연소공학 - 열적 NOx 저감법, 평균가스온도 계산식, 폭발범위

1. 열적 NOx 의 생성억제 방안

(1) 희박 예혼합 연소를 함으로써 최고 화염온도를 1800K 이하로 억제한다.

 

(2) 화염형상의 변경 : 화염을 분할하거나 막상에 엷게 뻗쳐서 열손실을 증가시킨다.

 

(3) 완만혼합 : 연료와 공기의 혼합을 완만히 하여 연소를 길게함으로써 화염온도 상승을 억제한다.

 

(4) 수증기분무 : 화로내에 물이나 수증기를 분무하여 산소와 수소를 분해시키면 흡열반응을 일으키는 동시에 둥근 화염을 형성시켜 NOx 발생을 방지한다.

 

(5) 저온도 연소 : 주입하는 공기의 예열온도를 조절하여 질소산화물 발생을 줄인다.

 

(6) 2단 연소법 : 1차적으로 이론공기량의 95% 정도를 버너에 공급하고, 나머지 공기는 버너의 상부에 공급함으로써 두 연소단계 사이에서 열의 일부가 제거되어 최고온도가 낮게 되는 과정을 발생한다.

 

(7) 배기가스 재순환

- 팬을 써서 굴뚝가스를 로의 상부에 피드백시켜 최고화염온도와 산소농도를 억제함

- 불꽃의 최고온도가 낮아져 질소산화물의 생성량이 줄어듬

 

 

 

cf. 연소시 발생되는 NOx의 생성기전에 따른 분류

1. Thermal NOx : 고온에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성되는 NOx

 

2. Fuel NOx : 연소 시 연료중의 질소 성분에 의해 생성되는 NOx

 

3. Prompt NOx : 화염에서 일어나는 전기적인 이온교환에 의해 생성되는 NOx

(CH4 + N2 -> HCN + N)

 

 

 

 

 

 

2. 평균가스온도 계산식

 

평균가스온도 계산식

 

 

ex) 굴뚝입구의 온도가 245℃이고 출구의 온도가 160℃ 일 때 굴뚝 내 평균가스온도는?

 

풀이

 

평균가스온도(tm)을 구하는 공식을 사용하면 된다. 

 

평균가스온도(tm) = (t1 - t2) / ln(t1/t2)

                       = (245 - 160) / ln(245/160)

                       = 199.49℃

 

 

 

 

 

 

 

3. 폭발범위

1) 르샤틀리에의 법칙

① 정의

 : 평형상태에 있는 물질계의 온도, 압력을 변화시키면 그 변화를 감소시키는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형에 도달한다. 열역학적 평형이동에 관한 원리이다.

 

② 르샤틀리에의 공식

 

 르샤틀리에의 공식

 

 

ex) 조성이 메탄 50%, 에탄 30%. 프로판 20%인 혼합가스의 폭발범위를 계산하시오.

(단, 메탄 폭발범위: 5 ~ 15%. 에탄 폭발범위 : 3~12.5%, 프로판 폭발범위 : 2.1 ~ 9.5%, 르샤틀리의 식 사용)

 

 

풀이

 

폭발범위를 나타내는 르샤틀리의 식을 적용하여 하한값과 상한값을 각각 구해 문제를 풀면 된다. 

 

우선 폭발 하한값을 구하면

 

(100/L) = (50%/5%) + (30%/3%) + (20%/2.1%)

L값을 정리하면

L = 3.39%

 

위와 동일하게 폭발 상한값을 구하면

L = 12.76% 값이 나온다.

 

따라서 혼합가스의 폭발범위는 3.39% ~ 12.76% 가 된다.

 

 

 

2) 가연성 가스의 폭발범위

 - 가스의 온도가 높아지면 폭발범위는 넓어진다.

 

 - 가스압이 높아지면 하한값은 변화하지 않으나 상한값은 높아진다.

 

 - 폭발하한 농도가 낮을수록 위험도가 증가하며 폭발상한과 폭발하한의 차이가 클수록 위험도가 커진다.

 

 

 

 

 

 

cf. 폭굉 유도거리가 짧아지는 조건

 1. 관속에 방해물이 있거나 관내경이 작을수록

 

 2. 점화원의 에너지가 강할수록

 

 3. 압력이 높을수록

 

 4. 정상의 연소속도가 큰 혼합가스일수록