Ⅰ. 연료의 개요
보일러용 연료에는 일반적으로 발열량이 크며 공급이 용이하고 저장, 운반, 취급 등이 편리하고 특히 가격이 저렴해야 한다. 사용되는 연료에는 고체, 액체, 기체연료 등으로 대부분은 액체나 기체가 주종을 이루고 있다.
→ 연료 : 공기 중의 산소와 반응하여 연소시켜 발생된 연소열을 경제적으로 이용할 수 있는 물질을 총칭한다.
1. 연료의 구비조건
① 공기 중에서 쉽게 연소할 것
② 단위 중량당 발열량이 클 것
③ 저장이나 운반, 취급이 용이할 것
④ 연소시 유독성이 적고 매연 발생이 적을 것
⑤ 연소시 회분 등 배출물이 적을 것
※ 탄화도가 큰 경우
㉠ 고정 탄소량은 증가
㉡ 수분 및 휘발분 감소
㉢ 연소속도는 완만하고 착화온도는 상승
㉣ 연료비(고정탄소/휘발분) 증가
2. 연료의 조성
① 주성분 : 탄소, 수소, 산소 (C, H, O)
② 가연성 성분 : 탄소, 수소, 유황 (C, H, S)
③ 불순물 : 질소(N), 수분(W), 회분(A)
3. 연료 사용원칙
① 완전 연소시킬 것
② 발생열을 최대한 이용할 것
③ 열손실을 최소화할 것
④ 잔열, 여열은 최대한 이용할 것
※ 연료비가 증가하면
㉠ 연소시 회분 등 배출물이 적을 것
㉡ 매연발생 및 연소속도 감소
㉢ 발열량 증가 및 자연발화 방지
㉣ 단염(斷炎)이 발생
Ⅱ. 액체연료 (Liquid Fuel)
액체연료의 주종은 석유류이며 액체연료는 상온에서 액상인 원유를 휘발유, 경유, 등유, 중유 등으로 분류한다.
1. 액체연료의 종류
① 석유계 : 원유, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 나프타 등
② 석탄계 : 타르, 클레오소트유, 피치, 톨루엔, 벤졸 등
2. 연소형태
① 증발연소 : 증발하기 쉬운 액체 연료, 즉 알콜, 가솔린, 등유에 점화하면 화염을 내면서 연소한다.. 또한 연료가 그 표면에 증발하면서 연소하므로 증발연소라 한다.
② 분해연소 : 석탄, 목재, 중유 등과 같이 연소초기에 화염을 내면서 연소하는 것을 분해연소라 한다(연소 초기 매연발생이 쉽다).
3. 액체연료의 특징
(1) 장점
① 품질이 균일하여 발열량이 높다.
② 연소효율 및 열효율이 좋다.
③ 회분이 적고 연소조절이 쉽다.
④ 배관수송이 쉽다.
⑤ 운반 및 저장, 취급이 용이하다.
(2) 단점
① 인화, 역화의 위험이 있다.
② 연소온도가 높아 국부과열 위험성이 있다.
③ 버너에 따라 소음이 발생한다.
(3) 무화(霧化)의 목적
① 단위 중량당 표면적을 크게 하기 위하여
② 공기와의 혼합을 고르게 하기 위하여
③ 연소율을 크게 증가시킨다.
(4) 액체연료의 무화방식
① 유압무화식 : 연료를 가압노즐로 고압 분출시키는 무화 형태
② 이류체 무화식 : 증기 또는 공기 등의 무화매체를 이용하는 형태
③ 회전체 무화식 : 고속 회전하는 분무컵에 의해 연료를 공급하여 원심력을 주어서 무화시키는 것으로 가압 공기를 함께 쓰는 무화 형태
④ 충동 무화식 : 고온의 금속판에 연료를 고속으로 충돌시켜 무화시키는 형태
⑤ 진동 무화식 : 초음파에 의하여 연료에 진동을 주어서 무화시키는 형태
⑥ 정전기 무화식 : 연료에 고압의 정전기를 발생시켜 무화시키는 형태
4. 원유 (Crude Oil)
천연적으로 얻어지는 불투명한 탄화수소의 혼합물로서 지하에서 생성된다.
(1) 경유 (Light Oil)
① 인화점이 낮고 화재위험이 많다.
② 중유보다 많은 공기량이 필요하다.
③ 카본부식이 쉽다.
④ 인화점 (불꽃 등에 의한 발화) : 50~70℃
⑤ 끓는점 : 250~350℃
⑥ 착화점 (자연 발화) : 300~350℃
⑦ 발열량 : 11,000㎉/㎏
⑧ 사용용도 : 고속디젤엔진, 중유배합용, 분해가솔린, 가정용, 요로
(2) 중유 (Heavy Oil)
㉮ 특징
① 갈색 혹은 흑갈색이다.
② 인화점 : 60~150℃
③ 끓는점 : 300~350℃
④ 착화점 : 530~580℃
⑤ 중유의 성상 (중유의 예열온도 : 인화온도 - 5℃)
㉯ 비중
① 비중이 크면 화염의 휘도가 크다.
② 비중이 크면 점도가 증가한다.
※ 비중 측정법
① 인화점이 높으면(140℃ 이상) 점화가 곤란하다.
② 인화점이 낮으면 역화의 위험이 크다.
※ 점도 : 중유의 가장 낮은 성질로 끈적끈적한 정도를 말하며 낮을수록 무화가 양호하다.
㉱ 비열
중유의 평균비열은 0.45㎉/㎏·℃ 이며, 유동점은 일정조건하에서 냉각했을 경우 유동할 수 있는 최저온도를 말한다.
유동점 = 응고점 + 2.5℃
㉲ 점도에 의한 특징
① A중유의 특징
㉠ 연소시 예열이 필요없다.
㉡ 비중이 적은 편이다(0.85~0.95)
㉢ 인화점이 60~150℃이다.
㉣ 발열량[H(h)]이 11,000㎉/㎏ 정도
㉤ 사용처는 소형 디젤기관이다.
㉥ 착화점이 254~405℃이다.
② B중유의 특징
㉠ 연소시 예열이 필요하다.
㉡ 발열량[H(h)]이 10,500㎉/㎏ 정도
③ C중유의 특징 (보일러유)
㉠ 발열량[H(h)]이 10,000㎉/㎏ 정도
㉡ 인화점이 70~150℃이다.
㉢ 비중이 0.95~0.99이다.
㉣ 발화점이 380℃이다.
탄소가 적을수록(탄화수소비가 낮을수록) 연소가 잘된다(연소효율이 높아지면 발열량을 크게 할 수 있다)
① 중유 > 경유 > 등유 > 가솔린
② 고체연료 > 액체연료 > 기체연료
㉳ 중유의 첨가제
내연기관의 노킹방지 및 부식, 녹, 카본 등의 생성을 방지하며 또한 분무성을 양호하게 하여 매연을 방지한다.
① 연소촉진제 : 기름의 분무(무화)를 양호하게 한다.
② 안정제 : 슬러지 생성방지제
③ 회분개질제 : 회분의 융점을 높여 고온부식을 억제
④ 탈수제 : 연료속 수분 제거
⑤ 유동점 강하제 : 중유의 유동점을 낮추어 송유를 양호하게 한다.
※ 수분, 불순물 방지 대책
㉠ 여과기 청소
㉡ 유수분리기 설치
㉢ 드레인 배출 밸브 설치
Ⅲ. 기체연료 (Gas Fuel)
천연으로 생기는 것은 천연가스뿐이고 그 외는 각종 고체 또는 액체의 에너지 원료를 사용하여 제조하는 것과 화학공업이나 석유공업의 부산물로서 생산되는 것이다. 최근 기술진보는 원하는 조성의 폭 넓은 종류의 가스를 제조할 수 있게 하였고, 주성분이 CH₄(메탄)이다.
→ 연소의 형태 : 확산연소, 예혼합연소
1. 기체연료 종류
① 석유계 : 천연가스, 액화천연가스, 오일가스
② 석탄계 : 탄전가스, 석탄가스, 발생로가스, 고로가스, 수성가스, 증열수성가스
2. 기체연료 특징
(1) 장점
① 연소효율이 높고 약간의 과잉공기로 완전연소가 가능하다.
② 고온을 얻을 수 있다.
③ 연소조절 및 점화나 소화가 용이하다.
④ 연소조절이 용이하여 자동조절, 집중가열, 균일가열이 가능하다.
⑤ 회분이나 매연발생이 없어서 연소 후 청결하다.
(2) 단점
① 저장이나 취급이 불편하다.
② 시설비가 많이 들며 다른 연료보다 고가이다.
③ 누출이나 폭발위험이 크다.
3. 기체연료 성분
① 가연성 : 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈) ), 일산화탄소(CO), 수소(H₂) 등
② 불연성 : 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂)
4. 기체연료 (석유계 기체연료)
(1) 천연가스 (Natural Gas)
천연으로 발생하는 가스 가운데 탄화수소를 주성분으로 하는 가연성의 것을 말하며 종류로는 유전가스, 수용성가스 등이다.
(2) 액화천연가스 (Liquefied Natural Gas)
천연으로 생기는 천연가스를 -161.5℃로 액화하여 액체로 만든 가스이며 냉각시 제진, 탈황, 탈탄산, 탈수 등을 거쳐 불순물을 제거하여 매우 청결하고 공해를 발생시키지 않아 청정연료라 한다.
㉮ 장점
① 저장 및 수송이 편리하다.
② 발열량이 높다.
③ 유황분이 도시가스의 1/10 정도이다.
④ 유독성이 적다.
⑤ 밀도가 공기보다 낮아 누설시 대기 중으로 확산되어 폭발의 위험이 적다.
⑥ 완전 연소시 연소속도가 완만하여 안전하다.
㉯ 단점
① 기화잠열이 커서 사용 중 동상을 입을 우려가 있다.
② 연소범위가 좁아서 특별한 연소기구가 필요하다.
㉰ 특징
① 비중 : 0.55
② 기화잠열 : 90 ㎉/㎏
③ 임계온도 : -80℃
④ 저장온도 : -162℃
⑤ 주성분 : CH₄, C₂H₆ (3) 액화석유가스 (LPG : Liquefied Petroleum Gas)
㉮ 조성
㉯ 물리적인 성질과 성상
① 비중 : 1.5~2.0 (도시가스의 3배)
② 가스의 기화잠열 : 90~100 ㎉/㎏
③ 착화온도 : 440~480℃
④ 폭발범위 : 2.1~9.5%
⑤ 이론공기량 : 가스량의 25~30배가 필요하다.
⑥ 연소속도 : 석탄가스의 1/2 정도라서 매우 느리다.
⑦ 소화제 : 탄산가스, 드라이케미칼(분말소화기) 등을 사용한다.
㉰ 액화석유가스 저장
① 가압식 저장 : 가스를 상온에서 가압액화하여 저장하며 저장용기는 가동식 봄베, 고압탱크이다.
② 저온식 저장 : 가스를 저온으로 액화하여 저장하는 방식으로 지하저장, 지상저장이 있으며 저장용기는 일반용기, 대형용기, 횡형탱크, 구형탱크가 있다.
㉱ 액화석유가스 저장시 취급상 주의사항
① 용기의 전락이나 충격을 피한다.
② 직사광선을 피하고 용기의 온도가 40℃ 이상 되지 않게 한다.
③ 찬 곳에 저장하고 공기가 잘 통하게 한다.
④ 주위 2m 이내에는 인화성 및 발화성 물질을 두지 않도록 한다.
⑤ LPG는 유지 등을 잘 용해하기 때문에 이음부의 패킹 등에서 가스누설에 주의한다.
⑥ 밸브의 여닫음은 서서히 한다.
(4) 석탄가스 : 석탄을 1000℃ 정도로 건류시 얻는 가스
① 발열량(5,670 ㎉/N㎥)이 높다.
② 수소 및 메탄가스를 다량 함유한다.
③ 연소성이 우수하다.
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