홍라이프 계산기연료 발열량 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
발열량은 연료 1 kg이 완전히 탈 때 내는 열량입니다. 열량계 시험값이 없을 때는 석탄 같은 고체 연료의 원소분석 결과를 듈롱(Dulong) 식에 넣어 발열량을 추정할 수 있습니다. 이 계산기는 고위발열량(HHV)과 저위발열량(LHV)을 MJ/kg 단위로 구합니다.
계산 방법
- HHV = 0.338 C + 1.442 (H − O/8) + 0.094 S (C, H, O, S는 질량 %이며, 질량분율로 쓰면 계수가 33.8, 144.2, 9.4 MJ/kg입니다)
- LHV = HHV − 2.442 × (9 H/100 + w/100) (w는 수분 질량 %)
2.442 MJ/kg은 25 °C에서 물의 증발잠열이고, 9는 수소가 만드는 물의 질량으로 바꾸는 계수입니다(수소 2 kg이 물 약 18 kg이 됩니다).
원리
듈롱은 연료를 원소의 혼합물로 보고 각 원소의 연소열을 더했습니다. 탄소는 1 kg당 약 33.8 MJ, 수소는 약 144 MJ, 황은 약 9.4 MJ입니다. 연료 속 산소는 이미 수소와 결합해 물로 존재한다고 보아 산소 질량의 8분의 1을 수소에서 빼며, 남은 '유효 수소'만 탄다고 계산합니다. 고위발열량은 배기가스 속 수증기가 응축하며 내는 열까지 포함하고, 저위발열량은 물이 증기로 빠져나간다고 보아 생성된 물과 연료 수분의 증발잠열을 뺀 값입니다.
예제 풀이
- 기본값은 C 75%, H 5%, O 8%, S 1%, 수분 5%입니다.
- 유효 수소는 5 − 8/8 = 4%입니다.
- HHV = 0.338 × 75 + 1.442 × 4 + 0.094 × 1 = 25.35 + 5.768 + 0.094 = 31.212 MJ/kg입니다.
- 연료 1 kg당 배기가스의 물은 9 × 0.05 + 0.05 = 0.5 kg입니다.
- LHV = 31.212 − 2.442 × 0.5 = 29.991 MJ/kg입니다.
| 탄소 (wt%) | 고위발열량 HHV (MJ/kg) |
|---|---|
| 18.8 | 12.1995 |
| 37.5 | 18.537 |
| 56.2 | 24.8745 |
| 75 | 31.212 |
| 93.8 | 37.5495 |
| 112 | 43.887 |
| 150 | 56.562 |
결과 해석
30 MJ/kg 안팎은 품질 좋은 역청탄 수준입니다. 갈탄이나 목재는 산소와 수분이 많아 훨씬 낮고, 메탄은 수소가 많아 고위발열량 약 55.5 MJ/kg, 저위발열량 약 50 MJ/kg에 이릅니다. 수소와 수분이 많을수록 HHV와 LHV의 차이가 커집니다. 같은 보일러라도 LHV 기준 효율이 HHV 기준보다 높게 나오므로 효율 수치를 볼 때는 어느 기준인지 꼭 확인하십시오.
흔한 실수
- 원소분석 값과 수분을 서로 다른 기준(건조 기준, 도착 기준)으로 넣는 경우
- 수분에 든 수소와 산소를 원소분석과 수분 입력에서 이중으로 세는 경우
- 산소가 많은 바이오매스에 듈롱 식을 그대로 적용하는 경우(오차가 커집니다)
자주 묻는 질문
총발열량과 진발열량은 무엇인가요?
총발열량은 고위발열량, 진발열량은 저위발열량과 같은 뜻으로 쓰입니다.
엔진과 가스터빈은 왜 저위발열량을 쓰나요?
배기가스가 뜨거워 수증기가 응축하지 않으므로 증발잠열을 회수하지 못하기 때문입니다.
질소와 회분은 어떻게 되나요?
열을 내지 않으므로 연료를 희석해 kg당 발열량을 낮출 뿐입니다.
출처: Perry's Chemical Engineers' Handbook, section on fuels and combustion. McGraw-Hill. · Speight, J. G. Handbook of Coal Analysis. Wiley.