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수소 연소의 반응 속도론 메커니즘에 남아있는 불확실성

전문가 제언: ○ 수소는 가장 가볍고 기본적인 기체 연료이다. 연소 중 수증기 외의 어떤 공해물질도 배출하지 않고 그 연소 공정을 쉽게 제어할 수 있으며 편리하여 오늘날의 전기와 함께 미래의 중요한 에너지 매질이 될 것으로 기대되고 있다. 더구나 현재 사용하고 있는 천연가스의 기반시설을 최소한의 개조로 그대로 사용할 수 있는 장점도 있다. 이러한 에너지 공학적인 중요성 외에도 수소는 그 가장 기본적인 연료라는 점에서 본문에서와 같이 연소 현상, 특히 화염과 산화 반응을 연구하는 대상으로 사용된다.

○ 화염은 연료가 산화제(순수 산소 또는 공기)와 반응하는 영역을 말한다. 연료의 산화는 매우 빠른 반응이지만 그 반응 속도가 유한함으로 연료가 처음으로 산화제를 만나는 점에서부터 연료가 완전히 연소하여 소진하는 점까지 연료와 산화제가 공존하는 영역이 화염으로 정의된다. 그러나 그 반응 메커니즘은 온도의 함수이기도 하기 때문에 반응이 지속될 만큼 그 온도가 충분히 높지 않으면 연료와 산화제가 공존하면서도 연소는 일어나지 않는 경우도 있게 된다.

○ 연소 현상의 성격을 잃지 않으면서 문제를 단순화하기 위하여 무한 반응속도를 가정하는 경우도 있다. 이 때는 연료와 산화제가 접촉하는 즉시 온도나 그 밖의 조건을 불문하고 반응이 종결됨으로 부피가 없는 면으로 된 화염이 성립된다. 즉 화학적 연소 반응을 단순화하는 대신 유체 역학적 기체의 대류 현상이 연소 공정에 미치는 영향을 성찰할 수 있게 된다.

○ 본문에서 많이 사용한 관형 반응기에는 화염의 개념을 적용할 수 없다. 즉, 연료(여기서는 수소), 산화제 그리고 비활성 기체의 혼합물이 반응기에 들어와 반응기를 나갈 때까지 반응이 계속되기 때문이다. 본문은 반응기를 단열 상태로 규정하였음으로 초기온도만 결정되면 반응하는 양과 연소열에 의하여 반응기 내의 온도는 계속 상승하나 이의 조정은 불가능하여 온도는 종속변수가 된다. 따라서 중요 반응 물질(연료 또는 산화제 중 화학양론적으로 양이 적은 물질)이 50% 소진되는 점에서 실험치를 일치시키는 참조 점을 만드는 것이 보통이다.

저자: Konnov, AA; AF Konnov, Alexander A.
자료유형: 학술정보