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액체연료
액체연료(液體燃料, liquid fuel)는 석유나 알코올과 같이 액체 상태로 이용하는 연료를 말한다. 고체연료에 비해 운반하기 쉽고 착화성(着火性)이 좋으며, 연소의 조절이 용이하고 일반적으로 열효율이 높은 이점이 있다. 또 가솔린 ·등유 ·경유 등은 기화시켜 내연기관에서 연소시키는데, 재가 생기지 않아 효율적으로 사용할 수 있다. 그러나 휘발하기 쉬워 화재나 폭발할 위험이 있다.
목차
액체연료의 특성
연소적 측면
- 발열량이 크고 연소효율과 열효율이 높다.
- 회분이 거의 없고 점화 및 소화 등 연소조절이 용이하다.
- 반면에 연소온도가 높아 국부과열을 일으킬 수 있고 화재 및 역화의 위험성이 크다.
대기오염적 측면
- 석탄에 비해 매연 발생량은 적으나 중질유의 경우 황분을 함유하므로 SOX를 발생시킨다.
장치적 측면
- 저장 및 계량, 운반이 용이하다.
- 연소장치인 버너에 따라 소음이 발생될 수 있다.
- 연료 중에 미량 함유된 바나듐 등이 금속산화물에 의해 연소장치에 문제가 생길 수 있다.
액체연료의 연소형태
분무연소(Spray Combustion)
- 중유 등 액체연료를 분무하여 미세액적으로 만들어 산소와 연소시키는 방식이다.
- 미립화시 연료의 증발표면적이 크게 증가한다.
- 액체의 미립화에 영향을 미치는 요인으로 분사압력, 분사속도, 연료의 점도 등이 있다.
- 보일러의 오일연소 등에 사용된다.
증발연소(Evaporative Combustion)
- 액체연료인 휘발유, 등유, 경유, 알코올, 벤젠 등이 소량의 공기와 함께 증발관으로 보내져 만들어진 증발유와 산소가 결합하여 확산연소 되는 방식이다.
- 주로 가압식버너와 소형보일러 등에 사용된다.
=== 액면연소(Liquid surface Combustion) ===
- 등유와 경유 등과 같은 경질유의 표면이 방사나 대류현상에 의해 표면가열시 증발 현상이 일어나 증발유와 산소가 결합하여 확산연소 되는 방식이다.
- 일반적으로 액면연소기전은 포트연소, 경계층연소, 전파연소가 있으며 포트버너 등 폐유 소각장치에 사용된다.
등심연소(Wick Combustion)
- 심화연소라고도 하며 액체연료에 심지를 삽입하여 모세관현상을 이용하여 심지표면에 발생하는 연료증기가 산소와 결합하는 연소방식이다.
- 주로 석유램프에 사용하며 복사나 대류에 의해 부등심에 전달된 열에 의해 연료가 증발하여 등심의 상부와 측면에서 확산연소 된다.
액체연료의 종류 및 특성
석유 정제유
원유를 물리 및 화학적 방법을 통하여 가솔린, 등유, 경유, 중유를 말하여 원유를 탈수 후 상압증류장치로부터 경질, 중질의 나프타(Naphtha)가 만들어지고 중질 나프타는 옥탄가가 높은 고급가솔린, 비행기 연료로 사용한다.
동아시아의 기업 석유 정제유 탄소수 비등점(℃) 인화점(℃) 착화점(℃) 특성 가솔린(Gasoline) C8~C11 30~220 -20 ~ -40 300|align=center|-연소범위 : 1.4~7.6%
- 비중 : 0.7~0.8
- 고발열량 : 11000~11500kcal/kg등유(Kerosene) C10~C14 150~230 30~60 254 -비중 : 0.78
- 발열량 : 11000kcal/kg
- 무색 내지 담화색이며 인화점은 휘발유보다 높다.경유(Disel) C11~C19 200~350 254 254 - 비중 : 0.8~0.9정도
- 발열량 : 11000kcal/kg
- 정제한 것은 무색에 가깝고, 착화성 적부는 Cetane값으로 표시되며 세탄값은 40~60 정도가 좋다.중유(Heavy oil) C17이상 300이상 530~580 530~580 - 비중 : 0.84~0.96
- 발열량 : 10000~11000kcal/kg
- 중유의 점도는 C중유가 가장 높고 수송 시 적정점도는 500~1000cST이다.
- 석유류의 특성
- 비중이 높을수록
-점도, 유동점, 잔류탄소, 휘도, 방사율, C/H, 착화점이 높아진다.
- 발열량이 낮아진다.
- 점도(동점도) 낮을수록
- 유동점이 낮아져 유동성이 좋고 분무가 잘되므로 인화점이 낮아지고 연소가 잘된다.
- 증기압이 높을수록 인화점이 낮아져서 연소효율은 좋아지나 폭발의 위험성이 있다.
- C/H 비가 클수록
- 이론공연비(AFR)는 감소하고 매연이 발생하기 쉽다.
- 휘도와 방사율이 커진다.
- 화염은 장염이 된다.
- 중유 > 경유 > 등유 > 휘발유 (C/H비가 클수록 매연 증가)
- 탄수소비(C/H비) : 연료의 구성성분 중 탄소와 수소의 중량비를 탄수소비라 하며 일반적으로
- -고체연료의 탄수소비는 15~20, 액체연료의 탄수소비는 5~10, 기체연료의 탄수소비는 1~3이며, 석탄은 10~30, 중유는 7~8, 경유는 5~6, 메탄은 3정도이다.
- - 액체연료의 경우 탄수소비는 중유가 가장 크며 경유, 등유, 휘발유 순이다.
- - 기체연료는 올레핀계가 가장 크며 나프틴계, 아세틸계, 프로필계, 메탄 순이다.
- - 일반적으로 탄수소비가 클수록 이론공연비(AFR)는 감소하고 매연이 발생하기 쉬우며 휘도와 방사율이 커지고 화염은 장염이 된다.
중유(Heavy Oil)
중유는 원유에서 가솔린, 등유, 경유를 증류 후 얻어지는 갈색 또는 흑갈색 액체로 원유 부피의 30~50%를 중유로 얻을 수 있으며 비등점 300℃ 이상이며 탄소(carbon)는 C17 이상의 탄화수소이다.
- 비중 : 4℃의 물에 대한 15℃의 중유의 중량비를 기름의 비중이라 하며 중유의 비중은 0.92~0.96이다.
- 비중이 클수록 점도, 유동점, 잔류탄소가 증가된다.
- 비중이 큰 연료는 연소 시 발열량이 낮아지고 화염의 휘도가 커지고 방사율이 커진다.
- 점도 : 저점도의 중유(A중유)는 고점도의 중유(C중유)보다 유동점이 낮아 유동성이 좋으며 분무화가 잘 되므로 인화점이 낮아지면서 연소가 잘된다.
- 점도 크기 순 : C중유 > B중유 > A증유
- 액체연료의 경우 온도가 상승하면 분자간의 응집력이 감소하므로 점성계수가 작아진다.
- 기체연료의 경우 온도가 상승하면 분자간 운동량 교환이 활발해짐으로 점성계수는 증가한다.
- 특히 점성계수는 푸아즈(Poise) 단위를 쓰며 1poise = 1g/cm sec 이다.
- 인화점 : 인화점은 액체연료에서 발생하는 증기가 산소와 반응하여 착화되는 최저온도로서 KS M 2614에서 중유의 인화점 60~70℃이상으로 규정하며 비중이 낮을수록 인화점은 낮다. 따라서 인화점은 A중유가 낮고 C중유는 높다.
- 유동점 : 일정한 조건 하에 냉각하였을 때 즉 응고점에 도달하기 전 유동할 수 있는 최저 온도이다.
- 응고점은 유체를 냉각할 경우 점도가 증가되어 유동성을 잃고 굳어지기 시작하는 온도를 말한다. 일반적으로 유동점은 응고점보다 2.5℃ 높다.
- 구름점은 파라핀왁스 등이 냉각할 경우 하얗게 굳어지기 시작하는 온도이다.
- 잔류탄소 : 공기가 부족한 상태에서 연소되지 않은 탄화물로 중유의 잔류탄소 함량은 약 7~16% 이다.
- 잔류탄소의 함량이 높으면 점도가 높아진다.
- 버너에 코크스상의 부착물이 형성되어 무화불량의 원인이 된다.
- 회분 : 중유에 함유된 불순물 중 연소 후 고체상으로 잔류하는 물질로 주로 규소, 칼륨, 칼슘, 철, 마그네슘, 바나듐과 같은 금속산화물이다.
- 수분 : 증류 과정 후 중유에 잔류하는 수분을 잔류수분이라 하며 분리된 것은 수분이라 한다.
석유 대체 연료
- 석탄 액화유 : 고체연료인 석탄을 고온, 고압 하에서 휘발유 및 디젤유로 액화한 연료이다.
- 석탄슬러리 연료 : 석탄을 미분화하여 오일과 혼합한 경우(COM : Coal Oil Mixture)와 수혼합연료(CWM : Coal Water Mixture)가 있다.
- 알코올연료 : 천연가스, 석탄, 나프타로부터 합성되는 메틸알코올과 녹말 및 바이매스의 발효에 의해 발생되는 에틸알코올이 있다.
참고자료
- 〈액체연료〉, 《두산백과》
- Oasis, 〈액체연료의 종류 및 특성〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-31
같이 보기
