고체연료

고체연료(固體燃料, solid fuel)는 에너지를 내기 위해 태울 수 있는 다양한 형태의 고체형 자재를 의미하며 연소 과정에 빛과 열을 제공한다. 고체 연료와 대비되는 용어로는 액체연료와 연료가스가 있다. 고체연료의 일반적인 예로는 목재, 목탄, 이탄, 석탄, 우드 펠릿, 옥수수, 밀, 호밀, 기타 곡물이 포함된다. 고체연료는 고체 추진체로서 로켓공학에 널리 사용된다. 고체연료는 인류 역사를 통틀어 보면 불을 만들기 위해 사용되고 있으며 고체 연료는 오늘날에도 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.

개요

고체연료는 말 그대로 고체 형태의 연료를 말한다. 주로 고체연료라고 하면, 인공적으로 연료와 더불어 산화물 따위를 섞은 후, 굳혀 고형화시킨 물건을 뜻한다. 이러한 인공 고체연료는 대부분 메탄올을 고형화시켜 만든 것이 대다수다. 가볍고 부피대비 긴 연소시간과 고른 화력을 가졌으며 최근에 나오는 제품들은 불순물을 최소화하여 매연이 거의 나오지 않도록 제작되어 있다.

그 의미가 반드시 인공적으로 만든 형태가 아니어도 장작이나 석탄과 같이 자연적으로 나는 연료도 고체연료라고 할 수 있다.

고체연료는 액체·기체 등의 유체연료(流體燃料)에 대응하는 말이다. 고체연료는 액체·기체 연료보다 발화점(숯·석탄 300~400℃, 가솔린 350∼400℃, 중유 400∼500℃, 도시가스 550∼600℃)이 낮은 데도 불이 쉽게 붙지 않는다. 그것은 액체·기체 연료는 일부가 발화점 이상이 되어 불이 붙으면 갑자기 번져 다량의 발열을 수반하고, 항상 발화점 이상으로 유지되므로 계속 탄다.

그러나 고체연료는 일부가 발화점 이상이 되어 타기 시작하더라도 타는 속도가 느려 열의 발생이 적고, 냉각되어 온도가 빨리 떨어져 타다 말고 꺼져버리기 때문이다. 고체연료를 태우려면 불씨를 많게 하고 공기를 충분히 공급해야 한다. 석탄·코크스 등의 고체연료를 대규모로 완전 연소시키기 위해서는 송풍기로 공기를 보내거나 강제통풍을 해야 한다.

고체연료는 타고 난 뒤에 재가 남게 되므로, 이것을 연속적으로 제거하는 방법이 사용된다. 이 밖에 로켓의 추진제에도 고체연료라는 명칭이 사용되는데, 이것은 연료와 산화제를 혼합하여 고형으로 한 것으로, 액체 추진제에 대응해서 쓰는 말이다.

종류

목재

목재 연료는 장작, 목탄, 나뭇조각, 펠릿, 톱밥과 같은 여러 연료를 의미할 수 있다. 쓰이는 형태는 기원, 수량, 질, 응용분야 등 여러 요인에 의해 달라질 수 있다. 여러 부문에서 목재는 가장 쉽게 구할 수 있는 연료 형태이며 고목을 구하는 경우 도구가 필요 없으며 그 외의 경우라도 도구가 거의 필요하지 않다. 오늘날 목재의 연소는 고체 연료 바이오매스로부터 얻는 에너지 중 가장 많은 이용률을 차지한다. 목재 연료는 음식 조리와 중앙 난방에 사용이 가능하며 종종 발전을 위한 증기기관, 증기 터빈의 연료 공급에도 사용된다. 목재는 실내에서는 용광로, 스토브, 벽난로에 쓰일 수 있으며 실외에서는 용광로, 캠프파이어, 모닥불로 사용할 수 있다. 모든 유형의 불과 마찬가지로 연소하는 목재 연료는 수많은 부산물을 만들어내며 그 중 일부(열기, 증기)는 유용할 수 있으며 일부는 유용하지 않거나 성가시거나 위험할 수 있다.

바이오매스

목재가 바이오매스의 일종이지만 이 용어는 일반적으로 연료를 위해 연소시킬 수 있는 다른 천연 식물 자재를 의미한다. 일반적인 바이오매스 연료로는 폐기된 밀, 지푸라기, 견과 껍질, 기타 섬유 물질을 포함한다.

이탄

이탄 연료는 충분히 건조되면 연소시킬 수 있는, 부분적으로 분해된 식생이나 유기 물질이 축적된 연료를 말한다.

석탄

석탄은 일반적으로 암석층 또는 탄층에서 발생하는 가연성의 검거나 검갈색의 퇴적암이다. 역사적으로 보면 석탄은 에너지 자원으로 사용되고 있으며 주로 전기와 열기를 생산하기 위해 연소되며 금속을 정제하는 등의 산업적 목적을 위해서도 사용된다. 석탄은 전 세계적으로 발전을 위한 최대 에너지 자원이며 전 세계에서 이산화 탄소 방출의 최대의 인위적 자원 가운데 하나에 속한다. 석탄 추출과 에너지 생산 시의 사용, 그리고 그에 따른 부산물은 모두 지구 온난화를 포함한 환경 및 건강의 영향과 관련된다.

코크스

코크스는 탄소가 많이 함유되고 불순물이 거의 없는 연료이며 보통은 석탄으로부터 만들어진다. 재와 황이 적은 역청탄의 분해 증류를 통해 얻는 고체 탄소성 물질이다. 석탄으로 이루어진 코크스는 회색이고 딱딱하며 다공성이다. 코크스를 자연에서 채취할 수 있으나 일반적으로 쓰이는 형태는 인공이다.

쓰레기

쓰레기는 일반에 의해 버림을 받는 일상 물건들로 이루어진 폐기물을 말한다. 적절한 기술을 사용하면 기체화한 뒤 연료 자원으로 전환이 가능하다. 그러나 매우 기술 중심적이고 폐기물에 독성 물질이 함유되지 않은 상황에서만 사용이 가능하다.

로켓 연료

고체 로켓 연료는 질산 암모늄과 같은 고체 산화제로 구성되며 이는 RDX와 같은 에너지 화합물과 가소제, 안정제, 그리고 기타 추가 물질들과 함께 섞인다. 고체 추진 연료는 액체 연료에 비해 보관과 관리가 쉽다. 에너지 밀도도 더 높아서 같은 양의 비축 에너지에 대해 많은 공간을 요구하지 않는다.

특징

고체연료의 장점

• ① 연소성이 늦어 특수용도로 사용 (제철, 용광로)
• ② 저장ㆍ운반시에 노천야적 가능
• ③ 가격이 저렴하고 연소장치가 간단하다.
• ④ 인화ㆍ폭발의 위험이 적다.
• ⑤ 가격이 저렴하다.

고체연료의 단점

• ① 연소 시 매연발생이 심하고, 회분(Ash)이 많음.
• ② 부하변동에 적응성이 좋지 않음 (기체 > 액체 > 고체연료 순)
• ③ 운반 및 취급이 불편하고, 점화ㆍ소화가 어려움
• ④ 사용 전 건조ㆍ분쇄 등 전처리 필요.
• ⑤ 연소 시 많은 공기가 요구되어 설비가 대형화된다는 단점이 있다.

참고자료

• 〈고체연료〉, 《위키백과》
• 〈고체연료〉, 《나무위키》
• 〈고체연료〉, 《두산백과》

같이 보기

• 액체연료
• 기체연료
• 연료가스

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