연소열

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1. 개요
2. 연소열의 정의 및 측정 방법
3. 다양한 연료의 발열량
- 3.1. 주요 연료의 발열량
- 3.2. 천연가스의 발열량
4. 표준 연소열
- 4.1. 표준 연소 엔탈피 변화
5. 발열량 관련 용어 및 고려 사항
- 5.1. 수분 함량
- 5.2. HHV와 LHV의 관계
6. 관련 사항
참조

1. 개요

연소열은 물질이 연소할 때 발생하는 열을 의미하며, 총 발열량과 순 발열량으로 구분된다. 총 발열량은 생성물이 가장 안정한 상태일 때의 열량이며, 순 발열량은 생성물이 기체 상태일 때의 열량이다. 고위 발열량(HHV)은 연료의 완전 연소로 생성되는 사용 가능한 열 에너지의 상한을 나타내며, 저위 발열량(LHV)은 물 증발에 사용되는 에너지 손실을 고려한 값이다. 연소열은 폭탄 열량계를 사용하여 실험적으로 측정하며, Dulong's Formula를 통해 연료의 원소 분석 결과를 바탕으로 추정할 수도 있다. 다양한 연료의 발열량은 연료의 종류와 조성에 따라 다르며, 천연가스의 경우 지역 및 생산지에 따라 차이가 있다. 표준 연소열은 표준 상태에서 물질 1mol이 완전 연소할 때 발생하는 열량으로, 표준 연소 엔탈피 변화 Δc H°로 나타낸다. 발열량 관련 용어 및 수분 함량, HHV와 LHV의 관계 등을 고려하여 에너지 효율을 계산해야 한다.

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연소열
개요
정의	물질 1몰을 완전 연소시켰을 때 방출되는 열량
기호	ΔH 또는 ΔUc
단위	kJ/mol (킬로줄/몰)
참고	연소열은 항상 음수 값을 가짐 (발열 반응)
측정 방법
봄베 열량계	일정 부피에서 연소열 측정
반응 열량계	일정 압력에서 연소열 측정
연소열 값에 영향을 주는 요인
분자 구조	분자 내 결합 에너지에 따라 달라짐
연소 조건	온도와 압력에 따라 달라짐
상 (Phase)	물질의 상 (고체, 액체, 기체)에 따라 달라짐
응용
연료 평가	연료의 효율성 비교
화학 반응 예측	화학 반응의 에너지 변화 예측
에너지 균형 계산	시스템의 에너지 균형 계산
연소열 추정
설명	c는 탄소 원자 수, h는 수소 원자 수, o는 산소 원자 수. 이 공식은 탄소, 수소, 산소로만 구성된 화합물에 적용 가능.
참고 사항
완전 연소 조건	탄소, 수소, 질소 화합물의 완전 연소를 위해서는 조건을 만족해야 함.
연소 생성물	탄소는 이산화 탄소로, 수소는 물로, 질소는 질소로 연소됨. 황은 이산화황 또는 삼산화황 으로 연소됨.

2. 연소열의 정의 및 측정 방법

표준 상태(298.15K, 10⁵Pa)에서 물질 1mol이 완전 연소할 때 발생하는 열량을 '''표준 연소열'''이라고 부르며, 그 엔탈피 변화 Δ_c''H''º로 나타낸다.

탄소, 수소, 산소, 질소로 구성된 분자식 C_aH_bO_cN_d로 표시되는 화합물의 연소열은, 그 연소 생성물을 이산화 탄소, 물, 질소로 하여 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.

: $\rm C_aH_bO_cN_d + \frac{4a+b-2c}{4} O_2(g) \longrightarrow a CO_2(g) + \frac{b}{2} H_2O(l) + \frac{d}{2} N_2(g)$

이 표준 연소 엔탈피 변화 Δ_c''H''º는 이산화 탄소와 물의 표준 생성 엔탈피 변화, 그리고 화합물 C_aH_bO_cN_d의 표준 생성 엔탈피 변화를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: $\begin{align}\Delta_{\rm{c}} H^\circ & = a \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{CO_2}} + \frac{b}{2} \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{H_2O}} - \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{C_aH_bO_cN_d}} \\& = a \times (-393.51 \rm{kJ mol}^{-1}) + \frac{b}{2} \times (-285.83 \rm{kJ mol}^{-1}) - \Delta_f \mathit{H}^\circ_{\rm{C_aH_bO_cN_d}} \\\end{align}$

예를 들어 메탄의 표준 생성열은 74.81 kJ mol⁻¹, 표준 연소열은 890.36 kJ mol⁻¹이며, 표준 연소 엔탈피 변화는 다음과 같다.

: $\rm CH_4(g) + 2 O_2(g) \longrightarrow CO_2(g) + 2 H_2O(l)$

: $\Delta_{\rm{c}} H^\circ = -890.36\rm{kJ mol}^{-1}$

연소열은 주로 폭탄 열량계를 사용하여 측정한다. 폭탄 열량계는 25°C의 강철 용기 내에서 연료와 산화제의 화학량론적 혼합물(예: 수소 2몰과 산소 1몰)을 점화 장치로 연소시킨 후, 반응이 완료되면 용기와 그 내용물을 원래의 25°C로 냉각시켜 방출되는 열을 측정하여 고위 발열량을 결정한다.^[1] 하위 발열량을 결정할 때는 냉각을 150°C에서 멈추고 반응열을 부분적으로만 회수한다.^[1] 이러한 150°C의 한계는 산성 가스 이슬점에 기반한다.^[1]

2. 1. 총 발열량과 순 발열량

즈볼린스키와 윌호이트(Zwolinski and Wilhoit)는 1972년에 연소열을 "총(gross)" 값과 "순(net)" 값으로 정의했다.^[7] 총 발열량은 생성물이 가장 안정한 화합물 형태(예: H₂O|물^영어(l))일 때의 열량이고, 순 발열량은 생성물이 개방된 불꽃에서 연소될 때 생성되는 기체 형태(예: H₂O|물^영어(g))일 때의 열량이다.^[7] 두 정의에서 C, F, Cl 및 N에 대한 생성물은 각각 CO₂|이산화탄소^영어(g), HF|플루오린화 수소^영어(g), Cl₂|염소^영어(g) 및 N₂|질소^영어(g)이다.^[7]
총 발열량은 저위발열량(LHV)과 마찬가지로 배기 가스 내의 수증기를 고려하지만, 총 발열량은 연소 전 연료 내의 액체 물도 포함한다. 이 값은 일반적으로 연소 전에 일정량의 물을 포함하는 목재 또는 석탄과 같은 연료에 중요하다.

2. 2. 고위 발열량 (HHV)

고위 발열량(HHV, *총 에너지*, *상위 발열량*, *총 열량 값* GCV, 또는 *고위 열량 값*; HCV)은 연료가 완전 연소되어 생성되는 사용 가능한 열 에너지의 상한값을 나타낸다. 이는 물질의 단위 질량 또는 부피당 에너지 단위로 측정된다. 고위 발열량은 연소 생성물을 원래의 연소 전 온도(주로 25°C)로 되돌리고, 모든 증기가 응축되도록 하여 결정된다. 이는 반응 전후 화합물의 온도가 같다고 가정하고, 연소로 생성된 물이 액체로 응축되기 때문에 열역학적 연소열과 동일하다. 고위 발열량은 연소 생성물 내 물의 잠열을 고려하므로, 응축을 통해 열을 회수하는 연료(예: 공간 난방용 가스 연소 보일러)의 발열량을 계산하는 데 유용하다. 즉, HHV는 모든 물 성분이 연소 종료 시 액체 상태이고, 150°C 미만의 온도에서 전달되는 열을 사용할 수 있다고 가정한다.

엔진 제조사들은 보통 엔진에서 배기가스가 응축되지 않는 저위 발열량을 기준으로 연료 소비율을 측정하는데, 이는 기존 발전소에서 사용되는 수치보다 더 유리하게 보이기 때문이다. 기존 전력 산업은 수십 년 동안 고위 발열량(HHV)을 사용해 왔지만, 실제로는 이러한 발전소에서 배기가스가 거의 응축되지 않았다. 따라서 미국 소비자들은 고위 발열량에 따른 연료 소비량이 더 높다는 것을 알아야 한다.^[10]

HHV와 LHV 정의의 차이 때문에 견적 제공자들이 어떤 규칙을 사용하는지 명시하지 않으면 혼란이 발생할 수 있다. 천연가스를 연소하는 발전소의 경우 두 방법 사이에 일반적으로 10% 정도의 차이가 있다. 단순히 반응의 일부를 벤치마킹하는 경우에는 LHV가 적절할 수 있지만, 전체 에너지 효율을 계산할 때는 혼란을 피하기 위해 HHV를 사용해야 하며, 어떤 경우든 값이나 규칙을 명확하게 명시해야 한다.

2. 3. 저위 발열량 (LHV)

저위 발열량(LHV, 순 발열량(NCV) 또는 저 발열량(LCV))은 연료 연소로 생성되는 사용 가능한 열 에너지를 측정하는 방법 중 하나로, 물질의 질량 또는 부피 단위당 에너지 단위로 측정된다. 고위 발열량(HHV)과 달리 LHV는 물 증발에 사용되는 에너지와 같은 에너지 손실을 고려하지만, 정확한 정의는 통일되어 있지 않다. 한 가지 정의는 고위 발열량에서 물의 증발열을 빼는 것이다. 이 정의는 생성된 모든 H₂O를 폐기물로 방출되는 증기로 취급하며, 물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 손실된다.

LHV 계산은 연소 과정의 물 성분이 고위 발열량(HHV)과 달리 연소 후 증기 상태에 있다고 가정한다. 반면 HHV는 연소 과정의 모든 물이 연소 과정 후에 액체 상태에 있다고 가정한다.

LHV의 또 다른 정의는 생성물을 150°C까지 냉각했을 때 방출되는 열량이다. 이는 물 및 기타 반응 생성물의 잠열이 회수되지 않는다는 것을 의미한다. 연소 생성물의 응축이 비실용적이거나 150°C 미만의 열을 사용할 수 없는 연료를 비교하는 데 유용하다.

미국 석유 협회(API)에서 채택한 저위 발열량의 한 가지 정의는 약 15.6°C의 기준 온도를 사용한다.

가스 처리 공급자 협회(GPSA)에서 사용하고 API에서 원래 사용한 또 다른 정의(API 연구 프로젝트 44에서 수집된 데이터)는 모든 연소 생성물의 엔탈피에서 기준 온도에서의 연료 엔탈피를 빼고(API 연구 프로젝트 44는 25°C를 사용했으며, GPSA는 현재 약 15.6°C를 사용), 기준 온도에서의 화학량론적 산소(O₂)의 엔탈피를 빼고, 연소 생성물의 증기 함량의 증발열을 뺀 값이다.

연소 생성물이 모두 기준 온도로 돌아가는 정의는 다른 정의를 사용할 때보다 고위 발열량에서 더 쉽게 계산되며, 실제로 약간 다른 답을 제공한다.

엔진 제조사들은 일반적으로 엔진에서 배기가스가 응축되지 않기 때문에 저위 발열량을 기준으로 엔진 연료 소비율을 측정하며, 이렇게 하면 기존 발전소에서 사용되는 수치보다 더 매력적인 숫자를 발표할 수 있다. 기존의 전력 산업은 수십 년 동안 고위 발열량(HHV)을 독점적으로 사용해 왔지만, 실제로 이러한 발전소는 거의 배기가스를 응축하지 않았다. 미국 소비자들은 고위 발열량에 따른 해당 연료 소비량이 다소 높다는 것을 알아야 한다.

HHV와 LHV 정의의 차이로 인해 견적 제공자들이 사용 중인 규칙을 명시하지 않을 경우 끝없는 혼란이 발생한다.^[10] 천연 가스를 연소하는 발전소의 경우 두 방법 사이에 일반적으로 10%의 차이가 있기 때문이다. 단순히 반응의 일부를 벤치마킹하는 경우 LHV가 적절할 수 있지만, 혼란을 피하기 위해 전체 에너지 효율 계산에는 HHV를 사용해야 하며, 어쨌든 값이나 규칙을 명확하게 명시해야 한다.

2. 4. Dulong's Formula

연료의 발열량은 연료의 원소 분석 결과를 통해 계산할 수 있다. 분석을 통해 연료 내 가연성 물질(탄소, 수소, 황)의 백분율을 알 수 있다. 이들 원소의 연소열이 알려져 있으므로, Dulong's Formula를 사용하여 발열량을 계산할 수 있다.^[8]

HHV [kJ/g] = 33.87m_C + 122.3(m_H - m_O ÷ 8) + 9.4m_S

여기서 m_C, m_H, m_O, m_N 및 m_S는 각각 탄소, 수소, 산소, 질소 및 황의 함량을 나타내며, 임의의 (습식, 건식 또는 회분 무함유) 기준을 따른다.^[8]

2. 5. 측정 방법

연소열은 주로 폭탄 열량계를 사용하여 측정한다. 폭탄 열량계는 25°C의 강철 용기 내에서 연료와 산화제의 화학량론적 혼합물(예: 수소 2몰과 산소 1몰)을 점화 장치를 통해 연소시키고 반응이 완료되도록 한다.^[1] 연소 과정에서 수소와 산소가 반응하여 수증기가 생성된다.^[1] 이후 용기와 그 내용물을 원래의 25°C로 냉각시키고, 이 때 방출되는 열을 측정하여 상위 발열량을 결정한다.^[1]

하위 발열량(LHV)을 결정할 때는 냉각을 150°C에서 멈추고 반응열을 부분적으로만 회수한다.^[1] 이러한 150°C의 한계는 산성 가스 이슬점에 기반한다.^[1]

3. 다양한 연료의 발열량

연료의 종류와 조성에 따라 발열량은 크게 달라진다. 주요 연료와 덜 흔한 연료, 그리고 유기 화합물의 발열량은 아래 표와 같다. 탄소, 일산화 탄소, 황은 연소 과정에서 물이 생성되지 않으므로, 이들의 저위 발열량과 고위 발열량은 같다.

=== 주요 연료의 발열량 ===

연료	HHV			LHV
연료	MJ/kg	BTU/lb	kJ/mol	MJ/kg
수소	141.80	61,000	286	119.96
메테인	55.50	23,900	890	50.00
에테인	51.90	22,400	1,560	47.62
프로페인	50.35	21,700	2,220	46.35
뷰테인	49.50	20,900	2,877	45.75
펜테인	48.60	21,876	3,509	45.35
파라핀 왁스	46.00	19,900		41.50
등유	46.20	19,862		43.00
제트유^[12]	46.42	-		44.1
디젤	44.80	19,300		43.4
석탄 (무연탄)	32.50	14,000
석탄 (갈탄 - 미국)	15.00	6,500
나무 (MAF)	21.70	8,700
목재 연료	16.0	6,400		17.0
이탄 (건조)	15.00	6,500
이탄 (습윤)	6.00	2,500

=== 덜 흔한 연료의 발열량 ===

연료	MJ/kg	BTU/lb	kJ/mol
메탄올	22.7	9,800	726
에탄올	29.7	12,800	1,367
1-프로판올	33.6	14,500	2,020
아세틸렌	49.9	21,500	1,300
벤젠	41.8	18,000	3,268
암모니아	22.5	9,690	382.6
히드라진	19.4	8,370	622.0
헥사민	30.0	12,900	4,200.0
탄소	32.8	14,100	393.5

=== 유기 화합물의 저위 발열량 ===

연료	MJ/kg	MJ/L	BTU/lb	kJ/mol
알케인
메테인	50.009	6.9	21,504	802.34
에테인	47.794	—	20,551	1,437.2
프로페인	46.357	25.3	19,934	2,044.2
부테인	45.752	—	19,673	2,659.3
펜테인	45.357	28.39	21,706	3,272.6
헥세인	44.752	29.30	19,504	3,856.7
헵테인	44.566	30.48	19,163	4,465.8
옥테인	44.427	—	19,104	5,074.9
노네인	44.311	31.82	19,054	5,683.3
데케인	44.240	33.29	19,023	6,294.5
운데케인	44.194	32.70	19,003	6,908.0
도데케인	44.147	33.11	18,983	7,519.6
이소파라핀
이소부테인	45.613	—	19,614	2,651.0
이소펜테인	45.241	27.87	19,454	3,264.1
2-메틸펜테인	44.682	29.18	19,213	3,850.7
2,3-디메틸부테인	44.659	29.56	19,203	3,848.7
2,3-디메틸펜테인	44.496	30.92	19,133	4,458.5
2,2,4-트리메틸펜테인	44.310	30.49	19,053	5,061.5
나프텐
사이클로펜테인	44.636	33.52	19,193	3,129.0
메틸사이클로펜테인	44.636?	33.43?	19,193?	3,756.6?
사이클로헥세인	43.450	33.85	18,684	3,656.8
메틸사이클로헥세인	43.380	33.40	18,653	4,259.5
모노올레핀
에틸렌	47.195	—	—	—
프로필렌	45.799	—	—	—
1-부텐	45.334	—	—	—
시스-2-부텐	45.194	—	—	—
트랜스-2-부텐	45.124	—	—	—
아이소부텐	45.055	—	—	—
1-펜텐	45.031	—	—	—
2-메틸-1-펜텐	44.799	—	—	—
1-헥센	44.426	—	—	—
디올레핀
1,3-부타디엔	44.613	—	—	—
아이소프렌	44.078	-	—	—
질소 유도체
니트로메테인	10.513	—	—	—
니트로프로페인	20.693	—	—	—
아세틸렌
아세틸렌	48.241	—	—	—
메틸아세틸렌	46.194	—	—	—
1-부타인	45.590	—	—	—
1-펜타인	45.217	—	—	—
방향족
벤젠	40.170	—	—	—
톨루엔	40.589	—	—	—
o-자일렌	40.961	—	—	—
m-자일렌	40.961	—	—	—
p-자일렌	40.798	—	—	—
에틸벤젠	40.938	—	—	—
1,2,4-트리메틸벤젠	40.984	—	—	—
n-프로필벤젠	41.193	—	—	—
큐멘	41.217	—	—	—
알코올
메탄올	19.930	15.78	8,570	638.6
에탄올	26.70	22.77	12,412	1,230.1
1-프로판올	30.680	24.65	13,192	1,843.9
아이소프로판올	30.447	23.93	13,092	1,829.9
n-부탄올	33.075	26.79	14,222	2,501.6
아이소부탄올	32.959	26.43	14,172	2,442.9
tert-부탄올	32.587	25.45	14,012	2,415.3
n-펜탄올	34.727	28.28	14,933	3,061.2
아이소아밀 알코올	31.416?	35.64?	13,509?	2,769.3?
에테르
메톡시메테인	28.703	—	12,342	1,322.3
에톡시에테인	33.867	24.16	14,563	2,510.2
프로폭시프로페인	36.355	26.76	15,633	3,568.0
부톡시부테인	37.798	28.88	16,253	4,922.4
알데히드 및 케톤
포름알데히드	17.259	—	—	570.78 ^[13]
아세트알데히드	24.156	—	—	—
프로피온알데히드	28.889	—	—	—
부티르알데히드	31.610	—	—	—
아세톤	28.548	22.62	—	—
기타 종
탄소(흑연)	32.808	—	—	—
수소	120.971	1.8	52,017	244
일산화 탄소	10.112	—	4,348	283.24
암모니아	18.646	—	8,018	317.56
황 (고체)	9.163	—	3,940	293.82

BTU/lb 값은 MJ/kg 값으로부터 계산되었다(1 MJ/kg = 430 BTU/lb).

=== 주요 물질의 연소열 ===

물질	화학식	식량	−Δ_cHº / kJ mol⁻¹	−Δ_cHº / kJ g⁻¹
탄소	C(s)	12.011	393.51	32.76
수소	H₂(g)	2.0159	285.83	141.8
메탄	CH₄(g)	16.042	890.36	55.5
프로판	CH₃CH₂CH₃(g)	44.096	2220.0	50.3
헥산	CH₃(CH₂)₄CH₃(l)	86.175	4163.2	48.3
메탄올	CH₃OH(l)	32.042	725.7	22.6
에탄올	CH₃CH₂OH(l)	46.068	1367.6	29.7
글루코스	C₆H₁₂O₆(s)	180.156	2803.3	15.56
암모니아	NH₃(g)	17.0306	382.6	22.5
일산화 탄소	CO(g)	28.010	283.0	10.1
에틸렌	CH₂=CH₂(g)	28.053	1411.2	50.3
아세틸렌	CH≡CH(g)	26.037	1299.6	49.9
벤젠	C₆H₆(l)	78.112	3267.6	41.8

=== 천연가스의 발열량 ===

국제 에너지 기구는 가스 1 표준 세제곱미터당 고위 발열량을 다음과 같이 보고한다.^[14]

국가	발열량 (MJ/Sm³)
알제리	39.57
방글라데시
캐나다
중국	38.93
인도네시아
이란	39.36
네덜란드	33.32
노르웨이	39.24
파키스탄
카타르
러시아	38.23
사우디 아라비아
투르크메니스탄	37.89
영국	39.71
미국	38.42
우즈베키스탄	37.89

천연 가스의 저위 발열량은 일반적으로 고위 발열량의 약 90%이다. 위의 표는 표준 세제곱미터(1atm, 15°C)를 기준으로 하며, 노멀 세제곱미터(1atm, 0°C) 단위로 변환하려면 위의 표에 1.0549를 곱해야 한다.

3. 1. 주요 연료의 발열량

다음은 25 °C에서 몇몇 흔한 연료의 고위 발열량(HHV) 및 저위 발열량(LHV)이다.

연료	HHV			LHV
연료	MJ/kg	BTU/lb	kJ/mol	MJ/kg
수소	141.80	61,000	286	119.96
메테인	55.50	23,900	890	50.00
에테인	51.90	22,400	1,560	47.62
프로페인	50.35	21,700	2,220	46.35
뷰테인	49.50	20,900	2,877	45.75
펜테인	48.60	21,876	3,509	45.35
파라핀 왁스	46.00	19,900		41.50
등유	46.20	19,862		43.00
제트유^[12]	46.42	-		44.1
디젤	44.80	19,300		43.4
석탄 (무연탄)	32.50	14,000
석탄 (갈탄 - 미국)	15.00	6,500
나무 (MAF)	21.70	8,700
목재 연료	16.0	6,400		17.0
이탄 (건조)	15.00	6,500
이탄 (습윤)	6.00	2,500

다음은 몇몇 덜 흔한 연료의 고위 발열량이다.^[11]

연료	MJ/kg	BTU/lb	kJ/mol
메탄올	22.7	9,800	726
에탄올	29.7	12,800	1,367
1-프로판올	33.6	14,500	2,020
아세틸렌	49.9	21,500	1,300
벤젠	41.8	18,000	3,268
암모니아	22.5	9,690	382.6
히드라진	19.4	8,370	622.0
헥사민	30.0	12,900	4,200.0
탄소	32.8	14,100	393.5

다음은 몇몇 유기 화합물의 저위 발열량이다.

연료	MJ/kg	MJ/L	BTU/lb	kJ/mol
알케인
메테인	50.009	6.9	21,504	802.34
에테인	47.794	—	20,551	1,437.2
프로페인	46.357	25.3	19,934	2,044.2
부테인	45.752	—	19,673	2,659.3
펜테인	45.357	28.39	21,706	3,272.6
헥세인	44.752	29.30	19,504	3,856.7
헵테인	44.566	30.48	19,163	4,465.8
옥테인	44.427	—	19,104	5,074.9
노네인	44.311	31.82	19,054	5,683.3
데케인	44.240	33.29	19,023	6,294.5
운데케인	44.194	32.70	19,003	6,908.0
도데케인	44.147	33.11	18,983	7,519.6
이소파라핀
이소부테인	45.613	—	19,614	2,651.0
이소펜테인	45.241	27.87	19,454	3,264.1
2-메틸펜테인	44.682	29.18	19,213	3,850.7
2,3-디메틸부테인	44.659	29.56	19,203	3,848.7
2,3-디메틸펜테인	44.496	30.92	19,133	4,458.5
2,2,4-트리메틸펜테인	44.310	30.49	19,053	5,061.5
나프텐
사이클로펜테인	44.636	33.52	19,193	3,129.0
메틸사이클로펜테인	44.636?	33.43?	19,193?	3,756.6?
사이클로헥세인	43.450	33.85	18,684	3,656.8
메틸사이클로헥세인	43.380	33.40	18,653	4,259.5
모노올레핀
에틸렌	47.195	—	—	—
프로필렌	45.799	—	—	—
1-부텐	45.334	—	—	—
시스-2-부텐	45.194	—	—	—
트랜스-2-부텐	45.124	—	—	—
아이소부텐	45.055	—	—	—
1-펜텐	45.031	—	—	—
2-메틸-1-펜텐	44.799	—	—	—
1-헥센	44.426	—	—	—
디올레핀
1,3-부타디엔	44.613	—	—	—
아이소프렌	44.078	-	—	—
질소 유도체
니트로메테인	10.513	—	—	—
니트로프로페인	20.693	—	—	—
아세틸렌
아세틸렌	48.241	—	—	—
메틸아세틸렌	46.194	—	—	—
1-부타인	45.590	—	—	—
1-펜타인	45.217	—	—	—
방향족
벤젠	40.170	—	—	—
톨루엔	40.589	—	—	—
o-자일렌	40.961	—	—	—
m-자일렌	40.961	—	—	—
p-자일렌	40.798	—	—	—
에틸벤젠	40.938	—	—	—
1,2,4-트리메틸벤젠	40.984	—	—	—
n-프로필벤젠	41.193	—	—	—
큐멘	41.217	—	—	—
알코올
메탄올	19.930	15.78	8,570	638.6
에탄올	26.70	22.77	12,412	1,230.1
1-프로판올	30.680	24.65	13,192	1,843.9
아이소프로판올	30.447	23.93	13,092	1,829.9
n-부탄올	33.075	26.79	14,222	2,501.6
아이소부탄올	32.959	26.43	14,172	2,442.9
tert-부탄올	32.587	25.45	14,012	2,415.3
n-펜탄올	34.727	28.28	14,933	3,061.2
아이소아밀 알코올	31.416?	35.64?	13,509?	2,769.3?
에테르
메톡시메테인	28.703	—	12,342	1,322.3
에톡시에테인	33.867	24.16	14,563	2,510.2
프로폭시프로페인	36.355	26.76	15,633	3,568.0
부톡시부테인	37.798	28.88	16,253	4,922.4
알데히드 및 케톤
포름알데히드	17.259	—	—	570.78 ^[13]
아세트알데히드	24.156	—	—	—
프로피온알데히드	28.889	—	—	—
부티르알데히드	31.610	—	—	—
아세톤	28.548	22.62	—	—
기타 종
탄소(흑연)	32.808	—	—	—
수소	120.971	1.8	52,017	244
일산화 탄소	10.112	—	4,348	283.24
암모니아	18.646	—	8,018	317.56
황 (고체)	9.163	—	3,940	293.82

탄소, 일산화 탄소 및 황은 연소 과정에서 물을 생성하지 않기 때문에, 이들의 저위 발열량과 고위 발열량은 동일하다.

BTU/lb 값은 MJ/kg 값으로부터 계산되었으며(1 MJ/kg = 430 BTU/lb), 주요 물질의 연소열은 다음과 같다.

물질	화학식	식량	−Δ_cHº / kJ mol⁻¹	−Δ_cHº / kJ g⁻¹
탄소	C(s)	12.011	393.51	32.76
수소	H₂(g)	2.0159	285.83	141.8
메탄	CH₄(g)	16.042	890.36	55.5
프로판	CH₃CH₂CH₃(g)	44.096	2220.0	50.3
헥산	CH₃(CH₂)₄CH₃(l)	86.175	4163.2	48.3
메탄올	CH₃OH(l)	32.042	725.7	22.6
에탄올	CH₃CH₂OH(l)	46.068	1367.6	29.7
글루코스	C₆H₁₂O₆(s)	180.156	2803.3	15.56
암모니아	NH₃(g)	17.0306	382.6	22.5
일산화 탄소	CO(g)	28.010	283.0	10.1
에틸렌	CH₂=CH₂(g)	28.053	1411.2	50.3
아세틸렌	CH≡CH(g)	26.037	1299.6	49.9
벤젠	C₆H₆(l)	78.112	3267.6	41.8

3. 2. 천연가스의 발열량

국제 에너지 기구는 가스 1 표준 세제곱미터당 고위 발열량을 다음과 같이 보고한다.^[14]

국가	발열량 (MJ/Sm³)
알제리	39.57
방글라데시
캐나다
중국	38.93
인도네시아
이란	39.36
네덜란드	33.32
노르웨이	39.24
파키스탄
카타르
러시아	38.23
사우디 아라비아
투르크메니스탄	37.89
영국	39.71
미국	38.42
우즈베키스탄	37.89

천연 가스의 저위 발열량은 일반적으로 고위 발열량의 약 90%이다. 위의 표는 표준 세제곱미터(1atm, 15°C)를 기준으로 하며, 노멀 세제곱미터(1atm, 0°C) 단위로 변환하려면 위의 표에 1.0549를 곱해야 한다.

4. 표준 연소열

표준 상태(298.15K, 10⁵Pa)에서 물질 1mol이 완전 연소할 때 발생하는 열량을 '''표준 연소열'''이라고 한다. 예를 들어 메탄의 표준 생성열은 74.81 kJ mol^-1, 표준 연소열은 890.36 kJ mol^-1이다.

4. 1. 표준 연소 엔탈피 변화

표준 상태(298.15K, 10⁵Pa)의 이상계에서 물질 1mol이 완전 연소할 때 발생하는 열량을 '''표준 연소열'''이라고 부르며, 그 엔탈피 변화 Δ_c''H''°로 나타낸다.

탄소, 수소, 산소 및 질소로 구성된 분자식 C_aH_bO_cN_d로 표시되는 화합물의 연소열에 대해서는, 그 연소 생성물을 이산화 탄소, 물 및 질소로 하여 다음의 반응식으로 나타낸다.

:

\rm C_aH_bO_cN_d + \frac{4a+b-2c}{4} O_2(g) \longrightarrow a CO_2(g) + \frac{b}{2} H_2O(l) + \frac{d}{2} N_2(g)

또한, 이 표준 연소 엔탈피 변화 Δ_c''H''°는 이산화 탄소의 표준 생성 엔탈피 변화 Δ_f''H''°_CO₂, 물의 표준 생성 엔탈피 변화 Δ_f''H''°_H₂O 및 화합물 C_aH_bO_cN_d의 표준 생성 엔탈피 변화 Δ_f''H''°_CaHbOcNd 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

:

\begin{align}\Delta_{\rm{c}} H^\circ & = a \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{CO_2}} + \frac{b}{2} \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{H_2O}} - \Delta_{\rm{f}} H^\circ_{\rm{C_aH_bO_cN_d}} \\& = a \times (-393.51 \rm{kJ mol}^{-1}) + \frac{b}{2} \times (-285.83 \rm{kJ mol}^{-1}) - \Delta_f \mathit{H}^\circ_{\rm{C_aH_bO_cN_d}} \\\end{align}

예를 들어 메탄의 표준 생성열은 74.81 kJ mol^-1, 표준 연소열은 890.36 kJ mol^-1이며, 표준 연소 엔탈피 변화는 다음과 같이 나타낸다.

:

\rm CH_4(g) + 2 O_2(g) \longrightarrow CO_2(g) + 2 H_2O(l)

:

\Delta_{\rm{c}} H^\circ = -890.36\rm{kJ mol}^{-1}

5. 발열량 관련 용어 및 고려 사항

엔진 제조사들은 보통 엔진에서 배기가스가 응축되지 않기 때문에 저위 발열량(LHV)을 기준으로 엔진 연료 소비율을 측정한다. 이렇게 하면 기존 발전소에서 사용되는 수치보다 더 매력적인 숫자를 발표할 수 있다. 그러나 고위 발열량(HHV)에 따른 연료 소비량이 더 높다는 것을 알아야 한다.

고위 발열량(HHV)과 저위 발열량(LHV) 정의의 차이 때문에 어떤 규칙을 사용했는지 명시하지 않으면 혼란이 발생할 수 있다.^[10] 천연가스를 연소하는 발전소의 경우 두 방법 사이에 일반적으로 10% 정도 차이가 나기 때문이다. 단순히 반응의 일부를 벤치마킹하는 경우 LHV가 적절할 수 있지만, 전체 에너지 효율 계산에는 HHV를 사용해야 한다.

5. 1. 수분 함량

연료의 수분 함량은 발열량에 영향을 미치므로, 발열량을 나타낼 때는 수분 함량을 고려한 기준을 명시하는 것이 중요하다. 일반적으로 석탄의 발열량을 나타내는 데 사용되는 기준은 다음과 같다.^[1]

'''AR''' (as received, 수령 기준): 연료의 발열량을 모든 수분 및 재 형성 광물이 존재하는 상태에서 측정했음을 나타낸다.^[1]
'''MF''' (moisture-free, 무수분) 또는 '''건조''': 연료를 모든 고유 수분에서 건조시켰지만 여전히 재 형성 광물을 유지한 후 발열량을 측정했음을 나타낸다.^[1]
'''MAF''' (moisture- and ash-free, 무수분 및 무재) 또는 '''DAF''' (dry and ash-free, 건조 및 무재): 고유 수분 및 재 형성 광물이 없는 상태에서 연료의 발열량을 측정했음을 나타낸다.^[1]

5. 2. HHV와 LHV의 관계

고위 발열량(HHV^영어)과 저위 발열량(LHV^영어)의 관계는 다음과 같다.^[9]

:

\mathrm{HHV} = \mathrm{LHV} + H_\mathrm{v}\left(\frac{n_\mathrm{H_2O,out}}{n_\mathrm{fuel,in}}\right)

`H`_v: 물의 기화열
`n`_,out: 기화된 물의 몰수 (연소 후)
`n`_fuel,in: 연소된 연료의 몰수

즉, 고위 발열량은 저위 발열량에 수증기가 응축될 때 방출되는 열에너지(물의 기화열)를 더한 값이다.

대부분의 연료 연소 과정에서는 수증기가 발생하지만 활용되지 않고 낭비된다. 이 경우 저위 발열량을 사용하는 것이 적절하다. 그러나 응축 보일러나 발전소처럼 수증기를 응축시켜 열을 회수하는 경우에는 고위 발열량이 더 정확하다.

연료의 화학적 조성에 따라 고위 발열량과 저위 발열량의 차이가 달라진다. 탄소, 일산화탄소는 두 값이 거의 같지만, 수소는 차이가 크다. 탄화수소 연료는 수소 함량이 높을수록 차이가 커진다. 가솔린, 디젤의 고위 발열량은 저위 발열량보다 각각 약 10%, 7% 높고, 천연 가스는 약 11% 높다.

HHV^영어와 LHV^영어 정의의 차이 때문에 혼란이 발생할 수 있으므로, 값을 명시할 때는 어떤 규칙을 사용했는지 명확하게 밝혀야 한다.^[10]

6. 관련 사항

참조

_[1] 논문 Effect of structural conduction and heat loss on combustion in micro-channels https://www.tandfonl[...] Taylor & Francis Online 2006
_[2] 논문 Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O 2 2015-12-08
_[3] 간행물 The Measurement of Heat Release Rates by Oxygen Consumption Calorimetry in Fires Under Suppression Fire Safety Science 1994
_[4] 문서
_[5] 논문 Heats of combustion of organic compounds 1929-02
_[6] 논문 Theoretical Analysis of Waste Heat Recovery from an Internal Combustion Engine in a Hybrid Vehicle https://www.jstor.or[...] Jstor 2006
_[7] 서적 American Institute of Physics Handbook McGraw-Hill 2021-08-06
_[8] 논문 Modification of Dulong's formula to estimate heating value of gas, liquid and solid fuels 2016-11-01
_[9] 문서
_[10] 웹사이트 The difference between LCV and HCV (or Lower and Higher Heating Value, or Net and Gross) is clearly understood by all energy engineers. There is no 'right' or 'wrong' definition. - Claverton Group http://www.claverton[...]
_[11] 서적 NIST Chemistry WebBook NIST Office of Data and Informatics 2021
_[12] 웹사이트 CDP Technical Note: Conversion of fuel data to MWh https://cdn.cdp.net/[...]
_[13] 웹사이트 Methanal http://webbook.nist.[...]
_[14] 웹사이트 Key World Energy Statistics (2016) https://www.ourenerg[...]

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