연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.2(연소의 특성)

연소의 개념과 원리

연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.1(연소의 3요소)

 

연소의 개념 중 특성에 대해 알아보면 다음과 같다.

 

첫 번째, 발열반응

일반적으로 가연물은 연소반응이 일어날 정도의 에너지 상태가 되어야 한다. 이 에너지 상태를 활성화 에너지(Potential Energy)라고 하며, 가연물은 활성화 에너지를 받아 활성 상태가 된 후, 점화원에 의해 연소하며 산화반응을 거쳐 에너지를 외부에 방출한다. 이러한 반응을 연소의 발열반응(Exothermic Reaction)이라고 한다.

 

Fig.1 활성화 에너지로 인해 활성상태가 되어 산화반응이 진행된다.

 

이때 방출된 에너지는 다시 주위의 가연물을 활성화시키게 되고, 남은 양의 에너지는 반응열로 축적 및 발산되며 연소가 지속된다. 이때의 반응속도는 아레니우스의 화학반응속도론에 의해 온도는 가속적으로 상승하게 된다.

 

Fig.2 아레니우스 식

V : 반응 속도, T : 반응 온도, C : 빈도 계수, R : 기체 상수, E : 활성화 에너지

 

분자가 출동하는 횟수가 많고, 활성화에너지가 낮고, 반응 온도가 높을수록 반응속도가 빨라진다는 것을 나타내고 있다. 일반적으로 온도가 10℃ 상승하면, 반응속도는 2~3배 빨라지는 것으로 알려져 있다.

 

두 번째, 연소 속도

연소는 연료의 산화 발열반응으로써 고체 가연물과 공기와의 접촉으로 인한 산화 또는 가스연료와 공기와의 접촉으로 인한 혼합 산화가 고온의 분위기에서 이루어지는 현상이다. 연소의 과정과 연소 속도의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 가연성의 고체 및 가스에 접촉하여 공기가 공급된 후 점화원에 의해 연소가 시작되면 연소 생성물 중 불연성 물질인 이산화탄소, 수분, 질소 등의 농도가 높아지게 된다. 이렇게 발생된 생성물들은 산소가 연료에 접촉하는 것을 방해하고, 이로 인해 연소 속도는 저하된다. 그러므로 연소 속도는 다음과 같은 상황의 변수가 중요하다.

공급되는 산소가 연소 후 생성 가스와 교체되어 연료와 접촉하는 속도

가연물이 산화반응을 일으키는 속도

즉, 연소 속도는 위의 두 가지 인자 중에 어느 쪽이 반응속도가 빠른가에 의해 정해진다. 일반적으로 산소가 연료와 접촉하는 속도를 연소 속도로 결정하는 경우가 많다.

 

세 번째, 연소를 위한 공기량

실제 공기량 : 연료를 실제로 완전히 연소하려면 이론 공기량보다 많은 공기가 필요하며, 이때의 공기량을 말한다.

이론 공기량 : 이론 산소량을 함유시키는 공기량을 말한다.

이론 산소량 : 연료를 완전연소시키는데 필요한 최소의 산소량을 말한다.

과잉 공기량 : 이론 공기량보다 과잉으로 공급한 공기량을 말하며,

[과잉 공기량 = 실제 공기량 – 이론 공기량]으로 이해하면 된다.

 

Fig.3 공기비

 

공기비 : 실제 공기량과 이론 공기량과의 비를 말한다. 위의 식에서 m은 공기비를 뜻한다.

일반적인 연료의 비는 다음과 같으며, 다음과 같은 연료비에서 가장 효율적인 연소가 진행된다고 본다.

 

Fig4. 각 연료별 공기의 비