연소

연소(燃燒)는 물질이 산소와 화합할 때에, 많은 빛과 열을 내는 현상으로 넓은 뜻으로는 열과 빛을 수반하지 않는 산화 반응과, 원자로 안에서 진행하는 연쇄 핵분열 반응도 포함한다.

정의

연소는 산화 반응의 일종으로, 물질이 산소와 결합하면서 열과 빛을 방출하고 매우 빠르게 일어나는 현상을 가리킨다. 연소는 다른 일반적인 산화 반응과 구분된다. 생체에서 일어나는 산화 반응은 열과 빛을 동반하지 않으므로 연소 반응이 아니다. 열과 빛은 흔히 볼 수 있는 불꽃 형태로 나타나고, 반응은 열역학적으로 발열 반응이다. 일반적으로는 열과 빛을 수반하는 산화반응으로 정의하고 있으나 물질이 단순히 산화하였다고 연소라고는 하지 않는다.

역사

고대 그리스에서는 연소 반응이 산소와의 반응인 것을 알지 못했다. 당시에 학자들은 연소 상태가 기체 상태인 것을 인지하지 못하여 연소 반응에 대한 해석으로 불을 원소 개념으로 도입했다. 중세에는 연소와 관련하여 플로지스톤이라는 개념이 등장하였다. 같은 양의 서로 다른 물질을 연소시켰을 때 남는 재의 양은 서로 다른 것을 보고 물질마다 각기 다른 플로지스톤을 가지고 있으며, 연소하면 이 플로지스톤이 모두 빠져나간다고 해석하였다. 금속의 경우 연소하고 난 뒤 질량이 증가하는 것을 보고, 이 플로지스톤의 성질을 무중량과 음의 중량을 갖는 물질로 제안했다. 하지만 이 이론은 기체에 대한 개념을 도입하여 실험한 라부아지에의 근대 연소이론에 의해 완전히 부정되었다. 이후 여러 실험을 통해 연소가 산소와 물질의 반응이라는 것을 알아냈다.

연소 조건

• 조성조건 : 연소가 일어나기 위해서는 가연성물질로부터 방출되는 가연성가스의 농도와 산화제의 혼합비가 일정범위내로 되어야 한다. 이 농도의 하한을 연소(폭발이라고도 한다)의 하한계라 하며 연소의 범위, 온도, 압력, 등에 의해서도 변화한다.

• 에너지조건 : 일반적으로 화학변화는 물질로부터 생성물로의 물질변화로 생각되지만 이때의 원물질로부터 직접 생성물로 되지 않고 원물질의 특성에 따라 일정한 에너지를 열적, 전기적, 기계적 등의 방법에 의해 받아 활성화상태에 이른후에 에너지를 방출하기 시작하여 생성물로 된다. 연소의 경우에는 이 활성화에 필요한 에너지가 점화에너지이며 이때 생성물과 원물질과의 에너지의 차이가 연소열이다.

• 화학적반응 : 산소와 반응하는 물질(산소가 충분히 화합되어 있는 산화물 co2, NO2는 불활성 원소가 된다)이어야 하며, 산소와 반응시 발열반응이어야 한다(즉, 흡열반응 물질은 가연물이 될 수 없다).

• 열전도율 :열전도율이 낮아야한다. 열전도율이 높으면 열이 축적되지 못하여 가연물이 될 수 없다. 따라서 열전도율이 낮은 기체<액체<고체 순으로 연소가 용이하다.

연소의 형태

구분 및 형태		가연물 "예"	비고
기체연소	예혼합연소 premixed combustion	분젠버너,가정용가스기기점화, 산소용접기	기체연료와 공기와 미리 혼합하여 혼합기를 통하며 여기에 점화시켜 연소하는 형태
	확산연소 diffusive combustion	초심지연소, 심지식 석유난로, 성냥, 산림화재, pool 화재	연료가스와 공기가 혼합되면서 연소하는 형태
	폭발연소		화학변화를 수반하는 급격한 압력상승현상으로 폭음과 발광을 수반하는 연소반응. 폭발에는 물리적 변화와 화학적 변화에 의한 폭발이 있고 화학적변화에 의한 폭발은 연소폭발과 분해폭발로 구분
액체연소	증발연소 Evaporation combustion	파라핀. 황, 나프탈렌, 기타 액체가연물	가열시 열분해가 없이 직접 증발하여 증기가 연소하거나, 융해된 액체가 기화하여 연소하는 형태로서, 최근에는 증발관을 사용하지 않고 공기 압축기에서 나온 고온공기를 연료를 뿜어 넣어서 예증발시켜 연소실에서 희박 예혼합 연소시키는 방법이 있다.
	액면연소	포트연소(pot burning), 경계층연소, 전파화염	화염에서 복사나 대류로서 연료표면에 열이 전하여 증발이 일어나고 발생한 증기가 공기와 접촉하여 유면의 상부에서 확산연소하는 것.
	분해연소	목재, 석탄, 종이,플라스틱	가열시 열분해에 의해 생성된 가연성가스가 공기와 혼합 착화하여 연소가 진행되는 형태
	등심연소	심지상하심버너, 석유램프	연료를 모세관 현상에 의해 등심선단으로 빨아올려 등심의 표면에서 증발시켜 확산연소를 행하는 것
	분무연소		액체연료를 수 ~ 수백 micron의 무수한 액적으로 미립화시켜 증발 표면적을 증가시켜 공기와의 혼합을 좋게하여 연소하는 것이다. 공업적으로 가장 많이 이용.
고체연소	표면연소 (surface combustion)	목탄, 코크스, 금속분	가열시 열분해에 의해 증발되는 성분이 없이 물체 표면에서 산소와 직접 반응하여 연소가능한 물질이 분해하여 연소하는 형태로 산화반응에 의해 열과 빛을 발생한다.
	분해연소
	증발연소
	자기연소(내부연소)	니트로 글리세린, 니트로셀룰로오즈. 질산 에스테르류	고체 가연물이 분자 내에 산소를 가지고 있어 가열시 열분해에 의해 가스생성물과 함께 산소를 발생하여 공기중의 산소가 부족하여도 연소가 진행되는 형태, 이 경우 회부 산소 존재시에는 폭발로 진행될 수도 있다.

연소 방법

• 연소가 일어나기 위해서는 가연물과 산소와의 혼합물이 외부에서 점화에너지를 받아 착화, 혹은 발화하여 그에 따라 발생하는 연소열에 의해 미 반응부분의 활성화가 일어나야 한다. 그리하여 그 열에너지의 차가 클수록 연소하기 쉽게 된다. 그렇지만 이때 외부에서 받은 열과 자신에게 생긴 연소열이 전부 미반응 부분의 활성화에 쓰여지지 않고 복사열, 전도열에 의해 소실되고 가열물이 분해하여 기화할 때와 연소성상물과 함께 달아나는 것이 많다, 즉, 흡열과 발열을 비교할 때 발열이 크면 연소가 계속된다.

구분	연소의 방법
분젠식	가스가 노즐에서 분사되며 이의 운동에너지에 의해 공기구멍으로부터 1차공기를 흡입한다. 가스와 1차 공기가 혼합관 속에서 혼합되어 염공으로 나오며 연소된다. 불꽃 주위에서 확산에 의해 2차공기를 취하게 된다.
적화식	가스를 그대로 대기중에 분출하여 연소시킨다. 필요공기는 모두 불꽃 주변에서 확산에 의해 취하게 된다. 연소과정은 아주 늦고 불꽃은 길게 늘어나 적황색을 딘다. 불꽃 온도는 900℃ 정돌 비교적 낮음 불꽃 색깔이 적황색이 되는 것은 완전히 방응되지 못한 탄화수소가 온가가 상승하여 일부가 분해되어 탄소입자가 분리되어 적열되기 때문이다.
세미분젠식	적화식과 분젠식의 중간형식이다. 1차 공기율이 40% 이하가 된다.
전1차공기식	필요한 공기의 전부가 1차공기 만으로 공급되며 가스와 혼합하여 연소한다. 전부 1차공기만 흡인하므로 역화하기 쉽다. 역화방지를 위해 염공의 특별구조가 필요하다.

완전연소, 불완전연소

연소는 조건에 따라 완전 연소와 불완전 연소로 나눠진다. 완전 연소는 연소에 필요한 산소나 온도 조건이 충족된 연소 반응이고, 불완전 연소는 산소나 온도 조건이 제대로 충족되지 않고 일어난 연소 반응이다. 불완전 연소에서는 일산화탄소(CO)나 그을음(C, soot) 등이 발생한다. 산소가 불충분하여 일산화 탄소가 생성되기도 하지만 높은 온도에서 일산화 탄소가 열역학적으로 안정하기 때문에 생성되기도 한다. 유기물이 완전 연소하기 위해서는 대략 이론적인 필요량의 약 2-3배 정도 공기가 필요한 것으로 알려져 있다. 불완전 연소 때 발생하는 일산화 탄소를 흡입하면 두통, 어지러움, 구토 등이 나타나며, 그 양이 많으면 사망할 수 있다. 일산화 탄소는 폐에서 흡수되어 산소보다 더 강하게 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 산소 공급, 즉 내호흡을 불가능하게 만든다. 휘발유 차량과 같은 내연기관에서는 연료가 완전 연소하도록 다양한 구조적 요소를 더한다..

정상연소, 이상연소

정상연소

과도한 압력상승률로 인해 기관의 운전장해가 발생되지 않는 범위 내에서 기관의 성능이 최대로 될 때의 연소형태를 말한다. 온도파 화염전파와 경미한 압력파 화염전파가 정상연소로 취급된다. 일반적으로 스파크플러그의 반대편 끝까지 화염이 진행하여 연소가 완료되는 것을 정상연소로 취급한다. 그러나 경미한 압력파 화염전파는 오히려 연소를 촉진시켜 기관의 효율을 증가시키므로 정상연소의 범위에 포함시킨다.

이상연소

이상연소는 정상연소에 대응되는 개념으로 급격한 압력파의 누적에 의해 충격적으로 연소가 이루어져, 기관의 운전장해와 출력저하를 초래하는 연소형태를 말한다. 열효율 측면에서 보면 오토기관에서는 연소속도가 빠를수록 유리하다. 그러나 이와 같은 이론적인 전제는 노크 때문에 제한되며, 제한범위 이상의 속도로 연소가 진행될 경우이다

• 디토네이션 : 압력파의 누적에 의해 말단 가스(end gas)가 보통의 압력파의 진행속도보다 훨씬 빠른 속도로 연소되는 현상 그 자체를 말한다.

• 조기점화 : 스파크플러그로부터의 불꽃에 의한 점화에 앞서 혼합기가, 또는 스파크플러그에 의한 정상점화가 이루어진 후에도 정상화염이 도달되기 전에 말단가스(end gas)가 실린더 내의 다른 어떤 고온 표면(hot spot)에 의해서 점화되는 현상을 말한다. 노크와 조기점화는 서로 상대를 유발시켜 기관운전 장해와 출력저하를 초래하는 수가 있다.

연소 장치

가스 또는 액체의 연소를 연소실에서 완전히 연소시키는 장치를 말한다. 버너, 연료공급관, 연료차단밸브, 통풍장치, 통풍조절장치, 에어 레지스터, 분사펌프, 가열장치, 안전장치 등 연소시키는데 필요한 기기를 조합시킨 것으로 간단한 버너와 통풍기만을 조합시킨 것까지 여러 가지 구조형식이 있지만, 이것들을 종합한 것을 말한다. 연소장치의 적정한 구조 및 관리는 노내 가스폭발 또는 저수위 사고의 방지에 중요한 사항으로 되어 있다.

참고자료

• 〈연소〉, 《네이버 지식백과》
• 〈연소〉, 《건설종합기술정보》
• 김재휘, 〈정상연소와 이상연소〉, 《최신자동차공학시리즈 1 - 자동차가솔린기관(오토기관)》, 2012-09-03
• 최상복, 〈연소장치〉, 《산업안전대사전》, 2021-01-06

같이 보기

• 휘발유
• 연료
• 연기

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