자동로그인
컨텐츠 | contents
일반게시판
Q&A게시판
공학 S/W
스터디 | study
단위환산
농도계산
일반화학
화공일반
화공실무

   
  이론산소량을 이용한 계산..
  글쓴이 : 탁산   고유ID : dizzy0421     날짜 : 20-01-15 00:09     조회 : 430    
안녕하세요. 항상 잘 보고있습니다.
연료 성분 및 유량을 알고, excess O2 약 2% 일때 연료속의 각 탄화수소가 완전연소하여 flue gas 내에 H2O, CO2, 미반응 O2, N2 만 존재한다고 생각하고, 모든 유량 단위가 Nm3/hr 이고 부피비=몰비로 하여 계산을 하는데 실제 운전중인 공기투입량과 맞지않습니다.
간단한 예를들어 아래 표와 같이 연소반응식의 계수를 이용해 메탄, 에탄 부피유량대비 필요한 O2의 부피유량를 알고, 과잉공급 산소량을 2%만큼 (1.02 를 곱하여) 계산하고 이것을 0.21로 나누어 실제공기 부피유량을 구해보는데 운전조건에비해 많이 적습니다.
실운전 공기공급량이 맞다면 단순히 1.02를 곱하고 0.21로 나누는 과정이 뭔가 문제가 있는거같으면서도 또 이게 맞는듯한 느낌이어서 조언을 얻고싶어 질문드립니다.


Stefano    20-01-16 10:47
(1) 뭔가 문제가 있다는 느낌은 틀리고 맞는 느낌이 옳습니다.  완전연소를 가정하면 연소가스 조성도 맞습니다.

(2) 이론산소량이 구해졌다면 완전연소반응에 의해 이론산소량이 그대로 소모되고 과잉으로 투입된 산소는 잔량으로 배출됩니다.  함께 투입된 공기 전체량의 약79%는 질소이고 연소과정에서도 변화되지 않고 그대로 배출됩니다.

(3) 그러나 실제 연소장치에 사용하는 과잉공기는 2% 처럼 낮지 않고  연료의 종류와 연소기 상태에 따라 5~50% 범위와 같이 훨씬 많이 사용되고 있습니다.  연소효율 관리가 잘 되고 있다는 보일러라고 해도 10~20%의 과잉공기가 사용됩니다.  실제 산업공장에서 연소장치에 사용하고 있는 과잉공기의 비율범위는 대체로 다음과 같습니다.   

가스연료 (천연가스, LPG 등):  5~10%
액체연료 (경유, 중유등): 15~20%
고체연료 (목재, 석탄 등): 20~60%
     
탁산 dizzy0421   20-01-20 17:00
답변감사드립니다. 이론공기량을 구하고, excess air% = 100% * (20.9% / (20.9% - O2% in the exhaust)) - 100% 로 계산하여 공기투입량을 구했습니다. 실제 운전과는 여전히 차이가 있지만 시작점으로 활용할 수 있을듯합니다.
스테파노 Stefano   20-01-20 18:28
(1) Gas 연료료 사용되는 탄화수소는 탄소 수소 산소 유황 질소 원소의 원자수를 기준으로 연소계산을 하면 됩니다.
고체혹은 액체연료의 경우에는 연료를 원자수효로 나타낸 값을 기준으로 (즉 CnHmOxSyNz로 두고) 연소계산합니다.
질문에서와 같은 가스연료의 경우 CnHm만으로 구성된 탄화수소라고 계산하면 다음 수식으로 계산되지요.

CnHm  +  (n+ m/2) O2  -----> n CO2 + m/2 H2O ........................(1)

연료성분에 대해 필요한 산소량은 모두 (1)의 계수로 나타낸 몰수의 비율로 필요한 이론 산소량을 계산하면 됩니다. 

질문에서 메탄의 경우 n=1, m=4이므로 메탄 1몰당 필요산소량은  (1+4/2)=3 mole이 되고 에탄의경우 n=2, m=6이므로 필요한 산소량은 에탄1몰당 (2+6/2)= 4 mole이 필요합니다.  여기에 각각 몰비율을 곱하여 더하면 전체 이론 산소필요량이 계산됩니다.

(2) 질문의 연료계산에서 필요한 이론 공기량은

Methane (1776 Nm3/h)/(22.414 Nm3/kg-mole) =79.24 kg-mole/h    <---몰당 3mole 산소필요
Ethane    (  74 Nm3/h)/(22.414 Nm3/kg-mole) = 3.30 kg-mole/h    <---몰당 4 mole 산소필요

전체이론산소량 = (3 kg-mole O2/kg-mole CH4) * 79.24 kg-mole/h
                      + (4 kg-mole O2/kg-mole C2H6) *3.30 kg-mole/h = 82.54 kg-mole O2/h  (완전연소에 소모되는 산소유량)

과잉산소량 (여기서는 2%) .........................................................1.65 kg-mole O2/h    (연소후 잔류 산소유량)

필요한 공기유량,  산소농도 20.9 % (질소 79.1 %)가정:  (82.54+1.65)/0.209  =402.82 kg-mole-Air (과잉산소 포함 연소공기)

(3) 연소가스의 분석은 흔히 수분을 제외하고 분석하는 경우가 많지요.  따라서 연소가스 분석치가 "Dry Gas"인지 "Wet Gas"인지 반드시 확인해야 합니다.
     
탁산 dizzy0421   20-01-23 18:42
[1] 위 탄화수소의 완전연소반응식에서 O2의 계수가 (n + m/4) 가 되어야 양측의 원자수가 맞을것으로 생각합니다.

[2] 위를 토대로 계산해보면, 전체이론산소량 170.03 kg-mole O2 / hr 가 나옵니다. 여기에 2% 과잉산소는 3.40 kg-mole O2 / hr 이 되고 (이것이 연소 후 잔류 산소유량), 필요 공기유량은 (170.03+3.40) / 0.209 = 829.8 kg-mole Air 가 나옵니다. 다시 22.414 Nm3/kg-mole을 곱해주면 18599.1 Nm3/hr 가 나오는데, 제가 질문할때 같이 올린 18510.6 Nm3/hr 와 근사한 값이어서 설명해주신 부분은 제가 잘 이해했다고 생각합니다.

[3] 다만, 제가 첫 스테파노님의 댓글에대한 답변시 언급한 excess O2% 가 과잉산소투입량이 아니고, exhaust gas 내의 산소 함량(by volume 으로 추정)이었다는것을 적는것을 깜빡했습니다. 그래서 "excess Air% = 100% * (20.9% / (20.9% - O2% in the exhaust)) - 100%" 와 같은 식을 사용했습니다.

투입되는 과잉산소 % 인지, 배출되는 연소가스내 존재하는 산소 함량 % 인지에 따라 문제가 달라지는데... 제가 이 O2 % 가 연소가스 속 산소라는 것을 알게된 순간 바로 공유하여 질문이 올바른 방향으로 갔어야했는데, 저도 당시엔 "그냥 2% O2다" 라는 정보밖에 얻지못해 과잉산소투입량이라고 생각하고 문제에 접근하고있었습니다. 늦은 정정 죄송합니다..

혹시 제가 스테파노님의 의도와는 다르게 이해한 부분이 있다면 꼭 알려주시면 감사드리겠습니다. 정성스런 답변 항상 감사드리고, 설 연휴 잘 보내시길 바라겠습니다.
Stefano    20-01-28 14:15
A1]  아차 실수..(m/2)H2O 생성에 (m/2)O가 사용되었으므로  O2 계수 (n+m/4)가 맞습니다.
A2]  처음 질문에서 인용한 데이터를 기준으로 Flue Gas 농도를 사용해서 과잉공기율을 계산해 보면

N2: 72.692 % 배가스 질소농도 (과잉공기포함)  --->과잉공기 미포함시 72.692-0.374*(0.791/0.209)
O2:  0.374 %  배가스 산소 농도 (과잉공기포함)  -->--  "  ---  0
CO2: 9.432 % 배가스 CO2 농도 -------------------------->--  "  ---  9.432
H2O: 18.502 % 배가스 H2O농도 ------------------------->--  "  ---  18.502

과잉공기율= (실제 공급 산소량/이론 공급 산소량) -1 = (실제 공급 질소량/이론 공급 질소량) -1 
= 72.692/(72.692 - 0.374 *(0.791/0.209) -1 = 0.0199  (즉 1.99%)

A3] Flue Gas 중 잔류 질소농도와 산소 농도를 알고 있을 경우 과잉공기율은 아래와 같이 계산할 수 있습니다.

과잉공기율 = (배가스 질소농도)/(배가스 질소농도-배가스 산소농도*0.791/0.209)-1  ........(2)

배가스중 잔류 농도가 2%일 경우 예상 Excess Air 는 11.63 %에 해당하고 배가스 농도는 아래와 같이 예상됩니다.  확인해 보세요.    :  CO2 8.35% H2O 17.02 % N2 72.63% Residual O2:2%

이 경우 Excess Air  Ratio는  72.63%/(73.63%-2%*0.7901/0.209) -1 = 0.1163  or 11.63%
코멘트입력
   

Copyright 1999.07.10-Now ChemEng.co.kr & 3D System Engineering. (mail : ykjang@naver.com, call 010-4456-8090)