배기가스 분석과 공기비 역산

Flue Gas Analysis and Air Ratio

배기 CO₂·O₂·CO만으로 완전연소 여부와 공기비를 역산해요. 측정 한 장이 연소 건전성 판정서가 돼요. 실기 배기가스 분석 문제의 핵심 풀이예요. CO₂·O₂ 값을 바꿔 공기비 역산을 따라가 봐요.

문제 제시: 오르자트 분석값으로 공기비를 구한다

배출가스를 측정하면 CO₂, O₂, CO 농도가 나옵니다. 이 세 값만으로 연소가 완전한지 판정하고, 공기를 얼마나 넣었는지(공기비 m)를 역산할 수 있습니다. CO가 없으면 간이식으로, CO가 검출되면 질소식으로 보정합니다.

📋 주어진 조건 (예제)

①측정값: CO₂ 13%, O₂ 5%, CO 0% (건배기, 부피 %)

②질소는 차감법: N₂ = 100 - CO₂ - O₂ - CO

③요구: 완전연소 판정 + 공기비 m

④공기 조성비 3.76 = 질소 79 ÷ 산소 21

풀이 스텝: 측정값을 돌리며 공기비 역산

CO₂13 %

O₂5 %

CO0 %

① 간이 공기비

m = 1.31

21 ÷ (21 - O₂ 5)

② 질소식 공기비

m = 1.30

N₂ 82 ÷ (N₂ - 3.76(O₂-0.5CO))

💡 두 식을 언제 쓰나

①CO ≒ 0(완전연소): 간이식 m = 21/(21-O₂)이 간편하고 충분

②CO 검출(불완전연소): 질소식으로 미연소분을 보정

③3.76(O₂-0.5CO): 과잉산소에서 CO 반쪽 몫을 되돌려 준다

④완전연소면 두 식 결과가 거의 같아 서로 검산이 된다

CO가 나타나면: 질소식 보정

공기가 부족하면 탄소가 CO₂ 대신 CO로 새어 나옵니다. 이때 간이식은 공기비를 실제보다 높게 보므로, 질소를 기준으로 한 식으로 보정합니다. 예를 들어 CO₂ 12%, O₂ 3%, CO 1%면 N₂ = 84%, m = 84 / (84 - 3.76×(3 - 0.5×1)) = 84 / 74.6 ≒ 1.13 입니다.

공기비 역산 (완전연소)

m = 2121 - O₂

O₂는 배기 산소 부피 %, CO 무시

공기비 역산 (불완전연소)

m = N₂N₂ - 3.76(O₂ - 0.5 CO)

N₂ = 100 - CO₂ - O₂ - CO (차감법)

🔑 완전연소 판정 기준

①배기 CO ≒ 0 이면 완전연소로 본다

②CO가 검출되면 공기 부족(공기비 과소) 신호

③매연·그을음은 미연탄소, 열손실과 오염을 함께 일으킨다

④O₂를 최소로 두되 CO가 나오지 않는 지점이 최적 운전점

검산: 예제 숫자 되짚기

CO₂ 13%, O₂ 5%, CO 0%을 대입하면 CO가 없으니 완전연소, 간이식 m = 21÷(21-5) = 21/16 ≒ 1.31, 질소식 N₂ = 100-13-5 = 82, m = 82÷(82-3.76×5) = 82/63.2 ≒ 1.30 으로 두 방식이 거의 일치합니다(현재 완전연소).

핵심 관계식

m = 2121 - O₂ 또는 N₂N₂ - 3.76(O₂ - 0.5 CO)

완전연소면 간이식, CO가 있으면 질소식으로 보정

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①완전연소·CO 무시: m = 21/(21-O₂) 는 최빈출 역산식

②불완전연소: m = N₂/(N₂ - 3.76(O₂ - 0.5CO))

③3.76 = 공기 중 N₂/O₂ = 79/21

④N₂는 오르자트 차감법 (100 - CO₂ - O₂ - CO)

⑤배기에 CO가 있으면 곧 공기 부족(불완전연소) 신호

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 배기 O₂ 5%(CO 0)일 때 공기비는? (답: 21/(21-5) = 21/16 ≒ 1.31)