연소시 이상(異常)현상

연소의 상황에 따라 구분하는 방법은 발열과 방열의 관점으로 열의 발생(발열) 과 발산 (방열) 이 균형을 유지하면서 연소하는 정상연소(normal combustion)와 균형이 깨져 연소속도가 급격히 증가하여 폭발적으로 연소하거나 산소나 열의 공급이 원활하지 못해 소극적으로 연소하는 비정상연소(abnormal combustion)가 있다.

 

 

 

연소시 이상(異常)현상

 

연소의 상황에 따른 연소의 형태

● 정상연소

- 연소시의 조건이 양호하여 정상적으로 연소가 이루어지는 경우로 충분한 공기의 공급이 이루어질 때의 연소를 말한다.

- 연소상의 문제점이 발생되지 않고 연소장치 기기 및 기구에서의 열효율도 높다

● 비정상연소

- 연소시의 조건이 좋지 않아 정상적으로 연소가 이루어지지 않는 경우로 공기의 공급이 불충분한 경우의 연소를 말한다.

- 연소상의 문제점이 많이 발생되므로 연소장치 기기 및 기구의 안전관리에 주의가 요구된다.

 

 

분젠(Busen)식 버너(Burner)

● 분젠식 버너 구조

이러한 방법은 그림4-1과 같이 가스가 노즐로 부터 일정한 압력으로 분출하고 그때의 운동에너지에 의하여 공기구멍으로 연소에 필요한 공기의 일부분(1차 공기)을 흡입하여 혼합관 중에서 혼합하여 염공(炎孔)으로 부터 연소한다.

이 때 불꽃은 주변에서 확산에 의해 공기를 필요로 하며 이 공기를 2차 공기라 한다. 불꽃은 내염(內炎)이라 하는 둥근상태의 청백부분과 바깥쪽의 외염(外炎) 및 눈에 보이지 않는 고온층으로 구별할 수 있다. 즉 연소시 필요한 공기를 1차, 2차공기에 의하여 연소하는 방식으로 역화의 염려가 있으나 열효율이 높다. 그리고 좁은 연소공간에서 완전연소가 가능한 반면 가스소비량 크다.

 

<그림 1> 분젠식 버너

 

 

● 분젠식 버너의 연소특성도

분젠식 버너의 연소특성도란 다음 그림과 같이 세로축을 1차공기율(댐퍼의 개도율)로 하고 가로축을 버너의 입열량(가스압력, Input)로 할 때 역화, 뜨임, 황염 및 양호한 연소 범위를 나타내는 도표를 말한다.

(1) 입열량이 낮은 범위로 연소시키는 경우

- 1차공기율을 올리면 역화, 내리면 황염이 발생

(2) 입열량이 높은 범위로 연소시키는 경우

- 1차공기율을 올리면 리프팅, 내리면 불완전연소가 발생

 

<그림 2> 분젠식 버너의 연소특성도

 

따라서, 공기댐퍼를 과대 개방시 리프팅도 일어날 수 있고, 역화도 발생할 수 있는데 그것을 결정하는 것은 입열량(가스압력, Input)임을 알 수 있다.

 

 

이상(異常)연소현상

 

<표 1> 비정상연소의 연소속도와 분출속도의 관계

비정상연소 (이상연소)	연소속도와 분출속도의 관계
역화	연소속도 > 가스분출속도
선화	연소속도 < 가스분출속도
블로우오프	연소속도 <<가스분출속도

 

● 불완전 연소(不完全燃燒, Incomplete Combustion)

① 산소량이 부족하여 산화반응을 완전히 완료하지 못 해 일산화탄소, 그을음, 카본 등과 같은 미연소물이 생기는 연소 현상

② 염공(炎孔)에서 연료가스가 연소시 가스와 공기의 혼합이 불충분하거나 연소온도가 낮을 경우에 황염 이나 그을음이 발생하는 연소 현상

③ 불완전 연소의 원인

㉠ 공기와의 접촉 및 혼합이 불충분할 때

㉡ 과대한 가스량 또는 필요량의 공기가 없을 때

㉢ 배기가스의 배출이 불량할 때

㉣ 불꽃이 저온 물체에 접촉되어 온도가 내려갈 때

 

 

● 역화(逆火, Back Fire)

① 연료가 연소시 연료의 분출속도가 연소속도보다 느릴 때 불꽃이 염공 속으로 빨려 들어가 혼합관 속에서 연소하는 현상을 말한다.

② 역화의 원인

㉠ 1차 공기가 적어 연소가 혼합기체의 양이 적은 경우

㉡ 공급가스의 압력이 낮을 경우

㉢ 염공이 크거나 부식에 의해 확대되었을 경우

 

<그림 3> 역화 현상

 

● 선화[리프팅(先火, Lifting)]
① 불꽃이 염공 위에 들뜨는 현상으로 염공에서 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 빠를 때 발생

② 리프팅의 원인
㉠ 1차 공기가 너무 많아 혼합기체의 양이 많은 경우
㉡ 공급가스의 압력이 높을 경우
㉢ 버너의 염공이 작거나 막혔을 경우

 

<그림 4> 선화 현상

 

 

● 황염(黃炎, Yellow Tip)

① 불꽃의 색이 황색으로 되는 현상으로 염공에서 연료가스의 연소시 공기량의 조절이 적정하지 못하여 완전연소가 이루어지지 않을 때에 발생한다.

② 황염의 원인 : 1차 공기가 부족할 때

<그림 5> 황염 현상

 

● 블로우오프(Blow Off)

① 염공에서 연료가스의 분출속도가 연소속도보다 클 때, 주위 공기의 움직임에 따라 불꽃이 날려서 꺼지는 현상.

② 선화(Lifting)상태에서 다시 분출속도가 증가하면 결국 화염이 꺼지는 현상.

 

Reference : 연소공학 교재