연소

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1. 개요

연소는 물질이 산소와 급격하게 반응하여 열과 빛을 내는 현상이다. 연소는 산소 공급량에 따라 완전 연소와 불완전 연소로 나뉘며, 완전 연소는 이산화탄소와 물을 생성하고 푸른빛을 띤다. 불완전 연소는 일산화탄소를 생성하며 붉은빛을 띤다. 연소에는 가연물, 산소, 발화점 이상의 온도, 그리고 연쇄 반응이 필요하며, 연소의 종류, 연소 조건, 연소 메커니즘, 생성물, 연소 기술, 관리, 그리고 현대 사회에서의 연소 현상 등을 다룬다.

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연소
지도
기본 정보
설명	연료와 산소 사이의 화학 반응
다른 이름	불타기, 발화
분류	발열 반응 화학 반응 산화 환원 반응
관여	연료 산화제
상세 정보
일반적인 유형	완전 연소 불완전 연소 급격 연소 느린 연소 미연소
일반적인 결과	열 빛 다양한 화학 부산물
특징	불꽃 연기
발생 조건	연료 산소 또는 산화제 점화원
관련 개념
관련 반응	산화 환원
역반응	환원
관련 분야	연소 공학 화학 열역학
추가 정보
위험성	화재 폭발 환경 오염
활용	에너지 생산 난방 엔진 구동
역사적 관점	페리고르 지방의 의사 장레가 납과 주석을 불에 태우면 "공기 중의 무거운 부분과 결합하여" 이 금속들의 양이 증가한다는 것을 설명 (1630년)

2. 연소의 종류

산소 공급량에 따라 완전 연소와 불완전 연소로 나뉜다.

완전 연소의 경우, 반응 물질이 산소의 공급이 충분한 상태에서 완전히 타서 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 이는 푸른 빛을 띈다.

완전 연소에서는, 반응물이 산소에서 연소하여 제한된 수의 생성물을 생성한다. 탄화수소가 산소에서 연소될 때, 반응은 주로 이산화탄소와 물을 생성한다. 원소가 연소될 때, 생성물은 주로 가장 흔한 산화물이다. 탄소는 이산화탄소를, 황은 이산화 황을, 철은 산화철(III)을 생성한다. 산화제가 산소일 때 질소는 가연성 물질로 간주되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 공기가 산화제일 때 다양한 질소 산화물(일반적으로 NO_x 종으로 지정됨)이 소량 생성된다.

연소는 반드시 최대 산화 정도에 유리한 것은 아니며, 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 삼산화 황은 황의 연소에 의해 정량적으로 생성되지 않는다. NO_x 종은 약 1538°C 이상에서 상당한 양으로 나타나며, 더 높은 온도에서는 더 많이 생성된다. NO_x의 양은 또한 산소 과잉의 함수이다.^[2]

대부분의 산업 응용 분야와 화재에서는 공기가 산소(O₂)의 공급원이다. 공기 중에서는 각 몰의 산소가 약 3.71몰의 질소와 혼합된다. 질소는 연소에 참여하지 않지만, 고온에서는 일부 질소가 NO_x(주로 일산화 질소(NO), 소량의 이산화 질소(NO₂))로 전환된다. 반면에 연료를 완전히 연소시킬 만큼 산소가 부족하면, 일부 연료 탄소는 일산화탄소로 전환되고, 일부 수소는 반응하지 않은 채 남는다. 따라서 공기 중에서 탄화수소의 연소에 대한 완전한 방정식 집합에는 연료의 탄소와 수소 사이의 산소 분포에 대한 추가 계산이 필요하다.

완전 연소에 필요한 공기량을 "이론 공기" 또는 "화학량론적 공기"라고 한다.^[3] 최적 연소에 실제로 필요한 이 값 이상의 공기량을 "과잉 공기"라고 하며, 천연가스 보일러의 경우 5%, 무연탄의 경우 40%, 가스터빈의 경우 300%까지 다양하다.^[4]

연료가 완전히 반응할 정도로 산소가 충분히 공급되지 않은 경우 불완전 연소가 발생하며 일산화탄소를 만들어낸다. 완전 연소와 달리 붉은 빛을 띈다.^[5] 불완전 연소는 연료가 이산화탄소와 물을 완전히 생성하기에 충분한 산소가 없을 때 발생한다. 또한 고체 표면이나 화염 차단기와 같은 열 싱크에 의해 연소가 소화될 때도 발생한다. 완전 연소의 경우와 마찬가지로 불완전 연소에서도 물이 생성되지만, 이산화탄소 대신 탄소와 일산화탄소가 생성된다.

경유, 석탄 또는 목재와 같은 대부분의 연료는 연소 전에 열분해를 거친다. 불완전 연소에서는 열분해 생성물이 타지 않고 연기에 남아 유해한 미립자 물질과 가스를 만들어 낸다. 부분적으로 산화된 화합물도 문제가 되는데, 에탄올의 부분 산화는 유해한 아세트알데히드를 생성할 수 있으며, 탄소는 독성이 있는 일산화탄소를 생성할 수 있다.^[6]

버너와 내연기관과 같이 연소 장치의 설계를 개선하여 연소의 질을 높일 수 있다. 촉매 후연소 장치(촉매 변환기 등) 또는 연소 과정으로 배기가스의 단순한 부분적 환원을 통해 추가적인 개선이 가능하다. 이러한 장치는 대부분의 국가에서 자동차에 대한 환경 규제에 의해 요구되며, 화력 발전소와 같이 대형 연소 장치가 법적 배출 기준에 도달하도록 하기 위해 필요할 수도 있다.

HVAC 계약자, 소방관 및 기술자는 연소 분석기를 사용하여 연소 과정 중 버너의 효율을 시험한다. 또한 내연 기관의 효율을 이러한 방식으로 측정할 수 있으며, 일부 미국 주와 지방 자치 단체는 연소 분석을 사용하여 현재 도로를 운행하는 차량의 효율을 정의하고 평가한다.

일산화탄소는 불완전 연소의 생성물 중 하나이다.^[5] 일산화탄소는 이산화탄소 생성보다 열을 덜 생성하며, 특히 일산화탄소가 독성 가스이기 때문에 완전 연소가 매우 바람직하다. 일산화탄소를 흡입하면 산소를 대체하고 혈액 내 일부 헤모글로빈과 결합하여 산소를 운반할 수 없게 된다.^[6]

탄화수소의 불완전 연소(부분 연소)는 산소와 반응하여 주로 이산화탄소(2/CO^영어), 일산화탄소(CO^영어), 물(H₂O^영어), 그리고 수소(2/H^영어)를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 일반적으로 금속의 열처리 및 가스 침탄(침탄)에 사용되는 보호 분위기로 사용하기 위해 제조된다.^[12]

'z'가 화학량론적 값의 약 50% 미만으로 떨어지면 메탄(4/CH^영어)이 중요한 연소 생성물이 될 수 있으며, 'z'가 화학량론적 값의 약 35% 미만으로 떨어지면 원소 탄소가 안정될 수 있다.

불완전 연소 생성물은 물질 수지와 연소 생성물이 화학 평형에 도달한다는 가정을 이용하여 계산할 수 있다.^[13]^[14]

연소되는 물질 또는 재료를 연료라고 한다. 가장 일반적인 예로는 천연가스, 프로판, 등유, 경유, 휘발유, 숯, 석탄, 목재 등이 있다.

연소 작용은 상대적으로 구별되지만 중첩되는 세 가지 단계로 구성된다.

'''예열 단계'''는 미연소 연료가 인화점까지 가열되고 그 후 발화점에 도달하는 단계이다. 가연성 기체는 건류와 유사한 과정에서 발생하기 시작한다.
'''증류 단계''' 또는 '''기체 단계'''는 발생한 가연성 기체와 산소의 혼합물이 점화되는 단계이다. 열과 빛의 형태로 에너지가 생성된다. 화염이 보이는 경우가 많다. 연소에서 고체로의 열전달은 가연성 증기의 발생을 유지한다.
'''숯 단계''' 또는 '''고체 단계'''는 재료에서 가연성 기체의 배출량이 화염의 지속적인 존재에 불충분하고 탄화된 연료가 빠르게 연소되지 않고 단지 밝게 빛나고 나중에는 훈연만 하는 단계이다.
분해연소 - 물질이 가열에 의해 가연성 가스 또는 산소를 발생시켜 연소하는 것.
증발연소
표면연소
은연소(燻연소) - 환기가 나쁘거나 산소가 부족한 등의 원인으로 불완전연소하는 것. 산소가 공급되면 순간적으로 활활 타오른다(백드래프트).
촉매연소 - 백금(platinum) 등을 촉매로 한 연소.

기체 연료의 연소는 네 가지 구별되는 연소 유형, 즉 확산 화염, 예혼합 화염, 자기착화 반응면, 또는 폭굉을 통해 발생할 수 있다.^[16] 실제로 발생하는 연소 유형은 가열 전에 연료와 산화제가 혼합되는 정도에 따라 달라진다. 예를 들어, 연료와 산화제가 처음에 분리되어 있으면 확산 화염이 형성되고, 그렇지 않으면 예혼합 화염이 형성된다. 마찬가지로, 연소 유형은 압력에도 따라 달라진다. 예를 들어, 폭굉은 강한 충격파와 결합된 자기착화 반응면으로, 특징적인 고압 피크와 높은 폭굉 속도를 갖는다.^[16]

확산연소 - 연료와 산화제가 별도로 공급되는 연소.
예혼합연소 - 연료와 산화제가 미리 혼합되는 연소.

산화성 대기에서의 액체 연료 연소는 실제로 기체 상에서 일어난다. 액체 자체가 타는 것이 아니라 증기가 타는 것이다. 따라서 액체는 일반적으로 특정 온도, 즉 인화점 이상에서만 불이 붙는다. 액체 연료의 인화점은 공기와 인화성 혼합물을 형성할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 이는 공기 중에 충분한 양의 연료 증기가 있어 연소가 시작될 수 있는 최소 온도이다.

증발연소 - 액체 표면에서 연료가 증발하여 연소하는 것.
심지연소 - 심지를 이용하여 연료를 흡수시켜 연소하는 것.

고체 연료는 표면 연소, 분해 연소, 증발 연소 등 다양한 형태로 연소한다.

2. 1. 완전 연소와 불완전 연소

산소 공급량에 따라 완전 연소와 불완전 연소로 나뉜다.

== 완전 연소 ==

완전 연소의 경우, 반응 물질이 산소의 공급이 충분한 상태에서 완전히 타서 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 이는 푸른 빛을 띈다.

완전 연소에서는, 반응물이 산소에서 연소하여 제한된 수의 생성물을 생성한다. 탄화수소가 산소에서 연소될 때, 반응은 주로 이산화탄소와 물을 생성한다. 원소가 연소될 때, 생성물은 주로 가장 흔한 산화물이다. 탄소는 이산화탄소를, 황은 이산화 황을, 철은 산화철(III)을 생성한다. 산화제가 산소일 때 질소는 가연성 물질로 간주되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 공기가 산화제일 때 다양한 질소 산화물(일반적으로 NO_x 종으로 지정됨)이 소량 생성된다.

연소는 반드시 최대 산화 정도에 유리한 것은 아니며, 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 삼산화 황은 황의 연소에 의해 정량적으로 생성되지 않는다. NO_x 종은 약 1538°C 이상에서 상당한 양으로 나타나며, 더 높은 온도에서는 더 많이 생성된다. NO_x의 양은 또한 산소 과잉의 함수이다.^[2]

대부분의 산업 응용 분야와 화재에서는 공기가 산소(O₂)의 공급원이다. 공기 중에서는 각 몰의 산소가 약 3.71몰의 질소와 혼합된다. 질소는 연소에 참여하지 않지만, 고온에서는 일부 질소가 NO_x(주로 일산화 질소(NO), 소량의 이산화 질소(NO₂))로 전환된다. 반면에 연료를 완전히 연소시킬 만큼 산소가 부족하면, 일부 연료 탄소는 일산화탄소로 전환되고, 일부 수소는 반응하지 않은 채 남는다. 따라서 공기 중에서 탄화수소의 연소에 대한 완전한 방정식 집합에는 연료의 탄소와 수소 사이의 산소 분포에 대한 추가 계산이 필요하다.

완전 연소에 필요한 공기량을 "이론 공기" 또는 "화학량론적 공기"라고 한다.^[3] 최적 연소에 실제로 필요한 이 값 이상의 공기량을 "과잉 공기"라고 하며, 천연가스 보일러의 경우 5%, 무연탄의 경우 40%, 가스터빈의 경우 300%까지 다양하다.^[4]

== 불완전 연소 ==

연료가 완전히 반응할 정도로 산소가 충분히 공급되지 않은 경우 불완전 연소가 발생하며 일산화탄소를 만들어낸다. 완전 연소와 달리 붉은 빛을 띈다.^[5] 불완전 연소는 연료가 이산화탄소와 물을 완전히 생성하기에 충분한 산소가 없을 때 발생한다. 또한 고체 표면이나 화염 차단기와 같은 열 싱크에 의해 연소가 소화될 때도 발생한다. 완전 연소의 경우와 마찬가지로 불완전 연소에서도 물이 생성되지만, 이산화탄소 대신 탄소와 일산화탄소가 생성된다.

경유, 석탄 또는 목재와 같은 대부분의 연료는 연소 전에 열분해를 거친다. 불완전 연소에서는 열분해 생성물이 타지 않고 연기에 남아 유해한 미립자 물질과 가스를 만들어 낸다. 부분적으로 산화된 화합물도 문제가 되는데, 에탄올의 부분 산화는 유해한 아세트알데히드를 생성할 수 있으며, 탄소는 독성이 있는 일산화탄소를 생성할 수 있다.^[6]

버너와 내연기관과 같이 연소 장치의 설계를 개선하여 연소의 질을 높일 수 있다. 촉매 후연소 장치(촉매 변환기 등) 또는 연소 과정으로 배기가스의 단순한 부분적 환원을 통해 추가적인 개선이 가능하다. 이러한 장치는 대부분의 국가에서 자동차에 대한 환경 규제에 의해 요구되며, 화력 발전소와 같이 대형 연소 장치가 법적 배출 기준에 도달하도록 하기 위해 필요할 수도 있다.

HVAC 계약자, 소방관 및 기술자는 연소 분석기를 사용하여 연소 과정 중 버너의 효율을 시험한다. 또한 내연 기관의 효율을 이러한 방식으로 측정할 수 있으며, 일부 미국 주와 지방 자치 단체는 연소 분석을 사용하여 현재 도로를 운행하는 차량의 효율을 정의하고 평가한다.

일산화탄소는 불완전 연소의 생성물 중 하나이다.^[5] 일산화탄소는 이산화탄소 생성보다 열을 덜 생성하며, 특히 일산화탄소가 독성 가스이기 때문에 완전 연소가 매우 바람직하다. 일산화탄소를 흡입하면 산소를 대체하고 혈액 내 일부 헤모글로빈과 결합하여 산소를 운반할 수 없게 된다.^[6]

탄화수소의 불완전 연소(부분 연소)는 산소와 반응하여 주로 이산화탄소(), 일산화탄소(), 물(), 그리고 수소()를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 일반적으로 금속의 열처리 및 가스 침탄(침탄)에 사용되는 보호 분위기로 사용하기 위해 제조된다.^[12] 탄화수소 1몰의 불완전 연소에 대한 일반적인 반응식은 다음과 같다.

: \underset{연료}{C_\mathit{x} H_\mathit{y}} + \underset{산소}{\mathit{z} O2} -> \underset{이산화탄소}{\mathit{a}CO2} + \underset{일산화탄소}{\mathit{b}CO} + \underset{물}{\mathit{c}H2O} + \underset{수소}{\mathit{d}H2}

'z'가 화학량론적 값의 약 50% 미만으로 떨어지면 메탄()이 중요한 연소 생성물이 될 수 있으며, 'z'가 화학량론적 값의 약 35% 미만으로 떨어지면 원소 탄소가 안정될 수 있다.

불완전 연소 생성물은 물질 수지와 연소 생성물이 화학 평형에 도달한다는 가정을 이용하여 계산할 수 있다.^[13]^[14] 예를 들어, 프로판() 1몰을 4몰의 와 연소시키면 7몰의 연소 가스가 생성되며, 'z'는 화학량론적 값의 80%이다. 세 가지 원소 수지 방정식은 다음과 같다.

탄소: $a + b = 3$
수소: $2c + 2d = 8$
산소: $2a + b + c = 8$

이 세 가지 방정식만으로는 연소 가스 조성을 계산하기에 충분하지 않다.

그러나 평형 상태에서 수성가스 전이 반응이 또 다른 방정식을 제공한다.

: CO + H2O -> CO2 + H2;

K_{eq} = \frac{a \times d}{b \times c}

예를 들어, 에서 ''K''의 값은 0.728이다.^[15] 계산 결과, 연소 가스는 물 42.4%, 이산화탄소 29.0%, 수소() 14.7%, 일산화탄소() 13.9%로 구성된다. 탄소는 및 압력에서 'z'가 화학량론적 값의 30% 미만일 때 안정적인 상이 되며, 이 시점에서 연소 생성물은 98% 이상의 수소()와 일산화탄소() 및 약 0.5%의 메탄()을 포함한다.

연소되는 물질 또는 재료를 연료라고 한다. 가장 일반적인 예로는 천연가스, 프로판, 등유, 경유, 휘발유, 숯, 석탄, 목재 등이 있다.

2. 1. 1. 완전 연소

완전 연소의 경우, 반응 물질이 산소의 공급이 충분한 상태에서 완전히 타서 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 이는 푸른 빛을 띈다.

완전 연소에서는, 반응물이 산소에서 연소하여 제한된 수의 생성물을 생성한다. 탄화수소가 산소에서 연소될 때, 반응은 주로 이산화탄소와 물을 생성한다. 원소가 연소될 때, 생성물은 주로 가장 흔한 산화물이다. 탄소는 이산화탄소를, 황은 이산화 황을, 철은 산화철(III)을 생성한다. 산화제가 산소일 때 질소는 가연성 물질로 간주되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 공기가 산화제일 때 다양한 질소 산화물(일반적으로 NO_x 종으로 지정됨)이 소량 생성된다.

연소는 반드시 최대 산화 정도에 유리한 것은 아니며, 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 삼산화 황은 황의 연소에 의해 정량적으로 생성되지 않는다. NO_x 종은 약 1538°C 이상에서 상당한 양으로 나타나며, 더 높은 온도에서는 더 많이 생성된다. NO_x의 양은 또한 산소 과잉의 함수이다.^[2]

대부분의 산업 응용 분야와 화재에서는 공기가 산소(O₂)의 공급원이다. 공기 중에서는 각 몰의 산소가 약 3.71몰의 질소와 혼합된다. 질소는 연소에 참여하지 않지만, 고온에서는 일부 질소가 NO_x(주로 일산화 질소(NO), 소량의 이산화 질소(NO₂))로 전환된다. 반면에 연료를 완전히 연소시킬 만큼 산소가 부족하면, 일부 연료 탄소는 일산화탄소로 전환되고, 일부 수소는 반응하지 않은 채 남는다. 따라서 공기 중에서 탄화수소의 연소에 대한 완전한 방정식 집합에는 연료의 탄소와 수소 사이의 산소 분포에 대한 추가 계산이 필요하다.

완전 연소에 필요한 공기량을 "이론 공기" 또는 "화학량론적 공기"라고 한다.^[3] 최적 연소에 실제로 필요한 이 값 이상의 공기량을 "과잉 공기"라고 하며, 천연가스 보일러의 경우 5%, 무연탄의 경우 40%, 가스터빈의 경우 300%까지 다양하다.^[4]

2. 1. 2. 불완전 연소

연료가 완전히 반응할 정도로 산소가 충분히 공급되지 않은 경우 불완전 연소가 발생하며 일산화탄소를 만들어낸다. 완전 연소와 달리 붉은 빛을 띈다.^[5] 불완전 연소는 연료가 이산화탄소와 물을 완전히 생성하기에 충분한 산소가 없을 때 발생한다. 또한 고체 표면이나 화염 차단기와 같은 열 싱크에 의해 연소가 소화될 때도 발생한다. 완전 연소의 경우와 마찬가지로 불완전 연소에서도 물이 생성되지만, 이산화탄소 대신 탄소와 일산화탄소가 생성된다.

경유, 석탄 또는 목재와 같은 대부분의 연료는 연소 전에 열분해를 거친다. 불완전 연소에서는 열분해 생성물이 타지 않고 연기에 남아 유해한 미립자 물질과 가스를 만들어 낸다. 부분적으로 산화된 화합물도 문제가 되는데, 에탄올의 부분 산화는 유해한 아세트알데히드를 생성할 수 있으며, 탄소는 독성이 있는 일산화탄소를 생성할 수 있다.^[6]

버너와 내연기관과 같이 연소 장치의 설계를 개선하여 연소의 질을 높일 수 있다. 촉매 후연소 장치(촉매 변환기 등) 또는 연소 과정으로 배기가스의 단순한 부분적 환원을 통해 추가적인 개선이 가능하다. 이러한 장치는 대부분의 국가에서 자동차에 대한 환경 규제에 의해 요구되며, 화력 발전소와 같이 대형 연소 장치가 법적 배출 기준에 도달하도록 하기 위해 필요할 수도 있다.

HVAC 계약자, 소방관 및 기술자는 연소 분석기를 사용하여 연소 과정 중 버너의 효율을 시험한다. 또한 내연 기관의 효율을 이러한 방식으로 측정할 수 있으며, 일부 미국 주와 지방 자치 단체는 연소 분석을 사용하여 현재 도로를 운행하는 차량의 효율을 정의하고 평가한다.

일산화탄소는 불완전 연소의 생성물 중 하나이다.^[5] 일산화탄소는 이산화탄소 생성보다 열을 덜 생성하며, 특히 일산화탄소가 독성 가스이기 때문에 완전 연소가 매우 바람직하다. 일산화탄소를 흡입하면 산소를 대체하고 혈액 내 일부 헤모글로빈과 결합하여 산소를 운반할 수 없게 된다.^[6]

탄화수소의 불완전 연소(부분 연소)는 산소와 반응하여 주로 이산화탄소(), 일산화탄소(), 물(), 그리고 수소()를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 일반적으로 금속의 열처리 및 가스 침탄(침탄)에 사용되는 보호 분위기로 사용하기 위해 제조된다.^[12] 탄화수소 1몰의 불완전 연소에 대한 일반적인 반응식은 다음과 같다.

: \underset{연료}{C_\mathit{x} H_\mathit{y}} + \underset{산소}{\mathit{z} O2} -> \underset{이산화탄소}{\mathit{a}CO2} + \underset{일산화탄소}{\mathit{b}CO} + \underset{물}{\mathit{c}H2O} + \underset{수소}{\mathit{d}H2}

'z'가 화학량론적 값의 약 50% 미만으로 떨어지면 메탄(})이 중요한 연소 생성물이 될 수 있으며, 'z'가 화학량론적 값의 약 35% 미만으로 떨어지면 원소 탄소가 안정될 수 있다.

불완전 연소 생성물은 물질 수지와 연소 생성물이 화학 평형에 도달한다는 가정을 이용하여 계산할 수 있다.^[13]^[14] 예를 들어, 프로판() 1몰을 4몰의 와 연소시키면 7몰의 연소 가스가 생성되며, 'z'는 화학량론적 값의 80%이다. 세 가지 원소 수지 방정식은 다음과 같다.

탄소: $a + b = 3$
수소: $2c + 2d = 8$
산소: $2a + b + c = 8$

이 세 가지 방정식만으로는 연소 가스 조성을 계산하기에 충분하지 않다.

그러나 평형 상태에서 수성가스 전이 반응이 또 다른 방정식을 제공한다.

: CO + H2O -> CO2 + H2;

K_{eq} = \frac{a \times d}{b \times c}

예를 들어, 에서 ''K''의 값은 0.728이다.^[15] 계산 결과, 연소 가스는 물 42.4%, 이산화탄소 29.0%, 수소() 14.7%, 일산화탄소() 13.9%로 구성된다. 탄소는 및 압력에서 'z'가 화학량론적 값의 30% 미만일 때 안정적인 상이 되며, 이 시점에서 연소 생성물은 98% 이상의 수소()와 일산화탄소() 및 약 0.5%의 메탄()을 포함한다.

연소되는 물질 또는 재료를 연료라고 한다. 가장 일반적인 예로는 천연가스, 프로판, 등유, 경유, 휘발유, 숯, 석탄, 목재 등이 있다.

2. 2. 연소 형태에 따른 분류

난류 화염을 동반하는 연소는 연료와 산화제의 혼합 과정을 촉진하기 때문에 (예: 가스터빈, 가솔린 엔진 등) 산업 응용 분야에서 가장 많이 사용된다.

기체 연료의 연소는 네 가지 구별되는 연소 유형, 즉 확산 화염, 예혼합 화염, 자기착화 반응면, 또는 폭굉을 통해 발생할 수 있다.^[16] 실제로 발생하는 연소 유형은 가열 전에 연료와 산화제가 혼합되는 정도에 따라 달라진다. 예를 들어, 연료와 산화제가 처음에 분리되어 있으면 확산 화염이 형성되고, 그렇지 않으면 예혼합 화염이 형성된다. 마찬가지로, 연소 유형은 압력에도 따라 달라진다. 예를 들어, 폭굉은 강한 충격파와 결합된 자기착화 반응면으로, 특징적인 고압 피크와 높은 폭굉 속도를 갖는다.^[16]

확산연소 - 연료와 산화제가 별도로 공급되는 연소.
예혼합연소 - 연료와 산화제가 미리 혼합되는 연소.

산화성 대기에서의 액체 연료 연소는 실제로 기체 상에서 일어난다. 액체 자체가 타는 것이 아니라 증기가 타는 것이다. 따라서 액체는 일반적으로 특정 온도, 즉 인화점 이상에서만 불이 붙는다. 액체 연료의 인화점은 공기와 인화성 혼합물을 형성할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 이는 공기 중에 충분한 양의 연료 증기가 있어 연소가 시작될 수 있는 최소 온도이다.

증발연소 - 액체 표면에서 연료가 증발하여 연소하는 것.
심지연소 - 심지를 이용하여 연료를 흡수시켜 연소하는 것.

고체 연료는 표면 연소, 분해 연소, 증발 연소 등 다양한 형태로 연소한다.

연소 작용은 상대적으로 구별되지만 중첩되는 세 가지 단계로 구성된다.

'''예열 단계'''는 미연소 연료가 인화점까지 가열되고 그 후 발화점에 도달하는 단계이다. 가연성 기체는 건류와 유사한 과정에서 발생하기 시작한다.
'''증류 단계''' 또는 '''기체 단계'''는 발생한 가연성 기체와 산소의 혼합물이 점화되는 단계이다. 열과 빛의 형태로 에너지가 생성된다. 화염이 보이는 경우가 많다. 연소에서 고체로의 열전달은 가연성 증기의 발생을 유지한다.
'''숯 단계''' 또는 '''고체 단계'''는 재료에서 가연성 기체의 배출량이 화염의 지속적인 존재에 불충분하고 탄화된 연료가 빠르게 연소되지 않고 단지 밝게 빛나고 나중에는 훈연만 하는 단계이다.
분해연소 - 물질이 가열에 의해 가연성 가스 또는 산소를 발생시켜 연소하는 것.
증발연소
표면연소
은연소(燻연소) - 환기가 나쁘거나 산소가 부족한 등의 원인으로 불완전연소하는 것. 산소가 공급되면 순간적으로 활활 타오른다(백드래프트).
촉매연소 - 백금(platinum) 등을 촉매로 한 연소.

2. 2. 1. 기체 연소

난류 화염을 동반하는 연소는 연료와 산화제의 혼합 과정을 촉진하기 때문에 (예: 가스터빈, 가솔린 엔진 등) 산업 응용 분야에서 가장 많이 사용된다.

기체 연료의 연소는 네 가지 구별되는 연소 유형, 즉 확산 화염, 예혼합 화염, 자기착화 반응면, 또는 폭굉을 통해 발생할 수 있다.^[16] 실제로 발생하는 연소 유형은 가열 전에 연료와 산화제가 혼합되는 정도에 따라 달라진다. 예를 들어, 연료와 산화제가 처음에 분리되어 있으면 확산 화염이 형성되고, 그렇지 않으면 예혼합 화염이 형성된다. 마찬가지로, 연소 유형은 압력에도 따라 달라진다. 예를 들어, 폭굉은 강한 충격파와 결합된 자기착화 반응면으로, 특징적인 고압 피크와 높은 폭굉 속도를 갖는다.^[16]

확산연소 - 연료와 산화제가 별도로 공급되는 연소.
예혼합연소 - 연료와 산화제가 미리 혼합되는 연소.

2. 2. 2. 액체 연소

산화성 대기에서의 액체 연료 연소는 실제로 기체 상에서 일어난다. 액체 자체가 타는 것이 아니라 증기가 타는 것이다. 따라서 액체는 일반적으로 특정 온도, 즉 인화점 이상에서만 불이 붙는다. 액체 연료의 인화점은 공기와 인화성 혼합물을 형성할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 이는 공기 중에 충분한 양의 연료 증기가 있어 연소가 시작될 수 있는 최소 온도이다.

증발연소 - 액체 표면에서 연료가 증발하여 연소하는 것.
심지연소 - 심지를 이용하여 연료를 흡수시켜 연소하는 것.

2. 2. 3. 고체 연료 연소

고체 연료는 표면 연소, 분해 연소, 증발 연소 등 다양한 형태로 연소한다.

연소 작용은 상대적으로 구별되지만 중첩되는 세 가지 단계로 구성된다.

'''예열 단계'''는 미연소 연료가 인화점까지 가열되고 그 후 발화점에 도달하는 단계이다. 가연성 기체는 건류와 유사한 과정에서 발생하기 시작한다.
'''증류 단계''' 또는 '''기체 단계'''는 발생한 가연성 기체와 산소의 혼합물이 점화되는 단계이다. 열과 빛의 형태로 에너지가 생성된다. 화염이 보이는 경우가 많다. 연소에서 고체로의 열전달은 가연성 증기의 발생을 유지한다.
'''숯 단계''' 또는 '''고체 단계'''는 재료에서 가연성 기체의 배출량이 화염의 지속적인 존재에 불충분하고 탄화된 연료가 빠르게 연소되지 않고 단지 밝게 빛나고 나중에는 훈연만 하는 단계이다.
분해연소 - 물질이 가열에 의해 가연성 가스 또는 산소를 발생시켜 연소하는 것.
증발연소
표면연소
은연소(燻연소) - 환기가 나쁘거나 산소가 부족한 등의 원인으로 불완전연소하는 것. 산소가 공급되면 순간적으로 활활 타오른다(백드래프트).
촉매연소 - 백금(platinum) 등을 촉매로 한 연소.

3. 연소의 조건

물질에는 설탕이나 에탄올과 같이 공기 중에서 가열하여 온도를 올리면 연소하는 것이 있다. 그러나 철 등 금속은 덩어리인 상태에서 아무리 가열해도 연소하지 않지만, 가는 섬유로 만든 스틸 울은 가열하면 잘 탄다. 마그네슘도 얇은 리본처럼 만들거나 가루로 만들면 가열에 의해 불꽃을 내면서 격렬하게 연소한다. 또, 구리 가루는 공기 중에서 가열하면 빛깔이 검게 변할 뿐이지만, 산소내에서 가열하면 빨갛게 되어 심하게 변화한다. 일반적으로 어떤 물질이나 공기 속에서보다 산소 속에서 더 세게 연소한다. 반대로 산소가 없는 곳에서는 에탄올이나 석유 등을 아무리 가열해도 연소하지 않는다.

이러한 사실로부터 물질이 연소하기 위한 조건들을 알아보면 다음과 같다.

# 연소할 물질이 있어야 한다.

# 가열하여 물질을 발화점 이상의 온도로 만들어야 한다.

# 물질의 주위에 산소가 있어야 한다.

# 연쇄반응이 일어나야 한다.

3번까지의 조건을 '연소의 3요소'라고 하며, 불꽃연소에서 추가로 발생하는 4번 조건까지를 '연소의 4요소'라고 한다.

물질을 잘게 부수거나 가루로 만들면 잘 타는 이유는 물질의 온도를 높이기 쉽고, 또 표면적이 증가하여 공기 속의 산소와 접촉하기 쉽게 되기 때문이라고 할 수 있다.^[65]

연소의 3요소(산소:Oxygen, 가연물:Fuel, 열:heat). 다른 이름: Fire triangle

연소에 필요한 요소로 다음 세 가지가 있다.^[60] 따라서, 이 중 하나만 제거해도 소화할 수 있다. 단, 산소는 앞서 설명한 대로 가연물 자체에 포함되어 있는 경우 외부에서의 공급을 필요로 하지 않는다. 또한, 지연성 물질, 산화제로서 산소에 국한되지 않는 경우도 있다.

# 가연성 물질

# 산소

# 발화점 이상의 온도

3. 1. 연소의 3요소

물질이 연소하기 위해서는 가연물, 산소 공급원, 점화원(발화점 이상의 온도)이 필요하다.^[60]^[65] 설탕이나 에탄올은 공기 중에서 가열하면 연소하지만, 철과 같은 금속은 덩어리 상태에서는 연소하지 않는다. 하지만 스틸 울처럼 가는 섬유 형태나, 마그네슘 리본 또는 가루 형태처럼 만들면 쉽게 연소한다. 구리 가루는 공기 중에서 가열하면 검게 변하지만, 산소 내에서는 빨갛게 변하며 격렬하게 반응한다. 일반적으로 물질은 공기 속에서보다 산소 속에서 더 강하게 연소한다.^[65]

물질을 잘게 부수거나 가루로 만들면 표면적이 넓어져 산소와의 접촉이 쉬워지고, 온도가 쉽게 발화점 이상으로 올라가 연소가 잘 일어난다.^[65]

이 세 가지 조건을 '연소의 3요소'라고 하며, 불꽃 연소의 경우에는 연쇄 반응이 추가로 필요하며 이를 포함하여 '연소의 4요소'라고 부르기도 한다.^[65] 연소의 3요소 중 하나만 제거해도 소화할 수 있다. 단, 가연물 자체에 산소가 포함되어 있거나, 지연성 물질, 산화제가 산소가 아닌 경우도 있다.^[60]

3. 2. 완전 연소의 3T

완전 연소를 위해서는 세 가지 조건이 충족되어야 한다.^[61]

연소 온도(Temperature)
체류 시간(Time)
공기와의 혼합 상태(Turbulence)

4. 연소 반응 메커니즘

산소 중의 연소는 여러 가지 다른 라디칼 중간체들이 참여하는 연쇄 반응이다.^[29] 연소를 시작하려면 이산소를 스핀 짝을 이룬 상태 또는 일중항 산소로 강제하기 위해 에너지가 필요하다. 이 중간체는 매우 반응성이 높다. 에너지는 열로 공급되며, 그 반응은 추가적인 열을 생성하여 반응을 계속 진행할 수 있게 한다.

탄화수소의 연소는 연료에서 산소로의 수소 원자 추출에 의해 시작되는 것으로 생각된다. 이는 하이드로퍼옥사이드 라디칼(HOO)을 생성한다. 이것은 하이드로퍼옥사이드를 더 생성하고, 이것은 하이드록실 라디칼을 생성하기 위해 분해된다. 연료 라디칼과 산화 라디칼을 생성하는 이러한 과정은 매우 다양하다. 산화 종에는 일중항 산소, 하이드록실, 일원자 산소 및 하이드로퍼옥실이 포함된다. 이러한 중간체는 수명이 짧아 분리할 수 없다. 그러나 비라디칼 중간체는 안정적이며 불완전 연소에서 생성된다. 예를 들어 에탄올 연소에서 생성되는 아세트알데하이드가 있다. 탄소와 탄화수소의 연소 중간체인 일산화탄소는 독성 가스이지만 합성가스 생산에 경제적으로 유용하기 때문에 특히 중요하다.^[29]

고체 및 무거운 액체 연료는 또한 더 쉽게 산화되는 기체 연료를 생성하는 많은 열분해 반응을 겪는다. 이러한 반응은 흡열 반응이며 진행 중인 연소 반응으로부터 지속적인 에너지 입력이 필요하다. 산소 부족 또는 기타 부적절하게 설계된 조건은 이러한 유해하고 발암성 열분해 생성물이 두껍고 검은 연기로 배출되는 결과를 초래한다.^[29]

화학 동역학적 관점에서 연소 과정에 대한 자세한 설명은 크고 복잡한 기본 반응 네트워크의 공식화를 필요로 한다.^[29] 예를 들어, 탄화수소 연료의 연소는 일반적으로 수천 개의 반응에 따라 반응하는 수백 가지의 화학 종을 포함한다.^[30]

연소의 화학 반응 메커니즘은 100개 이상의 기본 반응을 거치기 때문에 매우 복잡하다. 각 기본 반응은 개시 반응, 연쇄 분기 반응, 치환 반응, 종결 반응의 네 가지로 분류된다.

; 개시 반응

:H₂ + M → H + H + M (수소 분자의 해리)

:O₂ + M → O + O + M (산소 분자의 해리)

이 중 결합 에너지에서 수소 분자의 해리가 더 일어나기 쉽다.

; 연쇄 분기 반응(라디칼의 수가 증가하는 반응으로, 개시 반응 이외의 것)

:O₂ + H → OH + O

:H₂ + O → OH + H

:O₂ + OH → HO₂ + O

; 치환 반응(라디칼의 개수는 변하지 않고 종류만 변하는 것)

:H₂ + OH → H₂O + H

:H₂ + HO₂ → H₂O + OH

; 정지 반응(라디칼의 수가 감소하는 것)

:H + OH + M → H₂O + M

:H + H + M → H₂ + M

:O + O + M → O₂ + M

고등학교까지의 화학 수업에서는 수소 기체가 연소하는 반응을 단순히

:2H₂ + O₂ → 2H₂O

라고 배우지만, 이것은 반응 전과 반응 후의 물질 수지를 설명한 것일 뿐이며, 실제로는 위와 같이 복잡한 과정을 거쳐 최종적으로 정지 반응에 의해 반응이 종료된다.^[62]

또한, 연소가 일단 시작되면 계속 진행되고, 불량한 조건으로 폭주하면 폭발(폭발연소 또는 폭굉)에 이르는 것은 라디칼이 급속히(등비급수적으로) 증가하는 연쇄 분기 반응을 거치기 때문이다.^[62]

일반적으로 산소에서 탄화수소의 화학량론적 연소에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.

: $\ce{C}_x \ce{H}_y + \left(x+{y\over 4}\right)\ce{O2->} x\ce{CO2} + {y\over 2} \ce{H2O}$

예를 들어, 산소에서 메테인의 화학량론적 연소는 다음과 같다.

:\underset{메테인}{CH4} + 2O2 -> CO2 + 2H2O

공기 중 탄화수소의 화학양론적 연소가 일어나는 경우, 공기(지구 대기)에 존재하는 질소는 반응하지 않지만, 공기 중 연료의 화학양론적 조성과 생성되는 배기가스의 조성을 보여주기 위해 방정식에 추가될 수 있다. 공기 중 산소 이외의 모든 성분을 질소로 간주하면, 질소 대 산소의 비율은 3.77이 된다. 즉, (100% – O₂%) / O₂% 이며, 여기서 O₂%는 20.95% (체적)이다.

: $\ce{C}_x \ce{H}_y + z\ce{O2} + 3.77z\ce{N2 ->} x\ce{CO2} + {y\over 2} \ce{H2O} + 3.77z\ce{N2}$

여기서 $z = x + {y\over 4}$ 이다.

예를 들어, 공기 중 메탄의 화학양론적 연소는 다음과 같다.

: $\ce{\underset{메탄}{CH4} + 2O2} + 7.54\ce{N2-> CO2 + 2H2O} + 7.54\ce{N2}$

공기 중 메탄의 화학양론적 조성은 9.49% (체적)이다.

공기 중 CHO의 화학양론적 연소 반응:

: $\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \ce{N_2}$

공기 중 CHOS의 화학양론적 연소 반응:

: $\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}S_\mathit{\delta}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \delta \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + \delta \ce{SO_2} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \delta \right ) \ce{N_2}$

공기 중 CHONS의 화학양론적 연소 반응:

: $\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}N_\mathit{\delta}S_\mathit{\epsilon}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \epsilon \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + \epsilon \ce{SO_2} + \left ( 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \epsilon \right ) + \frac{\delta}{2} \right ) \ce{N_2}$

공기 중 CHOF의 화학양론적 연소 반응:

: $\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}F_\mathit{\delta}} + \left ( \alpha + \frac{\beta-\delta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta-\delta}{2} \ce{H_2O} + \delta \ce{HF} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta-\delta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \ce{N_2}$

탄화수소의 불완전 연소(부분 연소)는 산소와 반응하여 주로 이산화탄소(), 일산화탄소(), 물(), 그리고 수소()를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 일반적으로 금속의 열처리(열처리) 및 가스 침탄(침탄)에 사용되는 보호 분위기로 사용하기 위해 제조된다.^[12] 탄화수소 1몰(몰)의 불완전 연소에 대한 일반적인 반응식은 다음과 같다.^[12]

: \underset{연료}{C_\mathit{x} H_\mathit{y}} + \underset{산소}{\mathit{z} O2} -> \underset{이산화탄소}{\mathit{a}CO2} + \underset{일산화탄소}{\mathit{b}CO} + \underset{물}{\mathit{c}H2O} + \underset{수소}{\mathit{d}H2}

'z'가 화학량론적 값의 약 50% 미만으로 떨어지면 메탄()이 중요한 연소 생성물이 될 수 있으며, 'z'가 화학량론적 값의 약 35% 미만으로 떨어지면 원소 탄소(탄소)가 안정될 수 있다.^[12]

불완전 연소 생성물은 물질 수지와 연소 생성물이 화학 평형(화학 평형)에 도달한다는 가정을 이용하여 계산할 수 있다.^[13]^[14] 예를 들어, 프로판() 1몰을 4몰의 와 연소시키면 7몰의 연소 가스가 생성되며, 'z'는 화학량론적 값의 80%이다. 세 가지 원소 수지 방정식은 다음과 같다.^[12]

탄소: $a + b = 3$
수소: $2c + 2d = 8$
산소: $2a + b + c = 8$

이 세 가지 방정식만으로는 연소 가스 조성을 계산하기에 충분하지 않다.

그러나 평형 상태에서 수성가스 전이 반응(수성가스 전이 반응)이 또 다른 방정식을 제공한다.^[12]

: CO + H2O -> CO2 + H2;

K_{eq} = \frac{a \times d}{b \times c}

예를 들어, 1200K에서 ''K''의 값은 0.728이다.^[15] 계산 결과, 연소 가스는 물 42.4%, 이산화탄소 29.0%, 수소() 14.7%, 일산화탄소() 13.9%로 구성된다. 탄소는 1200K 및 1기압 압력에서 'z'가 화학량론적 값의 30% 미만일 때 안정적인 상이 되며, 이 시점에서 연소 생성물은 98% 이상의 수소()와 일산화탄소() 및 약 0.5%의 메탄()을 포함한다.^[12]

연소되는 물질 또는 재료를 연료라고 한다.

4. 1. 수소 연소의 경우

수소(H₂) 기체의 연소는 반응에 수소와 산소 두 종류의 원소만 관여하기 때문에 가장 단순한 연소 반응 중 하나이다.^[62]

; 개시 반응

:H₂ + M → H + H + M (수소 분자의 해리)

:O₂ + M → O + O + M (산소 분자의 해리)

이 중 결합 에너지에서 수소 분자의 해리가 더 일어나기 쉽다.

; 연쇄 분기 반응(라디칼의 수가 증가하는 반응으로, 개시 반응 이외의 것)

:O₂ + H → OH + O

:H₂ + O → OH + H

:O₂ + OH → HO₂ + O

; 치환 반응(라디칼의 개수는 변하지 않고 종류만 변하는 것)

:H₂ + OH → H₂O + H

:H₂ + HO₂ → H₂O + OH

; 정지 반응(라디칼의 수가 감소하는 것)

:H + OH + M → H₂O + M

:H + H + M → H₂ + M

:O + O + M → O₂ + M

고등학교까지의 화학 수업에서는 수소 기체가 연소하는 반응을 단순히

:2H₂ + O₂ → 2H₂O

라고 배우지만, 이것은 반응 전과 반응 후의 물질 수지를 설명한 것일 뿐이며, 실제로는 위와 같이 복잡한 과정을 거쳐 최종적으로 정지 반응에 의해 반응이 종료된다.^[62]

또한, 연소가 일단 시작되면 계속 진행되고, 불량한 조건으로 폭주하면 폭발(폭발연소 또는 폭굉)에 이르는 것은 라디칼이 급속히(등비급수적으로) 증가하는 연쇄 분기 반응을 거치기 때문이다.^[62]

4. 2. 탄화수소 연소의 경우

일반적으로 산소에서 탄화수소의 화학량론적 연소에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.

:

\ce{C}_x \ce{H}_y + \left(x+{y\over 4}\right)\ce{O2->} x\ce{CO2} + {y\over 2} \ce{H2O}

예를 들어, 산소에서 메테인의 화학량론적 연소는 다음과 같다.

:\underset{메테인}{CH4} + 2O2 -> CO2 + 2H2O

공기 중 탄화수소의 화학양론적 연소가 일어나는 경우, 공기(지구 대기)에 존재하는 질소는 반응하지 않지만, 공기 중 연료의 화학양론적 조성과 생성되는 배기가스의 조성을 보여주기 위해 방정식에 추가될 수 있다. 공기 중 산소 이외의 모든 성분을 질소로 간주하면, 질소 대 산소의 비율은 3.77이 된다. 즉, (100% – O₂%) / O₂% 이며, 여기서 O₂%는 20.95% (체적)이다.

:

\ce{C}_x \ce{H}_y + z\ce{O2} + 3.77z\ce{N2 ->} x\ce{CO2} + {y\over 2} \ce{H2O} + 3.77z\ce{N2}

여기서

z = x + {y\over 4}

이다.

예를 들어, 공기 중 메탄의 화학양론적 연소는 다음과 같다.

:

\ce{\underset{메탄}{CH4} + 2O2} + 7.54\ce{N2-> CO2 + 2H2O} + 7.54\ce{N2}

공기 중 메탄의 화학양론적 조성은 1 / (1 + 2 + 7.54) = 9.49% (체적)이다.

공기 중 CHO의 화학양론적 연소 반응:

:

\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \ce{N_2}

공기 중 CHOS의 화학양론적 연소 반응:

:

\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}S_\mathit{\delta}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \delta \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + \delta \ce{SO_2} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \delta \right ) \ce{N_2}

공기 중 CHONS의 화학양론적 연소 반응:

:

\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}N_\mathit{\delta}S_\mathit{\epsilon}} + \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \epsilon \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta}{2} \ce{H_2O} + \epsilon \ce{SO_2} + \left ( 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta}{4} -\frac{\gamma}{2} + \epsilon \right ) + \frac{\delta}{2} \right ) \ce{N_2}

공기 중 CHOF의 화학양론적 연소 반응:

:

\ce{C_\mathit{\alpha}H_\mathit{\beta}O_\mathit{\gamma}F_\mathit{\delta}} + \left ( \alpha + \frac{\beta-\delta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \left ( \ce{O_2} + 3.77 \ce{N_2} \right ) \longrightarrow \alpha \ce{CO_2} + \frac{\beta-\delta}{2} \ce{H_2O} + \delta \ce{HF} + 3.77 \left ( \alpha + \frac{\beta-\delta}{4} -\frac{\gamma}{2} \right ) \ce{N_2}

탄화수소의 불완전 연소(부분 연소)는 산소와 반응하여 주로 이산화탄소(), 일산화탄소(), 물(), 그리고 수소()를 포함하는 기체 혼합물을 생성한다. 이러한 기체 혼합물은 일반적으로 금속의 열처리(열처리) 및 가스 침탄(침탄)에 사용되는 보호 분위기로 사용하기 위해 제조된다.^[12] 탄화수소 1몰(몰)의 불완전 연소에 대한 일반적인 반응식은 다음과 같다.^[12]

: \underset{연료}{C_\mathit{x} H_\mathit{y}} + \underset{산소}{\mathit{z} O2} -> \underset{이산화탄소}{\mathit{a}CO2} + \underset{일산화탄소}{\mathit{b}CO} + \underset{물}{\mathit{c}H2O} + \underset{수소}{\mathit{d}H2}

'z'가 화학량론적 값의 약 50% 미만으로 떨어지면 메탄()이 중요한 연소 생성물이 될 수 있으며, 'z'가 화학량론적 값의 약 35% 미만으로 떨어지면 원소 탄소(탄소)가 안정될 수 있다.^[12]

불완전 연소 생성물은 물질 수지와 연소 생성물이 화학 평형(화학 평형)에 도달한다는 가정을 이용하여 계산할 수 있다.^[13]^[14] 예를 들어, 프로판() 1몰을 4몰의 와 연소시키면 7몰의 연소 가스가 생성되며, 'z'는 화학량론적 값의 80%이다. 세 가지 원소 수지 방정식은 다음과 같다.^[12]

탄소: $a + b = 3$
수소: $2c + 2d = 8$
산소: $2a + b + c = 8$

이 세 가지 방정식만으로는 연소 가스 조성을 계산하기에 충분하지 않다.

그러나 평형 상태에서 수성가스 전이 반응(수성가스 전이 반응)이 또 다른 방정식을 제공한다.^[12]

: CO + H2O -> CO2 + H2;

K_{eq} = \frac{a \times d}{b \times c}

예를 들어, 1200K에서 ''K''의 값은 0.728이다.^[15] 계산 결과, 연소 가스는 물 42.4%, 이산화탄소 29.0%, 수소() 14.7%, 일산화탄소() 13.9%로 구성된다. 탄소는 1200K 및 1기압 압력에서 'z'가 화학량론적 값의 30% 미만일 때 안정적인 상이 되며, 이 시점에서 연소 생성물은 98% 이상의 수소()와 일산화탄소() 및 약 0.5%의 메탄()을 포함한다.^[12]

연소되는 물질 또는 재료를 연료라고 한다. 가장 일반적인 예로는 천연가스, 프로판, 등유, 경유, 휘발유, 숯, 석탄, 목재 등이 있다.

5. 연소 후 생성물

5. 1. 질량 변화

양초가 타면 기체인 이산화탄소와 물이 생성되어 공기 속으로 빠져나가 양초의 질량은 줄어든다. 스틸 울이나 마그네슘은 연소하면서 질량이 커진다. 즉, 이들이 타서 생긴 산화철이나 산화마그네슘의 질량은 원래의 스틸 울이나 마그네슘의 질량보다 크다.

스틸 울이나 마그네슘이 연소하는 데는 산소가 필요하며, 또한 연소에 의해서 생긴 물질의 질량이 연소하기 전의 물질의 질량보다 커졌다는 사실을 생각할 때, 연소로 생긴 물질 속에는 산소가 들어갔다고 할 수 있다. 이것은 연소에 의해서 산소와 물질이 결합되었음을 말해 준다.

양초나 에탄올을 공기 속에서 가열하면 열과 빛을 내면서 연소하여 물과 이산화탄소를 생성하는데, 물은 수소와 공기 속의 산소가 결합하여 생긴 물질이고, 이산화탄소는 탄소와 공기 속의 산소가 결합하여 생긴 물질이다.

스틸 울이나 마그네슘도 공기 중에서 가열하면 빛과 열을 내면서 연소하여 산소와 결합해서 각각 산화철과 산화마그네슘이 된다. 이와 같이, 물질이 연소하면 원래의 물질과 다른 물질이 생긴다.

물질이 연소하면 남은 물질이 가벼워지는 경우와 무거워지는 경우가 있다.

대기 중의 산소와 연소 물질이 결합하여 기체가 되면 연소 물질의 질량만큼 가벼워진다.

대기 중에 포함된 산소와 타는 물질이 결합해도 고체 상태를 유지하면 산소의 질량만큼 무거워진다.

5. 2. 생성 물질

석유나 에탄올을 석면에 스며들게 하고 태우면 물(수증기)과 이산화탄소가 생성된다.^[66] 수소를 공기 중에서 연소시키면 물이 생성되고, 탄소를 공기(산소) 중에서 연소시키면 이산화탄소가 생긴다.^[66] 이는 연소하는 물질에 포함된 수소나 탄소가 연소하여 물과 이산화탄소가 되는 것이다.^[66] 따라서, 설탕, 판자, 밀랍, 종이 등과 같이 공기 중에서 연소하여 물이나 이산화탄소를 생성하는 물질에는 수소나 탄소가 함유되어 있다.^[66] 반면, 철 등의 금속이나 황이 연소할 때 물이나 이산화탄소가 생기지 않는 것은 수소나 탄소가 없기 때문이다.^[66]

스틸 울은 연소하면 검은 고체 물질(산화철)이 되고, 마그네슘은 흰 고체(산화마그네슘)로 변한다.^[66] 황은 코를 찌르는 자극적인 냄새가 나는 기체(이산화 황)를 내면서 연소한다.^[66]

단열 화염 온도가 약 1600K를 넘으면 다양한 다른 물질들이 연소 생성물에 나타난다. 과잉 공기를 사용하면 질소는 일산화질소(NO)로, 그리고 훨씬 더 적은 정도로 이산화질소(NO₂)로 산화될 수 있다. 일산화탄소(CO)는 이산화탄소(CO₂)의 불균등화 반응에 의해 생성되고, 수소(H₂)와 하이드록실 라디칼(OH)는 물(H₂O)의 불균등화 반응에 의해 생성된다.^[11]

예를 들어, 1mol의 프로판을 28.6mol의 공기(화학량론적 양의 120%)와 연소시키면 연소 생성물에는 3.3%의 산소(O₂)가 포함된다. 1400K에서, 평형 상태의 연소 생성물에는 0.03%의 NO와 0.002%의 OH가 포함된다. 1800K에서, 연소 생성물에는 0.17%의 NO, 0.05%의 OH, 0.01%의 CO, 그리고 0.004%의 H₂가 포함된다.^[11]

디젤 엔진은 과잉의 산소를 사용하여 작동하며, 질소산화물 배출이 필수적으로 발생한다. 미국과 유럽 연합 모두 차량 질소산화물 배출에 대한 규제 기준을 시행하고 있다.

일반적인 연소 반응식은 다음과 같다.

C + O₂ → CO₂
H₂ + O → H₂O
2Fe + 3/2O₂ → Fe₂O₃

6. 연소 기술 및 관리

6. 1. 연소 장치

버너는 기체, 액체, 분체 등을 공기와 혼합하여 연소시키는 장치이다. 화격자 연소는 격자 위에 고체를 놓아 연소시키며, 스토커 연소(이동 화격자)는 고체를 이동하는 격자 위에서 연소시킨다. 유동층 연소는 공기 등으로 유동시킨 고온의 규사 등에 고체를 접촉시켜 연소시키는 방식이다.

6. 2. 연소 관리

효율적인 공정 가열은 연료의 연소열을 가공 중인 재료에 최대한 많이 회수하는 것을 필요로 한다.^[17]^[18] 가열 공정 운영에는 많은 손실 요인이 있으며, 일반적으로 가장 큰 손실은 배기가스(연도가스)와 함께 빠져나가는 현열이다. 배기가스의 온도와 양은 그 열 함량(엔탈피)을 나타내므로, 배기가스의 양을 줄이면 열 손실을 최소화할 수 있다.

완벽한 용광로에서는 연료 분자 하나하나에 완전 연소에 필요한 정확한 양의 산소를 공급하기 위해 연소 공기 흐름을 연료 흐름과 일치시킨다. 그러나 실제로는 연소가 완벽하게 진행되지 않는다. 미연 연료(일반적으로 CO와 H₂)는 열량 손실 및 안전 위험을 나타낸다. 반응하지 않은 산소는 최소한의 안전 및 환경 문제만을 제기하므로, 연소 관리의 첫 번째 원칙은 모든 연료가 연소되도록 이론적으로 필요한 것보다 더 많은 산소를 공급하는 것이다. 예를 들어, 메탄(CH₄) 연소에는 두 분자보다 약간 많은 산소 분자가 필요하다.

연소 관리의 두 번째 원칙은 너무 많은 산소를 사용하지 않는 것이다. 적절한 양의 산소는 공기와 연료 흐름의 능동적 제어, 배기가스 산소 측정, 배기가스 가연물 측정의 세 가지 유형의 측정이 필요하다. 각 가열 공정에는 허용 가능한 수준의 가연물 농도를 유지하면서 배기가스 열 손실을 최소화하는 최적 조건이 있다. 과도한 산소를 최소화하면 주어진 배기가스 온도에서 과도한 산소를 최소로 유지할 때 NOx 수준이 가장 낮다는 추가적인 이점이 있다.^[2]

이 두 가지 원칙의 준수는 연소 과정에 대한 물질 및 열 균형을 만드는 것으로 더욱 강화된다.^[19]^[20]^[21]^[22] 물질 수지는 공기/연료 비를 연소 가스 중 O₂의 백분율과 직접적으로 관련시킨다. 열 수지는 충전물에 사용 가능한 열을 연료 연소에 의해 생성된 전체 순 열량과 관련시킨다.^[23]^[24] 연소 공기를 예열하거나^[25]^[26] 산소로 농축하는 것으로부터 얻는 열적 이점을 정량화하기 위해 추가적인 물질 및 열 균형을 만들 수 있다.^[27]^[28]

7. 현대 사회와 연소

7. 1. 연소 불안정성

연소 불안정성은 일반적으로 연소실에서 발생하는 강력한 압력 진동을 말한다. 이러한 압력 진동은 최대 180dB에 달할 수 있으며, 장기간 이러한 순환적인 압력 및 열 부하에 노출되면 엔진 부품의 수명이 단축된다.^[52] 새턴 V 계획에 사용된 F1 로켓과 같은 로켓에서는 불안정성으로 인해 연소실과 주변 부품에 심각한 손상이 발생했다. 이 문제는 연료 분사기를 재설계하여 해결되었다. 액체 제트 엔진에서는 액적 크기와 분포를 사용하여 불안정성을 감소시킬 수 있다. 연소 불안정성은 지상용 가스터빈 엔진에서 NO_x 배출 때문에 주요 관심사이다. 연소 온도를 낮추고 따라서 NO_x 배출을 줄이기 위해 희박 연소(당량비가 1 미만)를 하는 경향이 있지만, 희박 연소는 연소 불안정성에 매우 취약하게 만든다.

레이리 기준은 열음향 연소 불안정성 분석의 기초이며, 불안정성의 한 주기 동안 레이리 지수를 사용하여 평가된다.^[52]

열 방출 진동이 압력 진동과 위상이 일치하면 레이리 지수는 양수가 되고 열음향 불안정성의 크기가 최대화된다. 반면에 레이리 지수가 음수이면 열음향 감쇠가 발생한다. 레이리 기준은 열음향 불안정성을 최적으로 제어하려면 동일한 주파수에서 열 방출 진동이 압력 진동과 180도 위상차를 갖도록 하는 것이 중요함을 시사한다.^[55]^[56]

7. 2. 미세 중력 환경에서의 연소

'마이크로' 중력은 중력이 '낮은' 상태를 의미하며, 부력의 영향이 일반 중력에서 나타나는 다른 유동 과정에 비해 물리적 과정에 미치는 영향이 작다고 간주될 수 있는 상태를 말한다. 이러한 환경에서는 열 및 유동 수송 역학이 일반 중력 조건과는 매우 다르게 작용할 수 있다(예: 양초의 불꽃이 구형이 됨).^[10]

미세중력 연소 연구는 국제 우주 정거장의 승무원 안전과 관련된 화재 역학 등 우주선 환경과 개선된 연소를 위한 새로운 연료 혼합물 개발을 지원하는 미립 연소 역학, 재료 제조 공정, 전자 시스템의 열 관리, 다상 유동 비등 역학 등 지구 기반 조건 모두와 관련된 광범위한 측면에 대한 이해에 기여한다.

7. 3. 미세 연소

매우 작은 부피에서 발생하는 연소 과정을 미세 연소(micro-combustion)라고 한다. 높은 표면적 대 부피 비율은 비열 손실을 증가시킨다. 소화 거리(Quenching distance)는 이러한 연소실(combustion chamber)에서 화염을 안정화하는 데 중요한 역할을 한다.

참조

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