4-1 보일러용 연료
보일용 연료는 어떤 종류의 연료라도 사용이 가능하다. 그러나 사용 연료의 경제성과 효율성을 고려하여 보일러의 연소장치에 적합한 연료를 선택해야 한 다. 특히 박용보일러에서 중요한 것은 신뢰성과 경제성이다. 즉 최대 효율로 운전되어야 하며, 보일러를 효율 좋게 운전함으로써 연료를 절약하여 항속 거 리를 연장할 수 있는데 이런 결과를 얻으려면 운전자가 연료와 연소에 관한 기본 지식을 갖고 있어야 한다. 이 장에서는 연료의 종류, 연료유의 물리적 특 성, 연소에 관한 기초 이론 등을 살펴보기로 한다. 보일러의 연료로서 갖추어 야 할 조건들을 살펴보면,
① 연료의 가격이 저렴하고, 많은 양을 쉽게 구입할 수 있어야 한다.
② 발열량이 커야 한다.
③ 연소가 용이해야 한다.
④ 연료의 운반, 저장, 사용 등에 있어서 안전하고, 취급이 용이해야 한다.
4-1-1 연료의 종류
보일러에 사용되는 연료는 고체연료, 액체연료 그리고 기체연료가 사용된다. 고체연료는 장작, 이탄 및 석탄 등이 있으나 보일러용으로는 석탄이 많이 사 용된다.
액체연료에는 등유(kerosene), 경유(light oil), 및 중유(heavy oil)등이 사용하 고 있으며, 기체 연료에는 LPG, LNG 등이 있다.
1) 원유
박용 보일러에 사용되는 연료는 주로 중유(heavy oil)이며 이것은 원유 (crude oil)에서 얻어진다.
표 4-1 원유의 원소 성분 원소
유종 탄소(%) 수소(%) 유황(%) 질소(%) 산소(%) 원유(A)
원유(B) 원유(C)
86.06 85.05 84.00
13.88 12.31 12.70
0.06 1.75 0.75
0 0.75 1.70
0 0 1.20
원유는 천연적으로 지하에서 생산되는 흑갈색의 액체로서 화학적으로는 다수 의 상이한 분자식을 가진 액체 탄화수소류의 혼합물이 총칭이다. 원유의 원소 성분은 그 종류에 관계없이 거의 98%까지가 탄소와 수소의 두 종류의 원소로 구성되어 있으며 유황, 회분, 아스팔트분, 질소, 산소가 전 함유량의 1～3% 정 도이다. 대체로 원유는 탄소를 84～87%, 수소를 11～14% 정도 함유한다. 2) 액체 연료의 종류
지하에서 얻어진 원유를 직류법에 의해서 증류 정제하게 되면 증류 온도(비 등점)가 낮은 차례로부터
① 가스질 탄화수소(L.P.G. 혹은 합성 고무용 가스)
② 나프샤(naphtha)
③ 가솔린(gasoline)
④ 등유(kerosene)
⑤ 경유(light oil or diesel oil)
⑥ 윤활유(lubricating oil)
⑦ 중유(heavy oil) 혹은 잔사유(residual fuel oil)등이 얻어진다.
나프샤(naphtha)
미정제 가솔린으로 주로 화공 원료로 사용된다. 대기압 하에서 65～150℃ 정 도로 가열해서 기화시킨 후 분류탑(fractionation tower)에서 액화 시켜 얻는 다.
가솔린(gasoline)
가솔린은 초기의 자동차 연료로 판매된 상품명이 일반화한 기름 명칭이다. 원 소 조성은 탄소 84%, 수소 16%, 유황 0.02～0.05% 정도, 비중은 0.07～0.76, 인
화점은 10～15℃, 자연 발화 온도는 400℃, 저위 발열량은 11,000～11,500 ㎉/
㎏정도이다.
거의 무색이며, 누설과 휘발성이 강해서 화재 및 폭발에 유의해야 한다. 증 류 온도에 따라 경 가솔린은 40～80℃, 중 가솔린은 90～150℃에서 증류되며 전자는 항공기 및 자동차용 내연기관에 많이 사용되고, 후자는 일반 공업용으 로 많이 사용된다.
등유(kerosine)
영어로 Kerosine이며, 상품명은 Kerosene이다. 증류 온도는 150～250℃, 인화
점은 30～60℃, 비중은 0.77～0.85 정도이며, 거의 무색인 액체이다. 원소 조성
은 탄소 85～86.5%, 수소 13.5～14.5% 정도이며, 유황이 0.5% 이하, 저위 발열
량이 10,700～11,300 ㎉/㎏이다. 가정용 난방 및 등화용, 항공기의 가스 터빈이
나 석유기관 등의 연료로 사용된다.
경유(light oil)
원유를 200～350℃ 정도로 가열해서 기화시킨 후 분류탑에서 액화시켜 얻은
기름이다. 보통 가스 오일(gas oil)이라고도 하고, 고속 디젤 기관에 많이 사용 되므로 디젤 오일(diesel oil)이 라고도 한다. 인화점은 60～90℃, 비중은 0.8
6～0.89 정도이며, 저위 발열량이 10,500～11,000㎉/㎏ 정도인 맑은 색깔의 기
름이다. 고속 디젤 기관이나 육상의 소형 보일러에 사용되고 있다.
중유(heavy oil)
중유는 세법상의 용어이며, 잔사 연료유(residual fuel oil)로도 불린다. 원유를 350℃ 이상의 온도로 증류했을 때 얻는 기름으로 잔유 그대로의 것과 아스팔 트나 피치를 제거한 것으로 구분된다. 전자는 주로 보일러 운전에 사용되고, 후자는 대형 저속 디젤 기관의 연료유로 사용된다. 비중이 0.92～0.961, 수분이 0.2～1.0%, 회분이 0.02～0.1%, 인화점이 80～130℃ 정도이며 발열량이 9,500～
10,900㎉/㎏ 정도의 흑갈색의 고점도의 연료이다. 원유로부터 얻어지는 석유
계 중유와 석탄을 저온 혹은 고온 하에서 건류할 때 부산물로서 얻어지는 흑 색의 기름인 타르계 중유가 있다.
중유의 등급은 일본의 관용 호칭인 A중유, B중유, C중유와 미국의 벙커 A(bunker A), 벙커 B, 벙커 C, 등을 사용한다. 특히 이 중에서 C중유(bunker C)를 저질 중유라 한다. 다음 표 4-2는 중유의 JIS 규격이다.
표 4-2 중유의 JIS (Japanese Industrial Standard) 규격 종류
구분 반응 인화점 유동점 잔유탄소 회 분 유 황 용 도 1종
(A중유) 1호 2호
중성 중성
60℃이상 60℃이상
5℃이하 5℃이하
4%이하 4%이하
0.05%이하 0.05%이하
0.5%이하 2.0%이하
금속 제련 소형 디젤
기관 2종
(B중유) 중성 60℃이상 10℃이하 8%이하 0.05%이하 3.0%이하 내연기관
3종 (C중유)
1호 2호
3호 4호
중성 중성
중성 중성
70℃이상 70℃이상
70℃이상 70℃이상
- -
--
- -
--
0.1%이하 0.1%이하
0.1%이하 -
1.5%이하 3.5%이하
1.5%이하 -
철강용 대형 보일러
대형 저속 디젤 기관
철강용 일반용
4-2 연료유의 특성
연료유의 중요한 특성으로 인화점, 발화점, 유동점, 응고점, 점도, 비중 그리 고 발열량 등의 항목이 있다. 보일러 취급자는 이러한 특성을 잘 이해함으로 써 연료유를 안전하고 가장 효율적으로 취급할 수 있다.
4-2-1 인화점
어떤 물질(휘발성 물질)에서 가연성 증기가 발생되어 접근한 불꽃에 의하여 불이 붙는 가장 낮은 온도를 인화점(flash point)이라 한다. 이것은 기름을 공
급, 이송, 펌핑(pumping)하며 기름을 취급하는 사람들에게 주의해야 할 위험
한계온도를 나타내므로 매우 중요하다.
4-2-2 발화점
물질을 공기 또는 산소중에서 가열할 때 스스로 발화하여 연소하기 시작하 는 최저온도를 발화점(ignition point)이라 하며, 연소가 5초이상 지속되는 최 초의 온도를 연소점(fire point)이라 한다. 연소점은 인화점보다 0～10℃정도 높은 온도이다.
4-2-3 유동점과 응고점
기름이 흘러 움직이는 가장 낮은 온도를 유동점(pour point)이라 한다. 유동 점보다 2.5℃ 낮은 온도를 연료유가 응결하는 온도, 즉 응고점(solid point)이
라 한다. 응고점은 선박용 연료를 선택하는데 중요한 요소이며, 그 이유는 한 랭 해역을 항해하는 선박의 연료저장 탱크내에 있는 연료유가 액체 상태로 유 지되어야 하기 때문이다.
응고점의 측정은 시험 용기 안에 기름을 넣은 후 이것을 다시 얼음과 염화칼
슘(CaCl2)으로 채워진 단열 용기에 넣고 냉각시켜 고체화되었을 때의 온도를
측정하는 것이다.
4-2-4 점도
점도(viscosity)는 보일러의 버너(fuel oil burner)에서 양호하게 분사시키기 위해서는 연료유를 어느 정도 가열해야 되는지를 결정해 주는 중요한 특성이 다. 점도는 기름의 유동성의 정도이며, 기름이 갖는 내부 저항이다. 점도 측정 은 일정한 온도 하에서 일정한 양의 기름이 점도계의 오리피스(orifice)를 모두 통과하는데 걸리는 시간(second)으로 표시한다.
1) 점도계의 종류
레드우드 점도계(Redwood Viscometer)
15℃(60℉)의 기름 50㏄(㎖)가 이 점도계의 오리피스를 모두 통과하는데 걸리
는 초수로 측정하며, 주로 일본, 영국 등지에서 사용된다.
세이볼트 점도계(saybolt Viscometer)
122℉(50℃)의 기름 60㏄가 점도계의 오리피스(orifice)를 통과하는데 걸리는 초
수(second)로 나타내며, 주로 미국에서 사용된다. 그런데 오리피스에는 점도가
높은 기름을 측정할 때 쓰는 퓨롤 오리피스(furol orifice)가 있다. 전자는 중유 에 주로 사용되며, 후자는 경유나 등유를 측정하는데 사용된다.
퓨폴 오리피스를 사용한 점도계를 세이볼트 퓨롤 점도계, 유니버셜 오리피
스를 사용한 점도계를 세이볼트 유니버셜 점도계라고 한다. 이 점도계의 차이 는 오리피스에 있으며 퓨롤 오리피스가 유니버셜 오리피스보다 배출 구멍이 10배 크다.
앵글러 점도계(Engler Viscometer)
20℃의 기름 200㏄가 이 점도계의 오리피스를 통과하는 시간과 동일한 온도, 동일한 용적의 물이 유출하는 시간과의 비를 앵글러 도수로 나타내며, 주로 독일, 러시아 등에서 사용하고 있다.
절대 점도계(absolute Viscometer)
일정량의 기름이 이 점도계의 오리피스를 통과하는 시간을 측정하여 나타내 며, 단위로는 포아즈(poise)라는 CGS 단위가 사용된다. 포아제이유(poiseuille) 의 법칙으로부터 흐름의 저항 또는 내부 마찰이 있는 유체에서 1cm²의 평면 이 1cm/sec의 속도로 움직이는 경우의 일을 절대 점도 1 포아즈(poise:g/c m․s=dyn․s/cm²)라 한다.
4-2-5 비중
표준 상태 하에서 일정 체적의 물의 무게와 이와 같은 체적의 어느 물질의 무게와의 비를 비중(specific gravity)이라 한다. 예를 들면 15℃에서 60㏄의 연 료유의 무게가 45g이고, 15℃의 물 60㏄가 60g이라면 이 연료유의 비중은 0.75 가 된다. 일반적으로 같은 증류 범위의 기름이라면 비중이 낮을수록 질이 좋 은 연료유이다.
4-2-6 수분 및 침전물
연료유 속에 함유된 수분 및 침전물(sediment)은 불순물로 취급되는 것으로
서 연소 장치에 피해를 주며 불완전 연소를 일으킨다. 수분은 버너에서의 연 료 분사 상태를 나쁘게 하며 부식을 일으키고 불완전 연소와 함께 백색 연기 를 내게 한다. 또 과도한 양이 함유되었을 경우에 보일러를 소화시키는 결과 를 초래한다. 그리고 침전물은 연료유 펌프와 버너의 분무기 등을 부식, 마모 시키며 구멍을 막히게 한다.
4-2-7 발열량
연료 중의 가연 성분은 탄소, 수소 및 황이다. 연료는 일정한 온도, 즉 점화 온도까지 가열하면 연소를 일으키고, 연료 중의 탄소, 수소 및 황은 공기 중의 산소와 화합하여 산화하면서 열을 발생시킨다. 이들에 대한 화학반응식과 발 열량은 표 4-3과 같다.
이 표에서 탄소가 산소의 부족으로 불완전 연소하여 일산화탄소(CO)가 될 경우의 발열량은 완전 연소할 때 발열량의 약 30% 정도밖에 되지 않는다.
가 연 원 소 화 학 반 응 식 C
12㎏ 32㎏ 44㎏
C
12㎏ 16㎏ 28㎏
H
2㎏ 16㎏ 18㎏
S
32㎏ 32㎏ 64㎏
표 4-3 연 소 반 응 식