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연소이론 +3

연소이론

동력과 에너지2016. 6. 27. 16:36

 

소방원론-연소 이론 :: 소방 설비

[2] 연소 이론

2.1 연소란?

연소란 화학반응의 일종으로 가연물이 산소중에서 산화반응을 하여 열과 빛을 내는 현상을 말한다.

2.2 연소의 3요소

불은 연료(가연물), 열(점화원), 산소 등 3가지 조건이 모두 갖추어져야만 불이 발생할 수 있다. 따라서 이 3가지 조건 중 최소 1가지 이상을 제거하면 소화할 수 있다.

1) 연료: 가연물

2) 산소: 산화제, 공기, 바람, 조연물

3) 열(점화원) : 온도, 점화에너지

2.3 연소의 4요소(연소의 4면체적 요소)

불이 발생 후 지속적인 연소가 이루어지기 위해서는 순조로운 연쇄반응이 합쳐져야만 한다.

연료, 열(점화원), 산소, 순조로운 연쇄반응

2.4 가연물의 구비조건

1) 열전도율이 적을 것

2) 활성화 에너지가 (점화에너지) 작을 것

3) 발열량이 클 것

4) 열의 축척이 용이할 것

5) 가연물의 표면적이 커야 한다. (산소와 접촉면적이 클 것)

2.5 가연물의 형상에 따른 위험도

기체>액체>고체

[이유]

1) 고체보다 액체, 액체보다 기체의 열전도율이 적어 열의 축적이 용이하기 때문이다.

2) 고체보다 액체, 액체보다 기체의 표면적이 커서 산소와의 접촉 면적이 크기 때문

2.6 불연성 물질의 조건

1) 산소와 반응시 흡열반응

[종류] 질소, 질소 산화물

N2+1/2O2->N2O - 19.5[kcal]

N2+O2->2NO - 43.2[kcal]

2) 산소와 반응하지 않는 물질

[종류] 주기율표의 0족 원소

헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne), 크세논(Xe), 라돈(Rn), 크립톤(Kr)

3) 이미 산소와 결합하여 더 이상 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질

[종류] 이산화탄소(CO2), 삼산화황(SO3), 오산화인(P2O5), 규조토(SiO2), 물(H2O)

2.7. 산소지수(Limited Oxygen Index: LOI)

산소지수란 가연물의 수직으로 하고 최상부에 착화하였을 때 연소를 계속 유지할 수 있는 최소 산소농도를 말하며 산소지수가 클 수록 방화능력이 우수하다.

2.8. 공기의 조성

산소(O2): 21[%]

질소(N2): 78[%]

아르곤(Ar) 등: 1[%]

2.9 공기비

1) 공기비=실제 공기량/이론 공기량

2) 연료의 종류에 따른 적정 공기비

a. 기체: 1.1~1.3

b. 액체: 1.2~1.4

c. 고체: 1.4~2.0 정도

3) 이론공기량: 어느 연료를 이론적으로 완전 연소시키는 데 소요되는 최소공기량

4) 실제공기량: 이론공기량+추가공기량

2.10 활성화 에너지(점화원)

- 화확적 에너지: 연소열, 자연발열, 분해열, 융해열, 생성열, 중화열

- 전기적 에너지: 저항열, 유도열, 유전열, 정전기열, 아크열, 낙뢰에 의한열

- 기계적 에너지: 마찰열, 압축열, 마찰스파크

2.11 반응열

화학반응에 수반하여 출입하는 열을 반응열이라 하며 보통 1몰의 물질이 변화할 때 출입하는 열량을 말한다.

1) 연소열

물질 1몰이 완전히 연소(산화)할 때 발생하는 열량으로 연소열은 모두 발열 반응이다.

2) 용해열

물질 1몰이 다량의 물에 녹을 때 발생 또는 흡수하는 열량

3) 분해열

1몰의 화합물을 그 성분 원소의 홑원소 물질로 분해할 때 발생 또는 흡수하는 반응열

4) 생성열

1몰의 화학물이 그 성분 원소의 홑원소 물질에서 생길 때 발생 또는 흡수하는 반응열

5) 중화열

산과 염기가 각각 1그램당량씩 반응하여 1몰의 물을 생성할 때 발생하는 열량

2.12 정전기 방지대책

1) 공기 중의 상대습도를 70[%] 이상으로 유지한다.

2) 접지한다.

3) 공기를 이온화한다.

4) 제전기의 의한 대전 방지

2.13 최소점화에너지

점화원에 의해 가연물을 점화시킬 수 있는 최소의 에너지를 최소 점화에너지라 하며 이는 가연물의 종류에 따라 다르다.

   

종 류

점화에너지 [mJ]

종 류

점화에너지 [mJ]

수소 (H2)

0.02

부탄(C4H10)

0.3

메탄 (CH4)

0.3

폴리프로필렌

30

에탄 (C3H6)

0.3

소맥분

160

프로판(C3H8)

0.3

   

   

   

2.14 연소형태

1) 기체연소

불꽃은 있으나 불티가 없는 연소로서 발염염소, 확산연소라고 한다.

2) 액체 연소

액체의 연소에는 증발연소와 분해연소로 구분된다.

a. 증발연소: 액체표면에서 발생된 증기가 연소

b. 분해연소: 액체가 비 휘발성인 경우에 열 분해해서 그 분해가ㄱ스가 공기와 혼합하여 연소

3) 고체의 연소

증발연소-> 분해연소->표면연소

2.15 연소형태별 특징

   

연소의 종류

특성

물질의 종류

증발연소

* 가연성 증기와 공기의 혼합상태에서 연소하는 형태

* 불꽃이 없다.

황, 왁스, 파라핀, 나프탈렌, 가솔린 등유, 경유, 알코올, 아세톤

분해연소

* 열분해 반응을 일으켜 생성된 가연성 증기와 공기가 혼합하여 연소하는 형태

석탄, 종이, 고무, 목재, 플라스틱, 아스팔트

표면연소

* 가연물의 표면에서 산소와 반응하여 연소

* 불꽃이 없다.

숯, 목탄, 금속분, 코크스

자기연소

(내부연소)

* 공기 중의 산소를 필요로 하지 않는 연소

* 연소속도가 빠르다

* 폭발적인 연소

니트로셀룰로오스, TNT, 피크린산, 니트로글리세린, 질산에스테르류, 셀룰로이드류

   

2.16 불꽃연소와 작열연소

   

함목

불꽃연소

작열연소

연쇄반응

존재

존재하지 않는다

발열량

작열연소 보다 많다

불꽃연소보다 적다

연소형태

기체의 상태로 완전연소

증발연소, 분해연소, 확산연소

예혼합연소

표면연소

   

2.17 연소한계

연소는 일반적으로 가연성 가스와 지연성 가스(공기, 산소)가 어떤 범위내로 혼합된 경우에만 일어난다. 따라서 가연성 가스의 농도가 너무 낮아도 또는 너무 높아도 연소가 일어나지 않는다.

대기 중 인화성 가스나 증기의 농도가 폭발 또는 발화할 수 있는 농도로서 가장 높은 농도를 연소상한계라 하고 가장 낮은 농도를 연소하한계라 한다. 따라서 연소 범위가 넓을수록, 하한계가 낮을 수록 더 위험하다.

   

가스종류

하한계

[vol%]

상한계

[vol%]

가스종류

하한계

[vol%]

상한계

[vol%]

수소(H2)

4

75

암모니아

(NH3)

1.5

28

에테르

((C2H5)2O)

1.9

48

메탄

(CH4)

5

15

아세틸렌

(C2H2)

2.5

81

에탄

(C2H6)

3

12.4

이황화탄소

(CS2)

1.2

44

프로판

(C3H8)

2.1

9.5

일산화탄소

(CO)

12.5

74

부탄

(C4H10)

1.8

8.4

   

2.18 온도와 압력의 변화에 따른 연소범위

1) 온도가 상승하면 하한가는 불변, 상한가는 상승하여 결과적으로 연소범위가 넓어진다.

2) 압력이 상승하면 하한가는 불변, 상한가는 상승하여 결과적으로 연소범위가 넓어진다.

(단, 일산화탄소 및 수소는 압력이 상승하면 연소범위가 좁아진다.)

3) 불활성 기체를 첨가하면 좁아진다.

2.19 자연발화

자연발화라 하는 것은 물질이 공기 중에서 발화온도보다 낮은 온도에서 스스로 발열하여 그 열이 장시간 축적, 발화점에 도달하여 연소에 이르는 현상을 말하며 그 방지대책으로는 열이 물질의 내부에 축적되지 않도록 하는 방법과 열의 발생속도를 낮추는 방법이 있다.

1) 열의 축적에 영향을 미치는 요인

a. 열전도율: 작을수록 자연발화할 가능성이 높다.

b. 퇴적방법: 부피가 클수록 축적은 어렵다

c. 공기의 이동: 통풍이 좋은 장소에서는 자연발화가 발생하는 경우는 적다

2) 열의 발생 속도

a. 온도: 온도가 높으면 반응속도가 빠르기 때문에 열 발생은 증가

b. 발영량: 대기중에 빼앗기는 열보다 발열량이 크면 열의 축적이 크다.

c. 수분: 수분이 촉매적 역할을 하므로 반응속도가 빨라 자연발화의 가능성이 크다. 그 반면에 수분이 많으면 열 전도성이 좋아 자연발화의 가능성이 낮다. 즉 수분은 양면성을 갖고 있다.

d. 표면적: 표면적이 클수록 자연발화의 가능성이 크다. 즉 분말상태에서는 자연발화의 가능성이 크다

e. 촉매물질: 발열반응에 촉매가 존재하면 반응은 가속된다.

3) 자연발화의 조건

a. 주위의 온도가 높을 것

b. 발열량이 클 것

c. 열전도율이 적을 것

d. 표면적이 넓을 것

e. 통풍이 잘 안될 것

2.20 자연발화 방지대책

1) 통풍이나 환기 방법을 고려하여 열의 축척을 방지

2) 황린은 물 속에 보관

3) 저장실 및 주위의 온도를 낮게 유지

4) 가능한 입자를 크게 하여 공기와의 접촉면적을 적게 유지

5) 습도가 낮은 곳을 피할 것

2.21 자연발화의 형태

a. 분해열에 의한 발화: 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스

b. 산화열에 의한 발화: 석탄, 건성유(정어리유, 해바라기유), 고무분말, 원면

c. 미생물에 의한 발화: 퇴비, 먼지, 곡물

d. 흡착열에 의한 발화: 목탄, 활성탄

2.22 연소속도

연소속도란 연소시 화염이 미연소 혼합가스에 대하여 수직으로 이동하는 속도 즉, 단위시간에 단위 면적당 연소하는 혼합가스량을 말하며, 이는 가스의 성분, 공기와의 혼합비율, 혼합가스의 온도 및 압력에 따라 달라진다. 즉, CO2나 N2의 농도가 높아지면 상대적으로 산소의 농도가 저하하여 연소속도는 감소한다.

일반 건축물에서 발화후 약 10분 이내의 연소속도는 2~3[m/sec] 정도이다.

   

항 목

연소속도

온도증가

증가

압력상승

증가

혼합가스 중 연소속도가 빠른 수소, 메틸렌가스 함유율이 많을 수록

증가

반응 생성물중 수증기, 이산화탄소, 질소 등의 불연성 물질의 농도가 증가할 수록

감소

   

2.23 연소의 색과 온도

- 암적색(진홍색) 700~750도

- 적색: 850도

- 주황색: 925~950도

- 황적색: 1100도

- 백적색(백색): 1200~1300

- 휘백색: 1500

2.24 플래쉬 오버(Flash over)

Flash-over 현상은 발화 후 5~6분 경과 후 화재 성장과정에서 발생하는 것으로 화재로 생긴 가연성 가스가 일시에 인화하여 화염이 충만해지는 과정을 말하는 것으로 폭발적인 착화현상과 폭발적인 화재확대 현상을 일으킨다.

플래쉬오버(FO) 시점에서의 실내온도는 실내의 가연물질에 따라 달라지지만 보통 800도~900도이다.

2.25 플래쉬 오버(FLash over)에 영향을 미치는 요인

1) 화원의 크기

2) 가연물의 양 및 성질

3) 개구부의 크기

4) 가연 내장재료

5) 실의 넓이와 모양

6) 화재실의 온도

2.26 플래쉬 오버 발생시간(F.O.T)과 내장재와의 관계

1) 난연재(5~6분)는 가연재(3~4분)보다 늦게 발생한다

2) 벽보다는 천정재가 크게 영향을 미친다.

3) 열전도율이 적은 내장재가 빨리 발생한다. (생성된 열이 실내에 축적되기 때문)

4) 내장재의 두께가 얇은 것이 빨리 발생한다.

2.27 연소억제재

a) 유기첨가제: 브롬, 염소, 황, 할로겐으로 치환된 탄화수소

b) 무기첨가제: 아연, 안티목, 인, 몰리브덴, 알루미늄의 인

2.28 폭발

폭발은 정상연소에 비해 연소속도와 화염전파속도가 매우 빠른 비정상연소로서 충격파의 전파속도에 따라 폭연(Deflagration)과 폭굉(Detonation)으로 구분된다.

1) 폭연(Deflagration): 화염전파속도가 음속이하

2) 폭굉(Detonation): 화염전파속도가 음속보다 빠른 것으로 1000~3500[m/sec] 정도

2.29 공정별 폭발의 종류와 형식

1) 핵폭발

원자핵의 분열 또는 융합에 동반하여 일어나는 강한 에너지의 유출에 의해 발생

2) 물리적 폭발

고압용기의 파열, 탱크의 감압파손, 폭발적인 증발 및 압력방출에 의해 발생

3) 화학적 폭발

화학반응이 관여하며 폭발적인 연소, 중합, 분해, 반응폭주 등에 의해서 발생

(1) 산화폭발: 가연성 고체 및 액체에서 증발된 가연성 가스가 산소와 혼합되어 점화원에 의해 심하게 연소하는 일종의 산화반응을 말한다.

(2) 분해폭발: 분해시 발생하는 열과 압력에 의해 폭발하는 것으로서 아세틸렌, 산화에틸렌, 다이너마이트 등이 해당된다.

(3) 중합폭발: 중합반응을 일으킬 때 발생하는 중합 열에 의해 폭발하는 것으로서 시안화수소, 산화에틸렌 등이 해당된다.

(4) 촉매폭발: 촉매에 의해 폭발하는 것으로 수소-산소, 수소-염소에 빛을 쬐면 폭발하는 것이 해당된다.

4) 가스폭발

일반적으로 가스 폭발은 가스 누출시 발생하는 것으로 전형적인 확산연소이다. 종류는 증기운형태의 화재, 푸울화재, 토오치 화재, 블리브(Bleve) 현상이 있다.

5) 분진폭발

가연성 고체의 미부이 공기 중에 부유하고 있을 때 어떤 착화원에 의해 에너지가 주어지면 폭발하는 현상

(1) 분진폭발을 일으키는 물질

- 금속분(알루미늄, 마그네슘, 아연분말)

- 플라스틱

- 농산물

- 황

(2) 분진폭발을 일으키지 않는 물질

- 시멘트

- 생성회(CaO)

- 석회석

- 탄산칼슘(CaCO3)

(3) 분진폭발을 일으키는 분진 입자는 크기는 약 100마이크론 이하이다.

6) 물리적 폭발과 화학적 폭발의 병립에 의한 폭발

   

출처: <http://yoonz486.tistory.com/entry/%EC%86%8C%EB%B0%A9%EC%9B%90%EB%A1%A0-%EC%97%B0%EC%86%8C-%EC%9D%B4%EB%A1%A0>

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연소 이론

상태와 변화2016. 6. 27. 14:41

연소 이론

   

1. 연료의 연소이론

   

          

        12kg  32kg    44kg

              22.4S㎥  22.4S㎥

   

          

         2kg   16kg      18kg

               11.2S㎥    22.4S㎥

   

          

        32kg  32kg    64kg

              22.4S㎥  22.4S㎥

   

표 1. 공기의 조성과 공기중 산소의 양

   

공기의 조성

  

산소 1kg에 대해

  

중량 (%)

용적 (%)

중량 (%)

용적 (%)

산소 23

질소 77

산소 21

질소 79

공기 4.31

질소 3.31

공기 4.77

질소 3.77

   

가) 탄소의 연소

   

중량기준

12kg  32kg   107kg    44kg    107kg

 1kg 2.67kg   8.9kg    3.67kg   8.9kg

    

   

   

   

용량기준

   

12kg 22.4S㎥ 84.4S㎥   22.4S㎥ 84.4S㎥

 1kg 1.87S㎥ 7.03S㎥   1.87S㎥ 7.03S㎥

   

        

   

   

   

나) 수소의 연소

   

2kg  11.2S㎥  42.2S㎥   22.4S㎥  42.2S㎥

1kg   5.6S㎥  21.2S㎥   11.2S㎥  21.1S㎥

   

         

    

   

2. 연소에 필요한 공기량

   

가. 이론공기량

   

- 연료가 완전연소하는데 필요한 가장 적은 공기량

- 액체 또는 고체연료 1 kg 중에 탄소, 수소, 질소, 황, 회분 및 수분의 중량분율을 각각 C, H, N, S, A, W라 하면 연료 1 kg 연소에 필요한 이론 공기량

          

   

          

   

연료 중의 산소가 결합수의 상태로 있고, 그 수소분은 연소에 이용되지 않음으로 공제함. 즉, 산소는 연료 중의 수소와

형태로 결합한 것으로 본다.

의 결합은 중량비로 1:8

   

예 1) 탄소 85%, 수소 13%, 황 2%를 함유하는 중유의 연소에 필요한 이론공기량?

        C=0.85, H=0.13, S=0.02

          

          

   

예 2) 탄소 86.6 %, 수소 4 %, 산소 8 %, 황 1.4 %인 중유의 연소에 필요한 이론산소량과 이론 공기량

   

        C=0.866, H=0.04, O=0.08, S=0.014

          

          

   

        이론산소량 = 1.79

   

   

3. 소요공기량

   

- 공기비 : 연료 연소시 이론공기량 만큼을 공급해서는 완전연소가 불가능하므로 실제로는 이론공기량보다 많은 양의 공기를 공급하여야 함.

- 실제로 공급된 공기량을 A라 하면

          

 (m>1)

          

  (과잉공기계수, 공기비)

        과잉공기율

   

- 연소가스 조성으로부터의 근사식

        (건조배기가스 각 성분의 용량 %)

          

   

- 공기비가 클 때 : 연소실 내의 연소온도가 낮아짐.

                        통풍력이 강하여 배기가스에 의한 열손실 증대

                          

 함량이 증가하여 부식이 커짐.

- 공기비가 작을 때 : 불완전연소로 가스의 폭발 위험과 매연발생

   

예 1) 연소가스 중 질소, 산소의 부피 %가

일 때 공기과잉계수 ?

   

- 연소가스 중의

는 과잉공기량의 21%에 상당

          

- 연소가스 중의

: 공급공기량의 79 %에 해당

          

          

          

        

   

예 2) 탄소, 수소의 중량 조성이 각각 86 %, 14 %인 액체연료를 매시 100 kg 연소한 경우의 배가스 분석치가

인 경우 매시 필요한 공기량?

   

이론공기량

          

   

공기비 (m) =

=1.19

   

   실제공기량 A =

= 1.1911.39 = 13.55

   연료 100 kg 당 매시 필요한 공기량 = 13.55×100 = 1355

   

- 연소방법과 공기비

         m 값 : 가스연료 < 미분탄 < 덩어리 상태 석탄

            (1.1~1.2)   (1.2~1.4)   (1.3~2.0)

   

   

4. 연소가스량

   

- 습윤연소가스 (G) : 연료 속의 수분이나 연소에서 생성된 수증기를 함유하는 연소가스

- 건조연소가스 (G') : 수증기를 제거한 가스

   

건조연소가스량 (G') 구하는 공식

액체, 고체 연료 중의 C, S의 중량분율을 C, S라 하고 연료가스 중의

의 용량분율을

라 하면

(흡수식 가스분석, Orsat 분석에서

와 함께 측정됨. 따라서

와 함께 측정됨. 따라서

에는

도 포함됨.)

 동일한 부피 발생

습윤연소가스량 (G) 구하는 방법

   

연료 1 kg 중에 수소 h kg이 포함되어있으면

h

생성되므로

   

예) 탄소 86 %, 수소 13 %, 황 1 %의 중유 연소시 배가스의 분석치가

13 %,

2 %, CO 1 % 일 때 건조가스량과 습윤가스량 ?

   

        C=0.86, H=0.13, S=0.01,

=0.13, CO=0.01

          

=

        G = G' + 11.2h = 11.5 + 11.2×0.1313.0

   

이론연소가스량

습윤이론가스량 (

)

건조이론가스량 (

)

습윤연소가스량 (

)

건조연소가스량 (

)

   

   

   

- 이론공기량

   

- 이론 습윤연소가스량

     (22.4/12)

    

   

   

   

    

   

    

  단, 연료 중에 O, N이 없는 경우

    

 (수분량은 무시)

   

- 이론 건조연소가스량

          

 (수소 및 수분 제외)

          

  단, 연료 중에 O, N이 없는 경우

    

   

- 과잉공기 공급시 연소가스 중의

        공기공급량 :

        과잉공급량 :

        연소가스 중의 잔존

:

        연소가스 중의

:

         연소가스 중의

량 =

+

                =

   

- 습윤 연소가스량 (G)

          

          

          

          

- 건조연소가스량 (

)

          

   

예제 1)

   

탄소 86 %, 수소 12 %, 황 2 % 조성을 갖는 중유를 연소시 배기가스 분석결과

   

인 경우

   

건조 연소가스 중의

농도?

C=0.86, H=0.12, S=0.02

건조연소가스량

에서

(이론공기량),

(과잉공기계수)를 구해야함.

   

배기가스 중의

=100-(13+3) = 84 %

   

   

   

생성량 = 0.7

= 0.7×0.02 = 0.014

   

 농도 =

   

   

예제 2)

   

탄소 86 %, 수소 13 %, 황 1 % 조성을 갖는 중유를 연소시 배기가스 분석결과

   

,

인 경우

   

건조 연소가스 중의

농도?

   

C=0.86, H=0.13, S=0.01

   

   

   

   

배기가스 중의

= 100 - (13 + 3 + 0.5) = 84 %

   

   

   

생성량 = 0.7

= 0.7×0.01 = 0.007

   

 농도 (ppm) =

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Combustion

상태와 변화2016. 6. 27. 14:35

Combustion

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The flames caused as a result of a fuel undergoing combustion (burning)

For other uses, see Combustion (disambiguation).

"Burning" redirects here. For other uses, see Burning (disambiguation).

"Burned" redirects here. For other uses, see Burned (disambiguation).

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Combustion or burning is a complex sequence of exothermic chemical reactions between a fuel (usually a hydrocarbon) and an oxidant accompanied by the production of heat or both heat and light in the form of either a glow or flames, appearance of light flickering.

Direct combustion by atmospheric oxygen is a reaction mediated by radical intermediates. The conditions for radical production are naturally produced by thermal runaway, where the heat generated by combustion is necessary to maintain the high temperature necessary for radical production.

In a complete combustion reaction, a compound reacts with an oxidizing element, such as oxygen or fluorine, and the products are compounds of each element in the fuel with the oxidizing element. For example:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

CH2S + 6F2 → CF4 + 2HF + SF6

A simpler example can be seen in the combustion of hydrogen and oxygen, which is a commonly used reaction in rocket engines:

2H2 + O2 → 2H2O(g) + heat

The result is water vapor.

In the large majority of real-world uses of combustion, air is the source of oxygen (O2). In air, each kg (lbm) of oxygen is mixed with approximately 3.76 kg (lbm) of nitrogen. The resultant flue gas from the combustion will contain nitrogen:

CH4 + 2O2 + 7.52N2 → CO2 + 2H2O + 7.52N2 + heat

When air is the source of the oxygen, nitrogen is by far the largest part of the resultant flue gas.

In reality, combustion processes are never perfect or complete. In flue gases from combustion of carbon (as in coal combustion) or carbon compounds (as in combustion of hydrocarbons, wood etc.) both unburned carbon (as soot) and carbon compounds (CO and others) will be present. Also, when air is the oxidant, some nitrogen can be oxidized to various nitrogen oxides (NOx).

[edit] Types

[edit] Rapid

Rapid combustion is a form of combustion in which large amounts of heat and light energy are released, which often results in a fire. This is used in a form of machinery such as internal combustion engines and in thermobaric weapons. Sometimes, a large volume of gas is liberated in combustion besides the production of heat and light. The sudden evolution of large quantities of gas creates excessive pressure that produces a loud noise. Such a combustion is known as an explosion. Combustion need not involve oxygen; e.g., hydrogen burns in chlorine to form hydrogen chloride with the liberation of heat and light characteristic of combustion.

[edit] Slow

Slow combustion is a form of combustion which takes place at low temperatures. Cellular respiration is an example of slow combustion.

[edit] Complete

In complete combustion, the reactant will burn in oxygen, producing a limited number of products. When a hydrocarbon burns in oxygen, the reaction will only yield carbon dioxide and water. When a hydrocarbon or any fuel burns in air, the combustion products will also include nitrogen. When elements such as carbon, nitrogen, sulfur, and iron are burned, they will yield the most common oxides. Carbon will yield carbon dioxide. Nitrogen will yield nitrogen dioxide. Sulfur will yield sulfur dioxide. Iron will yield iron(III) oxide. It should be noted that complete combustion is almost impossible to achieve. In reality, as actual combustion reactions come to equilibrium, a wide variety of major and minor species will be present. For example, the combustion of methane in air will yield, in addition to the major products of carbon dioxide and water, the minor side reaction products carbon monoxide and nitrogen oxides.

[edit] Turbulent

Turbulent combustion is a combustion characterized by turbulent flows. It is the most used for industrial application (e.g. gas turbines, gasoline engines, etc.) because the turbulence helps the mixing process between the fuel and oxidizer.

[edit] Microgravity

Nearly every flame behaves differently in a microgravity environment; for example, a candle's flame takes the shape of a sphere[1]. Microgravity combustion research contributes to understanding of spacecraft fire safety and diverse aspects of combustion physics.

[edit] Incomplete

Incomplete combustion occurs when there isn't enough oxygen to allow the fuel (usually a hydrocarbon) to react completely with the oxygen to produce carbon dioxide and water, also when the combustion is quenched by a heat sink such as a solid surface or flame trap. When a hydrocarbon burns in air, the reaction will yield carbon dioxide, water, carbon monoxide, pure carbon (soot or ash) and various other compounds such as nitrogen oxides.

The quality of combustion can be improved by design of combustion devices, such as burners and internal combustion engines. Further improvements are achievable by catalytic after-burning devices (such as catalytic converters) or by the simple partial return of the exhaust gases into the combustion process. Such devices are required by environmental legislation for cars in most countries, and may be necessary in large combustion devices, such as thermal power plants, to reach legal emission standards.

The degree of combustion can be measured and analyzed, with test equipment. HVAC contractors, firemen and engineers use combustion analyzers to test the efficiency of a burner during the combustion process. In addition, the efficiency of an internal combustion engine can be measured in this way, and some states and local municipalities are using combustion analysis to define and rate the efficiency of vehicles on the road today.

[edit] Chemical Equation

Generally, the chemical equation for stoichiometric burning of hydrocarbon in oxygen is as follows:

For example, the burning of propane is:

Generally, the chemical equation for stoichiometric incomplete combustion of hydrocarbon in oxygen is as follows:

For example, the incomplete combustion of propane is:

The simple word equation for the combustion of a hydrocarbon in oxygen is:

If the combustion takes place using air as the oxygen source, the nitrogen can be added to the equation, although it does not react, to show the composition of the flue gas:

For example, the burning of propane is:

The simple word equation for the combustion of a hydrocarbon in air is:

Nitrogen may also oxidize when there is an excess of oxygen. The reaction is thermodynamically favored only at high temperatures. Diesel engines are run with an excess of oxygen to combust small particles that tend to form with only a stoichiometric amount of oxygen, necessarily producing nitrogen oxide emissions. Both the United States and European Union are planning to impose limits to nitrogen oxide emissions, which necessitate the use of a special catalytic converter or treatment of the exhaust with urea.

[edit] Fuels

[edit] Liquid fuels

Combustion of a liquid fuel in an oxidizing atmosphere actually happens in the gas phase. It is the vapour that burns, not the liquid. Therefore, a liquid will normally catch fire only above a certain temperature: its flash point. The flash point of a liquid fuel is the lowest temperature at which it can form an ignitable mix with air. It is also the minimum temperature at which there is enough evaporated fuel in the air to start combustion.

[edit] Solid fuels

The act of combustion consists of three relatively distinct but overlapping phases:

  • Preheating phase, when the unburned fuel is heated up to its flash point and then fire point. Flammable gases start being evolved in a process similar to dry distillation.
  • Distillation phase or gaseous phase, when the mix of evolved flammable gases with oxygen is ignited. Energy is produced in the form of heat and light. Flames are often visible. Heat transfer from the combustion to the solid maintains the evolution of flammable vapours.
  • Charcoal phase or solid phase, when the output of flammable gases from the material is too low for persistent presence of flame and the charred fuel does not burn rapidly anymore but just glows and later only smoulders.

[edit] Reaction mechanism

Combustion in oxygen is a radical chain reaction where many distinct radical intermediates participate.

The high energy required for initiation is explained by the unusual structure of the dioxygen molecule. The lowest-energy configuration of the dioxygen molecule is a stable, relatively unreactive diradical in a triplet spin state. Bonding can be described with three bonding electron pairs and two antibonding electrons, whose spins are aligned, such that the molecule has nonzero total angular momentum. Most fuels, on the other hand, are in a singlet state, with paired spins and zero total angular momentum. Interaction between the two is quantum mechanically a "forbidden transition", i.e. possible with a very low probability. To initiate combustion, energy is required to force dioxygen into a spin-paired state, or singlet oxygen. This intermediate is extremely reactive. The energy is supplied as heat. The reaction produces heat, which keeps it going.

Combustion of hydrocarbons is thought to be initiated by the abstraction of a hydride radical (H) from the fuel to oxygen, to give a hydroperoxide radical (HOO). This reacts further to give hydroperoxides, which break up to give hydroxyl radicals. There are a great variety of these processes that produce fuel radicals and oxidizing radicals. Oxidizing species include singlet oxygen, hydroperoxide, hydroxyl, monatomic oxygen, and hydroperoxyl (OH2). Such intermediates are short-lived and cannot be isolated. However, non-radical intermediates are stable and are produced in incomplete combustion. An example is acetaldehyde produced in the combustion of ethanol. An intermediate in the combustion of carbon and hydrocarbons, carbon monoxide, is of special importance because it is a poisonous gas.

Solid fuels also undergo a great number of pyrolysis reactions that give more easily oxidized, gaseous fuels. These reactions are endothermic and require constant energy input from the combustion reactions. A lack of oxygen or other poorly designed conditions result in these noxious and carcinogenic pyrolysis products being emitted as thick, black smoke.

[edit] Temperature

Assuming perfect combustion conditions, such as complete combustion under adiabatic conditions (i.e., no heat loss or gain), the adiabatic combustion temperature can be determined. The formula that yields this temperature is based on the first law of thermodynamics and takes note of the fact that the heat of combustion is used entirely for heating the fuel, the combustion air or oxygen, and the combustion product gases (commonly referred to as the flue gas).

In the case of fossil fuels burnt in air, the combustion temperature depends on all of the following:

The adiabatic combustion temperature (also known as the adiabatic flame temperature) increases for higher heating values and inlet air and fuel temperatures and for stoichiometric air ratios approaching one.

Most commonly, the adiabatic combustion temperatures for coals are around 2200 °C (for inlet air and fuel at ambient temperatures and for λ = 1.0), around 2150 °C for oil and 2000 °C for natural gas.

In industrial fired heaters, power plant steam generators, and large gas-fired turbines, the more common way of expressing the usage of more than the stoichiometric combustion air is percent excess combustion air. For example, excess combustion air of 15 percent means that 15 percent more than the required stoichiometric air is being used.

[edit] Instabilities

Combustion instabilities are typically violent pressure oscillations in a combustion chamber. These pressure oscillations can be as high as 180dB, and long term exposure to these cyclic pressure and thermal loads reduces the life of engine components. In rockets, such as the F1 used in the Saturn V program, instabilities led to massive damage of the combustion chamber and surrounding components. This problem was solved by re-designing the fuel injector. In liquid jet engines the droplet size and distribution can be used to attenuate the instabilities. Combustion instabilities are a major concern in ground-based gas turbine engines because of NOx emissions. The tendency is to run lean, an equivalence ratio less than 1, to reduce the combustion temperature and thus reduce the NOx emissions; however, running the combustion lean makes it very susceptible to combustion instabilities.

The Rayleigh Criterion is the basis for analysis of thermoacoustic combustion instabilities and is evaluated using the Rayleigh Index over one cycle of instability:[citation needed]

where q' is the heat release rate and p' is the pressure fluctuation.[2][3] When the heat release oscillations are in phase with the pressure oscillations, the Rayleigh Index is positive and the magnitude of the thermo acoustic instability increases. On the other hand, if the Rayleigh Index is negative, then thermoacoustic damping occurs. The Rayleigh Criterion implies that a thermoacoustic instability can be optimally controlled by having heat release oscillations 180 degrees out of phase with pressure oscillations at the same frequency. This minimizes the Rayleigh Index.[citation needed]

   

원본 위치 <http://en.wikipedia.org/wiki/Combustion>

   

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