해물질 등을 제거하는 정제 과정을 거쳐 사용한다.

4. 연료의 구비조건으로는 ∘ 가격이 저렴하고 매장량이 풍부해야 함 ∘ 저장, 운반 및 취급이 용이해야 하고, 단위 중량당 발열량이 클수록 좋다. ∘ 인체에 유독성이 적고 연소시 매연 발생 등 공해 요인이 적어야 함 ∘ 저장 및 사용에 있어서 안전성이 있어야 것 ∘ 점화성이 좋아야 한다.

5. 1.2 연료의 조성 일반적으로 연료의 주성분은 탄소(C), 수소(H), 산소(O)이고 기타 질소(N), 유황(S)도 포함되며, 그 중에서 가연성 원소는 탄소(C), 수소(H), 황(S) 이다. [참고] 연소의 3대 조건

6. 1.3 연료의 분류 연료는 상온에서 형태와 성질에 따라 고체, 액체, 기체연료로 구분한다

7. 1.4 연료의 종류 1) 고체연료 고체상태 그대로 사용하는 연료로서 식물 등이 변질 된 것(목재, 석탄)으로서 생성 그대로 사용 하는 것과 이들을 가공한 것(목탄, 연탄 등) ◯고체연료의 특징 - 장점- ∘ 가격이 저렴하고 국내 매장량 풍부 ∘ 설비비가 저렴하고, 저장 이 용이 ∘ 에너지밀도가 높다. ∘ 연소속도가 늦어 특수용도 사용

8. -단점 ∘ 품질이 균일하지 못함 ∘ 연소효율이 낮고, 완전연소 어려움 ∘ 연소(부하)조절이 곤란하며, 순간적으로 고온을 얻기 어려움 ∘ 매연발생이 심하며 회분이 많음 ∘ 점화 및 소화가 어려움 ∘ 사용전 건조 및 분쇄가 필요하며 연소용 공기가 다량 필요 ◯ 고체연료는 액체연료와 비교하여 산소의 함유량이 많고, 수소성분이 적으며 기체연료는 수소와 산소가 많다.

9. 2) 액체연료 액체연료의 주된 것은 석유류이다. 석유류는 천연적으로 존재하고, 지하로부터 퍼올린 것을 원유라고 부르며, 비중은 0.78~0.97정도 이다.화학적으로는 대부분이 탄화수소(CH)의 혼합물이고, 원소 조성은 다음과 같다 (1) 구성원소

10. (2) 액체연료의 특징 -장점 ∘품질이 일정하고 발열량이 높고 연소효율이 높음 ∘저장, 운반, 계량, 점화, 소화 및 연소조절이 용이 ∘회분이 거의 없음 -단점 ∘연소온도가 높아 국부적으로 과열을 일으키기 쉬움 ∘화재, 역화(back fire)의 위험이 큼 ∘고속(압)연료 분사시 연소할 때 소음이 큼 ∘국내 자원이 없고 수입에만 의존 [참고]원유의 추출 순서: 원유→가솔린→등유→경유→중유→아스팔트→피치

11. ★ 3) 기체연료 기체연료는 석유계에서 얻은 유전가스와 석탄계 탄전 가스인 천연가스(LNG) 연료와 석유, 석탄을 가공하여 인공적으로 만든 가스체연료(LPG)가 있는데 주성분은 CH4(메탄)이며 도시 가스나 특수 용도에 이용되고 있다. (1)기체 연료의 특징 -장점 ∘연소성이 좋아 적절한 공기로 완전연소 가능 ∘유해 배출물이 적어 배열을 회수하여 활용 가능 ∘연소 조절 및 점화, 소화가 용이 ∘회분이나 매연 등이 없어 청결하여 이용에 편리함

12. -단점 ∘시설비가 많이 들며 고급연료로 다른 연료보다 가격이 높음 ∘압축상태로 저장하기 때문에 누출하기가 쉽고 화재 및 폭발위험이 크다. ∘연료밀도가 낮아 수송효율이 낮고, 저장조건이 간단치 않음 (2)기체연료의 성분

13. (3)기체연료의 종류 대표적인 가스연료로는 천연가스(도시가스), 액화석유가스(LPG)가 있고, 그외 매립가스 (LFG), 석탄가스(IGCC)등과 공정상에서 생기는 부생가스 형태로 발생되는 고로가스 등이 있다. 가스연료의 종류 및 주요특성을 <표 1-1>에 비교하였다. 이들 가스들은 종류에 따라 발열량, 연소속도 등 특성이 각각 다르기 때문에 연료를 사용하기 위해서는 가스 특성에 맞는 연소기를 사용하여야 하며,보다 효율적인 기기개발이 필요하다

14. 연료가스종류 생산 방법 발열량 (㎉/N㎥) 주성분 용도 생산가스 천연가스 (LNG) 가스전 9,000～12,000 CH4 도시가스, 발전용,수송용 액화석유 가스(LPG) 석유정제, 가스정제 20,000～30,000 C3H8, C4H10 가정용, 상업용, 수송용 석탄가스 석탄건류 1,000～2,800 H2, CO 발전용 부생 가스 고로가스 제철소 고로 4,000～5,000 CO 발전용, 산업용 소화가스 하수처리공정 5000～6000 CH4, CO2 발전용, 보일러 매립가스 쓰레기 매립지 4,000～5,000 CH4, CO2 발전용, 보일러 <표 1-1 :연료가스의 종류 및 특성>

15. 2. 연료의 물리적 특성 2.1 주요물성 1) 발열량(Heating Value) 연료가 연소할 때 열이 발생하는데, 표준상태(0℃, 1atm)에서 연료가 완전 연소했을 때 발생하는 열을 발열량이라 하며, 대부분의 연료에서는 연료 성분내에 포함된 수소성분에 의해 수증기가 발생하며 이 수증기는 응축하여 물로 변할 때 열을 방출하는데, 이것을 잠열(latent heat)이라고 하며 잠열을 포함한 발열량을 고위발열량(총발열량), 잠열을 포함하지 않은 발열량을 저위발열량(진발열량)이라 한다. ★ 고위발열량=저위발열량+수증기 잠열 ★

16. 단위로는 ㎉/㎏, ㎉/㎥, ㎉/ℓ를 사용하며 기체의 경우 정상상태(0℃, 1atm)를 기준으로 부피로 환산하여 ㎉/N㎥ 으로 표시하기도 한다. 그런데 2000년부터 계량에 관한 법률 전면개정을 통해 국가표준기본법을 제정, 국제단위인 SI단위 사용 의무화 를 요청하고 있다. 이는 산업, 상업, 과학, 교육 등 모든 분야에서 사용하고 있는 측정단위를 국제적으로 통일된 치수체계로 확립함으로써 - 거래단위로부터 오는 혼란을 방지하여, 상업, 무역활동에 있어 신뢰성을 제공 - 시험／측정결과에 대한 국제／국내적인 신뢰성을 확보할 수 있고, 무역상 기술 장벽을 해소할 수 있는 기반을 구축함에 있다. 현재는 SI단위로 통일해 사용하고 있기 때문에 MJ/N㎥단위를 사용해야 한다.

17. 명칭 비SI단위 SI단위 환산계수 압력 kgf/㎠ psi mmH2O atm bar MPa pa Pa Pa Pa kgf/㎠ = 0.0980665 MPa 1lbf/in²    =6.89476×10³Pa 1mmH2O =9.80638 Pa(4℃) 1atm =1.01325×105 Pa 1bar =1×105 Pa 열량 kcal MJ * 1kcal =4.1868 × 10-3 MJ MMBTU * 1MMBUT=1055.056 MJ * 1MMBTU(60℉ 기준) =1055.12MJ(15°C기준) <표1-2 : SI 단위 환산계수 (Ⅰ)> *열량 환산기준:국제스팀열람표(IT)적용

18. 명칭 비SI단위 SI단위 환산계수 힘 kgf N 1kgf =9.80665 N 일 kgf . m J 1kgf . m =9.80665 J 일률 kgf . m/s W 1kgf . m/s =9.80665 W 길이 in, ft, yd, mil m 1ft =0.3048m 질량 Ib kg 1Ib =0.453592 kg 온도 ℉ °C °C =(5/9)*(℉-32) K K =°C+273.15 <표1-2 : SI 단위 환산계수 (2)>

19. ★2) 비 중 ★ 비중이란 기준이 되는 유체(액체 또는 기체)와의 동일 조건하에서의 무게 비를 말한다. 가스에 대한 기준은 공기이며 고체와 액체에 대한 기준은 물이다. 가스 비중은 보통 0℃, 1기압에서 공기 무게에 대한 비를 말하며,기체, 특히 가연성 가스의 경우 비중은 중요한 의미를 지닌다. 비중이 1.0보다 크다는 것은 그 가스가 공기 보다 무겁기 때문에 용기 등에서 누설한 가스가 낮은 곳 에 체류하기 쉽다는 것을 의미하기 때문이다. 메탄의 경우는 비중이 0.55로서 공기보다 가벼워 누설시 공기 중으로 날아가기 쉽다. 가스비중=가스무게/공기무게 액체비중=액체무게/물무게

20. 가스성분 분자량 (무게) 비중 CH4 12✕1+1✕4=16 16/29=0.55 C3H8 12✕3+1✕8=44 44/29=1.52 H2 2✕1=2 2/44=0.05 He 4 4/44=0.09 공기(N2:79%, O2:21%) 14✕2✕0.79+16✕2✕0.21≑29 29/29=1.0 예) CH4와 C3H8의 가스비중은

21. 3) 압 력 유체에 의해 용기나 관등의 벽에 수직으로 작용 하는 힘을 압력이라 한다.압력의 단위로는 기압(atm), kg/cm2,수은주(mmHg) 또는 수주 (mmH2O) 사용되며 상호 환산 값은 다음과 같다 압력을 나타내는 방법 절대압력 = 게이지 압력 + 대기압

22. 2.2순수가스 물성 가스연료는 대부분 단일가스로 존재 하는 경우보다 혼합가스형태로 존재 하며 이러한 특성을 파악하기 위해서 는 단일가스의 성질을 파악할 필요가 있다. <표 1-4>은 가연성가스에 포 함되어있는 주요 성분 및 단일가스에 대한 물리화학적 특성을 표시한 것임.

23. 구 분 메탄 에탄 프로판 부탄 수소 일.탄 화학식 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2 CO 분자량 16.0 36.1 44.1 58.0 2.0 28.0 비 중 0.55 1.05 1.55 2.09 0.07 0.97 가스밀도 (0℃, 0.1MPa) 0.72 1.36 2.01 2.70 0.09 1.25 고발열량(MJ/Nm3) 39.93 70.48 101.44 134.07 12.77 12.64 고발열량(㎉/Nm3) 9,537 16,834 24,229 32,022 3,050 3,018 <표 1-4 : 순수가스의 기본 물성>

24. 2.3혼합가스 물성 1) 몰비 (mole fraction) 혼합기체에서 각 성분의 몰비(mole %)는 각 성 분의 부피비와 같다. 따라서 몰비는 가스분석에 의한 성분부피로서 쉽게 결정될 수 있다. 한편 혼합가스의 질량비는 전체 질량에 대한 각 성분 의 질량비로 표시되며 몰비와 비례하지 않는다. ○ mole% = 어느 성분가스 몰수/전체가스 몰수[1] ○ 부피비 = 어느성분가스 가스부피/전체가스 부피 = mole % [100] ○ 질량비 = 어느 성분가스질량 /전체가스 질량

25. 3. 연료의 연소현상 3.1고체연료 주성분인 탄소 외에 회분과 수분을 함유한다(약 21MJ/kg) ○연료비=고정탄소(%)/휘발분(%) (탄화도 거 커짐에 따라 증가) ○기공율=(1-겉보기비중/참비중)*100(코 크스가 크다)

26. 함유성분 연소 현상 수분 존재 ∘점화 어렵고 흰연기 발생 ∘수분기화로 연소불량 및 통기 및 통풍 불량 ∘불완전연소로 열효율 저하 휘발분 존재 ∘연소시 그을음 발생,점화 쉬우나 발열량저하 탄소가 존재 ∘발열량증가하고 매연감소, 청염발생 ∘열효율증가하나 연소속도 늦어짐 회분존재 ∘발열량저하로 연료가치 저하, ∘통풍저하 및 연소성이 나빠 효율저하 착화온도 ∘발열량 클수록 산소량 증가 ∘압력이 높을수록 착화온도가 낮음

27. 3.2액체연료 C, H가 주성분이며 비중은 0.78~0.97정도 (약 46MJ/kg) ∘비중이 크면 발열량이 감소(중질유 등 저급연료), ∘탄소수가 많으면 발열량 감소, ∘점도에 따라 중유는 A,B,C로 구분(B-C,B-A) ∘인화점: 연소가 될 수 있는 최저온도(중유가 높음) (가솔린:-20~-40℃, 경유: 50~70℃)

28. 3.3기체연료 가스기기에 가장 많이 사용되는 연료가스 로는 LNG(천연가스)와 LPG가 있으며, 가스 중 LPG는 석유계 연료로서 액화 저장이 가능하기 때문에 수송이 용이하다. 천연가스는 가스전에서 채굴되어 배관을 통해 수송되거나 액화, 수송, 저장, 기화, 배관망을 통한 공급과정으로 연료가스로 이용되고 있다.

29. 구분 주성분 비중 액화온도 (압력) 액화시 부피축소 용도 LNG 메탄(CH4) 0.62 -162℃ (1kg/cm2) 1/600 도시가스용, 차량, 발전용, 석유화학 LPG 프로판(C3H8) 1.6 -42℃ (7kg/cm2) 1/260 가정연료, 산업용, 도시가스용 부탄(C4H10) 2.0 -0.5℃ (2kg/cm2) 1/230 차량, 휴대용버너, 공업용 <표 1-5 : 액화 천연가스와 석유가스 액화특성 및 체적 변화 비교>

30. 가스 종류 주 요 성 분 (Vol %) 저위 발열량 고위발열량 비중 분자량 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 MJ/ Nm3 kcal/ Nm3 MJ/ Kg Kcal/ Kg LPG - 1.0 97.0 2.0 93 101 22,228 24,141 47 52 11,262 12,231 1.53 44.2 - - 1.0 99.0 122 132 29,187 31,603 47 52 11,282 12,216 2.01 57.9 LNG 90.0 7.0 2.0 1.0 40 44 9,508 10,515 50 55 11,836 13,098 0.62 18.0 <표 1-6 :연료가스 종류 >

31. 1)액화천연가스(Liquefied natural Gas, LNG) LNG는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 냉각해서 액화한 것이다. 이는 에너지밀도를 높여 수송과 저장을 용이하게 하기 위한 것이다. 천연가스는 메탄이 주성분이고 약간의 에탄 등의 경질 파라핀계 탄화수소를 함유하고 있다.천연 가스의 주성분인 메탄은 1㎏이, 0℃, 1기압의 가스 상태로 약 1.3N㎥의 부피이나, 이것을 -162℃까지 냉각하면 액화해서 0.0022㎥로 된다. 즉 가스에서 액으로 되면 약 1/600의 적은 부피가 된다.

32. (1) LNG의 성질 LNG는 천연적으로 산출된 천연가스를 -162℃ 까지 냉각, 액화한 것으로 액화전에 불순물 등이 정제 제거되기 때문에 기화된 LNG는 전혀 불순물을 포함하지 않는 가스이다. 약 -162℃의 비점을 가지는 무색, 투명의 액체이며, 비점 이하의 저온에서는 단열용기에 저장할 수 있다. LNG로부터 기화한 가스는 공기보다 가볍다. LNG는 메탄을 주성분으로 에탄, 프로판, 부탄류, 펜탄류 등의 탄화수소와 질소가 소량 함유되어 있다.

33. ○LNG 주요 특성은 ∘ 기화시 공기보다 가볍다(비중 : 0.62). ∘ 액화시 체적이 감소한다(기체의 1/600) ∘ 무색 무취이나 누설의 경우 알 수 있게 부취제를 넣고 있다. ∘ 냉열 이용이 가능하다. ∘ 천연고무에 대한 용해성이 없다

34. 구 분 천연가스 조 성 (vol%) 메 탄(CH4) 에 탄(C2H6) 프로판(C3H8) 부 탄(C4H10) 펜 탄(C5H12) 질 소(N2) 90.8 5.8 2.3 1.0 0.0 0.1 액밀도(kg/N㎥) @ bubble point 463 비점 (℃) at 1kg/㎠ -163.9 기체밀도(kg/N㎥)at (0℃,1kg/㎠) 0.777 부피비 (기체/액체) 596 분자량 (g/㏖) 17.93 <표 1-7 : LNG의 조성 및 물성>

35. 특성 비고 가스(CH4)는 공기 보다 가볍다 가스비중 : M(분자량)/29 (예) CH4=16/29=0.55 액체는 물보다 가볍다 액 비중 CH4: 0.42 기화시 체적이 약 588배 증가 메탄 액비중이 0.42kg/ℓ에서 1ℓ=0.42kg, 기체부피로 환산하면 16g→ 22.4ℓ, 420g→xℓ x=558ℓ 기화 및 액화 어려움 메탄의 임계온도(-82.1℃)가 낮기 때문에 액화하기 어려움 메탄의 입계압력은 45.8(atm)으로 높기 때문에 액화하기 어려워 액상으로 저장하기위해서는 초저온 용기필요 액체의 온도에 의한 부피변화율이 큼 천연가스의 경우액체에서 기체로 변화할 경우 약 600배 부피증가 연소시 필요 공기량 (10.5 N㎥/N㎥_fuel). = 588

36. ★임계온도 ★ 모든 물질은 그 때의 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 상태에 있게 되는데 액체와 기체의 경계를 이루는 온도를 임계 온도라 하고 그때의 압력을 임계압력 이라 한다. 어느 물질의 온도가 그 물질의 임계온도 보다 높으면 그 물질은 항상 기체로만 존재하고 낮으면 그 때의 압력이 임계압력보다 높으면 액체, 임계압력보다 낮으면 기체로 존재 한다.

37. (2) 용 도 LNG는 황화합물, 질소화합물이 함유되어 있지 않고 LNG로부터 기화한 가스는 메탄 이 주성분이므로 연료로 사용할 때는 완전 연소에 의한 안정된 연소상태가 얻어지므 로, 도시가스 및 발전용 연료 외에 일반 공업용 원료 및 매연발생이 없고, 오염배출 물이 상대적으로 적어 수송용 연료로도 현재 보급 확대 되고 있다.

38. (3)도시가스 공급체계 천연가스의 공해 배출물은 타 연료에 비해 월등히깨끗하며 유황 산화물과 분진은 없고 질소 산화물의 배출에서도 타 연료에 비해 상대적으로 적게 배출되는 특성을 보이고 있다. 또한 지구 온난화에 대비한 CO2저감 측면에서도 액체 연료의 CO2 배출의 2/3수준 으로 20～40%정도 절감효과가 있다. 천연가스는 청정 연료의 특징 뿐 아니라 매장 량이 풍부하여 향후 액체 연료의 대체 에너지 원으로서 유망하다.

39. 2) LPG(Liquefied Petroleum Gas) (1) LP Gas 성질 LP Gas란 우리말로는 액화석유가스 라고 불린다. LP Gas는 석유계 탄화수소의 일종 이고 탄소수가 3~4개인 것으로 프로판, 부탄이 주성분이고, 그 외에 프로필렌, 부틸렌 등이 약간 포함되어 있다.

40. 특성 비고 가스는 공기 보다 무겁다 가스비중 : M(분자량)/29 (예) C3H8=44/29=1.5, C4H10=58/29=2 액체는 물보다 가볍다 0℃에서 액 비중 C3H8: 0.5, C4H10=0.58 기화 시 체적이 약 250배 증가 프로판 액비중이 0.5kg/ℓ에서 1ℓ=0.5kg, 기체부피로 환산하면 44g→ 22.4ℓ, 500g→xℓ, x=250ℓ 기화 및 액화가 용이 -상온 20℃부근에서 프로판은 7kg/㎠, 부탄은 1kg/cm2정도 가압하면 쉽게 액화되며, -상압 0.1MPa에서 C3H8은 -42.1℃, C4H10은 -0.5℃이하로 하면 액화 액체의 온도에 의한 부피 변화율이 큼 온도상승시 부피팽창 고려하여 충전율 90%유지 연소시 많은 공기필요 (24～31 N㎥/N㎥_fuel).

41. (2) LPG의 장단점 -장점 ∘착화, 소화를 자동화하기 쉬움 ∘연소성이 좋아 완전연소 ∘발열량이 크고 열효율이 높음 ∘연료 온도 조절폭이 넓고 화염조절이 쉽다. ∘공해가 적고 공급압력 조절이 쉬워 사용 폭이 넓음 -단점 ∘저장탱크 및 용기의 집합장소 필요 ∘부탄 경우 기화장치 필요하며, 기화가스 재액화 할 우려 되고 연료시 다량의 공기 필요 ∘공급시 예비용기 확보 필요 ∘연소기구는 가스에 알맞은 것 사용

42. (3) LPG 유통구조 LP가스의 생산에서 공급, 소비까지 유통 구조를 [그림 1-2]에 표시하였다.

43. 쉬어가기: 물의 육각수 결정구조

44. 좋은 말을 했을때 : 고마워

45. 좋지 않은 말을 했을 때 : 죽인다

46. 좋은 말을 했을때 : 해주세요

47. 좋지 않은 말을 했을 때 : 해임마

48. 좋은 글을 붙였을때 : 천사

49. 나쁜 글을 붙였을 때 : 악마

50. 좋은환경의 물 : 뉴질랜드