공기량, 공연비, 연소효율, 폭발효율, 폭발지수

1) 공기량

 가) 공기량이란?

   이론공기량이란 연료의 완전연소에 필요한 최소공기량이다. 그러나 연료의 완전연소는 이론공기량으로는 불가능하기 때문에 과잉의 추가 공기를 공급하여야한다. 그래서 실제공기량 = 이론공기량 + 과잉공기량 이다.

 

 나) 공기비( m)

   공기비 또는 과잉공기계수라고 하는 것은 실제공기량(A)가 이론공기량(a)에 어느정도에 해당하는지 나타낸다.

     m = A / a

         = A / (A-A')           (A' = 과잉공기량)

* 실제공기량 = N2 / 0.79 

* 과잉공기량 = O2 / 0.21

 

   연료의 종류별로 공기비가 다른데, 연료와 산소의 접촉면적에 따라서 기체 < 액체 < 고체 순이다.

    (1) 기체연료 : m = 1.1~1.3

    (2) 액체연료 : m = 1.2~1.4

    (3) 고체연료 : m = 1.4~2.0

 

    공기비는 큰 경우와 작은경우 모두 문제가 수반될 수 있어 적정 수준을 유지하는 것이 필요하다.

    (1) 공기비가 큰 경우

      (가) 연소실의 연소온도가 낮아짐

      (나) 배기가스에 의한 열손실이 증가함 ( 통풍력이 증가하기 때문 )

      (다) 연소가스의 SOx, NOx 농도가 증가하여 설비의 고온부식과 대기오염 발생 가능

 

   (2) 공기비가 작은 경우

     (가) 연료의 불완전 연소가 발생함

     (나) 미연소에 의한 열손실 증가함

     (다) 미연소가스에 의한 가스폭발의 위험성 증가

 

덧) 최고이산화탄소농도란, 연료를 이론공기량으로 완전연소 시켰을 때, 이론건연소가스 중의 이산화탄소 농도는 최대가 됨. 즉, CO2max(%) = m(공기비) * CO2(%)

 

2) 공연비

 공연비(A/F, Air Fuel Ratio)는 연료의 연소에 필요한 공기의 비를 나타낸다. 따라서, 이론공연비는 연료의 완전연소에 필요한 공연비를 말한다.

공연비 (A/F) = 공기량 / 연료량 (kg, m3)

 

3) 연소효율 

 연소효율이란 연료의 저위발열량에 대하여 실제 발생한 열량의 비를 나타낸다.

 연료의 종류, 연소기의 종류에 따라 다르지만 일반적으로 60~95%의 연소효율을 가진다.

 

연소효율(%) = 실제 발생한 열량 / 연료의 저위발열량 * 100

 

4) 폭발효율

 폭발효율이란 가연물의 이론폭발에너지에 대한 실제폭발에너지의 비를 나타낸다

 

폭발효율(%) = 실제 폭발에너지 / 이론폭발에너지 * 100

 

**이후에 따로 설명하겠지만 폭발효율로 보는 UVCE, BLEVE의 차이는 다음과 같다.

 (가) UVCE의 피해영향은 대부분 폭발압이다

 (나) BLEVE는 UVCE보다 폭발압이 크지만 복사열에 대한 피해가 더욱 크다

 (다) UVCE의 폭발효율은 약 1~10% 수준이고, BLEVE의 폭발효율은 약 25~50% 수준이다.

 (라) UVCE는 연소에너지의 약 20% 수준이 폭풍파로 전환하여 BLEVE보다 폭발효율이 낮다.

 

5) 폭발지수

 폭발지수(Explosion Index)는 위험정도를 정량적으로 나타낸 것으로 단위공정 위험인자(F3)와 물질계수 (MF)의 곱으로 정의한다.

* 폭발지수(EI) = 단위공정위험인자(F3) * 물질계수(MF)

  이때, F3 = 일반공정위험인자(F1) * 특수공정위험인자(F2)

 

폭발지수의 구성인자

 (가) 일반공정위험인자(F1) = 발열반응, 밀폐공정, 실내공정, 물질의 취급/수송, 통로 등..

 (나) 특수공정위험인자(F2) = 독성물질, 공기유입, 폭발범위 내 운전, 분진폭발, 저온부식, 화염가열기 사용, 회전설비 등

 (다) 물질계수(MF) = 물질계수는 물질의 고유한 특성을 수치로 나타낸 값. 물질계수가 클수록 인화성과 폭발성이 높음.