화공안전공학 인천대학교 안전공학과

제 3장 연료 및 연소

연소3요건 연소의 요건 열/점화원 산소/공기 (Temperature/ (Oxygen/Air) Ignition Source) 가연물 (Fuel) 연소3요건

연소의 요건 순조로운 연쇄반응 열 산소 가연물 불꽃연소(주로 액체, 기체)의 4요건

열 빛 연 소 현 상 피 산화물 산화제 (산소/공기) (연료) C O2 CO2 97kcal/mol C 1/2O2 CO 산화제 (산소/공기) C O2 CO2 97kcal/mol C 1/2O2 CO 26.4kcal/mol H2 ½ O2 57.6kcal/mol H2O

화염연소와 표면연소 화염발생 연소의 연쇄반응 발화층 형성 확 산 고체 액체 기체 산소 열분해 증발 화염연소 표면연소 확 산 고체 액체 기체 산소 열분해 증발 화염연소 표면연소 고체표면에서 접촉 복사열에 의한 Feed back

가연물의 연소 형태 구분 연소의 분류 연소의 형태 연소보기 고체 연소 표면 연소 고체가 표면의 고온을 유지하면서 연소하는 것 목탄, 코우크스, 금속가루 분해 연소 고체가 가열되어 열분해가 일어나고 가연성 가스가 공기중의 산소와 연소하는 것 목재, 목탄 자기 연소 공기 중의 산소를 필요로 하지 않고 자신이 분해되면서 연소하는 것 화약, 폭약 증발 연소 고체가 가열되어 가연성 가스를 발생하며 연소하는 것 나프탈렌 액체 액체 표면에서 증발하는 가연성 증기가 공기와 혼합 연소 범위 내에 있을 때 열원에 의하여 연소하는 것 가솔린 알코올 기체 혼합 연소 먼저 가연성 공기와 혼합하여 연소하는 것 아세틸렌, 수소, 메탄 확산 연소 가연성 기체가 대기 중에 분출하여 연소하는 것 폭발 연소 가연성 기체와 공기의 혼합가스가 밀폐 용기 중에 있을 때 점화하면 폭발적으로 연소하는 것

가연물 및 연료 가연물의 정의 가연물질은 가연성 물질 중 산화되기 쉬운 물질이다. 활성화 에너지의 양이 적고 발열량이 크다는 뜻 가연물질에는 금속, 비금속을 비롯하여 유기화합물질의 대부분이 이에 해당된다. 이에 비해서, 불연 물질은 반대로 산화가 용이하지 안는 것으로서 반응열의 양이 물, 흙(이미 산회된 산화물질)과 같이 작은 것을 말한다. 가연물의 구비 조건 가연물질이 되려면 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다. 일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할 때 발열량이 커야 한다. 연소반응을 일으키는 점화원인 활성화에너지가 적어야 한다. 열전도도가 작아야 한다.(열의 축적이 용이하다) 지연성 가스인 산소, 염소와의 결합력이 강한 물질이어야 한다. 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질이어야 한다. 위와 같은 조건을 갖춘 가연물질은 대단히 많으며 대부분 유기화합물로 이루어 졌다.

연소한계, 인화점, 발화점, 연소점 가연성 증기의 농도, 연소한계, 인화점 및 발화점의 상호연관관계 가연성증기의 농도 온 도 온 도 인화점 (Flash Point) 자연발화온도 (Autoignition Temperature) 연소하한계(LFL) (Lower Flammability Limit) 자연발화(AIT) 포화증기압선도 연소상한계(UFL) (Upper Flammability Limit) 가연성혼합기 양론계수선 가연성 증기의 농도, 연소한계, 인화점 및 발화점의 상호연관관계

연소 (물질수지) 계산 이론 공기량 (Ao) : 완전 연소시키는 데 필요한 이론 공기량 A = m*Ao (m ; 공기비) 이론 가스량 (Go) : 이론 공기량에 따라 완전 연소시킬 경우 생성하는 연소 가스량 - 연소생성물과 공기중의 잔존 질소 실제 가스량 ( G ) : 실제로 발생하는 연소 가스량 G = Go + (m-1)*Ao - 습(총) 가스량 (Gw) ; 수증기 포함, 방지시설 규모 산정 - 건(진) 가스량 (Gd) ; 수증기 미포함, 오염물질 농도 산정

이 론 공 기 량 Oo = 1.867(C) + 5.6(H) - 0.70(O) + 0.70(S) [S㎥/㎏] 이 론 공 기 량 Oo = 1.867(C) + 5.6(H) - 0.70(O) + 0.70(S) [S㎥/㎏] Ao =  8.89(C) + 26.7(H) - 3.33(O) + 3.33(S)  [S㎥/㎏]  = 11.6 (C) + 34.8(H) - 4.35(O) + 4.35(S)   [㎏/㎏] C + O2  CO2 Oo = 32/12(C) * 22.4/32 = 22.4/12(C) 12 32 44 = 1.867(C) [S㎥/㎏] S + O2  SO2 Oo = 32/32(S) * 22.4/32 = 22.4/32(S) 32 32 64 = 0.700(S) [S㎥/㎏] 2H +1/2O2  H2O Oo = 16/2(H) * 11.2/16 = 11.2/2(H) 2 16 18 = 5.600(H) [S㎥/㎏]  O2  O2 Oo = - 22.4/32(O) = - 0.7(O) [S㎥/㎏] Ao = Oo / 0.21 [S㎥/㎏]

공 기 비 m = A / Ao = 공급 공기량 / 이론 공기량 = 공급 공기량 / (공급 공기량 - 과잉 공기량) 공 기 비 m = A / Ao = 공급 공기량 / 이론 공기량 = 공급 공기량 / (공급 공기량 - 과잉 공기량) = 21/79*(N2) / {(21/79*(N2)) – ((O2) – ½(CO))}   = 21 / {21 - (O2) } [완전연소 가정시] - 일반적으로 액체, 기체는 고체에 비하면 공기비 m치를 작게 취함. - 공기비는 실제 연소가 가능한 범위내에서 작게 할수록 연소온도가 높아져 이론연소온도에 가까워짐. 연소효율이나 연소속도를 중요시하는 경우는 m치를 비교적 크게 하지만, 열효율의 향상과 조연량 저감을 위하여는 m치를 작게 함. - 기체연료 (1.1~1.2), 중유 (1.15~1.35), 폐유/액 (1.4~2.5) - 슬러지 (1.2~2.0), 일반쓰레기류 (2.0~2.5)

연 소 배 가 스 량 연 소 습 배 가 스 량 Gw 건 조 Gd 성 분 발 생 원 연 소 배 가 스 생 성 량 연 소 배 가 스 량 연 소 습 배 가 스 량 Gw 건 조 Gd 성 분 발 생 원 연   소     배   가   스     생   성   량 부  피  [S㎥/㎏-연료] 중  량  [㎏/㎏-연료] CO2 탄소연소 22.4/12 (C) = 1.867 (C) 44/12 (C) = 3.67 (C) SO2 황 연 소 22.4/32 (S) = 0.7 (S) 64/32 (S) = 2.0 (S) O2 과잉공기 0.21 (m-1) Ao 0.23 (m-1) Ao N2 연료성분 22.4/28 (N) = 0.8 (N) 28/28 (N) = 1.0 (N) 연소공기 0.79 Ao 0.77 Ao 0.79 (m-1) Ao 0.77 (m-1) Ao 합    계 0.8 (N) + 0.79 m Ao (N) + 0.77 m Ao H2O 유효수소 11.2 {(H) - (O)/8} 9 {(H) - (O)/8} 수 증 기 Wg 결 합 수 11.2 (O)/8 = 1.4 (O) 9 (O)/8 = 9/8 (O) 부착수분 22.4/18 (W) = 1.244 (W) (W) 합 계 11.2 (H) + 1.244 (W) 9 (H) + (W)

연소한계의 추정 1. G.W.Jones의 연소한계 추정 Jones 는 많은 탄화수소 증기의 LFL과 UFL은 연료의 양론농도(Cst)의 함수임을 발견함 LFL = 0.55 Cst UFL = 3.50 Cst 대부분의 유기물에 대한 양론농도는 일반적인 연소반응을 이용하여 결정함 CnHxOy + zO2 → nCO2 + x/2H2O z=n+x/4 – y/2 여기서 z는 (O2몰수/연료몰수)의 단위 Z의 함수로써 Cst를 정정하기 위하여는 부가적인 양론계수와 단위 변환이 요구됨.

연소한계의 추정

연소한계의 추정 ◎ 예제 Jones의 법칙을 이용하여 Hexane에 대한 LFL과 UFL을 추산하고 계산으로 결정된 값과 실험에 의하여 결정된 Data 값 상호간에 어떤 차이가 있는지 비교해 봅시다.

연소한계의 추정 ※ 양론식은 C6H14 + zO2 → nCO2 + x/2H2O z, n, y는 계산하면 각각 n=6, x=14, y=0 이므로 이를 각각 대입하면 LFL = 0.55(100)/[4.76(6)+1.19(14)+1] LFL = 1.19 volume % versus 1.1 volume % actual UFL = 3.5(100)/[4.76(6)+1.19(14)+1] UFL = 1.19 volume % versus 1.1 volume % actual

2. Le Chatelier의 혼합물에 대한 연소한계 추정 연소한계의 추정 2. Le Chatelier의 혼합물에 대한 연소한계 추정 여기서, LFLi는 연료와 공기의 혼합기 중 부피 %로 표시된 성분 i의 연소하한계 yi는 가연성 물질을 기준으로 성분 i의 몰분율 n은 가연성 물질종의 수

연소한계의 추정 이와 비슷한 방법으로 하여, 여기서, UFLi는 연료와 공기의 혼합기 중 부피 %로 표시된 성분 i의 연소상한값

연소한계의 추정 ◎ 예제 부피로 0.8% 헥산, 2.0% 메탄과 0.5% 에틸렌으로 구성된 혼합가스의 LFL과 UFL을 계산하시오.

연소한계의 추정 ◎ 풀이 연료만을 기준으로 한 몰분율은 다음과 같이 계산된다. LFL과 UFL데이터는 아래 Table 참조. 부피(%) 연소기준 mol 분율 LFL(vol.%) UFL(vol.%) Hexane Methane Ethylene Total combustibles Air 0.8 2.0 0.5 3.3 96.7 0.24 0.61 0.15 1.1 5.0 2.7 7.5 15 36.0

연소한계의 추정 ◎ 풀이

◎ 최소산소요구량 (MOC : Minimum Oxygen Concentration) MOC=산소몰수 X 연소하한계 ◎ 예제 C3H8, C4H10의 MOC를 계산하시오.

폭연과 폭굉 (Deflagration & Detonation) 반응가스 화염전파방향 미반응가스 반응지역 ○ 에너지방출 ○ mol 수변화 <파이프를 통하여 전파되는 반응과 압력면>

폭연과 폭굉 (Deflagration & Detonation) ○ 폭연 : 폭발충격파가 미반응 매질속에서 음속 이하의 속도 로 이동하는 폭발 ○ 폭굉 : 폭발충격파가 미반응 매질속에서 음속보타 큰 속도 *폭발압력 Pdet>Pdef (약 100~1000배 크다)

자석교반기(Magnetic Stirrer) 폭연지수 Kg 및 Kst 증기폭발시험장치로부터 증기를 폭발시켰을 때 발생되는 순간압력 상승속도를 Kg라 함. <증기폭발시험장치> 자석교반기(Magnetic Stirrer) PI TI 바(bar) 기체다기관(Gas Manifold) 점화기 시료

<폭발시험장치로부터 얻은 시간 대 압력데이터> 폭연지수 Kg 및 Kst 10 8 6 4 2 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 dp/dt=40bar/s Pmax 시간(milliseconds X 100) 압력(bar-abs) <폭발시험장치로부터 얻은 시간 대 압력데이터>

<분진폭발 데이터 획득을 위한 측정장치> 폭연지수 Kg 및 Kst 분진폭발실험장치로부터 분진이 폭발할 때 발생되는 순간 압력상승속도를 Kst라 함. 입출력장비 PT 접지 컴퓨터 점화기 진공 분배링 분진사료 공기 <분진폭발 데이터 획득을 위한 측정장치>

폭연지수 Kg 및 Kst 여기서 Kg와 Kst를 각각 가스와 분진에 대한 폭연지수라 함.

폭연지수 Kg 및 Kst <일부 가스의 평균 Kg값> 가스 Kg(bar m/s) 메탄 프로판 수소 55 75 550 주 : 이 측정값은 대기중 10J의 발화원으로 측정한 것임

폭연지수 Kg 및 Kst <일부 분진의 평균 Kst값> 분진 Pmax(bar) Kst(bar m/s) PVC 분유 폴리에틸렌 설탕 레진분진 갈탄 목진 셀룰로오즈 안료 알루미늄 6.7~8.5 8.1~9.7 7.4~8.8 8.2~9.4 7.8~8.9 8.1~10.0 7.7~10.5 8.0~9.8 6.5~10.7 5.4~12.9 27~98 58~130 54~131 59~165 108~174 93~176 83~211 56~229 28~344 16~750

폭연지수 Kg 및 Kst <분진St등급> 폭연지수 Kst 등급 1~200 200~300 >300 St-0 1~200 200~300 >300 St-0 St-1 St-2 St-3 빌딩이나 용기와 같은 밀폐된 공간에서 폭발이 일어날 때 아래와 같이 그 결과의 영향을 평가하는데 사용된다 .

최소 발화 에너지 MJ Cal(10-6) 수 소 0.017 4.06 아세틸렌 에 틸 렌 0.07 1.67 프 로 판 0.027 수 소 0.017 4.06 아세틸렌 에 틸 렌 0.07 1.67 프 로 판 0.027 6.45 톨 루 엔 25.0 6.00

가연물질의 인화점,발화점,연소한계 물질명 화학식 실온에서의 상태 인화점 (o℃) 발화점 (0℃) 연소한계(Vol.%) 비중 (물=1) 증기밀도 (공기=1) 상한 하한 아세틸렌 HC=CH 기체 - 305 2.5 100 0.6 0.9 아세톤 CH3COCH3 액체 -20 465 2.1 13 0.8 2.0 에타놀 C2H5OH 363 3.3 19 1.6 가솔린 C5H12~C9H2 -43 257.2 1.4 7.6 3~4 초산 CH3COOH 39 46.3 4.0 19.0 1.0 JP4 (제트연료) -23.3 ~-1.1 240 1.3 8.0 수소 H2 500 75 1 등유 40~70 210 0.7 5 <1 4.5

가연물질의 인화점,발화점,연소한계 물질명 화학식 실온에서의 상태 인화점 (o℃) 발화점 (0℃) 연소한계(Vol.%) 비중 (물=1) 증기밀도 (공기=1) 상한 하한 프로로벤제 C6H5CI 액체 29 593 1.3 9.6 1.1 3.9 메틸에틸케톤 C2H5COCH3 -9 405 1.4 11.4 0.8 2.5 피리딘 CH<(CHCH)2>N 20 482 1.8 12.4 1.0 2.7 프로판 C3H3 기체 - 450 2.1 9.5 1.6 이황화탄소 CS2 <-30 90 50 2.6 나프탈렌 C10H8 고체 79 526 0.9 5.9 4.4 메탄 CH4 537 5.0 15.0 0.4 0.6 에탄 C2H6 472 3.0 12.5 0.5

CO2 연소 가스 (Fire Gas) CO 화 염 ( Flame ) H2S 열 ( Heat ) NH3 연 기 ( Smoke ) 연소 생성물 연소 가스 (Fire Gas) 화 염 ( Flame ) 열 ( Heat ) 연 기 ( Smoke ) CO2 CO H2S NH3 HCN NO,NO2 HCl COCl2