연소란 무엇입니까?

연소는 연료와 산화제(일반적으로 산소) 사이의 일종의 화학 반응으로, 열과 빛(대부분은 불꽃)의 형태로 에너지를 생성합니다. 연소는 소모하는 것보다 더 많은 열 에너지를 생성하기 때문에 발열 반응입니다. 환원(전자 획득)과 산화(전자 손실)를 포함하므로 산화 환원 반응으로 분류됩니다. 

대부분의 연소 반응은 연소 과정을 시작하기 위해 스파크나 불꽃의 에너지가 필요합니다. 화학 반응이 산화 과정을 계속하기에 충분한 에너지를 생성하는 경우, 이를 자생(self-sustaining) 연소라고 합니다. 

연소 반응은 건물 난방, 음식 조리, 자동차 동력 공급, 항공기 추진, 로켓 발사, 전기 생산 등을 가능하게 합니다. 탄화수소 기반 연소, 특히 화석 연료 사용이 증가하면서 지구 대기 중에 열을 가두는 탄소 함유 분자가 증가하고 있습니다. 

그렇기 때문에 연소에 대한 연구, 즉 연소 과학이 점점 더 중요해지고 있습니다. 과학자와 엔지니어는 다양한 연료와 산화제를 사용하여 보다 효율적인 반응을 일으켜 배출가스를 줄이고, 유해한 부산물을 줄이며, 지속 가능하거나 저렴한 가연성 물질을 연료원으로 사용하기 위해 노력합니다. 연소 과정을 최적화하면 성능, 비용, 배출을 크게 개선할 수 있습니다.

산화 환원 반응은 두 물질 사이에서 전자가 전달되는 반응입니다. 주어진 원자 또는 분자의 전자 수를 산화수라고 합니다. 산화-환원 반응은 광합성, 호흡, 부식 또는 녹, 연소 등 삶의 기본 기능에 필수적입니다. 

일반적인 연소 반응을 살펴보기 전에 연소 화학을 설명하는 데 사용되는 몇 가지 주요 용어를 살펴보겠습니다.

• 산화제: 전자를 받아들이는 이온 또는 분자를 말합니다. 산화제는 다른 물질의 분자에서 전자를 제거하거나 산화시킵니다.
• 환원제: 전자를 기증하는 이온 또는 분자를 말합니다. 환원제는 다른 물질의 분자에 전자를 추가하거나 환원시킵니다. 
• 연료: 환원제로 구성된 물질입니다. 가장 기본적인 연료는 수소 분자입니다. 대부분의 연료는 탄화수소이지만 일부 금속 및 인(phosphorus)과 같은 고반응성 원소가 연소 반응에서 연료로 사용됩니다. 
• 배출: 연소의 산물인 이온과 분자를 말합니다. 열과 빛은 연소의 바람직한 결과이지만, 연소 과학의 상당 부분은 배기가스 배출을 이해하고 최소화하는 데 중점을 둡니다. 
• 탄화수소: 수소와 탄소를 포함하는 분자로, 다른 유기 및 무기 화합물과 결합하는 경우가 많습니다. 탄화수소는 목재와 같은 물체에서 유기적 과정을 통해 생성될 수 있습니다. 화석 연료는 연소에 사용되는 가장 일반적인 형태의 탄화수소입니다. 화석 연료는 수백만 년 동안 열과 압력을 받아 석유, 석탄, 천연가스 같은 복잡한 분자를 형성하는 유기 탄화수소입니다. 
• 탄소 산화물: 탄소 및 산소 원자만 포함하는 분자, 일반적으로 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)입니다. 탄소산화물은 탄소를 함유한 연료의 연소에서 가장 흔한 배출물입니다. 
• 질소산화물: 질소와 산소 원자만 포함된 분자입니다. 공기 중 연소로 인해 발생하는 가장 흔한 두 가지 질소 산화물은 산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)입니다. NO와 NO2의 모든 조합을 NOx라고 합니다. NOx는 대기 오염의 중요한 원인입니다. 
• 화염: 연소 중인 가스의 가열된 조합입니다. 화염의 내부 또는 중심부는 기체 산화제와 연료의 혼합물로 구성되며, 외부 또는 화염 전면은 연소 반응이 일어나는 곳입니다. 반응에 의해 생성된 열은 가스의 전자를 여기시키고, 여기된 전자가 붕괴하여 에너지 준위가 낮아지면 광자 형태로 에너지를 방출합니다. 
• 촉매: 화학 반응의 속도를 높이는 물질입니다. 촉매 물질은 연소에서 연소 반응의 효율을 높이고, 더 낮은 온도에서 연소 반응을 일으키며, NOx와 같은 원치 않는 배출물을 줄이는 데 사용됩니다. 
• 열분해: 산화를 수반하지 않는 열로 인해 물질이 분해되는 것을 말합니다. 연소 시 액체 및 고체 연료는 열분해를 통해 기체로 전환된 다음 연소합니다.

연소 화학 방정식

가장 간단한 형태의 연소는 수소를 태우는 것입니다. 수소 분자 두 개와 산소 분자 하나를 결합하여 수증기를 생성합니다.

2H2 + O2 → 2H2O + 286 kJ/mol of heat

산소 분자는 이중 결합을 가진 두 개의 원자로 구성되어 있기 때문에 열 형태의 에너지가 생성됩니다. 열이 가해지면 결합이 끊어지면서 더 많은 에너지가 방출됩니다. 

가장 단순한 탄화수소 반응물은 메탄( CH4)입니다.

CH4 + 2O2 →  CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol of heat

메탄 분자는 탄소 원자와 각 수소 원자 사이에 4개의 단일 결합을 가지고 있기 때문에 메탄을 연소하면 몰당 더 많은 열을 생성합니다. 

프로판(C3H8)은 탄소-탄소 결합이 2개, 수소-탄소 결합이 8개 입니다.

C3H8 + 5O2 →  3CO2 + 4H2O + 2,220 Kj/mol of heat

가솔린은 복잡한 연료이지만 주요 환원제는 옥탄으로, 탄소 원자 8개가 수소 원자 18개에 결합되어 있습니다. 그 결과 탄소-탄소 결합이 7개, 수소-탄소 결합이 18개가 됩니다.

2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + 5,483 kJ/mol of heat

화학량적인 연소 반응은 연료와 산소의 양이 정확히 일치하여 가능한 한 많은 열을 발생시키고 연소 효율을 극대화하는 이론적으로 이상적인 반응입니다. 

배출

완전 연소 시 연소 배출물은 물 또는 탄소가 존재하는 경우 물과 이산화탄소입니다. 그러나 대부분의 연소에는 다른 분자, 불완전한 반응, 추가 배출물을 생성하는 2차 반응이 포함됩니다. 원치 않는 추가 배출물을 오염 물질이라고 하며, 연소 과학의 대부분은 이러한 원치 않는 배출물을 줄이는 데 중점을 둡니다.

대부분의 경우 공기 중의 질소는 불활성이며 연소에 관여하지 않습니다. 그러나 산소는 높은 연소 온도에서 질소와 결합하여 NOx(질소산화물)를 생성할 수 있습니다. 또한 사용 가능한 산소량이 너무 적어 연료와 완전히 반응하지 못하면 이산화탄소 대신 일산화탄소가 형성될 수 있습니다. 휘발성 유기 화합물은 연소 중 저온에서도 형성될 수 있습니다. 끓는점이 낮은 이러한 화합물은 다른 유기 화학물질과 쉽게 반응하여 원치 않는 오염 물질을 생성합니다. 

연소 효율에 영향을 미치는 요인

다양한 특성이 연소 효율을 좌우합니다. 엔지니어가 이러한 요소를 고려하여 설계하면 특정 연소 응용 분야의 열역학 효율을 높일 수 있습니다.

• 연료 화학: 연소 반응에서 방출되는 에너지와 배출물을 결정하는 가장 중요한 요소는 산화되는 연료의 화학 및 분자 구성입니다. 분자 결합은 연소를 시작하는 데 필요한 에너지와 생성되는 열을 결정합니다. 원소 구성, 특히 연료의 비탄화수소 원소는 생성되는 배출물의 종류를 결정합니다. 합성 가스, 바이오 연료 및 재생 제트 연료와 같은 새로운 연료 솔루션을 설계 및 개선하고 연료 화학을 개선할 수 있는 첨가제를 탐색하기 위해 연료 화학 분야에서 상당한 연구가 수행되고 있습니다. 엔지니어는 Ansys Model Fuel Library를 사용하여 기존 연료의 속성과 최신 대체 연료의 속성에 쉽게 접근할 수 있습니다. 
• 연료와 산소의 비율: 연소 시 산화 반응은 연료와 반응할 수 있는 산소의 양에 의해 좌우됩니다. 목표는 연료가 완전히 연소되고 원치 않는 반응이 일어나지 않도록 적절한 혼합물을 얻는 것입니다. 
• 온도: 연소의 화학 반응 속도는 반응이 일어나는 온도에 의해 좌우됩니다. 온도가 너무 낮으면 연료 내 가연성 물질의 일부만 산화되고, 온도가 너무 높으면 원치 않는 반응이 일어나 질소산화물(NOx)이 생성될 수 있습니다. 
• 압력: 연소 반응에서 가스의 압력이 높을수록 반응이 더 빨리 일어나고 더 많은 열이 발생합니다. 그래서 내연 기관 및 터빈 엔진과 같은 많은 연소 응용 분야에서 압축 단계를 볼 수 있습니다. 
• 믹싱: 연소가 일어나려면 화학 반응에 관여하는 분자가 물리적으로 가까이 있어야 합니다. 따라서 이 두 가지가 어떻게 믹싱되는지 설계하는 것이 효율성에 매우 중요합니다. 난류, 가스 속도, 화염 모양은 모두 이러한 믹싱이 발생하는 방식을 좌우합니다. 
• 화염 모양 및 안정성: 연소 반응은 화염 전면에서 일어나기 때문에 화염 자체의 모양과 안정성은 연소 시스템을 설계하는 데 중요한 부분입니다. 화염과 공기 사이의 화염 내 열 전달은 연소 과정의 온도와 효율성을 좌우합니다. 

설계자는 이러한 다양한 요소의 균형을 맞추는 데 많은 어려움을 겪습니다. 예를 들어, 연소의 화학 반응 속도는 믹싱, 연료 비율, 온도 및 압력의 조합에 의해 좌우됩니다. 엔지니어는 반응 흐름을 시뮬레이션하고 설계를 최적화하여 효율을 높이고 부산물과 폐기물을 최소화하기 위해 Ansys Chemkin-Pro™ 소프트웨어와 같은 도구를 사용하는 경우가 많습니다. Chemkin-Pro 소프트웨어는 형상과 무관하게 화학 반응을 모델링합니다. 

정확한 난류, 연소 모델링 및 다종 유동이 포함된 범용 CFD 소프트웨어 프로그램(예: Ansys Fluent 소프트웨어)은 하나의 가상 환경에서 모든 요소를 포착하는 데 매우 중요합니다. 각 요소를 탐색, 이해 및 최적화할 수 있습니다. Fluent 소프트웨어와 같은 도구는 유체 흐름과 연소의 3차원 측면을 모델링합니다. 

모든 연소 반응은 유사한 화학 반응을 수반하지만, 그 반응이 일어나는 방식은 연소 유형과 반응의 효율 및 배출에 따라 달라집니다. 

가장 일반적인 연소 유형은 다음과 같습니다. 

• 완전 연소: 연소 반응에서 모든 연료가 완전히 소모되는 것을 완전 연소라고 합니다. 연료를 완전히 사용하는 것이 이상적이며, 연소 시스템의 설계는 가능한 한 완전 연소에 가깝게 달성하는 데 중점을 둡니다. 
• 불완전 연소: 연소 반응에서 산소가 충분하지 않으면 불완전 연소라고 합니다. 그을음과 재는 일산화탄소와 함께 불완전 연소의 부산물입니다. 탄화된 연료가 남기 때문에 탄화라고도 합니다. 
• 자연 연소: 일부 산화 반응은 외부 에너지를 추가하지 않고도 연소를 시작하기에 충분한 열을 발생시킵니다. 예를 들어, 인은 헝겊에 방치하면 일부 오일과 바니시와 마찬가지로 공기 중에서 자연적으로 연소합니다. 일부 박테리아 발효 과정에서도 연소를 시작하기에 충분한 열을 발생시킬 수 있습니다. 
• 훈소: 느리고 화염이 없는 연소를 훈소라고 합니다. 훈소는 산화 과정이 기체 연료가 아닌 고체 연료의 표면에서 일어날 때 발생합니다. 훈소는 느린 연소라고도 할 수 있습니다. 
• 급속 연소: 열과 빛을 발산하는 화염에서 연소가 일어나는 것을 급속 연소라고 합니다. 연소의 대부분 산업적 응용 분야는 급속 연소로 간주됩니다. 
• 폭발성 연소: 연소가 빠르게 일어나 가스가 급격하고 강력하게 팽창하는 것을 폭발성 연소라고 합니다. 폭발성 연소는 일반적으로 탄화수소와 산화 분자를 모두 포함하는 화학 물질을 점화하여 달성됩니다. 

연소에는 다양한 용도와 응용 분야가 있습니다. 대부분의 연소 응용 분야에서는 조리와 같은 추가 화학 반응에 열을 사용하거나, 내연 기관과 같이 기계적 작업을 수행하는 데 사용되는 가스를 팽창시키는 데 열을 사용합니다. 전기 조명이 도입되기 전까지는 연소가 인공 빛의 유일한 원천이었습니다. 전기는 또한 많은 열 기반 및 압력 생성 연소 응용 분야를 대체하고 있습니다. 

연소가 사용되는 가장 일반적인 방식은 다음과 같습니다.

• 조명: 선사 시대부터 인간은 연소할 때 방출되는 빛을 이용해 조명을 제공해 왔습니다 전기가 들어오지 않는 곳이나 촛불의 낭만을 원할 때는 여전히 프로판과 오일 램프를 사용합니다. 
• 난방 및 조리: 인간은 또한 선사시대부터 연소를 사용하여 열을 공급하고 음식을 조리해 왔습니다. 기술과 인구가 증가하면서 연소 기반 난방 및 조리는 나무나 토탄을 태우는 것에서 석탄으로, 그리고 천연 가스로 옮겨갔습니다. 
• 자연 화재: 산불, 들불, 잡목림 화재의 형태로 자연에서 발생하는 연소는 생물학적 시스템의 중요한 부분입니다. 인위적이지 않은 자연 화재는 대개 번개로 시작됩니다. 
• 내연기관 엔진(ICE): 피스톤 내부에서 연소가 일어나면 열 발생으로 인해 팽창하는 가스가 기계적 에너지로 변환될 수 있습니다. 연소 전에 공기-연료 혼합물을 압축하는 데에도 동일한 피스톤이 사용됩니다. ICE는 지속적으로 개선되는 고도로 최적화된 장치입니다. 많은 엔지니어가 Ansys Forte 소프트웨어를 사용하여 ICE에서 발생하는 독특하고 시뮬레이션하기 어려운 연소를 최적화합니다. 
• 항공기 엔진, 동력 및 펌핑용 터보 기계: 연소로 인해 팽창하는 가스는 회전 터빈을 사용하여 기계적 에너지로 변환할 수도 있습니다. 회전 에너지는 연소 전에 공기를 압축하는 데에도 사용됩니다. 터보 기계류는 항공기에 동력을 공급하고, 펌프를 작동시키고, 전기 에너지를 생성하는 데 사용됩니다.
• 회전 데토네이션 엔진(RDE): 기계적인 작업으로 엔진에서 연료-공기 혼합물을 기계적으로 압축하는 대신, RDE는 환형으로 이동하는 초음속 파면을 사용하여 움직이는 부품 없이 공기-연료 혼합물을 크게 압축합니다. 
• 로켓 추진: 폭발적 연소가 연소실의 한쪽에서 억제되지 않으면 로켓 추진이 됩니다. 액체 연료 로켓은 액체 산소와 액체 연료(일반적으로 액체 수소 또는 액체 메탄)를 사용합니다. 고체 연료 로켓 엔진은 산화제와 반응제의 혼합물인 추진제를 사용하며, 하이브리드 로켓 모터는 고체 탄화수소 폴리머와 아산화질소 또는 액체 산소와 같은 액체 산화제를 결합합니다. 
• 산업용 버너: 연소에서 나오는 열은 증류나 재료 용융과 같은 다른 화학 공정을 위한 산업용 응용 분야에서도 사용할 수 있습니다. 산업용 버너는 물을 끓여 증기를 생성하여 기계 에너지로 변환하거나 증기 난방과 같이 장거리로 열을 전달하는 방법으로도 사용할 수 있습니다. 

연소는 인류가 개발한 최초의 기술 중 하나였지만, 연료, 연소 역학 및 새로운 응용 분야를 중심으로 상당한 R&D와 획기적인 발전을 거치며 여전히 급속한 발전을 겪고 있습니다. 이러한 노력은 화학, 물리학, 유체 역학 및 기계 공학을 결합합니다. 

인공 지능(AI)은 연소의 열화학을 최적화하고 엔지니어가 더 깨끗하고 효율적인 연소에 필요한 고온을 처리하는 새로운 방법을 개발할 수 있는 방향으로 나아가고 있습니다. 

연료에 대한 연구의 대부분은 수소와 바이오 연료, 특히 지속 가능한 항공 연료(SAF)의 사용에 집중되어 있습니다. 항공은 탄소 배출량의 2.4%만 차지하지만, 2050년까지 상업용 항공편의 수는 3배가 될 것으로 예상됩니다. 따라서 지금이야말로 지속 가능하고 기후 변화에 미치는 영향이 적은 연료원을 찾아야 할 때입니다. 

SAF 연료로 간주되려면 기존 제트 연료와 비교했을 때 배출량을 50% 이상 줄여야 합니다. 연료에 수소를 첨가하거나 산업용 버너, ICE 및 터빈 엔진에 수소를 직접 사용하는 연구도 진행 중입니다. 

몇 퍼센트 포인트만 증가해도 발전 비용과 장기 배출량에 큰 차이를 가져올 수 있습니다. 과학자와 엔지니어는 더 많은 에너지를 생산하고 배출량을 낮추기 위해 화염 모양, 화염 안정성, 연소 흐름의 출구 프로파일을 살펴보는 복잡한 시뮬레이션을 구축하고 있습니다. 

다른 그룹들도 연소로 인해 발생하는 가청 소음을 개선하고 유체 모델링, 특히 난류 시뮬레이션을 개선하여 효율성을 향상시키는 방법을 연구하고 있습니다. 

연료와 연소 과정 자체에 이러한 개선이 이루어짐에 따라 여러 산업 분야의 팀들 연소의 새로운 응용 분야를 연구하고 있습니다. 더 빠른 항공기를 만들기 위한 경쟁으로 인해 기체의 전진 속도가 연소를 위해 공기를 압축하는 데 사용되는 램제트 및 스크램제트 설계에서 새로운 발전을 촉진하고 있습니다. 대안 RDE는 전기 에너지 생산에 사용되는 천연 가스 터빈의 주요 효율성 개선을 나타냅니다. 디젤 엔진의 개선으로 기관차와 대형 트럭의 배출물을 줄이기 위해 전기 드라이브트레인과 결합된 고효율 ICE 발전소의 가치를 보여주고 있습니다. 

이러한 모든 노력은 성과를 높이고 연소의 부산물인 온실 가스를 줄이는 보다 지속 가능한 미래를 향해 나아가고 있습니다. 

관련 리소스