연료절감형 연소장치

구름나그네 2014. 9. 16. 16:25
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제 1 편 보일러 및 기초 열역학 (Boiler And Basis Thermodynamics)

제 6 장 보일러의 연소

Ⅰ. 연소(Combustion)의 개요

   연소란 연료 중의 가연성 성분이 공기 속의 산소와 급격한 산화반응을 일으켜 빛과 열을 동시에 수반하는 현상으로 연료가 연소할 때의 반응은 단순한 반응이 아니고, 산화반응과 더불어 열분해가 생기는 매우 복잡한 반응을 나타낸다.
   → 연소상태의 판정 계기 : 배기가스 분석계, 온도계, 통풍계

1. 연소의 3대 반응
   ① 산화반응 (발열반응과 흡열반응)
   ② 환원반응
   ③ 열분해
   ※ 산화염 : 산소 공급이 충분하여 완전에 가까운 연소를 일으킨다. 불꽃의 온도가 가장 높다.
   ※ 환원염 : 연소시 산소공급을 충분히 하지 않을 경우 연료가 불완전연소를 하면서 일산화탄소가 발생한다. 이 일산화탄소가 피염물에 포함되어 있는 산소를 빼앗아 이산화탄소로 되고, 피염물속의 산화제2철은 산소를 빼앗겨 산화제1철로 환원되게 되는데 이 때의 불꽃을 환원염이라고 한다(고려청자가 푸른색(비색)을 띄는 이유이다).

2. 산화반응
   ① 발열반응 : 산화반응을 할 때 열이 외부로 발산하는 반응이며 연소는 발열반응을 원칙으로 한다.
   ② 흡열반응 : 산화반응시에 열을 흡수하는 반응으로서 주로 질소에 의해 발생한다.

3. 연소의 속도 (반응속도)
   연료가 착화하여 완전히 연소되기까지의 속도를 말한다.
   연소속도 : 0.1~10 m/s, 폭속 (폭발속도) : 1,000~3,500 m/s
   ① 연소속도에 미치는 인자
      ㉠ 반응물질의 온도
      ㉡ 산소의 온도
      ㉢ 촉매물질
      ㉣ 연소압력
      ㉤ 연료입자의 크기
   ② 연소의 범위
      ㉠ 하한값 : 공기는 풍부하나 가연물은 부족
      ㉡ 상한값 : 연료는 풍족하나 연소용 공기는 부족

4. 완전연소의 3대 조건
   ① 고온도 유지
   ② 충분한 연소 공간
   ③ 충분한 산소 공급

5. 연소의 3대 요건
   ① 가연물 (연소시 빛과 열의 수반)
   ② 산소공급원 (공기 공급)
   ③ 점화원 (인화와 발화)

6. 연소온도에 영향을 미치는 인자
   ① 연료의 발열량 : 발열량이 클수록 연소온도는 높다.
   ② 공기비 : 공기비가 클수록 연소온도가 낮아진다.
   ③ 산소농도 : 연소용 공기 중의 O₂농도가 짙어지면 연소온도는 높아진다.

7. 연소온도를 높게 하기 위한 조건
   ① 발열량이 높은 연료를 사용할 것
   ② 연료를 될 수 있는 한 완전 연소시킬 것
   ③ 과잉공기량을 적게 할 것
   ④ 연료 또는 공기를 예열해서 공급할 것
   ⑤ 복사(Radiation)에 의한 열의 방산(放散)을 적게 하기 위해 연소속도를 빨리 할 것

8. 완전연소 구비조건
   ① 연료 및 연소용 공기를 적절히 예열한다(인화점보다 5℃이하)
   ② 공기의 양을 조절하여 연료와 완전 혼합을 이루도록 한다.
   ③ 공급공기는 될 수 있는 한 충분히 예열시킨 후 공급한다.
   ④ 연소실은 충분한 고온도를 유지한다.
   ⑤ 연소실의 용적은 연료의 연소에 필요한 충분한 용적으로 할 것

9. 연료의 발생열량


10. 연소의 종류
   ① 분해연소 : 연소 초기에 극심한 화염을 내면서 연소한다. 석탄이나 목재, 중유 등의 연소가 이에 해당된다.
   ② 증발연소 : 액체 연료가 소정의 온도에서 증발하면서 연소된다. 등유, 경유, 가솔린 등 경질유의 연소가 이에 속한다.
   ③ 확산연소 : 공기와 기체연료가 순간적으로 확산 혼합하면서 연소하며 일반적인 기체연료가 이에 속하고 액화가스는 증발기화 연소한다.
   ※ 연료
      ㉠ 고체 : 증발연소 → 분해연소 → 표면연소
      ㉡ 액체 : 증발연소, 분해연소
      ㉢ 기체 : 확산연소, 예혼합연소(화염이 짧아 고온의 화염이 발생하나 역화의 위험성이 있다)

11. 가연물이 되기 쉬운 조건
   ① 산소와 친화력이 클 것
   ② 열전도율이 적을 것
   ③ 활성화 에너지가 적을 것
   ④ 발열량이 클 것
   ⑤ 수분이 적게 포함되어 있을 것

12. 인화점과 착화점
   ① 인화점 : 가연성 액체 또는 고체가 증기나 분해가스를 발생할 경우 공기 중에 농도가 연소범위 이내에 있으면 그 표면에 불꽃을 접근시키면 인화되는데 이 인화에 필요한 최저온도를 말한다.
   ② 착화점 : 발화점이라 하며 공기속에서 가연물을 가열하였을 때 이것이 불씨나 불꽃을 가까이 하지 않아도 발화하고 연소가 이루어지는 최적의 온도를 말한다.
   ③ 발화점 조건
      ㉠ 발열량이 높을수록 착화온도가 낮아진다.
      ㉡ 반응 활성도가 클수록 착화온도가 낮아진다.
      ㉢ 분자구조가 복잡할수록 착화온도가 낮아진다.
      ㉣ 산소농도가 클수록 착화온도가 낮아진다.
      ㉤ 압력이 클수록 착화온도가 낮아진다.
      ㉥ 습도가 낮아지면 착화온도가 낮아진다.

Ⅱ. 연소장치 (Combustion Device)

   연소장치란 연료유를 완전히 연소시키는데 필요한 기기 전반을 말한다. 오일버너 외에 연료저장탱크, 급유탱크, 기름가열기, 유가열기, 급유펌프, 유압조정밸브 등이며 부속장치 및 배관계도 연료 매체의 종류에 따라 다소 차이가 있다.


1. 연소장치 종류
   화격자(火格子), 버너, 연소실(노(爐)), 전연실(前煙室), 후부연실(後部煙室), 연도(煙道), 연돌(煙突, 굴뚝) 등이 이에 속한다.
(1) 화격자(화상)
    고체연료 등을 연소시킬 때 쓰이는 금속재의 받침대이다.
(2) 버너
    미분탄(微粉炭)이나 액체연료, 기체연료 등을 노내로 분사시킨다.
(3) 연소실(노)
    연료를 연소시키는 장소로서 보일러에 따라 내분식 연소실과 외분식 연소실이 있다.
    ① 내분식 연소실 : 연소실이 기관 본체 내에 둥글게 재작한 노통이 주가 된다(현재 거의 사용되지 않는다).
       * 사용상 장점
         ㉠ 설치면적을 적게 차지한다.
         ㉡ 복사열의 흡수가 크다.
         ㉢ 방산열손실이 적다(노벽 등에서).
         ㉣ 설치가 용이하다.
       * 사용상 단점
         ㉠ 연소실 크기는 기관 본체에 의해 결정된다.
         ㉡ 완전연소가 불가능하다.
         ㉢ 역화(逆火)나 가스폭발의 위험성이 크다.
         ㉣ 연료는 양질이어야 한다.
    ② 외분식 연소실 : 보일러 본체 외부에 내화벽돌을 쌓아 각형으로 만든 연소실이며 수관식 보일러 등의 연소실이 여기에 속한다.
       * 사용상 장점
         ㉠ 연소실의 크기를 자유롭게 할 수 있다.
         ㉡ 완전연소가 가능하다.
         ㉢ 노내의 온도가 내분식보다 높다.
         ㉣ 연료의 선택이 자유로워서 열등탄(저질연료)의 연소에도 유리하다.
         ㉤ 연소효율이 높고 연소실 열발생률이 크다.
       * 사용상 단점
         ㉠ 설비비가 비싸다.
         ㉡ 설치시 장소를 많이 차지한다.
         ㉢ 복사열의 흡수가 적다.
         ㉣ 방산열의 손실이 많다.

2. 고체연료의 연소장치
   고체연료의 연소방식과 종류는 다음과 같다.
      ① 화격자 연소방식 : 수분식과 기계식이 있다(고체연료 사용).
      ② 미분탄 연소방식 : 미분탄의 연소시에 사용한다.
      ③ 유동층 연소방식 : 화격자와 미분탄의 절충식(상압유등층, 가압유동층)이다.
      ※ 미분탄(微粉炭) : 석탄을 150~200 mesh 이하로 미세하게 분쇄한 것

3. 액체연료의 연소장치
   액체연료인 경질유(휘발유, 등유, 경유)와 중질유(벙커 A유, 벙커 B유, 벙커 C유)의 연소에 필요한 연소장치가 액체연료의 연소장치이다.
(1) 연소방식
    ① 기화연소방식 : 쉽게 기화하는 경질유 등의 연소에 필요한 연소방식이 기화 연소방식이며 심지식, 포트식, 버너식, 증발식의 연소방식이 사용된다.
    ② 무화연소방식 : 중질유의 연료를 10~500㎛의 범위로 안개방울같이 무화(霧化)하여 단위 중량당 표면적을 크게 하여 공기와의 혼합을 양호하게 한 후 연소하는 방식이다.
(2) 액체 연료의 연소용 공기의 공급방식
    ① 1차 공기 : 연료의 무화와 산화반응에 필요한 공기로서 버너에서 직접 공급된다.
    ② 2차 공기 : 1차 공기로는 부족한 공기를 보충하기 위하여 화실로 직접 공급되는, 완전연소시키기 위한, 공기로서 송풍기를 이용하여 연소실로 공급된다.
    ※ 무화의 목적
       ㉠ 단위중량당 표면적을 넓게 한다.
       ㉡ 연료와 공기의 혼합이 양호
       ㉢ 완전 연소가 가능(연소효율이 증가)
(3) 버너의 선택과 용량계산
    ① 오일버너 선정시 유의할 점
       ㉠ 노내 압력과 분위기 등에 따른 가열조건에 적합할 것
       ㉡ 버너용량이 가열용량과 보일러의 용량에 적합할 것
       ㉢ 부하변동에 따른 유량조절 범위를 고려할 것
       ㉣ 보일러가 자동제어인 경우 버너 형식과 관계를 고려할 것
    ② 버너의 용량산출

(4) 버너의 종류

    ㉮ 회전식 버너(Ratary Burner)
       회전식 버너는 회전컵으로 기름을 미립화시켜 무화 연소시키는 형식이다. 중공축의 회전수는 3,500~10,000rpm 정도이며 컵 안에 들어온 기름은 엷은 유막을 형성하고 선단을 떠남과 동시에 송풍기(Blower)에서의 공기(바람)에 의하여 분무가 된다. 유압식에 비하여 분무입자가 비교적 크므로 사용하는 중유의 점도가 작을 수록 분무상태가 좋아지며 버너의 특징은 다음과 같다.

       ① 부속설비가 거의 없고 화염의 형상은 비교적 넓고 안정한 연소를 시킬 수 있다.
       ② 연료의 압력은 0.3~0.5 ㎏/㎉ 정도 가압하여 공급한다.
       ③ 분무각도 40~80˚ 이며 자동제어가 편리하다.
       ④ 유량조절 범위는 1:5 정도로 비교적 넓다.
       ⑤ 점도가 크거나 유량이 적으면 무화가 곤란하다.
    ㉯ 유압분무식 버너
       유압펌프로 기름에 고압(5~20㎏/㎠)을 줘서 버너팁에서 노내로 분출하여 무화시키는 형식이고, 환류식과 비환류식이 있으며 부하변동이 적은 발전용, 선박용 대형 보일러에 많이 사용한다. 그리고 유량 조절은 기름의 유압을 가감하며 유량은 유압의 평방근에 비례한다. 즉 유량을 1/2로 줄이려면 유압을 1/4로 줄여야 하며 버너의 특징은 다음과 같다.
       * 장점
         ① 구조가 비교적 간단하다.
         ② 무화매체인 증기나 공기가 필요치 않다.
         ③ 분무각도는 40~90˚ 이다.
         ④ 소음발생이 없다.
         ⑤ 대용량 버너의 제작이 가능하다.
        ⑥ 보일러 가동 중 버너교환이 용이하다.
       * 단점
         ① 유량 조절 범위가 좁다.
         ② 무화특서잉 별로 좋지 않다.
         ③ 중질유의 점도가 크면 무화가 곤란하다.
         ④ 유압이 5㎏/㎠ 이하가 되면 무화가 곤란하다.
         ⑤ 연소의 제어범위가 비교적 좁다.

            버너의 종류로는 환류식, 비환류식이 있으며 유압분무식 버너유압은 일반적으로 5~20㎏/㎠이다. 또한 유량조절 범위는 환류식은 1:3, 비환류식은 1:2이며 버너의 연소용량은 15~3,000 ℓ/h 정도이고 연료의 분사각은 60~80˚ 이다. 유량조절 방법은 다음과 같다.
            ① 버너수의 가감
            ② 환류식은 버너팁을 교환한다.
            ③ 리턴식(환류식)은 압력분사식 버너를 사용한다.
            ④ 플랜저식 압력분무식 버너 사용
    ㉰ 기류식 버너
      ① 고압기류식 버너
          중유를 분무하는 데는 2~7㎏/㎠ 정도의 고압공기로 중유를 무화시키는 형식이다. 또한 분무용 유체와의 혼합장소 차이에 따라 외부혼합식과 내부혼합식의 구별이 있고, 무화 매체로서 증기(공기)를 사용하며 보일러 용량이 20ton/h이상의 보일러에 더욱 적합하며 연료유압을 2~7㎏/㎠ 정도이다.
          * 장점
            ㉠ 연료의 점도가 커도 충분히 무화가 된다
            ㉡ 소량의 무화매체로서 무화가 가능하다.
            ㉢ 유량 조절범위가 가장 넓다(1:10 정도)
          * 단점
            ㉠ 무화용 공기나 증기가 필요하다.
            ㉡ 분무각도가 30˚ 로 좁다.
            ㉢ 연소시 소음이 발생된다.
          * 버너 종류
            ㉠ 외부 혼합식 버너 (공기나 증기 이용)
            ㉡ 내부 혼합식 버너 (공기나 증기 이용)
          * 버너용량
            ㉠ 외부 혼합식 : 3~500ℓ/h
            ㉡ 내부 혼합식 : 10~1,200ℓ/h
          * 연료의 유압
            ㉠ 외부 혼합식 : 0.3㎏/㎠ 이하
            ㉡ 내부 혼합식 : 6㎏/㎠ 이하

       ② 저압기류식 버너
          매체로서는 비교적 저압인 0.05~0.25㎏/㎠ 정도인 공기를 사용하여 무화 연소시키는 형식으로서 연동형과 비연동형 버너가 사용되며 유압이 0.3~0.5㎏/㎠ 으로 공급된다.
          * 장점
            ㉠ 비교적 고점도의 유체도 연소가 가능하다.
            ㉡ 공기의 압력이 높을수록 무화 공기량이 절감된다.
            ㉢ 유량 조절 범위가 넓다(1:5).
            ㉣ 분무 각도가 30~60˚ 로 비교적 넓다.
          * 단점
            ㉠ 무화용 공기가 많이 필요하다.
            ㉡ 대용량 보일러에는 사용이 부적당하다.
            ㉢ 소형의 보일러에 사용된다.
          * 버너 종류
            ㉠ 연동형 버너 (비례조절버너) : 분무용 공기나 연소용 공기가 전부 버너에서 공급된다. 즉 기름 조절장치와 공기 조절장치를 연동시킨 버너이다.
            ㉡ 비연동형 버너 : 기름량이나 공기량이 각각 따로 조정된 후 버너로 공급되는 형식의 버너이다.
          * 유량 조절 범위
            연동형은 1:6 정도이며 비연동형은 1:5 정도이다.
          * 버너용량
            연동형은 0.6~150ℓ/h 이며, 비연동형은 8~260ℓ/h 이다.

       ③ 건타입 버너(Gun Type)
          유압분무식과 기류식을 병합한 송풍기를 이용하여 사용하는 버너이다. 용도는 보일러나 열교환기에 사용되고 사용연료는 등유, 경유, 중유 A급에 사용된다.
          * 특징
            ㉠ 소형이며 전자동 연소가 이루어진다.
            ㉡ 연소가 양호하다.
            ㉢ 구조가 간단하여 비교적 제작이 쉽다.
            ㉣ 버너에 송풍기가 장치되어 있다.
               - 소음기준 : 70폰, 80폰
               - 건타입 버너의 유압 : 7㎏/㎠ 이상
               - 사용송풍기 : 다익팬(실로코형), 축류팬 사용
               - 증발식 버너 : 사용연료는 등유와 경유가 사용된다.

    ㉱ 초음파 버너
      음파에너지로 오일을 무화시키는 형식이며 고속기류를 음파 발진체에 충돌시켜 음파를 발생시키는 음향버너로서 고압기류식의 일종이다.


4. 기체연료의 연소장치
   연료자체가 연소성이 우수하여 안정된 화염을 얻을 수 있고 연속제어가 용이하므로 자동화설비에도 적합하며, 연소용 공기의 공급방식에 따라 확산연소방식과 예혼합연소방식이 있으며 기체연료 연소의 특징은 다음과 같다.
   * 장점
     ① 연소조절이 용이하며 자동제어 연소에 가장 적합하며 속도가 빠르다.
     ② 고체, 액체연료 연소에 비해 가장 적은 공기비 연소를 할 수 있다.
     ③ 처발열량 가스라도 예열공기를 사용하면 고온연소가 가능하다.
     ④ 연소실 용적이 작아도 된다.
     ⑤ 회분의 생성이 없고 대기오염 발생이 적다.
     ⑥ 연소의 조절범위가 넓고 보수가 쉽다.
   * 단점
     ① 가격이 비싸다.
     ② 연료의 저장, 수송에 큰 시설을 요한다.
     ③ 가스누출에 의한 위생상의 위해와 가스폭발에 의한 재해의 위험이 높다.
(1) 확산연소방식
    화구로부터 가스와 연소용 공기를 연소실에 따로 분사하고, 이것이 난류와 자연확산에 의해 가스와 공기의 혼합에 의해 연소하는 방식으로 특징은 다음과 같다.
    ① 조작 범위가 넓다.
    ② 가스와 공기를 예열할 수 있다.
    ③ 부하에 따른 조작범위가 넓다.

    확산연소 방식 버너에는 다음과 같은 종류가 있다.
    ㉮ 포트형(Port Type)
       단면적이 넓은 화구로부터 공기와 가스를 연소실에 보내는 방식으로 특징은 다음과 같다.
       ① 발생로 가스나 고로가스 등의 탄화수소가 적은 연료를 사용한다.
       ② 가스와 공기를 고온으로 예열할 수 있다.
       ③ 가스와 공기의 속도를 크게 잡을 수 없다.

    ㉯ 버너형
       공기와 가스를 가이드베인을 통하여 혼합시키는 형태로 선회형과 방사형이 있다.
       ① 선회형 버너 : 저질의 가스를 사용할 경우에 사용한다.
       ② 방사형 버너 : 천연가스와 같은 고발열량 가스를 사용할 경우에 사용한다.

(2) 예혼합 연소방식
    기체상태의 연료와 공기를 버너 내에서 적당한 비율로 완전히 혼합하여 불면서 점화하면 화염이 혼합기에서 전파되는 형상대로 연소하며 특징은 다음과 같다.
       ① 내부혼합식이다.
       ② 불꽃의 길이가 짧다.
       ③ 고온의 화염을 얻을 수 있다.
       ④ 연소실 부하가 높다.
       ⑤ 역화의 위험성이 크다.
    ㉮ 저압버너(공기흡입)
       송풍기를 사용하지 않고 연소실 내를 부압(負壓, -)으로 하여 2차공기를 흡입가스와 혼합하여 연소하는 버너이며 특징은 다음과 같다.
       ① 도시가스의 연소시 압력을 70~160㎜H₂O (0.007~0.086㎏/㎠) 정도의 저압으로 가스가 공급된다.
       ② 발열량이 높은 가스를 사용할 때에는 노즐구경을 작게 하고 공기흡입을 한다.

    ㉯ 고압버너
       연소실내 압력을 정압(+)으로 하여 가스와 공기를 혼합 연소시키는 버너이며 특징은 다음과 같다.
       ① 가스의 압력이 2㎏/㎠이상의 고압이다.
       ② 사용연료는 도시가스, LPG, 부탄가스 등을 혼합하여 소형 가열로에서 사용한다.

    ㉰ 송풍버너
       공기를 압축시켜 가압연소로서 고압버너와 마찬가지로 노내 압력을 정압으로 유지시키는 버너이며 혼합가스 버너에는 어느 형식에라도 역화방지기를 설치한다.
(3) 최근의 기체연료 연소방식과 버너
    ㉮ 가스버너의 종류
       ① 운전방식 : 자동가스 버너, 반자동가스 버너
       ② 연소용 공기의 공급방식에 따른 분류

    ㉯ 혼소버너의 종류

    ㉰ 가스버너 취급방법


5. 급유장치(연료 공급장치)
   연료를 연소시키기 위해서 중유저장 탱크로부터 버너까지 이송하는 과정에 있는 장치를 말하며 이송순서는 다음과 같다.

    ① 메인탱크(스토리지 탱크)
       저장탱크의 부피표준은 1~3주간(週間) 사용량을 기준으로 하나 운반이 편리한 지역은 2~3일분도 관계없다. 지상설치와 지하설치가 있다.

    ② 서비스 탱크
       서비스 탱크는 스토리지 탱크에서 연료유를 적당량만 수용하고 버너에 공급하는 탱크이며 그 용량은 분연버너 소비량의 2시간~1일분 정도의 크기로 선정한다.
       ㉠ 설치위치 : 보일러로부터 2m 이상 떨어져야 한다.
       ㉡ 설치높이 : 버너선단에서 1.5m 높게 설치한다.
       ㉢ 탱크 내부 온도 : 60℃
       ㉣ 압송펌프가 없는 경우에는 버너로부터 수직 3m 이상 높게 설치한다.

    ③ 연료배관(Oil Pipe : 송유관)
       저장탱크에서 버너까지 온도 저하를 방지하기 위해 2중관 또는 보온재를 사용한다.
    ④ 관내 유속 : 유속은 0.5~1.0 m/sec 정도로 한다.
(1) 유예열기 (Oil Preheater)
    버너에서 점도가 높은 액체연료의 연소시 분무상태를 좋게 하기 위하여 적정온도로 기름을 가열시키기 위한 장치로서 다음과 같다.
    ㉮ 사용상의 특징
       ① 기름의 점도를 낮추어 준다.
       ② 기름의 유동성을 도와준다.
       ③ 분무상태를 양호하게 한다.
       ④ 완전연소에 도움을 준다.
       ⑤ 전기나 증기 등의 열매체가 사용된다.
       ⑥ 설치장소를 차지하게 된다.

    ㉯ 기름의 가열온도
       80~90℃이며 중유 예열온도에서 나타나는 현상은 표 6-3과 같다.

    ㉰ 중유예열기의 종류
       ① 증기식 예열기
       ② 온수식 예열기
       ③ 전기식 예열기(가장 많이 사용함)
    ㉱ 오일펌프의 종류 : 기어펌프
(2) 여과기
    연료유 및 배관 속에 들어가는 협잡물 제거에 사용한다.
    ① 사용재료 : 철망 또는 다공금속관
    ② 종류 : 단식여과기, 복식여과기
    ③ 설치위치 : 오일펌프 입구측

(3) 솔레노이드 밸브 (Solenoid Valve : 전자밸브)
    보일러 가동 중 불꽃의 소화(消火), 압력초과 등 이상현상 발생시 긴급히 연료를 차단하여 보일러의 위해를 사전에 방지하는 일종의 안전장치이다. 연료가 차단됨으로써 버너가동이 중지되고 또한 정전시에도 예방이 됨으로써 연료계통에 필수적인 부대장치이다.

(4) 유량계
    보일러가 가동되고 있는 동안 연료 소비량을 알기 위해서 설치하는 계기로서 주로 용적유량계인 오벌 유량계가 많이 사용되고 있으며 유량계의 앞에는 여과기를 반드시 설치하여야 한다.

6. 연소 점화장치
(1) 수동점화 토치
    길이 1m정도의 점화봉에(10㎜ 직경) 석면이나 천을 끝부분에 감아서 만든 후 경유에 적신 후 화구에 밀어 넣어서 5초 이내에 주버너에 착화시키며 특징은 다음과 같다.
    ① 점화 실패가 많다.
    ② 사용이 불편하다.
    ③ 연소용 공기의 압력이 높아서 점화봉의 불꽃이 꺼지지 않게 하여야 한다.
(2) 전기스파크식(자동점화식)
    버너에 플러그를 두고 변압기에서 고전압으로 플러그에 보내면 강한 스파크(불꽃)가 발생하여 가스연료나 경유에 순간적으로 점화가 일어난다.
    ① 특징
       ㉠ 착화가 수동식에 비해 쉽게 된다.
       ㉡ 불꽃의 안정을 형성하는 노즐이 있다.
       ㉢ 불이 잘 꺼지지 않는다.
    ② 착화에 필요한 전압
       ㉠ 가스연료 착화버너 : 5,000~6,000 V
       ㉡ 경유연료 착화버너 : 10,000~15,000 V
    ③ 가스착화 버너의 분류
       ㉠ 내부혼합식 : 불꽃이 날카롭고 안정성이 크다.
       ㉡ 외부혼합식 : 버너 노즐 끝에 연소용 공기와 접촉·혼합되어 연소되는 방법
       ㉢ 반혼합식 : 불꽃이 부드럽고 길며 저·고압일 때나 주버너 점화 후 끄는 경우에 사용

7. 도시가스와 연소장치
   도시가스의 주성분은 통상 CH₄, H₂로 하고 있으나, 근래에는 LPG, 석탄 코크스, 납사, 중유 등이 도시가스 원료로 광범위하게 이용되고 있다.
   ① 기체연료 : 오프가스, 천연가스
   ② 액체연료 : LPG(C₄H₁₀), LPG(C₃H), 중유
   또한 도시가스는 다음의 특징이 있다.
   ① 공기보다 가벼워 누설시 바닥에 체류하지 않는다.
   ② 연소 후 공해 발생이 없고 끓는점 및 발열량이 낮다
   ③ 공급압력 선택의 폭이 넓다.
   ④ 연소성이 좋아 완전연소가 가능하고 LPG에 비해 산소 소비량이 적다.
   ⑤ 화염조절이 쉽고 온도 조절 폭이 넓다.
   ⑥ 연소 및 소화의 자동화가 쉽다.
   ⑦ 폭발한계는 5~15%이고 연소속도가 느리다.
   ⑧ 밀도가 낮고 무독성이다.

(1) 도시가스 공급방법
    ㉮ 배관 및 압력의 정의
       ① 배관 : 본관, 공급관, 내관
       ② 본관 : 도시가스제조 사업소의 부지경계에서 정압기까지의 배관
       ③ 공급관 : 정압기에서 가스사용자가 소유하는 토지경계까지의 배관
       ④ 내관 : 가스 사용자가 소유하는 토지경계에서 연소기까지의 배관
       ⑤ 저압 : 1㎏/㎠ 미만
       ⑥ 중압 : 1㎏/㎠ 이상 10㎏/㎠ 미만
       ⑦ 고압 : 10㎏/㎠ 이상
    ㉯ 저압공급방식
       수용가 압력차가 100~200㎜Aq 공급
    ㉰ 중압공급방식
       가스홀더에서 중압(3㎏/㎠ 미만)으로 압축시켜 중압관을 통하여 송출하고 저압으로 정압시켜 수요자에게 공급하는 방식
    ㉱ 고압공급방식
       공급거리가 먼 경우와 수송량이 많은 경우에는 압송하는 압력을 증대시켜 배관 매설 비용을 절약한다. 공급압력은 60㎏/㎠(?) 정도이다.
(2) 도시가스 부대설비
    ㉮ 정압기 (Governer)
       가스의 공급압력을 고압에서 중압으로, 중압에서 저압으로 감압하여 사용 가구에 맞는 적당한 압력으로 공급하기 위하여 사용되는 것으로 가스가 통과하는 배관의 적당한 위치에 설치하여 1차 압력 및 부하유량의 변동과 관계없이 2차 압력을 일정하게 유지하는 기능을 가진다.
    ㉯ 가스미터 (계량기)
       ① 측정방식
          ㉠ 실측식 : 일정량의 부피가 몇 회 측정되었는가를 측정하여 적산하는 방식
          ㉡ 추량식 : 유량과 일정한 관계가 있는 다른 양, 즉 날개의 회전수 등을 측정하여 간접적으로 구하는 방식

     
    ㉰ 긴급차단장치
       ① 가스 긴급차단 장치 구성
          ㉠ 긴급차단밸브
          ㉡ 조작반
          ㉢ 신호선
       ② 원리 : 긴급시에 조작반의 즈위치를 누르면 원격조정에 의해 긴급 차단밸브가 닫혀 가스공급을 순간적으로 차단시켜 사고의 원인을 막는다(주배관에 설치).
       ③ 종류
          ㉠ 스프링식 : 직동형, 마그네트형
          ㉡ 탄산가스식 : 봄베식
    ㉱ 가스누설경보기
       가스의 누설을 검지하여 그 농도를 지시함과 동시에 미리 설정된 가스 농도값에서 경보를 울린다.
       공기보다 무거울 경우 : 바닥에서 30㎝ 위
       공기보다 가벼울 경우 : 천장에서 30㎝ 아래
    ㉲ 가스누설 차단장치
       가스사용시설에 가스누설 경보기로 누설되는 가스를 검지하여 자동으로 가스의 공급을 차단하다(가정용은 제외). 가스미터를 지난 후 가스 사용기구(연소기구)에 연결하기 위한 배관의 말단 밸브이다.
    ㉳ 수용가용 차단밸브
       도로에 평행하게 매설되어 있는 중압 또는 저압본관에서 가스사용자가 소유하거나 점유하고 있는 토지에 속해 있는 배관에서 긴급한 경우 수동으로 가스의 공급을 신속히 차단할 수 있도록 수용가 부지 내에 설치하는 밸브이다.

8. 가스연소장치
(1) 버너종류
    ① 분젠 버너(유도혼합식 버너)
    ② 브라스터 버너(강제혼합식 버너)
       ㉠ 원혼합식 버너(프리믹스식 Pre-Mix)
       ㉡ 선혼합식 버너(노즐믹스식 Nozzle-Mix)
    ③ 적화식 버너
    ④ 가정용 버너(소형버너) : GX버너가 있으며, 소형 온수보일러에 사용한다.
    ⑤ 가스, 기름 혼소용 버너
(2) 연소시 발생하는 현상
    ㉮ 불완전 연소 원인
       ① 가스비와 공기비가 맞지 않을 때
       ② 배기가스 배출이 불량할 때
       ③ 연소기구 프레임(염공)의 냉각시
    ㉯ 역화(Back Fire) 원인
       ① 염공의 확대로 분출가스압 저하시
       ② 버너의 노즐 부근에서 과열로 연소속도 증대시
       ③ 1차 공기압이 과대할 때
    ㉰ 선화(Lift) 원인
       ① 조정기의 고장으로 인해 버너에 과대한 압이 발생될 때
       ② 배기가스 뱇툴 불량으로 인한 2차 공기 공급량 불량시
       ③ 버너의 노즐 구경이 맞지 않을 때
    ㉱ 적황색(Yellow Chip)
       1차 공기 부족으로 염공의 불꽃이 적황색을 띠면서 연소하는 현상을 말하며 적황색 불꽃 연소시에는 불완전 연소가 발생한다.

9. 가스 사용시설 안전관리
(1) 안전점검 방법
    ① 실내외 배관의 연결부위는 비눗물 또는 검지기로 누설여부를 확인한다.
    ② 사용 중에 배관 또는 연소기에서 냄새가 나지 않는지 확인한다.
    ③ 밸브나 콕 작동여부 및 가스누설 자동차단기 및 경보기 작동상태를 확인한다.
    ④ 현재 사용하고 있는 연소기에 접속되어 있는 호스피팅류 등이 양호한 상태로 부착되어 있는지 확인한다.
    ⑤ 배관의 고정은 관경 13㎜ 미만은 1m마다, 13~33㎜ 미만은 2m마다, 33㎜ 이상은 3m마다 고정장치가 되어 있나 확인하고, 고정장치의 이탈 및 취약한 곳이 있는지 확인하고 보완한다.
    ⑥ 사용시설의 변경폐쇄로 인한 가스배관 말단 마감조치 즉, 캡이나 플러그가 되어 있는지 확인한다.
    ⑦ 가스누설 검사시 성냥이나 라이터 등으로 점화하여 점검하여서는 안된다.
    ⑧ 배관나사의 접합부 유니온, 콕, 호스 연결부는 가스누설 우려가 많으므로 수시로 비눗물이나 검지기로 확인한다.
    ⑨ 관리상 불편한 장소나 수분이 접하는 장소에는 광명단이나 페인트로 부식을 방지하는 등의 조치가 되어 있는지 확인한다.
(2) 재해 발생시 응급조치
    ① 각 사용처별 차단밸브 위치를 숙지하여 사고 장소에 가스공급을 차단한다.
    ② 최대한 환기조치를 하되 전기용품의 조작은 금한다.
    ③ 사고지점의 인원을 통제하고 안전한 장소로 대피시킨다.

Ⅲ. 연소계산

1. 산소 및 공기량
   가연성 물질(연료)이 연소하려면 공기(산소)와 점화원(불씨)이 꼭 필요하며 특히 공기는 연소에 긴밀한 관계를 유지하므로 연소에 필요한 산소량을 알맞게 공급하여 연료의 완전연소에 지장이 없도록 해야 하며 그러기 위해서는 공기량의 산출이 꼭 필요하다. 연료 속에는 여러가지 성분이 있으나 그 중에 가연성분은 C, H, S 등이 있다. 이 3성분에 대해서 산소량 및 공기량을 산출하면 된다.

    여기서 H, O, N은 단원자만으로는 다른 원소와 결합이 불가능하므로 항상 2원자로 결합하며, "분자량 = 분자구성 원자량의 합"이다.
(1) 이론산소량(Oo)
    연료를 이론적으로 완전 연소시키는 데 필요한 최소의 산소량을 말한다.
    ㉮ 고체 및 액체 연료의 이론 산소량
       ① 탄소(C)의 이론 산소량

       ② 수소(H)의 이론 산소량

       ③ 유황(S)의 이론 산소량

       이것을 종합한 전체의 이론 산소량(O₂)은 다음과 같으며 (H - O/8)에 대해서는 이론 공기량(Ao)편을 참고하기 바란다.

    ㉯ 단순기체의 이론 산소량
       단순기체는 여러 종류가 있지만 가장 많이 쓰이는 기체에 대해서만 열거하고 단순 기체(C(m)H(n))의 연소 반응식은 다음과 같다.

(2) 이론 공기량(Ao)
    연소에 필요한 산소를 공급하는데 가장 손쉬운 것은 공기다. 이 공기 속에서 산소(O₂), 질소(N₂), 아르곤(Ar) 등이 섞여 있다. 그러나 아르곤량은 미량이므로 계산상에서는 산소(O₂), 질소(N₂)만 취급한다. 그러므로 산소(O₂)를 연소에 필요한 만큼 공급하려면 공기량을 산소량에 따라서 계산하여야 한다. 공기량을 100으로 볼 경우 이 속에는 부피비율로 따져 산소가 21%, 질소가 79%이며, 중량비율로 따지면 산소가 23.2%, 질소가 76.8% 들어 있으므로, 산소량에 따른 이론 공기량(Ao)은

    ㉮ 고체 및 액체연료의 이론 공기량(Ao)
       고체와 액체연료의 계량단위는 중량 단위로는 ㎏이며 여기에서 단위가 ㎏/㎏인 것은 공기량을 비율단위가 아닌 중량단위로 구한 것이다.

    이상과 같이 C, H, S를 종합하면

    ※ 참고
       연료 속의 수소는 해당 연료 속의 산소와 결합하여 결합수가 되는 수소와, 공기 중의 산소와 결합하여 연소할 수 있는 수소(유효수소)가 있다. 즉 (H - O/8)는 연료 속에 산소(O)가 함유되어 있지 안을 경우에는 관계가 없지만 산소가 함유되어 있을 경우는 수소 전부가 연소하지 않는다. 왜냐하면 연료 중에 같이 포함되어 있는 산소와 결합하여 H₂O 를 생서하기 때문이다.
       그래서 H₂+ O₂/ 2 → H₂O 에서 수소 2개와 산소 1개가 결합을 하므로 수소 : 산소의 중량비는 1:8이다. 연료 속의 산소가 8㎏이 있다면 수소 1㎏을 연소시키지 않고 H₂O를 생성한다. 수소량에서 O/8만큼 연소하지 않는다는 뜻이다. (H - O/8)을 유효수소(탈 수 있는 수소)라 하고, O/8을 무효수소(탈 수 없는 수소)라 한다.
    ㉯ 기체연료의 이론 공기량(Ao)

    ㉰ 이론 공기량(Ao)의 간이 계산식
       연료의 원소(성분)분석을 하지 않는 경우는 그 발열량(H(l))에서 이론 공기량(Ao)을 계산할 수 있다.

(3) 실제 공기량(A)
    실제로 연료를 연소시키는 경우에는 그 연료의 이론 공기량만으로 완전히 연소하기는 거의 불가능하며 불완전 연소가 되기 쉽다. 따라서 여분의 공기를 보내어 가연성분과 산소와의 접촉을 양호하게 하여 연소에 완벽을 기하지 않으면 안된다. 실제로 사용한 공기량이 그 이론량의 몇 배에 상당하는가를 보이는 계수를 공기비라 하고, m 으로 나타낸다. 따라서 실제의 연소에 사용한 공기량 A는 그 이론 공기량 Ao에 공기비 m 을 곱한 것이 된다.

(4) 공기비(m)
    연료를 연소시키는 경우에 실제로 사용된 공기량(A)을 그 이론 공기량(Ao)으로 나눈 것을 공기비(m)라 한다. 즉 공기비는 실제 공기량의 이론 공기량에 대한 비율로 나타낸다.

    일반적으로 말하면 보일러의 경우에 연료 상태에 따라 공기비는 고체연료 1.4~2.0, 미분탄 및 액체연료 1.2 ~ 1.4, 기체연료 1.1~1.3 정도이다.
    ㉮ 배기가스 성분분석 결과에 따른 공기비 계산식
       ① 완전연소시

       ① 불완전연소시


    ㉯ 연료 중에 수소가 없거나 아주 적을 경우
       완전 연소. 즉 일산화탄소 성분이 없을 경우 공기 속에는 산소가 21%, 질소가 79%이다. 따라서 공기비(m)는

    ㉰ CO₂max(%)에 의한 공기비(m)

       ① 공기비가 적을 경우의 장해
          ㉠ 불완전 연소가 되기 쉽다.
          ㉡ 미연소에 의한 열손실이 증가한다.
          ㉢ 미연소 가스로 인한 역화의 위험성이 있다.
       ② 공기비가 클 경우의 장해
          ㉠ 배기가스량이 많아져 배기가스에 의한 열손실이 증가한다.
          ㉡ 연소실 내의 온도가 내려간다.
          ㉢ 연소가스 중의 NO₂발생이 심하여 대기오염을 초래한다.
          * 배기가스 중에 CO가 1% 발생할 때마다 열손실은 3.85%이다.
          * 공기비가 0.1 낮아질 때마다 CO₂농도는 1% 증가하고, 연료 절감율은 약 1%이다.


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출처 : 학성산의 행복찾기
글쓴이 : 학성산 원글보기
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