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에너지관리기사 연소설비 · 연소반응식과 이론산소량

Combustion Reactions and Theoretical Oxygen

연소반응식을 보면 탄소 · 수소 · 황이 산소와 몇 몰씩 결합하는지 알 수 있고, 이론산소량은 그 비율로 구하는 연소 계산의 첫 단계다. 연료 1 kg에 든 원소의 질량분율에 계수 1.867 · 5.6 · 0.7을 곱해 더하고, 연료 속 산소는 0.7O만큼 뺀다. 그림은 원소마다 필요한 산소량을 이어 쌓은 막대와 반응식별 계산, 합계 O₀예요. 탄소 · 수소 · 황 슬라이더로 조성을 바꾸면 막대 길이와 O₀ 값이 함께 바뀌어요.

연소는 산소와 정해진 양만큼 결합하는 반응이다

연소는 연료 속의 탄소 · 수소 · 황이 산소와 결합해 열을 내는 화학 반응이다. 원소마다 산소와 결합하는 비율이 반응식으로 정해져 있으므로, 연료의 원소 조성만 알면 필요한 산소량을 정확히 계산할 수 있고 이 계산이 연소 계산의 출발점이 된다.

👀 세 가지 연소반응식
①탄소: C + O₂ → CO₂(C 1몰에 O₂ 1몰)
②수소: H₂ + ½O₂ → H₂O(H₂ 1몰에 O₂ ½몰)
③황: S + O₂ → SO₂(S 1몰에 O₂ 1몰)
④연료 속 산소는 이미 결합한 몫이라 필요한 산소에서 빼요

원소 조성으로 이론산소량 O₀ 구하기

85 %
12 %
2 %
현재 이론산소량 O₀
O0 = 2.273 Nm3/kg
O₀ = 1.867C + 5.6H + 0.7S(질량분율 · 연료 산소 0)
📏 계수는 어디서 나오나(표준 상태 22.4 Nm³/kmol)
①C: 1 kg = 1/12 kmol이고 O₂도 같은 몰수 → (1/12)×22.4 = 1.867 Nm³
②H: 1 kg = 1/2 kmol H₂, O₂ 1/4 kmol → (1/4)×22.4 = 5.6 Nm³
③S: 1 kg = 1/32 kmol이고 O₂도 같은 몰수 → (1/32)×22.4 = 0.7 Nm³
④연료 산소 O 1 kg은 O₂ 1/32 kmol이라 (1/32)×22.4 = 0.7 Nm³만큼 뺀다(5.6×O/8 = 0.7O)

연료 속 산소는 왜 빼는가

연료에 산소(O)가 이미 들어 있으면 그만큼은 바깥에서 공급하지 않아도 된다. 그래서 이론산소량 식에는 연료 산소를 빼는 항이 붙는다. 연료 산소가 수소 O/8과 짝을 이루어 물이 된다고 보면, 그 수소가 쓸 산소 5.6 × O/8이 빠지므로 빼는 계수는 0.7이 된다.

🔑 유효수소
①연료 산소는 수소 일부와 이미 물(H₂O)로 결합해 있다고 봐요
②그 결합에 쓰인 수소 = O/8(질량비 H : O = 2 : 16 = 1 : 8)
③실제로 타는 유효수소 = H - O/8
④그래서 5.6(H - O/8) = 5.6H - 0.7O로 정리돼요

핵심 공식

이론산소량(체적)
O0 = 1.867C + 5.6H + 0.7S - 0.7O
단위 Nm³/kg · C · H · S · O는 질량분율(0 ~ 1)
유효수소로 정리
O0 = 1.867C + 5.6(H - O8) + 0.7S
연료 산소를 수소 O/8과 짝지어 뺌
질량 기준 이론산소량
O0 = 2.667C + 8H + S - O
kg/kg 단위(참고 · 체적식과 구분)

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①체적 이론산소량 O₀ = 1.867C + 5.6H + 0.7S - 0.7O [Nm³/kg]
②계수 1.867 · 5.6 · 0.7은 22.4 Nm³/kmol에서 나온다
③질량식 O₀ = 2.667C + 8H + S - O [kg/kg]와 섞어 쓰지 않아요
④연료 산소 O는 반드시 빼고, 유효수소는 H - O/8이에요
⑤C · H · S · O는 %가 아니라 질량분율(0 ~ 1)로 넣는다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] C = 0.85, H = 0.12, S = 0.02, O = 0인 중유의 O₀는? (답: 1.867×0.85 + 5.6×0.12 + 0.7×0.02 = 1.587 + 0.672 + 0.014 ≒ 2.273 Nm³/kg)
②[기출유형] 탄소 1 kg을 완전 연소하는 데 필요한 이론산소량(체적)은? (답: 1.867 Nm³)
③[기출유형] 수소 1 kg을 태우는 데 필요한 산소량(체적)은? (답: 5.6 Nm³)
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