연소 4요소 및 보일러 연소 공기 소요량 계산

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화석 연료를 사용하는 화력발전소는 연소 메커니즘을 이해하고 이를 기반으로 설계와 운용이 이뤄져야 해요. 이 글에서는 연소의 기본적인 4요소를 설명하고, 주어진 조건에서 연소에 필요한 이론 공기량과 실제 공기량을 계산해보겠습니다.

1. 문제 조건 정리

문제에서 주어진 조건은 다음과 같아요.

• 연료 소비량: 중유 70,000 kg/h
• 중유의 화학 성분 (중량비)
  • 탄소(C): 85%
  • 수소(H): 12%
  • 유황(S): 2%
• 원자량 / 분자량
  • 탄소(C): 12
  • 수소(H₂): 2 → 수소(H): 1
  • 유황(S): 32
• 공기 중 산소 농도: 21%
• 공기 과잉률 (Excess Air Ratio): 1.055
• 표준 상태에서의 기체 부피: 1 mol = 22.4 Nm³

2. 연소의 4요소

연소란 가연성 물질이 산소와 빠르게 반응하여 빛과 열을 내는 현상이에요. 완전 연소가 일어나기 위해선 다음 네 가지 조건이 갖춰져야 합니다.

1. 연료와 공기의 충분한 접촉
   • 공기가 가연물과 잘 섞이도록 해야 하며, 과잉공기는 최소화해야 합니다.
2. 휘발분의 완전 기화
   • 휘발성 물질이 먼저 기화되어야 효율적인 연소가 가능해요.
3. 충분한 체류 시간 확보
   • 연료가 연소실에서 충분히 머물 수 있어야 해요.
4. 높은 연소 온도 유지
   • 온도가 낮으면 반응이 불완전하게 일어나므로 고온 유지가 중요해요.

3. 연료 성분별 중량 계산

연료가 70,000 kg/h 주어졌을 때, 각 성분별 질량을 계산하면 다음과 같아요.

• $C = 70{,}000 \times 0.85 = 59{,}500\ \text{kg}$
• $H = 70{,}000 \times 0.12 = 8{,}400\ \text{kg}$
• $S = 70{,}000 \times 0.02 = 1{,}400\ \text{kg}$

4. 성분별 이론 산소 소요량 계산

(1) 탄소 $C + O_2 \rightarrow CO_2$

• $12\ \text{kg}$ 탄소당 산소 $22.4\ \text{Nm}^3$ 필요
• $\Rightarrow 59{,}500 \times \dfrac{22.4}{12} = 111{,}066.7\ \text{Nm}^3$

(2) 수소 $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

• $4\ \text{kg}$ 수소당 산소 $22.4\ \text{Nm}^3$ 필요
• $\Rightarrow 8{,}400 \times \dfrac{22.4}{4} = 47{,}040\ \text{Nm}^3$

(3) 유황 $S + O_2 \rightarrow SO_2$

• $32\ \text{kg}$ 유황당 산소 $22.4\ \text{Nm}^3$ 필요
• $\Rightarrow 1{,}400 \times \dfrac{22.4}{32} = 980\ \text{Nm}^3$

(4) 총 이론 산소량

• $111{,}066.7 + 47{,}040 + 980 = 159{,}086.7\ \text{Nm}^3$

5. 이론 공기량 계산

공기 중 산소는 21%이므로, 필요한 이론 공기량은 다음과 같아요.

• $\text{이론 공기량} = \dfrac{159{,}086.7}{0.21} \approx 757{,}555\ \text{Nm}^3$

6. 실제 공기량 계산

과잉 공기까지 고려한 실제 공기량은 과잉률 1.055를 곱해서 계산합니다.

• $\text{실제 공기량} = 757{,}555 \times 1.055 \approx 798{,}541\ \text{Nm}^3$

7. 결과 요약

이와 같이, 문제에서 주어진 중유의 성분과 연료 소비량을 바탕으로 연소에 필요한 공기량을 단계별로 계산할 수 있어요. 이해를 돕기 위해 각 단계의 단위와 식을 자세히 표현했으니, 공부하거나 설명할 때 참고하시기 좋을 거예요.

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