연소공학 - 공기비(m)

1. 공기비의 특징

(1) 공기비(m)가 클 경우 발생하는 현상

 - 연소실 내 연소온도의 감소 (연소실의 냉각효과를 일으킴)

 

 - 희석효과가 높아져 연소 생성물의 농도 감소

 

 - 에너지 손실이 증가하며 배기가스에 의한 열손실 증대

 

 - SO2, NO2의 함량의 증가로 인한 부식 가속화

 

 - CH4, CO, C 물질의 농도 감소

 

 

(2) 공기비(m)가 작을 경우 발생하는 현상

 - 연소가스 중 CO와 CH의 농도 증가

 

 - 매연이나 검댕의 발생량 증가

 

 - 폭발 위험

 

 - 연소효율의 증가

 

 

 

 

2. 공기비(m) 구하는 공식

(1) 오르쟛트 분석법에 의한 배출가스 분석식

(CO2%, O2%, CO%가 주어질 때)

 

오르쟛트 분석법에 의한 배출가스 분석식

위 식은 공기비를 구할 때 가장 많이 사용하는 식이다. 확실히 암기하고 가는 것이 좋다.

 

ex) 석탄 사용 가열로의 배기가스를 분석한 결과 CO2 : 15%, O2 : 5%, N2 : 80%였다. 이 때 공기비는 얼마인가? (단, 연료 중 질소는 무시한다.)

풀이

 

 

 

위 문제에서는 질소의 함량을 주었으므로 공식을 바로 이용하면 된다. 만약 질소의 함량이 없다면 CO2와 O2, CO를 이용하여 N2를 구한 후 공식을 사용해야 한다. 

 

공기비(m) = N2(%) / (N2(%) - 3.76 * (O2(%) -0.5 * CO(%)))

              = 80 / ( 80-3.76 * 5)

              = 1.31

 

 

 

 

 

(2) O2%만 존재시 공기비(m) 구하는 공식

 

O2%만 존재시 공기비(m) 구하는 공식

 

 

ex) 배기가스중에 일산화탄소가 전혀 없는 완전연소가 일어나고, 이 때 공기비가 2.0 이라면 배기가스 중의 산소량(O2)은 몇 % 인가?

 

 

풀이

 

문제에서 일산화탄소가 없다고 나와있으므로 산소만 존재할 때 공기비를 구하는 공식을 사용한다. 

 

공기비(m) = 21/(21 - O2%)

2 = 21/(21 - x)

 

따라서 

산소량(x) = 10.5%

 

 

 

 

 

(3) 과잉공기율을 이용한 공기비 구하기

 

 

 

ex) 과잉공기량이 20% 라고 한다면 100% + 20% =120% 가 된다.

따라서 공기비는 1.2 이다.

 

 

 

 

 

(4) 실제공기량과 이론공기량이 존재할 때

 

 

 

 

 

(5) CO2max(%) 와 CO2(%)가 존재할 때

 

 

 

 

 

 

 

3. 최대 탄산가스량 (CO2max)

 - 과잉공기를 사용하지 않고 가연물을 산화시켰을 때 발생되는 건조가스량을 기준으로 한 CO2의 부피 백분율이다.

 

 - CO2max를 산출하는 방법으로는 연료의 원소조성을 이용하는 방법과 배기가스의 조성을 이용하는 방법이 있다.

 

 - CO2max는 연료의 조성에 따라 정해지며, 연료에 따라 서로 다른 값을 갖는다.

 

 - 공기비를 이용하는 경우 과잉공기비에 배기가스중의 CO2 농도를 곱해서 얻는다

( CO2max(%) = 공기비(m) * CO2(%) )

 

 

 

 

4. 최대 탄산가스량(CO2max) 계산식

(1) CO2max(%) = ( 1.867C/God ) * 100%

 

 

 

ex) C 87%, H 10%, S 3%인 중유의 이론적인 (CO2)max 값은?

 

 

풀이

 

C와 H, S의 함량이 주어졌기 때문에 이론공기량(Ao) 값을 구한 후 이론건연소가스량(God) 값을 구한 뒤 위의 공식을 사용하여 문제를 푼다.

 

① 이론공기량(Ao)

 = 8.89C + 26.67(H - O/8) + 3.33S [Sm3/kg]

 = 8.89 * 0.087 +26.67 * 0.10 + 3.33 * 0.03

 = 10.5012 [Sm3/kg]

 

② 이론건연소가스량(God)

 = Ao -5.6H +0.7O +0.8N [Sm3/kg]

 = 10.5012 - 5.6 * 0.1

 = 9.9412 [Sm3/kg]

 

③ CO2 max%

 = (1.867*C/God) * 100

 = (1.867 * 0.87/ 9.9412) * 100

 = 16.34%

 

 

(2) CO2max(%) = 21*(CO2% + CO%)/(21 - O2% + 0.395*CO%)

 

 

ex)연소가스 분석결과가 CO2max = 20%, CO2 = 15%, CO = 5%일 때 연소가스 중의 O2는 몇 % 인가?

 

 

풀이

 

CO2max를 구하는 공식 중에서 CO2max와 CO2, CO를 사용하는 공식을 사용해서 풀면 된다.

 

CO2max = 21*(CO2 + CO)%/(21-O2% + 0.395CO%)

따라서

20% = 21 * (15 + 5)%/(21 - O2 +0.395*5%)

 

∴ O2 = 1.98%

 

 

 

(3) CO2max(%) = (21*CO2%)/(21-O2%)

 

 

 

ex) 연소가스 분석결과 CO2 30%, O2 7% 일 때 CO2max는 얼마인가? (단, 완전연소 기준)

 

 

풀이

 

CO2max를 구하는 공식에서 CO2와 O2만을 이용해서 풀 수 있는 공식을 사용하면 된다. 

 

CO2max

 = (21 * CO2%)/(21 - O2%)      

 = (21 * 30%)/(21 - 7%

 = 45%